океанов в пространстве и во времени с энергетических позиций.

Методика исследований включала: анализ предшествующих работ, касающихся изучения рельефа дна Мирового океана и его статистического (батиметрического) анализа; опробование и обоснование адекватности различных новых (в данном приложении) методик статистического анализа рельефа и графического отображения результатов, предоставляемых современным программным обеспечением для персональных компьютеров; геофизическую интерпретацию полученных закономерностей распределений глубин с позиций принципов симметрии и энергетического принципа.

Научная новизна:

Рассчитаны и продемонстрированы детальные статистические данные о пространственных (в зависимости от широты и долготы) закономерностях распределений глубин в океанах;

Выявлены и продемонстрированы неизвестные ранее закономерности глобальной симметрии в распределении акваторий и морфоструктур дна океанов;

Обоснован теоретический закон распределения глубин в океанах и дана его геофизическая интерпретация с позиций энергетического принципа;

Рассчитана топографическая энергия (потенциальная энергия рельефа дна в поле силы тяжести) океанов и ее глобальное пространственное (широтное и долготное) распределение;

Сделан физически (термодинамически) обоснованный прогноз дальнейшей эволюции океанов.

Основные защищаемые положения:

1 – Распределение акваторий и морфоструктур дна океанов на поверхности Земли, асимметричное по отношению к современной оси вращения и современному экватору, симметрично относительно плоскости, названной Тектоническим экватором, и антисимметрично относительно ортогональной ему плоскости и линии пересечения этих плоскостей.

2 – Несмотря на значительные структурно-тектонические различия океанов, распределение глубин океанов (в первом приближении) однотипно, аппроксимируется законом распределения Релея и подчиняется общему геотермическому процессу.

3 – Тихий океан является энергетическим и пространственным донором для расширения других океанов.

4 – Равенство теплового потока в океанах и равенство площади Тихого океана суммарной площади остальных океанов свидетельствуют о достижении глобального теплового баланса, делающего масштабный спрединг в океанах далее невозможным.

Практическая значимость работы

Многочисленные позитивные и негативные примеры использования прежних, менее детальных батиметрических данных и статистических характеристик рельефа дна океанов в геологических, геофизических и тектонических работах доказывают необходимость обновления и уточнения этих данных на современном уровне знаний и технических возможностей. Получение на их основе теоретического закона распределения высот рельефа дна (глубин) океанов открывает путь для объективной геофизической интерпретации эволюции океанов с позиций принципа симметрии и с энергетических позиций, и для критической оценки существующих представлений. Полученные результаты не должны быть проигнорированы при разработке единой и непротиворечивой теории эволюции Земли.

Фактический материал и личный вклад автора

>. Указанный сайт предоставляет высоты 68 миллионов точек земной поверхности в целых метрах и их координаты с точностью до десятков метров по равномерной сетке 2?х 2? (в районе экватора) для проекции Меркатора в пределах от 72? с.ш. до 72? ю.ш. На основе этих данных построены получившие широкое распространение карты (несколько версий) топографии земной поверхности и карты (тоже несколько версий) топографии дна океанов В. Смита и Д. Сэндвелла (W. Smith and D. Sandwell).

Что касается личного вклада автора, то он не только более 40 лет занимается анализом и обработкой батиметрических (и гипсометрических) данных, но и сам принимал активное участие (с 1963 г.) в их получении в более чем 40 океанических экспедициях на научно-исследовательских судах «Витязь» (13 рейсов), «Каллисто» (4 рейса), «Первенец» (8 рейсов), «Вулканолог», «Академик А. Несмеянов» и др., внедрив в методику и технику эхолотного промера несколько рацпредложений и одно изобретение (авт. свид. №472315). Все расчеты и графические построения для данной работы выполнены автором самостоятельно на персональном компьютере.

Поскольку необходимых названий для впервые рассчитанных статистических характеристик рельефа дна океанов не существует, пришлось использовать собственные названия, которые в будущем могут быть и пересмотрены.

