PHASE TRANSITIONS IN THE DEBRIS FLOW GEOSYSTEMS
Authors: Казаков Н.А. 
Published: July 2024

Рассматривая эволюцию селевой геосистемы как непрерывный процесс, включающий в себя последовательность стадий её эволюции (формирование массива рыхлообломочных пород в селевом очаге в результате геологических процессов, трансформация его в потенциальный селевой массив вследствие диагенеза и морфогенеза, возникновение и движение селя, разгрузка крупнообломочного и затем тонкодисперсного материала и прохождение селевого паводка), можно описать каждую стадию эволюции селевой геосистемы как переход с одного подсистемного уровня на другой, а смену состояний системы, обусловленную физическими процессами, происходящими внутри системы - как фазовые переходы первого рода. Наиболее важен переход из твёрдого состояния (потенциальный селевой массив как условно однородное твёрдое тело, обладающее внутренней структурой) в селевой поток (квазижидкое состояние). Эволюция потенциального селевого массива и обеспечение его перехода в другое фазовое состояние обусловлена не только внешними факторами (поступление в селевой очаг свободной воды), но и внутренними: прежде всего, минералогическим составом горных пород потенциального селевого массива (содержанием гидрофильных минералов). С этой точки зрения, важнейшим параметром, обуславливающим как связность грунтов потенциального селевого массива, так и условия его перехода в жидкую фазу, и позволяющим построить физическую модель, являются электрические силы на контактах между элементами минерального скелета (глинистыми частицами), обеспечивающие энергию связи между ними. Жидкая составляющая селя традиционно описывается как селевая суспензия , однако с точки зрения физики суспензией связный сель не является, поскольку суспензия это взвесь, грубодисперсная система, состоящая из твёрдой дисперсной фазы и жидкой дисперсионной среды, в которой твёрдое вещество равномерно распределено в виде мельчайших частиц в жидком веществе во взвешенном состоянии. Такая среда не способна переносить на большие расстояния глыбово-валунный материал, имеющий более высокую плотность, чем суспензия. Но связный сель представляет собой условно однофазную систему, в которой вода находится преимущественно в молекулярно связанном состоянии. Наиболее близкий физический аналог связного селя коллоидная система, поскольку в связном селе частицы мелкозёма распределены в непрерывной дисперсионной среде и в осадок не выпадают. Это обстоятельство является ключевым при физическом моделировании связных селей. Литература Арнольд В.И. Теория катастроф. М.: Наука, 1990. 128 с. Виноградов Ю.Б. Этюды о селевых потоках. Л.: Гидрометеоиздат, 1980. 144 с. Казаков Н.А. Селевой процесс как цепь фазовых переходов // Тезисы докладов III Всероссийской конференции с международным участием «Геодинамические процессы и природные катастрофы» (г. Южно-Сахалинск, 27-31 мая 2019 г.). Южно-Сахалинск: ИМГиГ ДВО РАН, 2019. С. 140. Казаков Н.А. Эволюция селевой геосистемы как процесс самоорганизации упорядоченных структур // Геориск. 2015. № 2. С. 28-30. Казаков Н.А., Рященко Т.М., Генсиоровский Ю.В., Ухова Н.Н. Состав пород потенциальных селевых массивов как фактор, определяющий структурно-реологический тип селевого потока // Труды Второй конференции «Селевые потоки: катастрофы, риск, прогноз, защита», посвященной 100-летию С.М. Флейшмана (г. Москва, 17-19 октября 2012 года) / Отв. ред. С.С. Черноморец. М.: Географический факультет МГУ, 2012. С. 45-46 Осипов В.И. Физико-химическая теория эффективных напряжений в грунтах. М.: ИФЗ РАН, 2012. 72 с. Осипов В.И., Соколов В.Н. Глины и их свойства: состав, строение и формирование свойств. М.: ГЕОС, 2013. 575 с. Охотин В.В. Грунтоведение. СПб: Центр генетического грунтоведения, 2013. 231 с. Перов В.Ф. Селеведение: учебное пособие. М.: Географический факультет МГУ, 2012. 272 с. Перов В.Ф. Селевые явления: терминологический словарь. М.: Издательство Московского университета, 1996. 45 с. Руководящий документ РД 52.30.238-90. Руководство селестоковым станциям и гидрографическим партиям. Выпуск 1. Организация и проведение работ по изучению селей. М.: Гидрометеоиздат, 1990. 200 с. Сочава В.Б. Введение в учение о геосистемах. Новосибирск: Наука, 1978. 319 с. Степанов Б.С., Степанова Т.С. Механика селей: эксперимент, теория, методы расчета. М.: Гидрометеоиздат, 1991. 379 с. Физический энциклопедический словарь / Гл. ред. А.М. Прохоров. М.: Советская энциклопедия, 1983. 928 с. Флейшман С.М. Сели. Л.: Гидрометеоиздат, 1978. 312 с. Хакен Г. Информация и самоорганизация. Макроскопический подход к сложным системам / Пер. с англ. Ю.А. Данилова. М.: Мир, 1991. 240 с. Химический энциклопедический словарь / Гл. ред. И.Л. Кнунянц. М.: Советская энциклопедия, 1983. 791 с. Цытович Н.А. Механика грунтов (краткий курс): учебник для строит. вузов. М.: Высшая школа, 1983. 288 с. Эбелинг В. Образование структур при необратимых процессах. Введение в теорию диссипативных структур / Пер. с нем. А.С. Доброславского; под ред. Ю.Л. Климонтовича М.: Мир, 1979. 280 с.
