Глубинные бурения для научных целей

                Глубинные бурения для научных целей.


         Антарктида. 
 
        Полярная станция “Восток” была основана в 1957 г., во время второй советской антарктической экспедиции. Она расположенная в одном из наиболее холодных мест на планете. В 1983 г. там была зафиксирована рекордно низкая температура за всю историю метеонаблюдений – минус 89,2 °C. Даже летом, которое в южном полушарии приходится на декабрь-февраль, температура редко поднимается выше минус двадцати градусов. Через семь лет (в1964 г.) известный геоморфолог А.Капица, проводивший сейсмическое зондирование ледникового щита, предположил, что под ней находится огромное озеро. Метод геолокации помог определить контуры подлёдного озера, используя самолет даже летящий со скоростью 300 км.\час. Сомнения в существовании озера совсем исчезли после радарных съемок Антарктиды, проведенных в начале 1990-х спутником ERS-1 Европейского космического агентства, которые показали наличие рядом с «Востоком» вытянутого плато с аномально малым перепадом высот. Эта теория была окончательно подтверждена в конце восьмидесятых, после чего российские, французские и американские специалисты начали совместное бурение скважины, которая должна была открыть тайны водоёма, миллионы лет изолированного от земной атмосферы (его поверхность находится на глубине 3769,3 м.). А сама идея существования подледных озер пришла в голову в XIX веке российскому географу (теоретик анархо-коммунизма) П. Кропоткину, который предположил, что с ростом давления температура в глубоких слоях ледников может повышаться. В 1950-х советский геофизик Н. Зубов рассчитал критическую толщину ледника, при которой его нижележащие слои могут находиться в расплавленном состоянии, а в 1961 г. его коллега И. Зотиков, используя теорию англичанина Г. Робина о вертикальном переносе холода опускающимися вниз частицами льда, предположил возможность образования в центральных областях Антарктиды подледниковых озер, существующих за счет поступающего из недр Земли тепла. Бурение скважин с целью изучить процессы, связанные с изменением климата, началось на станции «Восток» ещё в 1970 г. Всё необходимое для этого оборудование было создано учёными Ленинградского горного института (сейчас – Санкт-Петер-бургский горный университет) под руководством Б. Кудряшова, который являлся автором теории бурения горных пород плавлением, а также теплового и механического разрушения льда. Строительство нынешней скважины 5Г (пятая глубокая), результатом которого должно было стать именно проникновение в озеро, стартовало в 1990 г. Строительство скважины до глубины 2200 м. шло с применением технологии плавления льда, то есть термобуровым снарядом. Далее использовался механический способ, усовершенствованный учёными петербургского вуза. Лёд резался ножами, укрепленными на конце полой трубы. Она углублялась в ледник, а внутри неё оставался керн, который затем поднимался наверх, диаметр бурения 136 мм. Вплоть до 1998 г. отечественные специалисты работали в Антарктиде в сотрудничестве со своими французскими и американскими коллегами. Первые обеспечивали технологическую поддержку проекта, снабжая экспедиции необходимым вспомогательным оборудованием, а вторые брали на себя организацию доставки полярников на станцию «Восток». Временная приостановка бурение было продиктовано согласно рекомендациям Международного научного комитета по антарктическим исследованиям. Это было сделано из опасения занести микроорганизмы с поверхности Земли в подледную экосистему, закрытую, как считается, от внешнего мира последние несколько миллионов лет (порядка от 400 тыс. до 20 млн. лет).