Апробация работы

Основные научные результаты и отдельные положения диссертационной работы докладывались или представлялись и обсуждались на множестве совещаний различного уровня – от регионального до международного, в том числе на двух Международных геологических конгрессах (Рио де Жанейро, 2000 г.; Флоренция, 2004 г.), на пяти Межведомственных тектонических совещаниях в Москве (2001-2006 гг.), на Симпозиуме по новым концепциям в глобальной тектонике (Цукуба, 1998 г.), на четырех Международных междисциплинарных сипозиумах (Хабаровск-Владивосток, 2000, 2001, 2003, 2005 гг.), на V Косыгинских чтениях (Хабаровск, 2006), на нескольких международных и региональных (Тихоокеанских) школах по морской геологии, на заседаниях Океанографической комиссии ДВНЦ АН СССР и ДВО РАН, и пр. Доклад по основным результатам этой работы («Анализ энергетики эволюции океанов») включен в программу очередного (юбилейного 40-ого) Межведомственного тектонического совещании в начале 2007 г.

Публикации

Основные результаты и положения диссертации опубликованы в препринте [Казанский, 1980], в монографии [Казанский, 2002], в двух коллективных монографиях, в многочисленных (> 50) статьях в научных журналах (в том числе 18 – в реферируемых) и сборниках и в тезисной форме докладов на научных совещаниях различного уровня.

Структура и объем работы

Диссертация общим объемом 160 стр. состоит из введения, 4 глав и заключения. Она включает 73 рисунка, 3 таблицы, список использованной литературы из ~160 наименований. Автореферат соответствует диссертации по содержанию и структуре изложения, но количество, нумерация и размещение рисунков в автореферате не совпадает с таковыми в диссертации.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В главе 1 (БАТИМЕТРИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ КАК ОСНОВА ДЛЯ ДЕШИФРОВКИ ПРИРОДЫ ОКЕАНОВ) раскрывается содержание понятия «батиметрический анализ» в понимании автора, анализируется современное состояние изученности рельефа дна океанов и обосновывается необходимость ревизии и пересмотра существующих представлений о распределении глубин (высот рельефа дна) океанов для обоснования теоретического закона распределения, пригодного для геофизической интерпретации.

Под батиметрическим (гипсометрическим) анализом автор подразумевает не только получение статистических данных о глубинах океанов (высотах рельефа дна), отображаемых обычно в виде одномерных батиграфических кривых S(h), но и расчет пространственных распределений глубин (высот рельефа дна) в зависимости от широты и долготы, а также аналитическое описание, аппроксимацию и геофизическую интерпретацию статистических данных. Важнейшей предпосылкой для успешного решения этих задач является тот факт, что из-за очень незначительной роли экзогенных процессов в океанах рельеф дна целиком определяется его тектоникой, т. е. вся эволюция океанов зафиксирована в рельефе дна.

Батиметрический же анализ океанов в указанном выше смысле до настоящего времени не проводился (что не помешало написанию множества монографий и статей о рельефе дна и происхождении океанов, оставшемся-таки невыясненным), а более-менее близкий по смыслу гипсометрический анализ рельефа дна океанов по разномасштабным картам был проведен 40 лет назад Г. Менардом и С. Смитом [Menard, Smith, 1966], использовавшим термин «гипсометрия» вместо «батиметрии». С большой натяжкой к батиметрическому анализу можно отнести содержание отдельных статей [Ларина, 1968; Литвин, Емельянова, 1970; Казанский, 1972-2005, и др.].

