Промышленная резка бетона: rezkabetona.su
На главную  История 

Технические средства для исследования недр земли

Океан постоянно привлекал человека. Океан огромен, и старым мореплавателям он представлялся нескончаемым. На самом деле Мировой океан занимает 70,8 % поверхности земного шара, т. е. почти в 2,5 раза больше, чем суша. В наше время океан — важный транспортный путь, соединяющий страны и континенты; его бороздят выше 60 тыс. судов из различных стран. Не считая того, это источник богатейших био ресурсов — растений и разнообразных морских животных, в первую очередь рыбы. Ежегодный ее улов добивается 70 млн. тонн. Под дном океана скрыты месторождения нефти, газа, каменного угля, ценного минерального сырья (к примеру, руд, содержащих марганец, титан, медь, никель, кобальт, фосфор и др.). Огромное влияние оказывает океан на климат Земли. Поглощая основной поток солнечной энергии, он служит гигантским аккумом тепла. Течения, несущие нагретые солнцем экваториальные воды в высочайшие широты, смягчают климат прохладных областей планеты. Из океана же поступает и большая часть воды; поначалу она собирается в облака, а затем выпадает на землю в виде дождиков. Над океанскими широтами зарождаются разрушительные ураганы и тайфуны. Процессы, происходящие в глубинах и на поверхности океана, составляют предмет многих наук. Эти исследования необходимы для того, чтоб сделать безопасными мореплавание и рыболовный промысел, разведку и добычу нужных ископаемых; чтобы предсказывать погоду на нашей планете. К примеру, учёные-океанологи изучают в разных районах Мирового океана состав и температуру воды, скорость и направление течений, рельеф дна и строение земной коры; наблюдают за планктоном, за поведением рыб и остальных морских животных.ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ И СОСТАВА МОРСКОЙ ВОДЫ Исследование океана осуществляется при помощи специальных устройств и оборудования. Уже в XIX в. для измерения температуры воды употребляли особенные термометры, а для взятия проб с разных глубин железные сосуды — батометры (от греч. «ба'тос» — «глубина» и «ме'трон» — «мера»). Было установлено, что температура поверхностного слоя воды зависит от района океана и от времени года. У экватора она равна 25—28 °С, в средних широтах колеблется от 0 до 20 °С. На глубине свыше 1000 м температура воды фактически постоянна и составляет от -2 до 5 °С. Состав растворённых в морской воде солей везде схож, меняется лишь их концентрация, по другому говоря, солёность. В настоящее время для определения температуры и состава морской воды на различных глубинах применяют гидрофизические зонды. Этот устройство оборудован микропроцессорным комплексом, измерительными датчиками и батометрами; его корпус способен выдерживать огромное давление воды. Опускают зонд на тросе помощи судовой лебёдки. Во время погружения микропроцессор поочерёдно включает датчики, преобразует их показания в цифровой код и передаёт по кабелю на судно. Корабельный комп обрабатывает приобретенные данные и выдаёт результаты в виде таблиц и графиков. Пробы воды батометры отбирают по команде оператора судна. Измерения проводятся несколько раз в секунду. ПРИБОРЫ ДЛЯ Исследования ОКЕАНСКИХ ТЕЧЕНИЙ Изучение течений нужно для составления прогнозов погоды и для выбора более благоприятных маршрутов судов и мест рыболовного промысла. В протяжении веков о скорости и направлении течений судили, следя за дрейфом судов и льдин, за проплывающими предметами. Использование попутных течений и ветров помогало мореплавателям преодолевать огромные расстояния даже на неидеальных судах. Океанские течения имеют различную природу. Одни вызываются ветрами и захватывают только поверхностный слой воды. Другие, приливно-отливные, появляются на огромных глубинах вследствие притяжения Луны. Хорошо известны также течения в виде больших тёплых и прохладных «рек». Например, тёплые течения Гольфстрим (в северной части Атлантического океана) и Куросио (в Тихом океане) добиваются 20 км в ширину и нескольких сот метров в глубину. Эти гиганты несут экваториальные воды в Северное полушарие со скоростью, достигающей 10 км/ч. Современные устройства для исследования течений разнообразны по конструкции и принципу деяния. Среди их есть механические, ультразвуковые и электромагнитные. Более широко используются электромеханические приборы, напоминающие маленькую мельницу, лопасти которой вращает водяной поток. Некие приборы могут одновременно измерять скорость течения, температуру, солёность воды и ряд остальных характеристик. Исследование течений в открытом океане — сложная техно задачка. В прибрежных зонах исследования проводятся с платформ, эстакад или судов, стоящих на якоре. Устройство просто опускают на тросе на заданную глубину и по окончании работы поднимают на судно. Но в открытом океане под действием течения и ветра судно непрерывно движется, что ведёт к ошибкам в измерениях. Поэтому учёные разработали особые автономные буйковые станции (АБС). Таковая станция представляет собой малеханькое судно без экипажа, оснащённое комплексом измерительной аппаратуры и стоящее на якоре. Обычно АБС имеют форму диска либо цилиндра, чтоб лучше выдерживать штормовую погоду. Буи устанавливают и в прибрежных зонах, и вдали от земли. АБС создают постоянные измерения, а затем по каналам радиосвязи автоматом передают приобретенные данные на берег. С появлением АБС учёные получили возможность круглый год следить за процессами, происходящими в толще океанских вод, учить циркуляцию воды в их поверхностных слоях, вести метеорологические наблюдения. Но АБС делают замеры лишь там, где сами находятся. Более полную информацию о течениях дают дрейфующие буи. Радиопередатчики, установленные на буях, отправляют сигналы на искусственные спутники Земли. Последние определяют координаты дрейфующих буёв, а потом каждые два-три часа передают эти координаты в береговые центры сбора данных. Так с большой точностью определяется направление и скорость течения. Дрейфующие буи оснащены устройствами, измеряющими температуру воды и воздуха, также атмосферное давление. Показания устройств передаются на спутники.