The evolution of a debris-flow geosystem can be described as a continuous process. Stages of geosystems evolution: the formation of a massif of loose rocks in a debris-flow site, its transformation to potential debris-flow massifs due to diagenesis and morphogenesis, the occurrence and movement of a debris flow, unloading of large-block and then fine-dispersed material and the passage of a debris-flow. Each stage of the debris-flow geosystem evolution can be described as a transition from one subsystem level to another and the change of states of the system as phase transitions of first kind. Physical processes occurring within the system cause it. The most important transition is from a solid state (potential debris-flows massif-conditionally homogeneous solid having an internal structure) to a debris-flow and mudflow (quasi-liquid state). The transition of a potential debris-flow massif to another phase state is due not only to external factors (the inflow of free water into the debris-flow site), but also internal: the mineralogical composition of rocks of the potential debris-flow massif (the content of hydrophilic minerals). The most important parameter that determines both the connectivity of the soils of the potential debris-flow massif and the conditions of its transition to the liquid phase are the electric forces at the contacts between the elements of the mineral skeleton (soil particles). Electrical forces provide a connection between the ground particles. The liquid component of the mudflow is traditionally described as a debris-flow suspension, but a coherent debris-flow and mudflow is not a suspension. A suspension is a dispersed system consisting of a solid dispersed phase and a liquid dispersion medium in which the solid is uniformly distributed as minute particles in a liquid substance in suspension. Such a medium is not able to carry over long distances block-boulder material having a higher density than the suspension. Nevertheless, a coherent debris-flow and mudflow is a conditionally single-phase system in which water is predominantly in a molecular bound state. The physical analogue of a coherent debris-flow and mudflow is a colloidal system, since in a connected village fine-earth particles are distributed in a continuous dispersion medium and do not precipitate. This circumstance is key in the physical modeling of connected debris-flows and mudflows. References Arnol'd V.I. Teoriya katastrof [The theory of catastrophes]. Moscow, Publ. Nauka, 1990. 128 p. (In Russian). Ebeling W. Strukturbildung bei Irreversiblen Prozessen – Eine Einführung in die Theorie dissipativer Strukturen. Leipzig, Publ. BSB Teubner, 1976. 194 p. (Russ. ed. Obrazovanie struktur pri neobratimykh protsessakh. Vvedenie v teoriyu dissipativnykh struktur. Moscow, Publ. Mir, 1979. 280 p.) Fleishman S.M. Seli [Mudflow]. Leningrad, Publ. Gidrometeoizdat, 1978. 312 p. (In Russian). Haken H. Information and Self-Organization. A Macroscopic Approach to Complex Systems. Berlin, Heidelberg: Springer, Ser. Sinergetics, vol.40. 1983. 258 p. (Russ. ed.: Khaken G. Informatsiya i samoorganizatsiya. Makroskopicheskii podkhod k slozhnym sistemam. Moscow, Mir Publ., 1991. 