10 класс ЗАКОН ОМА ПОМОГАЕТ ГЕОЛОГАМ
занимательные факты по физике (10 класс) по теме

ЗАКОН ОМА ПОМОГАЕТ ГЕОЛОГАМ

Удивителен мир физики. И наибольшее удивление вызывает то обстоятельство, что, несмотря на беспредельность как в сторону микро-, так и макрокосма, все в этом мире подчинено строгим законам. Эти законы недаром носят название фундаментальных, и сама по себе физика относится к категории фундаментальных наук. Однако подобно тому, как всякая хорошая теория рано или поздно находит свое практическое воплощение, физика располагает рядом прикладных направлений, в рамках которых физические законы и закономерности «работают» на нужды прогресса и народного хозяйства. Об одной из таких «рабочих» профессий физики и хотелось бы сегодня поговорить. Речь пойдет, как, вероятно, читатель уже понял из названия рубрики, о физике в геологии, о геофизике.

Геофизика представляет собой отдельную отрасль среди геологических наук и выделяется тем, что для изучения строения Земли и закономерностей происходящих на ней и в недрах ее процессов использует универсальные физические законы и различие горных пород по физическим свойствам.

В одной небольшой частной статье трудно охватить весь круг геофизических проблем. Попытаемся это сделать по частям в виде очерков, посвященных отдельным примерам использования законов физики в геологии при решении различных конкретных задач.

Как явствует из названия, речь пойдет об электричестве. Об электричестве, которое приносит в наши дома свет и тепло, вращает электромоторы поездов электричек, трамваев, метро и троллейбусов, помогает на производстве и в быту. Оказывается, электричество может быть надежным помощником и в геологии, например, при изучении строения Земли, при поисках и разведке месторождений полезных ископаемых. И здесь нельзя обойтись без одного из фундаментальных законов теории электричества закона, экспериментально установленного в 1826 г. немецким ученым Георгом Симоном Омом и известного как закон Ома. Согласно этому закону сила тока в проводнике прямо пропорциональна напряжению на его концах. Роль коэффициента пропорциональности играет проводимость (величина, обратная сопротивлению) проводника.

При чем же тут геология? Как связать различие типов и свойств горных пород, чередуясь составляющих геологический разрез, с такими характеристиками, как сила тока, проводимость или сопротивление проводника и напряжение на его концах?

Существенным в зависимости, выявленной Омом, оказывается то, что сопротивление выступает как постоянная величина, присущая данному проводнику и не зависящая от приложенного к его концам напряжения. Из этого следует, что если горные породы в силу своих физических свойств различаются по сопротивлению, то изменение величины отношения напряжения к силе тока будет отображать изменение физических свойств горных пород. Нетрудно представить себе некоторый объем горной породы, включенный в качестве проводника в замкнутую электрическую цепь. Остается только измерить напряжение и силу тока и по величине их отношения (сопротивлению) определить на основании статистических зависимостей вид горной породы. Практически это осуществляется следующим образом. Берут четыре металлических (два стальных и два латунных) штыря (электрода) и погружают их в горную породу. При этом обычно штыри-электроды располагают Ha одной линии по два с каждой стороны симметрично относительно центральной точки, как это можно видеть на приводимом рисунке. Через стальные электроды пропускают электрический ток определенной силы, а латунные используют в качестве заземлений для измерения напряжения.

Схематически, как видим, задача представляется совсем не трудной. Однако таковой она оказывается, если иметь дело с одной разновидностью горной породы и измерения проводить на однородных по строению и составу образцах. Тогда, действительно, полученная информация будет определяться свойствами породы исключительно данного вида. В реальных геологических условиях такие случаи встречаются достаточно редко. Обычно геологический разрез представлен чередованием трех, четырех, пяти и более слоев. Здесь можно встретить и глины, и пески, и известняки, изверженные породы и многие другие. Каждый из этих слоев имеет свое

сопротивление и, соответственно, свою вольтамперную характеристику. Поэтому проблема заключается в том, как «заставить» электрический ток протекать именно по тому из слоев, который в данный момент интересует исследователя, поочередно зондировать все слои разреза сверху вниз.

Можно попытаться каждый раз погружать электроды именно в тот слой, характеристики которого предполагается изучать. Однако такая задача технически трудно осуществима, поскольку измерения проводятся на поверхности, а интересующие нас слои залегают иногда на значительной глубине. Но выход был все-таки найден. Оказалось, что при постепенном увеличении расстояния между токовыми стальными электродами так же постепенно будет возрастать глубина проникновения электрического тока в массив горных пород. Экспериментально установлено, что глубина проникновения тока по величине составляет приблизительно от одной трети до одной пятой расстояния между токовыми электродами. Таким образом удается контролировать глубину проникновения электрического тока и определять, какой из составляющих геологический разрез слоев исследуется. Оператор измеряет напряжение и силу тока, вычисляет их отношение и на специальном бланке строит график, зависимости отношения напряжения к силе тока от расстояния токовых электродов до центра установки. Постепенно увеличивая расстояние между токовыми электродами и проникая все глубже в толщу грунтового массива, можно в конце концов изучить массив на заданную глубину. Такой способ геофизического исследования носит название вертикального электрического зондирования.

Получаемая величина отношения напряжения к силе тока представляет собой не истинное, а кажущееся сопротивление, поскольку зависит, помимо физических свойств, от взаимного геометрического расположения электродов и расстояний между ними. Однако это не является принципиальным препятствием для получения информации о геологическом разрезе. В настоящее время существуют ручные и машинные алгоритмы получения на основе графиков кажущегося сопротивления данных об электрическом сопротивлении и толщине составляющих геологический разрез слоев. Метод вертикального электрического зондирования, введенный в обиход в 30-е годы, широко используется в геологической разведке, в инженерных изысканиях под строительство, где с успехом заменяет собой полностью или частично дорогостоящее бурение разведочных скважин, помогая без потери информативности сократить время и средства при проведении соответствующих работ.

Александр Жиголин