 

Внутреннее строение Земли, вещества, из которых она состоит, изучают геология и геофизика. Эти науки не только занимаются теоретическими вопросцами, к примеру зарождением и эволюцией органической жизни, однако и решают практические задачи. Геологи и геофизики находят залежи нужных ископаемых, оценивают их запасы, определяют, какие методы добычи будут наименее затратными. Цели у исследователей одинаковые, а вот способы разные. ПОЛЕВАЯ ТЕХНИКА ГЕОЛОГОВ Понять, как устроена наша планета, помогают так называемые обнажения — места, где видны коренные горные породы (камень, глина, песок и др.). Геологи отбирают эталоны таковых пород. Главный и обычный инструмент для выполнения операции — молоток. Не случаем старинный девиз исследователей недр Земли — «Mente et malleo» (что в переводе с латыни означает «разумом и молотком»). Установки для бурения скважин и приборы для определения состава пород возникли относительно не так давно. Скважины сверлят долотами, навинченными на бурильные трубы. Рабочая поверхность долота представляет собой кольцо; поэтому, вращаясь, инструмент вырезает из породы цилиндрический эталон — керн. Если движок подобной установки находится на поверхности, он вертит всю колонку бурильных труб (роторный метод). Движок, расположенный конкретно у долота, приводится в движение либо электричеством (подаётся по кабелю), или потоком раствора глины, который вращает турбину, соединённую с колонкой. Размолотую породу — шлам — откачивают на поверхность промывочной жидкостью (обычно вода с глиной), а керн остаётся снутри трубы. Колонку бурильных труб временами поднимают, чтобы поменять долото и вытащить керн. ТЕХНИКА ГЕОФИЗИКОВ Геологические способы позволяют изучить лишь верхнюю часть земной коры — ведь пробурить скважину более чем на несколько километров пока нереально. Еще глубже проникнуть вовнутрь Земли помогает геофизика. Эта наука изучит отличия плотности, магнитной восприимчивости, удельного электрического сопротивления, скорости распространения упругих волн, теплопроводности, радиоактивности и остальных физических параметров горных пород от среднего значения, т. е. аномалии земных полей. Для глубинного (до 10 000 м) изучения больших частей суши и океанов, разведки месторождений нефти, газа и твёрдых нужных ископаемых используют способы разведочной геофизики. Они включают в себя гравиразведку, магниторазведку, электроразведку, сейсморазведку, терморазведку, ядерную геофизику — всего выше 100 методов. Проникнуть глубоко в недра планеты больше всего помогает сейсморазведка (от греч. «сейсмо'с» — «колебание», «землетрясение») способом отражённых волн. Суть способа состоит в следующем. В скважине либо на поверхности земли создают взрыв, который рождает в почве упругие волны. Такие волны бывают продольными (частички вещества колеблются вдоль направления распространения волны) и поперечными (колеблются поперёк хода волны). При исследовании малых, порядка 10 м, глубин волны возбуждают ударами кувалды. Для глубинной сейсморазведки раньше употребляли взрывчатку, сейчас чаще используют вибросейс — тяжёлую плиту, подвешенную к раме автомашины. Плиту толкает «газовый движок» (в цилиндре взрывается смесь пропана с воздухом), и она ударяет по земле. Упругие волны отражаются от подземных слоев, возвращаются к поверхности, и там их фиксируют сейсмоприёмники. При всем этом скорость волны в первую очередь зависит от состава горной породы. В корпусе сейсмоприёмника есть мощный кольцевой магнит, в зазор которого помещена лёгкая проволочная катушка, подвешенная на пружинках. Когда отражённая волна доходит до приёмника, катушка начинает колебаться в поле магнита, и в ней возникает переменное напряжение. Конфигурации напряжения в точности повторяют упругие колебания почвы. С катушки