Globoko v vročih rudah

2024 Avtor: Seth Attwood | [email protected]. Nazadnje spremenjeno: 2023-12-16 16:16

20. stoletje je bilo zaznamovano z zmagoslavjem človeka v zraku in osvajanjem najglobljih depresij Svetovnega oceana. Nedosegljive ostajajo samo sanje, da bi prodrli v srce našega planeta in spoznali doslej skrito življenje njegovega nedra. "Potovanje v središče Zemlje" obljublja, da bo izjemno težko in razburljivo, polno veliko presenečenj in neverjetnih odkritij. Prvi koraki na tej poti so že narejeni – v svetu je izvrtanih več deset superglobokih vrtin. Informacije, pridobljene s pomočjo ultra globokega vrtanja, so se izkazale za tako prepričljive, da so razbile uveljavljene ideje geologov o zgradbi našega planeta in zagotovile najbogatejše gradivo za raziskovalce na različnih področjih znanja.

Dotaknite se plašča

Marljivi Kitajci so v 13. stoletju kopali vodnjake, globoke 1200 metrov. Evropejci so leta 1930 podrli kitajski rekord, ko so se naučili, kako prebiti zemljo z vrtalnimi napravami za 3 kilometre. V poznih petdesetih letih prejšnjega stoletja so se vodnjaki razširili do 7 kilometrov. Začelo se je obdobje ultra globokega vrtanja.

Tako kot večina globalnih projektov je tudi ideja o vrtanju zgornje lupine Zemlje nastala v šestdesetih letih prejšnjega stoletja, na vrhuncu vesoljskih poletov in vere v neomejene možnosti znanosti in tehnologije. Američani so si zamislili, da gredo skozi celotno zemeljsko skorjo z vodnjakom in dobijo vzorce kamnin zgornjega plašča. Koncepti plašča takrat (kot tudi zdaj) so temeljili le na posrednih podatkih - hitrosti širjenja seizmičnih valov v črevesju, katerih sprememba je bila razložena kot meja plasti kamnin različnih starosti in sestave. Znanstveniki so verjeli, da je zemeljska skorja kot sendvič: mlade kamnine na vrhu, starodavne spodaj. Vendar bi le supergloboko vrtanje lahko dalo natančno sliko o strukturi in sestavi Zemljine zunanje lupine in zgornjega plašča.

Projekt Mokhol

Leta 1958 se je v Združenih državah Amerike pojavil program za supergloboko vrtanje Mohol. To je eden najbolj drznih in skrivnostnih projektov v povojni Ameriki. Tako kot mnogi drugi programi je bil tudi Mohol namenjen prehitevanju ZSSR v znanstvenem rivalstvu in postaviti svetovni rekord v ultraglobokem vrtanju. Ime projekta izvira iz besed "Mohorovičić" - to je ime hrvaškega znanstvenika, ki je razlikoval vmesnik med zemeljsko skorjo in plaščem - mejo Moha, in "hole", kar v angleščini pomeni "vodnjak".. Ustvarjalci programa so se odločili za vrtanje v ocean, kjer je po mnenju geofizikov zemeljska skorja precej tanjša kot na celinah. Cevi je bilo treba spustiti za nekaj kilometrov v vodo, prehoditi 5 kilometrov oceanskega dna in priti do zgornjega plašča.

Aprila 1961 so geologi ob otoku Guadeloupe v Karibskem morju, kjer vodni stolpec doseže 3,5 km, izvrtali pet vrtin, najgloblja od njih je vstopila v dno pri 183 metrih. Po predhodnih izračunih so na tem mestu pod sedimentnimi kamninami pričakovali, da se srečajo z zgornjo plastjo zemeljske skorje - granitom. Toda jedro, dvignjeno izpod sedimentov, je vsebovalo čiste bazalte - nekakšen antipod granitov. Rezultat vrtanja je znanstvenike odvrnil in hkrati navdušil, začeli so pripravljati novo fazo vrtanja. Ko pa so stroški projekta presegli 100 milijonov dolarjev, je ameriški kongres prenehal financirati. Mohol ni odgovoril na nobeno od zastavljenih vprašanj, je pa pokazal glavno - supergloboko vrtanje v oceanu je možno.

