Тема:

Геология и науки о Земле 10 суток назад

Мал, да удал: новый крошечный гравиметр поможет в поиске полезных ископаемых

Чувствительности нового миниатюрного гравиметра достаточно для обнаружения нефтяного месторождения объёмом 50 кубических метров на глубине 150 метров
(фото Giles Hammond/University of Glasgow).

Современные высокоточные гравиметры или устройства, которые измеряют силу притяжения Земли, широко используются при разведке месторождений полезных ископаемых, для обнаружения подземных пустот при строительстве, для наблюдения за вулканической деятельностью и другими природными явлениями. Но самое миниатюрное из этих устройств, существующих на сегодняшний день, размером с буханку хлеба и весит несколько килограммов.

Большинство коммерческих гравиметров определяют силу притяжения, наблюдая за положением тела, называемого массой, которое закреплено внутри устройства на пружинах. Это сердце ультрачувствительной системы прибора, и для его правильной работы необходим корпус, внутри которого поддерживаются постоянные температура и давление.

Измерения обычно проводятся в интересующем месте и сравниваются с показаниями прибора в так называемом опорном пункте. Точность современных устройств достигает 10-7 – 10-9 м/с2, но они по-прежнему громоздкие и дорогие.

Изящное решение проблемы предложили Джайлз Хаммонд (Giles Hammond) и его коллеги из Университета Глазго. Они разработали простой, компактный и недорогой способ измерения силы земного притяжения.

Ключевым элементом нового датчика также стал подвешенный груз. Но на этот раз вся система была вырезана из единого листа кремния толщиной 0,2 миллиметра. В итоге в качестве массы используется пластинка, которая прикреплена к рамке тонкими кремниевыми полосками, заменяющими пружины.

В устройстве сила притяжения тянет пластинку вниз, а распорки толкают вверх. Углубляясь в физику, получается, что положение равновесия пластинки определяется тремя величинами, а именно собственной массой, коэффициентом жёсткости "пружин" и ускорением свободного падения. Первые две постоянны, поэтому любое изменение в положении пластинки является результатом изменения локальной силы притяжения Земли.

Чтобы засечь эти слабые изменения, с одной стороны массу освещает светодиод, а с другой стороны в тени установлен очень чувствительный датчик света. В результате даже самые слабые движения пластинки можно регистрировать по количеству фотонов, падающих на детектор.

Так как кремний значительно сжимается и расширяется при колебаниях температуры, команда использовала нагреватель с очень точным термостатом, который может поддерживать температуру в пределах одного микроградуса.

Чувствительность нового устройства примерно в десять раз ниже, чем у лучших гравиметров, доступных на рынке. Но и её достаточно, чтобы обнаружить туннель с поперечным сечением площадью два квадратных метра, пролегающий на двухметровой глубине, или нефтяное месторождение объёмом 50 кубических метров на глубине 150 метров.

Сейчас команда Хаммонда совместно с геолого-исследовательской компанией работает над созданием портативного гравиметра для работы в полевых условиях. Кроме того, физики планируют изменить конструкцию, чтобы проводить измерения не в одной плоскости, а во всех направлениях.

Подробное описание нового гравиметра приводится в статье, опубликованной в издании Nature.

Сегодня