Геосистемы (литосистемы) и их свойства

Литосферу в целом, как и любые выделенные ее части (геологические тела), целесообразно рассматривать как системы. Системы, компоненты которых представлены твердыми, жидкими или газообразными составляющими литосферы и присущими им физическими полями, называются геологическими системами (литосистемами). На практике, в производственной и научной деятельности, геологи имеют дело не с литосферой вообще, а с какими-то ее конкретными частями, объемами — геологическими телами, которые следует рассматривать как литосистемы. Чаще всего литосистемы являются приповерхностными, т. е. имеющими границы с атмосферой или поверхностной гидросферой. Выделение геологических объектов (литосистем) и выбор исходного их расчленения на подсистемы — элементы определяются целевым назначением исследований. Литосистемы разделяются на природные и природно-технические (ПТС). Последние отличаются от природных систем тем, что в число их компонентов входят искусственные объекты (элементы искусственной среды) или существенно измененные человеком естественные объекты.

В зависимости от целей исследований литосистему всегда разделяют на подсистемы-компоненты и изучают ее структуру. Совокупность компонентов литосистемы можно рассматривать на разных уровнях. Одну и ту же литосистему можно разделить на разные подсистемы, используя различные критерии их выделения, и получить для нее несколько структур. Если расчленение или декомпозиция литосистемы предусматривают использование вещественного фактора, то в зависимости от ее масштаба в качестве подсистем могут быть выделены геологические формации, генетические комплексы пород или другие более мелкие геологические тела. Их отношения дают геологическую структуру литосистемы, которая традиционно называется геологическое строение. Декомпозиция литосистемы, реализующая структур нотектонически и подход или основанная на учете трещиноватости, потребует выделения в качестве подсистем структурных блоков того или иного порядка, ограниченных тектоническими нарушениями или трещинами. В результате мы получаем тектоническую структуру литосистемы или структуру, обусловленную трещиноватостью. Жидкая фаза литосферы представлена в основном водами, имеющими различную минерализацию и температуру. Если требуется исследование гидрогеологической структуры литосистемы, то ее компонентами, в зависимости от масштаба литосистемы, будут водоносные бассейны разных порядков, водоносные комплексы или горизонты, выделенные по соответствующим критериям (гидродинамическим свойствам, химическому составу или температуре). Для приповерхностных литосистем можно говорить о геоморфологической структуре, определяемой отношением геоморфологических элементов. Компонентами геологической среды нередко являются жидкие углеводороды и газы. Поэтому в соответствующих случаях расчленение литосистемы потребует учета этих компонентов. Таким образом, одна литосистема может иметь разные структуры, устанавливаемые в соответствии с целевым назначением ее исследования.

Геосистемы являются динамическими. Их элементы, отношения и свойства, а значит, и их структура с той или иной скоростью изменяются во времени. В процессе литоаквагенеза под влиянием давления и температуры изменяются химический и минеральный состав пород и подземных вод, отношения твердой, жидкой и газообразной фаз, пористость, трещиноватость и другие свойства литосферы. Следовательно, изменяются отношения между компонентами литосистемы или ее структуры — изменяется ее состояние, т. е. идет геологический процесс.

Состояние литосистемы в любой момент времени (событие) характеризуется набором некоторых величин, свойственных ей в этот момент времени, определяющих ее поведение (функционирование). Количественные данные о структуре и свойствах литосистемы, определяющие ее функционирование, называют показателями состояния, или координатами, системы. Такие показатели могут быть переменными величинами, случайными функциями или геологическими полями. Показатель состояния системы характеризует какое-либо свойство или структуру литосистемы, присущие ей в некоторый момент времени. Например, в качестве показателя состояния литосистемы, движение которой обусловлено оползневым процессом, можно рассматривать мощность оползневого тела, его массу, крутизну склона (угол наклона поверхности скольжения), прочностные характеристики оползающих грунтов.
Состояние литосистемы в некоторый момент времени можно охарактеризовать как набор показателей состояния, присущих системе в этот момент времени и определяющих ее функционирование (набор координат). Движение или функционирование литосистемы есть последовательная смена ее состояний (геологический процесс). Статических литосистем, не изменяющих свое состояние, нет, поэтому, когда в соответствии с целью исследований можно абстрагироваться от движения системы во времени, приняв допущение о постоянстве ее организации, структуры и свойств, целесообразно использовать термин квазистатическая литосистема.

Следует различать однородные и неоднородные геологические системы. Литосистема является однородной, если все показатели ее состояния можно представить в виде набора некоторых величин. Состояние неоднородной литосистемы — набор показателей состояния, представляющих собой функции или геологические поля.
Геологические системы открытые, так как любой объем литосферы, выделенный внутри них, обменивается веществом и энергией с компонентами литосферы, находящимися вне границ выделенного объема. Аналогично в любой литосистеме, являющейся приповерхностным геологическим телом, т. е. телом, имеющим границу с другой средой, осуществляется массоэнергообмен как с другими средами (атмосферой, гидросферой, биосферой, искусственной средой), так и с частями литосферы, расположенными за границами геологического тела.

В соответствии с режимом функционирования во времени можно выделить геосистемы с установившимся режимом (квазиравновесным или квазипериодическим) и литосистемы с неустановившимся (переходным) режимом. Системы с квазиравновесным или квазипериодическим режимами — это в основном латентные (захороненные) литосистемы, отличающиеся консервативностью или достаточно большой инерционностью их структуры, обусловленной устойчивостью систем, по отношению к входным взаимодействиям.

Устойчивость системы — это постоянство состояний системы (квазиравновесный режим системы) или постоянство последовательности смены состояний (квазипериодический режим). Приповерхностные геологические тела, которые в основном изучает инженерная геология, являются активными литосистемами. Они интенсивно взаимодействуют с другими средами: атмосферой, космосом (через атмосферу), поверхностной гидросферой, биосферой, элементами искусственной среды, и их во многих случаях целесообразно рассматривать как системы с неустановившимся режимом. Наконец, геологические системы проявляют черты организованных систем. В них наблюдаются антиэнтропийные явления, величина их избыточности всегда больше нуля, они имеют иерархическую организацию.