Последующие крупные работы по анализу рельефа дна океанов обычно сводились к сравнительным региональным описаниям без использования статистических батиметрических данных. Так, к примеру, вышедшая в 1987 г. монография крупнейшего специалиста, члена редколлегий всех издававшихся атласов океанов Г.Б. Удинцева «Рельеф и строение дна океанов» при объеме в 239 стр. содержит всего 23 иллюстрации, из которых большую часть составляют региональные структурные профили, а список литературы включает всего 50 названий. В монографии В.М. Литвина «Морфоструктура дна океанов» (275 с.), того же года издания, иллюстраций 63, но опять-таки в основном это мелкомасштабные копии эхолотных профилей и батиметрические карты небольших полигонов, хотя автор и причастен к расчетам батиграфических кривых [Литвин, Емельянова, 1970]. Аналогично построено описание океанов в объяснительной записке к Международной тектонической карте мира масштаба 1:15000000 [Тектоника..., 1988].

Такое положение вещей с явно актуальной задачей объяснялось чрезвычайной трудоемкостью статистического анализа глобального рельефа картометрическими методами и сравнительно (с континентами) слабой до недавних пор изученностью рельефа дна океанов. С появлением же цифровых баз данных по топографии всей земной поверхности и с развитием компьютерных технологий статистический анализ рельефа стал рутинной задачей, но лишь предварительным этапом для гипсометрического (батиметрического) анализа, к которому автор оказался достаточно подготовлен предыдущими работами 1971-2005 гг.

Современное состояние изученности рельефа дна океанов, во многом благодаря спутниковой альтиметрии [Sandwell, 1990] и более простой топографии, сопоставимо с изученностью рельефа суши, что делает предлагаемый батиметрический анализ вполне своевременным (хотя, в принципе, мог быть сделан еще несколько лет назад).

Поскольку необходимых названий для впервые рассчитанных статистических характеристик рельефа дна океанов не имеется, автор использует собственные названия (которые в будущем могут быть пересмотрены), придерживаясь, для определенности, общего правила: батиграфическими (гипсографическими в общем случае) называются характеристики (кривые, гистограммы, поверхности, диаграммы, функции), выражающие зависимости площадей от глубины (называемые также интегральными или кумулятивными распределениями), а производные от них по высоте – (дифференциальные распределения) батиметрическими. Те и другие будут представляться в абсолютных масштабах площади (выраженной в км2 или количеством точек – площадок по 13.7 км2 равномерной сетки 2х2 морские мили) или в относительном масштабе (в % от какой-либо общей площади).

В главе 2 (МЕТОДИКА БАТИМЕТРИЧЕСКОГО АНАЛИЗА ОКЕАНОВ) излагается методика статистического анализа топографии дна океанов от организации базы данных на основе цифровой базы данных ЕТОРО 2?, выбора минимального программного обеспечения и практики расчетов одномерных и пространственных распределений глубин (высот рельефа дна) до их графического отображения и интерпретации. Попутно вводятся (предлагаются) новые для геоморфологии названия для новых полученных результатов.

Интернет в настоящее время предоставляет достаточно широкий спектр цифровых баз данных по топографии земной поверхности (ЕТОРО, GTOPO) по сеткам со сторонами ячеек от 30 минут дуги до 15 секунд (последние, правда, только на коммерческой основе), а для суши и более детальные. После оценки возможностей каждой из названных баз данных автором был сделан выбор в пользу данных ЕТОРО 2? [Казанский, 2005], позволяющих анализировать не только глобальный рельеф, но и региональный (отдельные моря, крупные острова и т.п.) с разрешением по высоте, обеспечивающим построение не только гистограмм, но и достаточно гладких кривых и поверхностей распределений. К тому же данные ЕТОРО 2?, в отличие от других, представлены в удобном текстовом формате (без архивации), распознаваемым всеми используемыми программами, в виде таблицы в три столбца, первый из которых дает долготу точки (в градусах от 0 до 360) в формате ХХХ,ХХХХ, второй – широту в формате ХХ,ХХХХ (со знаком минус для южных широт), а третий – высоту в целых метрах в формате ХХХХХ,00 (со знаком минус для глубин).