Pogreb je preložen

Izjemno globoko vrtanje je omogočilo pogled v globine in razumevanje, kako se kamnine obnašajo pri visokih tlakih in temperaturah. Zamisel, da se kamnine z globino zgostijo in se njihova poroznost zmanjša, se je izkazalo za napačno, pa tudi stališče o suhem podzemlju. To je bilo prvič odkrito med vrtanjem superglobine Kola, druge vrtine v starodavnih kristalnih plasteh so potrdile dejstvo, da so na globini več kilometrov skale razpokane z razpokami in jih predrejo številne pore, vodne raztopine pa se prosto gibljejo pod pritiskom več sto. vzdušja. To odkritje je eden najpomembnejših dosežkov ultra globokega vrtanja. Prisilila nas je, da smo se ponovno obrnili na problem zakopavanja radioaktivnih odpadkov, ki naj bi jih odlagali v globoke vodnjake, kar se je zdelo povsem varno. Glede na informacije o stanju podzemlja, pridobljene pri superglobokem vrtanju, so projekti oblikovanja tovrstnih odlagališč zdaj videti zelo tvegani.

V iskanju ohlajenega pekla

Od takrat je svet zbolel za ultra globokim vrtanjem. V ZDA so pripravljali nov program za preučevanje oceanskega dna (Deep Sea Drilling Project). Glomar Challenger, zgrajen posebej za ta projekt, je več let preživel v vodah različnih oceanov in morij, na njihovem dnu je izvrtal skoraj 800 vrtin in dosegel največjo globino 760 m. Do sredine 80. let prejšnjega stoletja so rezultati vrtanja na morju potrdili teorijo tektonike plošč. Geologija kot znanost se je ponovno rodila. Medtem je Rusija šla svojo pot. Zanimanje za problem, ki so ga vzbujali uspehi ZDA, je povzročilo program "Raziskovanje notranjosti Zemlje in supergloboko vrtanje", vendar ne v oceanu, ampak na celini. Kljub večstoletni zgodovini se je zdelo, da je kontinentalno vrtanje povsem nov posel. Navsezadnje smo govorili o prej nedosegljivih globinah - več kot 7 kilometrov. Leta 1962 je Nikita Hruščov odobril ta program, čeprav so ga vodili politični in ne znanstveni motivi. Ni želel zaostajati za ZDA.

Novoustanovljeni laboratorij na Inštitutu za tehnologijo vrtanja je vodil slavni naftni delavec, doktor tehničnih znanosti Nikolaj Timofejev. Dobil je navodilo, naj utemelji možnost nadglobokega vrtanja v kristalne kamnine – granite in gnajse. Raziskave so trajale 4 leta in leta 1966 so strokovnjaki izrekli sodbo – vrtate lahko, in ne nujno z opremo jutrišnjega dne, opreme, ki je že tam, je dovolj. Glavna težava je toplota v globini. Po izračunih naj bi se temperatura, ko prodira v kamnine, ki sestavljajo zemeljsko skorjo, vsakih 33 metrov zvišala za 1 stopinjo. To pomeni, da je na globini 10 km pričakovati približno 300 ° C, na 15 km pa skoraj 500 ° C. Vrtalna orodja in naprave ne bodo vzdržali takšnega ogrevanja. Treba je bilo iskati kraj, kjer črevesje ni bilo tako vroče …

Najden je bil tak kraj - starodavni kristalni ščit polotoka Kola. Poročilo, pripravljeno na Inštitutu za fiziko Zemlje, je glasilo: v milijardah let svojega obstoja se je ščit Kola ohladil, temperatura na globini 15 km ne presega 150 ° C. In geofiziki so pripravili približen odsek polotoka Kola. Po njihovem mnenju so prvih 7 kilometrov granitne plasti zgornjega dela zemeljske skorje, nato se začne bazaltna plast. Potem je bila ideja o dvoslojni strukturi zemeljske skorje splošno sprejeta. A kot se je pozneje izkazalo, so se tako fiziki kot geofiziki motili. Mesto za vrtanje je bilo izbrano na severnem koncu polotoka Kola v bližini jezera Vilgiskoddeoayvinjärvi. V finščini pomeni "Pod volkovo goro", čeprav na tem mestu ni gora ali volkov. Vrtanje vrtine, katere projektirana globina je bila 15 kilometrov, se je začelo maja 1970.

