Бурение скважин во льдах антарктиды

Зачем российские учёные пробурили самую глубокую скважину в Антарктиде

Зачем российские учёные пробурили самую глубокую скважину в Антарктиде

В 2020 году исполнилось 200 лет с момента открытия Антарктиды русскими моряками. Два века, которые минули с начала освоения шестого континента человеком, прошли под знаком острого соперничества государств, желавших закрепить за собой право собственности на эту занесённую снегом землю. Впрочем, можно вспомнить и примеры успешного сотрудничества, которые позволили, например, установить цикличность изменения климата на Земле. «Форпост» решил выяснить, каким образом учёным удалось это сделать, и действительно ли российская наука остаётся лидером в полярных исследованиях.

Кто открыл Антарктиду, и какие тайны она хранит

Русские корабли «Восток» и «Мирный» под предводительством Фаддея Беллинсгаузена и Михаила Лазарева приблизились к шельфовым льдам самого южного материка планеты 28 января 1820 года. Спустя несколько дней туда приплыли и иностранцы, что дало им основания оспаривать у нас пальму первенства. Впрочем, долгое время, вплоть до середины ХХ века выяснение того, чья же нога на самом деле первой ступила на льды Антарктиды, шло в вялотекущем режиме.

Всё изменилось в 1948 году, когда США инициировали работу по созданию международного правового режима управления этим регионом. Советский Союз к диалогу приглашен не был, но твёрдо заявил о том, что поделить континент без его участия не удастся. Для того чтобы продемонстрировать Западу свою решимость, СССР впоследствии открыл там около двадцати научных баз – так много не могла себе позволить ни одна другая держава.

Некоторые из них действуют до сих пор. Например, станция «Восток», расположенная в одном из наиболее холодных мест на планете. В 1983 году там была зафиксирована рекордно низкая температура за всю историю метеонаблюдений – минус 89,2 °C. Даже летом, которое в южном полушарии приходится на декабрь-февраль, стрелка термометра в этом районе редко поднимается выше минус двадцати градусов.

Станция была основана в 1957 году, во время второй советской антарктической экспедиции. А через семь лет известный геоморфолог Андрей Капица, проводивший сейсмическое зондирование ледникового щита, предположил, что под ней находится огромное озеро. 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 метров).

Любители фантастики всерьёз рассуждали о том, что там могут существовать неизвестные прежде виды животных. Однако учёных интересовало совсем другое — возможность узнать о том, какие события происходили на Земле сотни тысяч лет назад.

Ледниковый покров

Дело в том, что покров Антарктиды сложен из так называемого атмосферного льда, который образовался из твёрдых осадков — кристаллов снега, падающих в твёрдом виде с неба. В связи с постоянными отрицательными температурами они не тают, а значит, год за годом накапливаются, уплотняются в фирн, а затем превращаются в лёд, который постепенно растекается от центра материка к его краям.

Несложно понять, что лёд, лежащий на поверхности, — современный, а чем он ниже, тем старше. И если, к примеру, достать керн с глубины 3200 метров, то его возраст окажется от 400 до 430 тысяч лет. В лабораторных условиях можно детально изучить его газовый и изотопный состав и узнать, какие события происходили в момент его формирования в атмосфере Земли и к каким последствиям они привели.

Технология бурения

Бурение скважин с целью изучить процессы, связанные с изменением климата, началось на станции «Восток» ещё в 1970 году. Всё необходимое для этого оборудование было создано учёными Ленинградского горного института (сейчас – Санкт-Петербургский горный университет) под руководством Бориса 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-м.

«В Горном институте были созданы основы теории теплового и механического разрушения льда; методики расчёта технологических параметров бурения; обоснован выбор рецептуры незамерзающей заливочной жидкости, которая нужна для того, чтобы предотвратить сужение ствола скважины под воздействием горного давления и температуры. Здесь же были разработаны принципиально новые полуавтономные электротепловые и электромеханические буровые снаряды на грузонесущем кабеле, комплексы стационарного и передвижного бурового оборудования, системы контроля и автоматизированного управления процессом. Об эффективности и надёжности разработанных технологий можно судить по стабильности, с которой проходило бурение», — рассказал профессор Горного университета Николай Васильев, долгое время, вплоть до 2015 года возглавлявший буровые работы на станции «Восток».

Строительство скважины до глубины 2200 метров 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.

На фото: Термобуровой колонковый снаряд для проходки глубоких скважин во льду был разработан на кафедре бурения Санкт-Петербургского горного университета и изготовлен в экспериментально-производственных мастерских вуза. Сейчас находится на хранении в Горном музее

Вплоть до 1998 года 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». В условиях экономического кризиса девяностых, бушевавшего тогда в России, это было весьма своевременно и актуально.

