Реферат: Симметрия в неживой природе

Анализ элементов симметрии в каждой из осевых систем кристаллических решеток приводит к возникновению 32 классов симметрии. Все многообразие минералов в природе подразделяется на основе 32 классов симметрии. Вооруженные этими знаниями, задумаемся о классификации пяти тел Платона. То, что куб, с его тремя равными осями и тремя прямыми углами, относится к кубической осевой системе (сингонии), не нуждается в доказательстве. В рамках более детального подразделения он принадлежит пентагон - тетраэдрическому классу симметрии. Не стану здесь приводить названий других классов из-за их сложности. Однако стоит обратить внимание на термин «тетраэдрический», так как тетраэдр — одно из платоновых тел.

Тетраэдр можно образовать из куба. Остальные платоновы тела также относятся к кубической системе. Древние греки, надо думать, ужасно расстроились бы, знай они, что такой прозаический минерал, как серный колчедан, имеет ту же симметрию, что и их «совершенные» тела.

4.2. СИММЕТРИЯ ПОМОГАЕТ ОТКРЫВАТЬ МЕСТОРОЖДЕНИЯ

Можно обнаружить широкое распространение проявлений симметрии в строении геологических тел самых различных размеров и происхождения, входящих в состав земной коры. Среди этих проявлений симметрии значительную часть составляют разнообразные симметричные структуры, образование которых связано с разрядкой механических напряжений, возникающих в геологических телах по разным причинам (тектонические движения, сокращение объема при охлаждении или дегидратации и т. д.). Обращение к симметрии этих структур, к закономерной повторяемости их элементов (структурных форм) позволяет подойти к рассмотрению механизмов образования таких структур с принципиально новых позиций.

До сих пор говорилось лишь об элементах симметрии и их сочетаниях, т. е. об общих закономерностях повторяемости фигур и их частей. В кристаллографии, как известно, этим дело не ограничивается, а, исходя из тех же законов симметрии, выводятся формы кристаллических фигур.

Рис. 1. Примеры симметричного распределения геологических структурных форм. б — "лестничные" жилы; д — ступенчатый сброс; е — наклонные складки; ж — прямые складки.

Вспомним, что простыми гранными формами называются совокупности граней, связанных друг с другом элементами симметрии. По-видимому, в некоторых случаях целесообразно воспользоваться этими понятиями геометрической кристаллографии и применить их для характеристики геологических объектов.

В качестве примера рассмотрим простейшие формы блоков пород, изображенные на рис. 2. Так, например, купола, конусовидные вулканы, кольцевые дайки, штоки и некоторые другие структуры обладают вертикальной осью симметрии бесконечного (полная их симметрия — симметрия конуса L P — т). Из других осей симметрии в геология чаще всего встречаются оси второго порядка. Например, симметрия сундучных складок L2 2P — 2mm (рис. 2).

Вспомнив кристаллографические модели простых форм и их комбинаций, мы без труда найдем здесь пинакоиды, различные призмы и кубы. Конусообразную форму вулкана можно уподобить п-гональной пирамиде, а горные хребты — комбинациям диэдров.

Рис. 2. Простые геологические структуры: а) куполообразная; б) сундучная.

Нам могут возразить, что приведенные здесь и далее примеры являются сугубо идеализированными. Однако вспомним, что и кристаллографические модели являются обобщенными идеализациями реальных форм. Идеализация с помощью статистических данных широко используется кристаллографами. Очевидно, аналогичные приемы могут быть рекомендованы и для геометризации геологических объектов.

Возникает вопрос: почему геометрические закономерности в распределении структурных форм сравнительно редко отмечались до сих пор в геологической литературе.

По-видимому, имеется ряд причин, затрудняющих их выявление. Выше уже говорилось о необходимости обобщать и статистически идеализировать такие явления. Неоднородность строения геологических тел и их масштабы затрудняют подобные исследования. Следует иметь в виду также и то, что зачастую мы имеем дело со случайными срезами, неблагоприятными для выявления закономерностей симметрии. Кроме того, сами закономерности симметрии могут быть. достаточно сложными (например, в случае наличия плоскостей скользящего отражения или винтовых осей) и не бросаются в глаза при случайном взгляде на случайный срез структуры. Наконец, играют роль и некоторая сложность понятийного аппарата симметрии и недостаточная устремленность геологов пользоваться им.