Orodje za podzemlje

Za vrtanje vrtine Kola SG-3 ni bilo treba izdelati bistveno novih naprav in velikanskih strojev. Začeli smo delati s tem, kar smo že imeli: enoto Uralmash 4E z nosilnostjo 200 ton in cevmi iz lahke zlitine. V tistem času so bile resnično potrebne nestandardne tehnološke rešitve. Dejansko v trdih kristalnih kamninah do tako velike globine nihče ni vrtal in kaj bi se tam zgodilo, so si predstavljali le na splošno. Izkušeni vrtalci pa so ugotovili, da bi bil ne glede na to, kako podroben je projekt, prava vrtina veliko bolj zapletena. Pet let pozneje, ko je globina vrtine SG-3 presegla 7 kilometrov, je bila nameščena nova vrtalna naprava Uralmash 15.000, ena najsodobnejših v tistem času. Zmogljiv, zanesljiv, z avtomatskim sprožilnim mehanizmom, je zdržal do 15 km dolg niz cevi. Vrtalna naprava se je spremenila v 68 m visoko v celoti obloženo, kljubovalno močnim vetrom, ki divja na Arktiki. V bližini so zrasli mini obrat, znanstveni laboratoriji in skladišče jedra.

Pri vrtanju na majhne globine je na površini nameščen motor, ki vrti cevni niz s svedrom na koncu. Sveder je železen cilinder z zobmi iz diamanta ali trde zlitine - malo. Ta krona se zagrize v skale in iz njih izreže tanek stolpec - jedro. Za hlajenje orodja in odstranjevanje majhnih ostankov iz vrtine se vanj črpa vrtalna tekočina - tekoča glina, ki ves čas kroži vzdolž vrtine, kot kri v posodah. Čez nekaj časa se cevi dvignejo na površje, osvobodijo jedra, krona se spremeni in kolona spet spusti v dno. Tako deluje običajno vrtanje.

In če je dolžina cevi 10-12 kilometrov s premerom 215 milimetrov? Niz cevi postane najtanjša nit, ki se spusti v vodnjak. Kako ga upravljati? Kako videti, kaj se dogaja na obrazu? Zato so na vrtini Kola na dnu vrtalne kolone namestili miniaturne turbine, ki so jih začeli z vrtalnim blatom, ki so ga črpali skozi cevi pod pritiskom. Turbine so vrtele karbidno nastavek in jedro. Celotna tehnologija je bila dobro razvita, operater na nadzorni plošči je videl vrtenje svedra, poznal je njegovo hitrost in je lahko nadzoroval proces.

Vsakih 8-10 metrov je bilo treba dvigniti večkilometrski cevni niz. Sestop in vzpon sta skupaj trajala 18 ur.

Zahrbtnost številke "7"

7 kilometrov - usodna oznaka za supergloboko Kolo. Za njo se je začela negotovost, številne nesreče in neprekinjen boj s skalami. Cev ni bilo mogoče držati pokonci. Ko smo prvič prevozili 12 km, je vodnjak od navpičnice odstopil za 21°. Čeprav so se vrtnarji že naučili delati z neverjetno ukrivljenostjo vrtine, je bilo nemogoče iti dlje. Vrtina naj bi bila izvrtana od oznake 7 km. Da bi dobili navpično luknjo v trdih kamninah, potrebujete zelo trdo dno vrtalne strune, tako da vstopi v črevesje kot olje. Pojavi pa se še en problem - vodnjak se postopoma širi, vrtalnik v njem binglja, kot v kozarcu, stene vrtine se začnejo zrušiti in lahko pritisnejo na orodje. Rešitev tega problema se je izkazala za izvirno - uporabljena je bila tehnologija nihala. Sveder je bil umetno ziban v vrtini in je dušil močne tresljaje. Zaradi tega se je izkazalo, da je prtljažnik navpičen.

Najpogostejša nesreča na kateri koli napravi je zlom strune cevi. Običajno poskušajo ponovno zajeti cevi, če pa se to zgodi na velikih globinah, potem težava postane nepopravljiva. Neuporabno je iskati orodje v 10-kilometrski vrtini, takšno vrtino so vrgli in začeli novo, malo višje. Prelom in izguba cevi na SG-3 se je zgodila večkrat. Kot rezultat, v spodnjem delu vodnjak izgleda kot koreninski sistem velikanske rastline. Razvejanje vrtine je vznemirilo vrtalce, a se je izkazalo za srečo za geologe, ki so nepričakovano dobili tridimenzionalno sliko impresivnega segmenta starodavnih arhejskih kamnin, ki so nastali pred več kot 2,5 milijarde let.