240 p.) Kazakov N.A. Selevoi protsess kak tsep' fazovykh perekhodov [Mudflow process as a chain of phase transitions]. Tezisy dokladov Tret'ei Vserossiiskoi konferentsii s mezhdunarodnym uchastiem «Geodinamicheskie protsessy i prirodnye katastrofy» (g. Yuzhno-Sakhalinsk, 27-31 maya 2019 g.) [Abstracts of the Third National scientific conference with foreign participants “Geodynamical Processes and Natural Hazards” (Yuzhno-Sakhalinsk, 27-31 of May 2019)]. Yuzhno-Sakhalinsk, Publ. IMGG FEB RAS, 2019. P. 140. (In Russian). Kazakov N.A. Evolyutsiya selevoi geosistemy kak protsess samoorganizatsii uporyadochennykh struktur [Evolution of the debris-flow geosystem as process of self-organization of the ordered structures]. Georisk [Georisk], 2015, No 2, pp. 28-30, 60. (in Russian; summary in English) Kazakov N.A., Ryashchenko T.M., Gensiorovskiy Y.V., Ukhova N.N. Sostav porod potentsial'nykh selevykh massivov kak faktor, opredelyayushchii strukturno-reologicheskii tip selevogo potoka [Rock composition of potential debris-flows massives as a factor defining structural and rheological type of debris flows]. Trudy Vtoroi konferentsii «Selevye potoki: katastrofy, risk, prognoz, zashchita», posvyashchennoi 100-letiyu S.M. Fleishmana (g. Moskva, 17-19 oktyabrya 2012 goda) [Proceedings of the Second Conference «Debris Flows: Disasters, Risk, Forecast, Protection» dedicated to 100th anniversary of S.M. Fleishman (Moscow, October 17-19, 2012)]. Moscow, Publ. Geograficheskii fakul'tet MSU, 2012, pp. 45-46. (In Russian). Knunyants I.L. Khimicheskii entsiklopedicheskii slovar' [Chemical Encyclopedic Dictionary]. Moscow, Publ. of Soviet Encyclopedia, 1983. 791 p. (In Russian). Okhotin V.V. Gruntovedenie [Soil science]. St. Peterburg, Publ. of Center for Genetic Soil Science, 2013. 231 p. (In Russian). Osipov V.I. Fiziko-khimicheskaya teoriya effektivnykh napryazhenii v gruntakh [Physicochemical theory of effective stresses in soils]. Moscow, Publ. IFZ RAN, 2012. 72 p. (In Russian). Osipov V.I., Sokolov V.N. Gliny i ikh svoistva: sostav, stroenie i formirovanie svoistv [Clays and their properties: composition, structure and formation of properties]. Moscow, Publ. GEOS, 2013. 575 p. (In Russian). Perov V.F. Selevedenie: uchebnoe posobie. Moscow, Moscow University Press, 2012. 272 p. (In Russian). Perov V.F. Selevye yavleniya: terminologicheskii slovar' [Mudflows: a terminological dictionary]. Moscow, Moscow University Press, 1996. 45 p. (In Russian). Prokhorov A.M. Fizicheskii entsiklopedicheskii slovar' [Physical Encyclopedic Dictionary] Moscow, Publ. of Soviet Encyclopedia, 1983. 928 p. (In Russian). Rukovodyashchii dokument RD 52.30.238-90. Rukovodstvo selestokovym stantsiyam i gidrograficheskim partiyam. Vypusk 1. Organizatsiya i provedenie rabot po izucheniyu selei [Guiding document RD 52.30.238-90. Management of mudflow runoff stations and hydrographic parties. Issue 1. Organization and conduct of work on the study of mudflows]. Moscow, Gidrometeoizdat Publ., 1990. 200 p. (In Russian). Sochava V.B. Vvedenie v uchenie o geosistemakh [Introduction to the doctrine of geosystems]. Novosibirsk, Publ. Nauka, 1978. 319 p. (In Russian). Stepanov B.S., Stepanova T.S. Mekhanika selei: eksperiment, teoriya, metody rascheta [Mudflow mechanics: experiment, theory, calculation methods]. Moscow, Publ. Gidrometeoizdat, 1991. 379 p. (In Russian). Tsytovich N.A. Mekhanika gruntov (kratkii kurs): uchebnik dlya stroit. Vuzov [Soil mechanics (short course): a textbook]. Moscow, Publ. Vysshaya shkola, 1983. 288 p. (In Russian). Vinogradov Yu.B. Etyudy o selevykh potokakh [Etudes about mud stream]. Leningrad, Gidrometeoizdat Publ., 1980. 144 p. (In Russian).