сигналы передаются на сейсмостанцию. Там, где проводят исследования, расставлены сейсмоприёмники (до нескольких сот) на определённом расстоянии друг от друга. Совместно с проводами они образуют сейсмические косы (время от времени приёмники связывают со станцией миниатюрные радиопередатчики). При глубинной сейсморазведке наибольшее удаление приёмников от станции может достигать нескольких км. Современная сейсмостанция для геофизической разведки — сложный измерительный комплекс, спец электронно-вычислительная машинка (ЭВМ), смонтированная на одном-двух карах. Сейсмоприёмники улавливают скорость волны до миллионной доли метра в секунду. К каждому прибору волна приходит через некий просвет времени, и многоканальный самописец на сейсмостанции вырисовывает сложную картину системы отражённых волн — сейсмический разрез. ЭВМ из всей этой неурядицы линий выделяет нужные сигналы, и по ним опытнейший геофизик может с уверенностью сказать, на какой глубине и под каким углом положены, скажем, рудные пласты или слои, пропитанные водой. Многоканальная запись дозволяет непрерывно смотреть за упругими волнами различных типов и разделять их. Записывают сигналы или на рулонную бумагу, или на широкую магнитную ленту. Форма записи — аналоговая или цифровая. При помощи графопостроителей (плоттеров) цифровые магнитограммы можно переписать в аналоговые. Упругие волны появляются и в результате естественных деформаций земных недр (землетрясений), приливных волн Мирового океана, движения больших воздушных масс (циклонов и антициклонов), оползней, ветра, дождика. Для регистрации упругих волн от землетрясений в обсерваториях (их в мире выше 200) применяют сейсмографы. Устройство представляет собой инертную массу, подвешенную на пружине в жёстком мощном корпусе. Упругие волны вызывают колебания корпуса, а инертная масса стремится остаться неподвижной. Если к инертной массе подключить записывающее устройство (например, перо, которое просто касается бумаги, намотанной на крутящийся барабан), получится сейсмограмма — запись колебаний, произошедших от землетрясений. Кроме механической записи используют оптические и электромагнитные методы автоматической (традиционно круглосуточной) регистрации сейсмических волн. При морской сейсморазведке чаще всего употребляют приёмники, работающие на базе пьезоэффекта. Суть этого явления заключается в том, что на поверхности некоторых кристаллов (к примеру, кварца) под влиянием упругой деформации появляются электрические заряды. Промышленные морские пьезоприёмники помещают в заполненный маслом плавающий шланг, который тянется за судном. Упругие волны в толще воды вызывают мощным искровым разрядом либо выстрелом из газовой пушки. Морские пьезоприёмники способны улавливать волны, создающие перепад давлений в миллионные доли атмосферы. Ещё один способ современной геофизики — гравиразведка (от лат. gravis — «тяжёлый»). Он основан на совсем точном измерении силы тяжести Земли, т. е. гравитационного поля планеты. Сила тяготения на поверхности создаёт ускорение g= 9,81м/с , либо 981 Гал. Однако Земля не однородный шар; в ней есть пустоты и области уплотнения, например залежи руды. Сила тяжести над ними оказывается или чуток меньше, либо чуток больше среднего значения. Эти конфигурации регистрируют гравиметрами. Полевые гравиметры предусмотрены для измерения разности между gH в наблюдаемой точке и величиной go в некой исходной точке. Определяют go в опорных пт гравиметрической сети страны, расположенных в городах и ряде больших населенных пт. Чувствительный элемент гравиметра — витая кварцевая пружина (иногда система пружин) либо кварцевая нить. Эталонная масса (грузик), подвешенная на таковой пружине либо нити, под действием силы тяжести отклоняется от положения равновесия .