Junija 1990 je SG-3 dosegel globino 12.262 m. Vrtina se je začela pripravljati za vrtanje do 14 km, nato pa je spet prišlo do nesreče - na nadmorski višini 8.550 m se je pretrgala cevna struna. Nadaljevanje del je zahtevalo dolgotrajno pripravo, obnovo opreme in nove stroške. Leta 1994 je bilo vrtanje Kola Superdeep ustavljeno. Po 3 letih se je vpisala v Guinnessovo knjigo rekordov in še vedno ostaja neprekosljiva. Zdaj je vodnjak laboratorij za preučevanje globokega črevesja.

Skrivna črevesja

SG-3 je bil že od začetka tajen objekt. Krivo je obmejno območje, strateška nahajališča v okrožju in znanstvena prioriteta. Prvi tujec, ki je obiskal vrtalno mesto, je bil eden od voditeljev Akademije znanosti Češkoslovaške. Kasneje, leta 1975, je bil v Pravdi objavljen članek o Koli Superdeep, ki ga je podpisal minister za geologijo Alexander Sidorenko. Znanstvenih objav o vodnjaku Kola še ni bilo, je pa nekaj informacij pricurljalo v tujino. Po govoricah se je svet začel učiti več - v ZSSR se vrta najgloblja vrtina.

Tančica skrivnosti bi verjetno visela nad vodnjakom vse do same "perestrojke", če se ne bi leta 1984 v Moskvi zgodil svetovni geološki kongres. Na tako velik dogodek v znanstvenem svetu so se skrbno pripravljali, zgradili so celo novo zgradbo za Ministrstvo za geologijo - številni udeleženci so pričakovali. Toda tuje kolege je zanimala predvsem superglobina Kola! Američani sploh niso verjeli, da ga imamo. Globina vodnjaka je do takrat dosegla 12.066 metrov. Predmet ni bilo več smiselno skrivati. Udeležence kongresa je v Moskvi pričakala razstava dosežkov ruske geologije, ena od stojnic je bila posvečena vrtini SG-3. Strokovnjaki po vsem svetu so zmedeno gledali na običajno vrtalno glavo z obrabljenimi zobmi iz karbida. In s tem vrtajo najglobljo vrtino na svetu? Neverjetno! Velika delegacija geologov in novinarjev se je odpravila v naselje Zapolarny. Obiskovalcem so predstavili napravo v akciji, odstranili in odklopili 33-metrske dele cevi. Povsod so bile kupe popolnoma enakih vrtalnih glav kot tista, ki je bila na stojnici v Moskvi.

Delegacijo Akademije znanosti je sprejel znani geolog, akademik Vladimir Belousov. Med tiskovno konferenco so mu iz občinstva zastavili vprašanje:

- Kaj je najpomembnejše, kar je pokazal vodnjak Kola?

- Gospodje! Najpomembneje je, da je pokazalo, da o celinski skorji ne vemo ničesar, - je iskreno odgovoril znanstvenik.

Globoko presenečenje

Seveda so vedeli nekaj o zemeljski skorji celin. Dejstva, da so celine sestavljene iz zelo starodavnih kamnin, starih od 1,5 do 3 milijarde let, ni ovrgel niti vodnjak Kola. Vendar se je izkazalo, da je geološki odsek, sestavljen na podlagi jedra SG-3, ravno nasproten od tistega, kar so si znanstveniki zamislili prej. Prvih 7 kilometrov je bilo sestavljenih iz vulkanskih in sedimentnih kamnin: tufi, bazalti, breče, peščenjaki, dolomiti. Globlje je ležal tako imenovani Conradov odsek, po katerem se je hitrost potresnih valov v kamninah močno povečala, kar so razlagali kot mejo med graniti in bazalti. Ta odsek je bil že zdavnaj prehoden, vendar se bazalti spodnje plasti zemeljske skorje nikoli niso pojavili nikjer. Nasprotno, začeli so se graniti in gnajsi.

Odsek Kolskega vodnjaka je ovrgel dvoslojni model zemeljske skorje in pokazal, da potresni odseki v črevesju niso meje plasti kamnin različne sestave. Namesto tega kažejo na spremembo lastnosti kamna z globino. Pri visokem tlaku in temperaturi se lahko lastnosti kamnin očitno močno spremenijo, tako da graniti po svojih fizikalnih lastnostih postanejo podobni bazaltom in obratno. Toda "bazalt", ki je bil dvignjen na površje z 12-kilometrske globine, je takoj postal granit, čeprav je na poti doživel hud napad "kesonske bolezni" - jedro se je drobilo in razpadlo v ravne plošče. Dlje kot je vodnjak šel, manj kakovostnih vzorcev je padalo v roke znanstvenikov.