                - 2 –

Тогда эксперты решили, что антифриз (состоящий из керосина, спирта и других токсичных соединений), используемый для заполнения скважин при бурении, может просочиться в подледное озеро даже несмотря на то, что по сравнению с объемом воды, содержащейся в Востоке, доля токсичной жидкости, которая могла бы попасть в озеро, была бы ничтожно мала. В 1999 г. бурение над самым большим подледниковым озером на планете было приостановлено на отметки 3645 м., не дойдя примерно 125 метров до пред-полагаемой поверхности озера. Остановка бурения  была продиктована политическими мотивами, согласно которым западные исследователи не хотели отдавать приоритет в антарктических исследованиях российской стороне, поскольку это могло привести к ограничению финансирования аналогичных иностранных проектов. А в Горном университете начались работы над созданием заливочной жидкости нового типа, которые завершились к 2003 г. Но бурение возобновилось только в 2006 г., и вплоть до 2012 г. неоднократно прерывалось из-за неожиданных аварий: в 2007 г. на глубине 3665 м., за 85 м. до вод озера, термобур неожиданно сломался. Работы возобновили только на следующий год. Но и в 2008-2009 г. ученых продолжал преследовать злой рок – оборвалась лебедка с буровым снарядом.  Проникновение в озеро не состоялось. Исправить ситуацию и поднять керн с льдом из вод озера удалось лишь в январе 2012 г. 5 февраля 2015 г. бурение достигло поверхности озера на отметке 3769,3 м. при толщине льда в этом месте 3700 м. (Л1) Им удалось даже дважды проникнуть в озеро и получить заветные образцы древней воды. Ледниковое озеро “Восток” шириной 50 км., длиной 250 км., глубиной 500 м. и более. Его возраст 420 тыс. лет, объём 6340 куб. км., оно содержит 80% мировых запасов всей пресной воды на планете. Температура воды в озере составляет минус два-три градуса Цельсия при давлении в 400 раз выше атмосферного. В ней примерно в 100 раз больше кислорода, чем в обычной земной воде. Это создает крайне экстремальные, с точки зрения существ, обитающих на поверхности Земли, условия для возможной жизни в озере. В результате бурения удалось впервые установить цикличность изменения климата на Земле, проследить четыре ледниковых и межледниковых периода. Кроме того, на уровне научного открытия была доказана длительность анабиоза микроорганизмов более 200 тыс. лет. Впервые для центральной части Антарктиды получены данные о температурном режиме ледникового покрова, которые легли в основу математического моделирования процессов тепломассопереноса в леднике. Удалось впервые установить цикличность изменения климата на Земле, проследить четыре ледниковых и межледниковых периода. Кроме того, на уровне научного открытия была доказана длительность анабиоза микроорганизмов более 200 тыс. лет. В озере Восток, если следовать привычной земной логике, вообще не должно быть жизни. Но если она обнаружится – это будет научная сенсация. Значит, есть микроорганизмы, которые смогли за миллионы лет как-то приспособиться к новым условиям. Стало быть, нужно по-иному взглянуть на поиск жизни на просторах Вселенной. Если микроорганизмы выжили в озере Восток, почему бы им не жить и на других планетах, на которых есть вода или ее следы? Если же жизнь так и не удастся обнаружить, и этот факт будет сенсацией. Значит, не всегда там, где вода, есть жизнь. В пробах воды была найдена неизвестная бактерия (исследования проводили специалисты Санкт-Петербургского института ядерной физики), ДНК которой не совпала ни с одной из уже известных учеными. То есть ее нет в базе данных бактерий. Но нужны дальнейшие исследования, подтверждающие, что найденная бактерия – уникальна и нигде больше в привычном нам земном мире не встречается. К сожалению, царство бактерий вообще недостаточно изучено. И конечно, в отдаленной перспективе – отбор донных отложений. Именно на дне лежит,

                - 3 -

образно говоря, целый сундук с непознанными сокровищами, каждое из которых – научное открытие. Впервые для центральной части Антарктиды получены данные о температурном режиме ледникового покрова, которые легли в основу математического моделирования процессов тепломассопереноса в леднике. А вот дальше пока ничего неизвестно. “Пока что речь идет не о полном закрытии станции, а о сворачивании сезонных работ, но для российской науки и это будет серьезным ударом», - говорит полярник, начальник РАЭ В. Лукин тоже опасается за будущее экспедиции. Дело в том, что в 2012 г. закончилось действие федеральной целевой программы «Миро-вой океан», в рамках которой финансировалась вся антарктическая наука в России. К счастью, последние три года у нас есть грант Российского научного фонда, благодаря которому мы можем проводить свои исследования. Но что будет дальше, когда этот грант закончится, – пока неизвестно.
 На пресс-конференции, прошедшей в Санкт-Петербурге и посвященной бурению озера Восток, он подчеркнул, что аренда у США самолета, используемого в экспедиции, обходится в миллион евро. Тем не менее, к озеру  будем возвращаться, когда позволят финансы. (Л2)

             Кольский полуостров.