 

помощью компенсационных устройств грузик приводят в то исходное положение, которое он занимал на опорном пт, и по шкале отсчитывают разность меж go и gH. Чувствительность современных гравиметров составляет от 0,1 до 0,01 миллигал. В настоящее время точное распределение силы тяжести на суше и в Мировом океане получают при помощи наблюдений за траекториями движения искусственных спутников Земли. Гравитационные аномалии изменяют орбиту спутника, отклоняя ее от расчётной. Эти отклонения можно измерить способом лазерной локации и по ним рассчитать величину земного ускорения в различных точках планеты. При помощи магниторазведки изучают геомагнитное, или естественное магнитное, поле Земли. Его величина зависит от размеров и глубины залегания намагниченных объектов, к примеру залежей стальных руд. Магнитометрами (полевыми, самолётными или корабельными) измеряют абсолютную величину магнитного поля или его относительные значения, которые ассоциируют с измеренными в опорных пунктах. Чертой магнитного поля служит напряжённость; она измеряется в эрстедах и палитрах. Напряжённость земного поля на магнитном полюсе равна 0,65 Э, а на экваторе — 0,35 Э. 1-ые приборы представляли собой намагниченную стрелку, подвешенную на упругой нити. Величину её отличия, прямо пропорциональную напряжённости измеренного поля, определяли с помощью оптической системы. Приборы такого типа обеспечивают чувствительность до 4—5 у. Приборы второго поколения именуются феррозондовыми (от лат. ferro — «железо» и фр. sonde). Такое устройство представляет собой два стержня с обмотками, поверх которых надета измерительная катушка. Когда на обмотки подают ток, стержни намагничиваются, и в катушке возникает напряжение. Можно подобрать такую величину тока и его частоту, что поле катушки скомпенсируется геомагнитным полем в опорном пт, и напряжение не появится. Если геомагнитное поле поменяется (в другом пт), поменяется и намагниченность стержней; соответственно в катушке появится сигнал. Чувствительность феррозондовых магнитометров составляет 2—4 у. Приборы третьего поколения, появившиеся в шестидесятых гг. XX столетия, употребляют уже квантовый эффект — зависимость частоты электромагнитного излучения атомов вещества от внешнего магнитного поля. Существует два типа таковых устройств. Протонные магнитометры содержат сосуд с водой или керосином (в молекулах этих жидкостей много атомов водорода, ядра которых состоят из протонов). Сосуд помещён вовнутрь катушки. Когда на ее обмотки подают ток, жидкость намагничивается: протоны выстраиваются вдоль поля катушки. Потом ток быстро выключают, и протоны начинают вращаться, как волчки, вокруг силовых линий магнитного поля Земли. Крутящиеся протоны представляют собой маленькие магниты; при их движении в обмотке возникает переменное напряжение, частота которого определяется величиной геомагнитного поля в данной точке. Абсолютная погрешность протонных магнитометров составляет около 1 у. В квантовых оптических магнитометрах атомам газа энергию докладывают мощной световой вспышкой. Полученную энергию атомы отдают, излучая электромагнитные волны с частотой, прямо пропорциональной напряжённости магнитного поля. Точность этих устройств ещё выше — до 0,1 у. Землю изучают и способами электроразведки. В результате солнечного и космического излучений, непрерывных ударов молний в землю (выше сто раз в секунду), химических и физических реакций, приводящих к появлению электрических зарядов в горных породах и в подземных водах, появляются природные электрические поля. Линии электропередачи, антенны теле- и радиостанций создают искусственные поля. По чертам электрического поля (к примеру, по сопротивлению) исследователи научились различать горные породы и залежи металлических руд. В первый раз электроразведку для поиска