Ближе к концу минувшего века иностранные партнёры перебрались на другие базы. Американцы, правда, продолжали оказывать услуги по транспортировке наших учёных, но делали это с «небольшой оговоркой»: по условиям договора россияне могли заниматься в Антарктиде лишь гляциологическими исследованиями, но не буровыми работами. Дело в том, что к тому времени из-за рубежа всё чаще начали звучать голоса тех, кто обвинял Россию в использовании «грязных» технологий, которые могут повредить уникальной экосистеме озера. В частности, в применении для создания незамерзающей жидкости керосина, фреона и этиленгликоля.

Эксперты до сих пор не могут с уверенностью ответить на вопрос о том, чего было больше в этих высказываниях – искренних переживаний за чистоту проекта или зависти к нашей науке, которая в очередной раз стремилась доказать своё превосходство. Ведь к концу девяностых стало окончательно ясно, что инновации, благодаря которым можно пробурить скважину такой глубины и получить пробы из реликтового водоёма, в ближайшие годы никто кроме россиян создать не сможет.

Как бы то ни было, в 1999 году бурение над самым большим подледниковым озером на планете было приостановлено приблизительно в 120 метрах от его предполагаемой поверхности. А в Горном университете начались работы над созданием заливочной жидкости нового типа, которые завершились к 2003 году.

В 2015-м группа учёных Горного университета, а также Института Арктики и Антарктики была удостоена премии Правительства РФ в области науки и техники «за разработку теоретических основ экологически чистых технологий и технических средств бурения, а также их реализацию в условиях ледников Антарктиды». К тому моменту им удалось дважды проникнуть в озеро и получить заветные образцы древней воды.

Научные результаты и перспективы использования технологии

«Результаты изотопных и гляциологических исследований кернов антарктического льда имеют сугубо практическое значение. Например, нам 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 тысяч лет. Впервые для центральной части Антарктиды получены данные о температурном режиме ледникового покрова, которые легли в основу математического моделирования процессов тепломассопереноса в леднике. А результаты бурения скважин как тепловым, так и механическим способами позволили нашей стране занять лидирующее положение в мире в области глубокого бурения льда», — говорит доцент Горного университета Андрей Дмитриев, входивший в состав 64-й Российской Антарктической экспедиции 2018/19 годов.

Перспективы использования технологии гораздо шире. Например, специалисты НАСА считают, что изучение кернов из Антарктиды – первый шаг к поиску следов жизни на Марсе, Плутоне, спутнике Юпитера Европе и других небесных телах, где также лежат ледники, под которыми скрываются водоёмы.

Существует и более приземлённая версия того, где могут быть использованы уникальные буровые установки и вспомогательное оборудование, которое проходит «проверку боем» в суровых условиях Антарктиды. Не секрет, что на другой стороне Земли, в недрах Заполярья по самым скромным оценкам лежит порядка 412 млрд баррелей нефтяного эквивалента. Львиную долю этих ресурсов делят между собой Россия, США и Дания, которым принадлежит более 88% богатств региона.

Бурение скважин в Арктике также сопряжено с работой в условиях вечной мерзлоты и неблагоприятного для людей климата. При этом эксперты однозначны в выводах — в ближайшие десятилетия основными драйверами развития нефтегазовой отрасли станут именно месторождения, расположенные на шельфе Северного Ледовитого океана или в прибрежной зоне рядом с ним. Это значит, что сохранение за нашей страной статуса лидера в области добычи углеводородов, во многом будет зависеть именно от наличия отечественных технологий, в частности, тех которые применяются сегодня на станции Восток.

Источник

Сквозь толщу льда: зачем в Западной Антарктиде пробурили рекордно глубокую скважину

За 63 часа непрерывной работы участники проекта BEAMISH Антарктического управления Великобритании пробурили в Западной Антарктиде скважину рекордной глубины — 2152 м. Об этом сообщается в пресс-релизе BEAMISH.

Работы велись на ледяном потоке Рутфорд, длина которого достигает 300 км, ширина — 25 км. Известно, что с этого потока в море Уэдделла «стекает» довольно много льда.

«Толщина ледяного потока Рутфорд превышает 2 км. Мы используем огромный термобур с водяной подачей, который может растопить ледяную толщу за два дня», — сообщается в пресс-релизе проекта.

Работы исследователей осложняла низкая температура — -30 °С. В таких условиях бурение нельзя было приостанавливать, поскольку скважина диаметром 30 см могла замёрзнуть.

«Я долго ждал этого момента и очень рад, что мы наконец достигли нашей цели. Мы всё ещё мало знаем о том, что происходит в Западной Антарктике. Нам необходимо понять, как этот регион может измениться в будущем, как тающие ледники повлияют на повышение уровня Мирового океана», — сообщил ведущий сотрудник Антарктического управления Великобритании Энди Смит.

Учёные уже погрузили в скважину различные приборы для регистрации температуры льда, давления воды и обнаружения любых деформаций в ледяном покрове. Специалисты хотят узнать, почему повышение уровня моря происходит быстрее, чем ожидалось, и как долго этот процесс может продолжаться.