        Кольская экспериментальная сверхглубокая скважина (СГ-3) находится в Мурманской области. Расположена в 15 км. к востоку от посёлка Никель и в 12 км. к западу от города Заполярный. Была занесена в Книгу рекордов Гиннесса как одна из самая глубокая горная выработка в мире. Глубина выработки 12 262 м., диаметр верхней части - 92 см., диаметр нижней части
- 21,5 см. созданная исключительно в научных целях.  В 2017 г. самой длинной скважиной является пробуренная для добычи нефти на шельфе Сахалина Z-44 Чайво (Россия) в 15 км. СГ-3 являлась частью целой системы сверхглубоких скважин, расположенных в разных республиках СССР. Кольская комплексная геолого-разведывательная экспедиция глубокого бурения (1968—1991, с 1992 г. преобразована в Научно-производственный центр «Кольская сверхглубокая»), работавшая под бессменным руководством доктора геологических наук, заслуженного геолога РСФСР Давида Губермана. Бурение проходило с 1970 по 1991 год. В сентябре 1984 г. произошла одна из крупнейших аварий в истории станции. На глубине чуть больше 12 км. буровая колонна неожиданно застряла. Попытки вытянуть ее привели к неожиданному результату: бур с места не сдвинулся, но измерительные приборы вдруг показали падение веса. Секции пытались поднимать по частям. Однако произошел взрыв, в результате чего бур и несколько километров труб остались навечно в глубине. На глубине 12 000 м. записали странные звуки, несколько буровиков пропали. Тут, конечно, на разборки прилетает группа ученых в сопровождении спецназа. Возможно, именно эта авария и трансформировалась в историю о проникновении в ад. Для выяснения причины аварии помимо скважины специально пробурили засекреченную пешеходную шахту, чтобы посмотреть, что же там случилось. Но в 1989 г. сразу несколько зарубежных телеканалов на полном серьезе не повторили ее с новыми подробностями. Мол, на самой большой глубине бур неожиданно провалился в пустоту, а приборы зафиксировали моментальный взлет температуры до тысячи градусов. Ученые опустили на дно микрофон и сделали запись ужасных криков. Эту запись отдали на экспертизу звукорежиссерам Радио «Комсомольская правда» (97,2 FM).  Их заключение, что это студийная запись, не исключено, что этот продукт взят из звуковой библиотеки для озвучивания хорроров. На форумах звуковиков мы обнаружили сам первоисточник - отрывок из фильма ужасов 1972 г.