нужных ископаемых применили в конце XIX в. К. Барус (США) и Е И. Рагозин (Россия). При работе методом кажущегося сопротивления в грунт вбивают два электрода и подключают их к источнику неизменного тока. Возникшее электрическое поле изучат с помощью второй пары электродов, соединённых с вольтметром. По величине измеренного напряжения рассчитывают сопротивление данного участка земной коры; оно даёт представление о его строении. При электромагнитной разведке на поверхности земли раскладывают кабель в виде петли и пропускают через него переменный ток. В проводящих участках коры (к примеру, в залежах руды) он создаёт магнитное поле, по величине которого судят о размерах и положении залежей. Магнитотеллурическими (от «магнит» и лат. tellus — «Земля») способами изучают переменные электромагнитные поля Земли естественного происхождения. Магнитометры и электрические датчики принимают излучения, приходящие с глубины в несколько километров. Эти излучения дают довольно полное представление о геологическом строении данной местности. Тепловые поля Земли, возникшие в итоге сложных физических и химических действий (к примеру, радиоактивного распада некоторых химических частей), изучат тепловизорами. Их чувствительные элементы принимают инфракрасное (тепловое) излучение глубинных пород. Излучение это очень слабое, потому приёмники тепловизора охлаждаются жидким азотом либо гелием до температуры -200—230 °С. Принятые сигналы поступают на экран телевизора либо фиксируются на фотоплёнке. Распределение температур зависит от внутреннего строения планеты. Горные породы «просвечивают» электромагнитными и акустическими волнами. По двум соседним скважинам перемещают сразу излучатель и приёмник. По тому, как залегающие между скважинами породы поглощают волны, оценивают их электрические и упругие характеристики. При радиолокационных исследованиях используют георадары. Это устройство представляет собой радиолокатор, который «светит» вовнутрь Земли. Почва и горные породы поглощают радиоволны, поэтому попадают они лишь на глубину в несколько десятков метров. Антенна георадара излучает радиоимпульс, который отражается от плотных пород и ворачивается к принимающей антенне. Скорость распространения радиоволн зависит от физических параметров горных пород и жидкостей, их насыщающих (воды, нефти). Очень удобен георадар и для инженерных нужд: он с большой точностью обнаруживает трубопроводы, кабели и подземные сооружения. Наблюдают за естественной радиоактивностью горных пород и воздуха при помощи гамма-счётчиков и эманометров (от лат. emano — «вытекаю» и греч. «ме'трон» — «мера»). В сцинтилляционных (от лат. scintillatio — «мерцание») счётчиках под действием радиации появляются вспышки света, а фотоумножитель преобразует их в электрические сигналы, которые потом усиливаются и регистрируются. Спектрометрические гамма-счётчики позволяют выяснить, какой элемент — уран либо торий — был источником радиоактивного излучения. Известно, что урановые руды содержат радий, который выделяет бесцветный газ — радон. Газ этот радиоактивен: он распадается, излучая альфа-частицы. Чтоб найти мощность месторождения урановой руды, пробу воздуха, содержащего радон, закачивают в эманометр, и прибор измеряет интенсивность альфа-излучения. На горные породы действуют гамма-излучением либо потоками нейтронов различных энергий. Гамма-счётчики измеряют интенсивность вторичного гамма-излучения и энергию нейтронов .

 

помощью нейтронных способов находят залежи соединений, содержащих водород (воду, нефть, газ), металлов и редкоземельных частей. Гамма-методами измеряют плотность пород и определяют их элементный состав.



Адаптеризация. Гальванотехника. Палеолит. ашельская эра. Техника космических исследований.

На главную  История 





0.016
 
Яндекс.Метрика