Возникновение коллективных явлений в трещиноватых породах: изучение перспективы «больше — значит иначе»

На протяжении десятилетий в механике горных пород неявно предполагалось, что массив можно рассматривать как сумму трещин и сплошных пород, а его поведение — понимать, разлагая на мелкие части. Однако с точки зрения статистической физики это уравнение («массив = трещины + породы») неверно или, по крайней мере, неполно.

«Массив — это сложная система, образованная многочисленными взаимодействующими трещинами и породами в разных пространственно-временных масштабах, — объясняет Цинхуа Лей, единственный автор нового исследования в Rock Mechanics Bulletin. — В такой системе на более высоком уровне могут возникать совершенно новые свойства из коллективного поведения компонентов нижнего уровня, что делает неприменимым редукционизм. Больше — значит иначе».

Следовательно, поведение массива в большом масштабе нельзя предсказать, просто применяя знания о малых образцах керна, из-за иерархии масштабов, неоднородностей, физических механизмов и возможного возникновения качественно иных макроскопических явлений.

На основе объединения перспектив статистической физики и механики горных пород Лей представил всестороннее обсуждение механизмов возникновения (emergence) в трещиноватых породах. Он также предложил многоуровневую концептуальную структуру для связи микроскопических реакций отдельных трещин/пород с макроскопическим поведением массивов, состоящих из множества трещин и пород. Эта структура может служить инструментом для перехода от лабораторных конститутивных соотношений к феноменологически наблюдаемым макроскопическим свойствам массивов на масштабе объекта.