Вместе с тем еще и еще раз следует подчеркнуть, что симметрия геологических образований подчиняется в общем тем же законам симметрии, которые хорошо известны в геометрии и кристаллографии. Анализ сетчатых систем трещин с особой убедительностью иллюстрирует сказанное. Во всех разобранных выше примерах не встречалось ни одного элемента симметрии и ни одной их совокупности, которые не были бы известны кристаллографам (оси бесконечного порядка, невозможные для кристаллических полиэдров, широко используются при характеристике оптических индикатрис). Пространственные группы Е. С. Федорова, сетки и решетки О. Браве, симметрия лент, бордюров и стержней — все это широко реализуется в геологических структурах.

Подводя некоторый итог, следует особо подчеркнуть всеобъемлющее значение строго математических законов симметрии пронизывающих все естествознание, а тем самым охватывающих и все без исключения объекты геолого-минералогических наук.

Исключительную роль в этом отношении играет вытекающий из принципа П. Кюри закон формирования природных тел в поле земного тяготения:

«Все что растет или движется по вертикали приобретает симметрию Ln nP — пт, все, что растет или движется по горизонтали, получает симметрию Р — т (или — —1)».

Невольно напрашивается идея о широком использовании этого закона для выявления процессов формирования геологических объектов.

При рассмотрении разнородных геологических образований нам пришлось помимо классической использовать новые понятия расширенной симметрии, учения об антисимметрии и динамической симметрии. Все эти понятия образуют единый методологический комплекс. Учение о симметрии в геологи, формирующееся на границе геометрической кристаллографии и наук геологического цикла, является сейчас новым научным направлением, требующим всемерного углубления и дальнейшего развития. Объектом этой новой дисциплины являются геометрические закономерности как всей планеты в целом, так и отдельных ее составляющих на различных уровнях организации вещества.

Кроме отмеченного выше существенного теоретического значения широкое распространение проявлений симметрии в геологических структурах имеет важное практическое значение. Понимание законов симметрии, проявляющихся в той или иной конкретной геологической структуре, может оказать весьма существенную помощь в деятельности геологов по поискам месторождений полезных ископаемых и отдельных рудных тел в пределах известных рудных полей.

Реальные примеры проявления в геологических структурах (в том числе и в структурах рудных полей) симметрии таких типов достаточно многочисленны и многократно описаны в геологической литературе.

Разумеется, используя представление о симметрии размещения рудных тел и месторождений, при поисках необходимо учитывать существование различных факторов, ограничивающих или затрудняющих применение этих представлений. Прежде всего необходимо помнить, что в частных случаях число рудных тел в симметричной серии может быть любым. Поэтому наличие одного или нескольких рудных тел не гарантирует наличия других рудных тел, связанных с известными телами законами симметрии. Далее, следует иметь в. виду, что достаточно строгие проявления симметрии в размещении структурных форм и рудных тел возможны лишь в достаточно однородной (в том масштабе, в котором ведется исследование) среде. Различного рода неоднородности среды, в которой размещены рудные тела, могут обусловливать в различной степени существенные отклонения от строгой симметрии.

Однако практически достаточно знать глубины выклинивания известных рудных тел, чтобы определить места возможного нахождения «слепых» рудных тел, принадлежащих этим симметричным сериям. Очевидно, что поиск рудных тел таким методом будет в этих случаях во много раз эффективнее, чем поиск путем разбуривания рудного поля по сетке, не увязанной с симметрией его структура.

Учтя такую возможность, мы сможем в этом случае выявить все рудные тела с минимальной затратой сил и средств.

Выявление симметрии размещения и внутреннего строения тектонических структур и других геологических образований, контролирующих размещение полезных ископаемых, помимо теоретического интереса, имеет и огромное прикладное значение и поэтому должно считаться одной из первоочередных задач геологической науки на современном этапе ее развития.

5. СИММЕТРИЯ ЗЕМЛИ КАК ПЛАНЕТЫ

Обзор законов симметрии, проявляющихся на конкретных теологических объектах, следует начать с рассмотрения вопроса о симметрии Земли как планеты в целом. Ведь именно Земля как планета является наиболее высокой таксономической категорией в существующей классификации морфологических геотекстур земного рельефа.

Форма Земли, отождествлявшаяся прежде с идеальным шаром (отсюда и название «земного шара»), позднее уподоблялась эллипсоиду вращения, трехосному эллипсоиду, геоиду. Наблюдения с помощью искусственных спутников установили ее принадлежность к кардиоиду или кардиоидальному эллипсоиду, в котором южное полушарие более сжато, чем северное.

Однако, как увидим далее, ряд характерных явлений, наблюдающихся на поверхности Земли, обусловлен ее близостью к шару и эллипсоиду. Поэтому приступая к выявлению симметрии зашей планеты в целом, нам придется учесть и симметрию идеального шара, и симметрию эллипсоида вращения и трехосного эллипсоида, и симметрию более сложных фигур.