База данных ЕТОРО 2? создана для равномерной сетки Меркаторской проекции, в которой построены указанные выше карты В. Смита и Д. Сэндвелла. Для батиметрического анализа необходима статистика точек с равномерным распределением на поверхности Земли, что достигалось пересчетом для каждой расчетной трапеции частот распределения высот (глубин) по выбранным интервалам (в основном использовался 100-метровый интервал, в отдельных случаях – 10-метровый) введением поправочного множителя cos2?, где ? – средняя широта расчетной трапеции. Это сократило количество расчетных точек (соответствующих площадкам в 4 квадратных морских мили или 13.7 км2) до 35 миллионов. В качестве основной расчетной единицы поверхности в конечном итоге была выбрана трапеция 5? по широте на 10? по долготе. Координаты и высоты точек этих 1080 трапеций и составили базу данных (1080 текстовых файлов общим объемом около 2 Гб) для последующего батиметрического (и гипсометрического) анализа. Исходное количество оцифрованных точек поверхности Земли, попадающих в границы таких трапеций, составило от 45000 в районе экватора до 118200 в широтных зонах 65-70?. Самые высокоширотные трапеции (72 по 83700 точек) занимают 2? по широте (от 70 до 72°). Акватории трех океанов попадают в пределы ~7500 трапеций, охватывающих более 95% общей площади океанов (Северный Ледовитый океан, на долю которого приходится 4.1% площади Мирового океана [Никольский, 2002], остался вне пределов батиметрического анализа. Еще менее 1% акватории океанов в высокоширотных районах также выпадают из анализа).

Минимальный набор программ для выполнения данной работы включал программы Maple 7-9, Surfer 8, MS Office 2000-2003, Bred 2, CorelXara 2.

Методика статистического анализа включала рутинные стандартные процедуры, заложенные в программы Surfer и Excel. С помощью тех же программ получались и графические материалы – карты, графики, диаграммы, 3-хмерные модели и пр., представленные в иллюстрациях работы. Научную новизну представляет не сам процесс статистического (батиметрического) анализа, а рассмотрение распределения глубин не только в традиционном одномерном варианте (батиграфических и батиметрических кривых), но и в пространственном варианте (батиметрических и батиграфических поверхностей) – с учетом зависимости от географических координат (широты и долготы) и во времени, а также в использовании распределений глубин для расчетов распределений энергии рельефа дна океанов. Получать такие данные можно было бы и раньше (в принципе) с помощью картометрических методов, но их реализация была практически невозможна из-за чрезвычайной трудоемкости, отпугивавшей тех, кто мог бы это делать.

Основным объектом статистических расчетов и анализа выступают, таким образом, различные распределения, поэтому, а также из-за некоторой специфики используемых в батиметрии распределений, приходится дать определение понятию распределения и функции распределения, используемых в математике (теории вероятностей, математической статистике и др.) и в данной работе.

В простейшем, одномерном случае, функция F(x) распределения случайной величины x обладает свойствами монотонности, ограниченности и непрерывности [Боровков, 1972, с. 42; Хастингс и Пиккок, 1980] и изображаются в виде графиков, где х – горизонтальная координата. У нас же «случайной» величиной являются высоты и глубины, т.е вертикальные по природе координаты точек земной поверхности, поэтому и соответствующие рельефу графики функций распределения строятся относительно вертикальной оси h (или z), т.е с поворотом графика на 90°. Кроме того, за значение функции F(x) в математике принимаются значение вероятности (в % или долях от единицы) того, что случайная величина х не превосходит заданного значения. В переводе на гипсометрический (батиметрический) «язык» это означало бы (относительную или абсолютную) величину площади S, где высоты h равны или меньше заданной. На самом же деле принято указывать площадь S(h) с высотами >h (площадь горизонтального сечения рельефа на высоте h), т.е. не саму функцию распределения F(h), а ее дополнение до 1, которое в математической статистике имеет весьма странное название «функции выживания», вместо которого мы используем названия гипсографическая или батиграфическая функции (в первом случае для рельефа вообще, а во втором – для акваторий), а вместо обозначения F(h) используется S(h)=1-F(h).