Исследователи отметили, что тёплые воды океана разрушают многие ледники Западной Антарктиды.

«Мы хотим понять, насколько скользким является осадочный покров под этими ледниками, и, следовательно, узнать, как быстро они могут «стечь» с континента в море. Это позволит нам спрогнозировать будущее повышение уровня моря в Западной Антарктиде», — подчеркнул физический океанограф из Антарктического управления Великобритании Кит Макинсон.

22 января участники проекта BEAMISH пробурили вторую, менее глубокую скважину и планируют создать ещё одну. Учёные будут работать на местности до середины февраля.

Отметим, что проект BEAMISH начался 20 лет назад, однако первые попытки исследователей пробиться сквозь толщу ледяного покрова не увенчались успехом.

Источник

Озеро Восток: что российские геологи нашли в самой глубокой скважине в Антарктиде

Изучение уникального водоема, спрятанного под 4-километровыми антарктическими льдами, — один из проектов, сопоставимых по значимости с освоением космоса. Первые попытки добраться до изолированного на протяжении 15 миллионов лет озера были предприняты в 1989 году, но только в 2015-м ученым удалось впечатлить мир первыми сенсациями.

Новый лидер для Книги Гиннеса

Версия о том, что под многокилометровыми льдами Антарктиды находится уникальное озеро, была высказана еще в середине XX века. А через несколько десятилетий в существовании водоема южнее геомагнитного полюса Земли уже не сомневались. Тогда же были организованы первые попытки бурения льда. В 1972 году полярники не дошли до отметки в 1000 метров, зато в феврале 2013-го уже успешно преодолели почти всю толщу льда, достигнув отметки в 3,7 км.

В ходе изысканий было установлено, что подледное озеро – крупнейшее из существующих на Земле водоемов, спрятанных подо льдами. Его длина превышает 157 км, ширина составляет порядка 65 км, а глубина – почти 1,2 км. Озерная вода чрезвычайно обогащена кислородом, количество которого в 50-100 раз больше, чем в пресной воде любого известного поверхностного водоема. Давление там в 400 раз превосходит атмосферное.

Пара уникальных бактерий

В ходе бурения на поверхность неоднократно извлекали различные микроорганизмы, но все они оказывались «занесенными с Земли». Только в 2004 году российские ученые, пробурив льды возрастом не менее пяти тысяч лет, обнаружили уникальный микроорганизм. Неизвестная ранее бактерия, обитая, как полагают специалисты, на дне озера, прекрасно выживает там при температуре -50°C в абсолютной темноте, к тому же при зашкаливающем давлении и избытке кислорода. В 2016 году полярники нашли еще одну уникальную бактерию, которой был присвоен индекс W-12310.

Обыватель скажет: ну выловили новые бактерии, и молодцы! Вроде бы ни жарко ни холодно от этого обычному человеку. Однако подобные находки не только невероятно повышают престиж страны, но и обещают помочь в изучении спутников Юпитера и Урана, а также полюсов Марса. Ведь жизнь в озере Восток протекает предположительно в тех же условиях, что и в космических водоемах. А так как отправка миссий на удаленные от Земли спутники затруднена, ученые, исследуя озеро Восток, могут дистанционно изучать внеземные водоемы, строить гипотезы и задавать автоматическим станциям задачи, сообщая, что именно нужно искать в космосе. Получается, что Восток можно рассматривать как отличный полигон для отработки технологических инженерных решений, которые после доведения до совершенства можно применять при знакомстве с другими объектами Солнечной системы.

Монокристаллы-гиганты

В процессе исследования ученых ожидала еще одна необычная находка – ледяные монокристаллы-гиганты. Их размер превышал 3,5 метра, при этом выяснилось, что «прирастают» кристаллы очень медленно – не более 5 мм в год. Такой малой скорости роста кристалла невозможно добиться даже в идеальных условиях современных лабораторий. Правда, объяснить подобный природный феномен ученые пока не в состоянии.

Есть ли жизнь в Востоке?

Летом 2013 года были опубликованы научные исследования, в которых утверждалось, что в водоеме водятся не только простейшие бактерии, но и грибы-эукариоты, и многоклеточные – моллюски, коловратки, членистоногие и даже рыбы. Однако информация эта была опровергнута генетиками Петербургского института ядерной физики. Российские ученые, в том числе известный криоастробиолог Сергей Булат, настаивали на том, что в подледном озере не обнаружено никаких организмов, кроме бактерий. А представленные в качестве сенсации «образцы» – остатки той живности, которая если и водилась в озере, то давно вымерла, а ее ДНК в воде сохранилось лишь благодаря вмерзанию в толстый лед. И все же полярники пока не дошли до самого дна, где предположительно находятся термальные теплые источники, и не изучили озеро в полном объеме. А вдруг в уникальном водоеме водятся не только примитивные бактерии?

Источник