                - 4 -

«Кровавый барон» (см. на kp.ru). Это крики людей, которых и вправду мучили, но - в камере пыток богатого садиста. Таким образом, запись имеет определенно земное происхождение. Неясно как могли эти звуки попасть на буровую. После ряда необъяснимых аварий в 1994 г. скважину законсервировали. Ученые неоднократно возвращались к идее возобновить ее работу, урезав траты на обслуживание до минимальных $ 5 млн. в год. Однако сейчас это уже невозможно - комплекс полностью разграблен охотниками за метал-лом. Стоимость восстановления - около ста миллионов рублей. Хотя весной 2020 г. власти Мурманска объявили о планировании сделать Кольскую сверхглубокую скважину туристическим объектом, но пока это только проект. В настоящее время формальным правопреемником научно-производственного центра при Кольской сверхглубокой скважине является базирующийся в Ярославле АО «НПЦ Недра».
        Немного истории. В XIII веке китайцам удавалось прорыть скважины глубиной 1200 м. К началу XX века мировой наукой был накоплен большой объём знаний по строению верхних слоёв литосферы. Было предпринято несколько попыток пробурить сверхглубокие скважины для проверки теорий на фактическом материале. В 1930 г. в Европе смогли пробурить земную
поверхность на глубину 3 км. В конце 1950-х годов глубина пробуренных скважин увеличилась до 7 км. В 1957 г. США приступили к осуществлению аналогичного проекта. В 1958 г. была создана программа для бурения коры под Тихим океаном. Однако работа в рамках проекта была прекращена в 1966 г. из-за отсутствия финансирования. Наиболее удобными местами для сверхглубокого бурения являются район Кольского полуострова - одно из немногих мест на материковой поверхности Земли, где чехол осадочных
пород полностью отсутствует, и поверхность сложена породами очень древнего происхождения. Их возраст составляет около 3 млрд. лет, а возраст Земли оценивается в 4,5 млрд. лет. Средний радиус Земли составляет 6371,032 км. Земля состоит из отдельных составляющих: ядра (в центре), мантии, земной коры, гидросферы, атмосферы и магнитосферы. Радиус ядра (внутренняя часть его - твёрдое тело из железа и никеля) составляет 3471 км. Мантия – жидкая субстанция. Земная кора - от нескольких км. до 100 км. Вообще же земная кора представляет  собой тонкую скорлупу, в то время как мантия распространяется в глубину на 45% земного радиуса. Тем не менее, даже в наше время современному человеку удалось проникнуть вглубь Земли как комару в кожу человека (максимально около 15 км.). В составе Земли пре-обладает железо (34.6%), кислород (29.5%), кремний (15.2%), магний (12.7%). Земная кора, мантия и внутренняя чаять ядра твердые (внешняя часть ядра считается жидкой). От поверхности Земли к центру возрастают давление, плотность и температура. Температура ядра 5000 гр. С. Бурение СГ-3 началось 24 мая 1970 г. До глубины в 7000 м. бурение проходило относительно спокойно, бур проходил через однородные прочные граниты. После этой глубины буровая головка вошла в менее прочные слоистые породы. При про-хождении через них ствол скважины стал осыпаться. 6 июня 1979 г. скважина дошла до 9583 м. В 1983 г. пробурили 12 066 м. и временно остановились - готовились к Международному геологическому конгрессу, который должен был проходить в 1984 г. в Москве. После конгресса в посёлок Заполярный приехала международная делегация геологов и журналистов, которым показали буровую в действии, доставали и отсоединяли 33-метровые секции труб, керны, буровые головки. 27 сентября 1984 г. бурение было продолжено. При первом же спуске произошла авария - оборвалась буровая колонна. Бурение возобновили с глубины 7000 м. К 1990 г. новое ответвление достигло глубины 12 262 м. Колонна снова оборвалась, и бурение было прекращено. Ствол скважины искривлялся, и на максимальной глубине отклонение от

                - 5 -

вертикали устья скважины составило 840 м. В 1994 г. бурение прекратили окончательно. К 1995 г. финансирование работ почти полностью прекратилось. Вместо 500 человек в 1980-х г. по штатному расписанию на апрель 2008 г. в НПЦ «Кольская сверхглубокая» числилось 20 человек. В том же  году решением главы управления Госимущества по Мурманской области научно-производственный центр при скважине ликвидирован «ввиду нерентабельности», в течение нескольких месяцев после этого комплекс зданий НПЦ при скважине был окончательно заброшен, оборудование демонтировано, началось разворовывание металла, разрушение построек. Линия электропередачи, ведущая к скважине, также была демонтирована. (Л3)

                Материал подготовил Львов Ю.М.     20.12.2020

        Литература:

     1. М. Ратников “Зачем российские учёные пробурили самую глубокую
        скважину в Антарктиде”. Форпост. (Северо-запад) 7.01 20, Yandex.ru.
     2. А. Борисов “Самое стабильное место на планете”. Lenta.ru 19.12.20
     3. Википедия. Кольская сверхглубокая скважина. (ru.wikipedia.org)