Globina je vsebovala veliko presenečenj. Prej je bilo naravno misliti, da z naraščajočo oddaljenostjo od površine zemlje, z naraščajočim pritiskom, postanejo kamnine bolj monolitne, z majhnim številom razpok in por. SG-3 je znanstvenike prepričal v nasprotno. Od 9 kilometrov so se plasti izkazale za zelo porozne in dobesedno natrpane z razpokami, po katerih so krožile vodne raztopine. Kasneje so to dejstvo potrdile tudi druge supergloboke vrtine na celinah. Izkazalo se je, da je na globini veliko bolj vroče, kot je bilo pričakovano: za kar 80 °! Na oznaki 7 km je bila temperatura v dnu 120 ° C, na 12 km je že dosegla 230 ° C. V vzorcih vodnjaka Kola so znanstveniki odkrili mineralizacijo zlata. Vključke plemenitih kovin so našli v starodavnih kamninah na globini 9, 5-10, 5 km. Vendar je bila koncentracija zlata prenizka, da bi zahtevala nahajališče – v povprečju 37,7 mg na tono kamnine, vendar zadostna, da bi jo lahko pričakovali na drugih podobnih mestih.

Po ruski poti

Predstavitev vodnjaka Kola leta 1984 je naredila globok vtis na svetovno skupnost. Številne države so začele pripravljati znanstvene projekte vrtanja na celinah. Tak program je bil konec osemdesetih let odobren tudi v Nemčiji. Ultragloboka vrtina KTB Hauptborung je bila izvrtana od leta 1990 do 1994, po načrtu naj bi dosegla globino 12 km, a je bilo zaradi nepredvidljivo visokih temperatur mogoče priti le do oznake 9,1 km. Zaradi odprtosti podatkov o vrtanju in znanstvenem delu, dobre tehnologije in dokumentacije ostaja ultragloboka vrtina KTV ena najbolj znanih na svetu.

Lokacija za vrtanje te vrtine je bila izbrana na jugovzhodu Bavarske, na ostankih starodavnega gorovja, katerega starost je ocenjena na 300 milijonov let. Geologi so verjeli, da je tu nekje območje spajanja dveh plošč, ki sta bili nekoč obale oceana. Po mnenju znanstvenikov se je sčasoma zgornji del gora iztrošil, kar je razkrilo ostanke starodavne oceanske skorje. Še globlje, deset kilometrov od površja, so geofiziki odkrili veliko telo z nenormalno visoko električno prevodnostjo. Upali so tudi, da bodo s pomočjo vodnjaka razjasnili njegovo naravo. Toda glavni izziv je bil doseči globino 10 km, da bi pridobili izkušnje pri ultra globokem vrtanju. Po preučevanju materialov Kola SG-3 so se nemški vrtnarji odločili, da bodo najprej izvrtali testno vrtino 4 km globoko, da bi dobili natančnejšo predstavo o delovnih pogojih v podzemlju, preizkusili tehniko in vzeli jedro. Ob koncu pilotnega dela je bilo treba spremeniti velik del vrtalne in znanstvene opreme ter nekaj na novo ustvariti.

Glavni - superglobok - vodnjak KTV Hauptborung je bil postavljen le dvesto metrov od prvega. Za delo je bil postavljen 83-metrski stolp in ustvarjena vrtalna naprava z nosilnostjo 800 ton, takrat najmočnejša. Številne operacije vrtanja so bile avtomatizirane, predvsem mehanizem za spuščanje in vračanje cevnega niza. Samovoden vertikalni sistem vrtanja je omogočil izdelavo skoraj navpične luknje. Teoretično je bilo s takšno opremo mogoče vrtati do globine 12 kilometrov. Toda realnost se je, kot vedno, izkazala za bolj zapleteno in načrti znanstvenikov se niso uresničili.

Težave pri vrtini KTV so se začele po globini 7 km in ponovile velik del usode Kola Superdeep. Sprva se domneva, da se je zaradi visoke temperature pokvaril sistem vertikalnega vrtanja in je luknja šla poševno. Ob koncu del je dno odstopilo od navpičnice za 300 m. Nato so se začele bolj zapletene nesreče - zlom vrtalne kolone. Tako kot na Koli je bilo treba vrtati nove jaške. Določene težave je povzročilo zožitev vrtine - na vrhu je bil njen premer 71 cm, na dnu - 16,5 cm. Neskončne nesreče in visoka temperatura na dnu vrtine –270 °C so prisilile vrtalce, da so nehali delati nedaleč od zaželenega cilja.

Ne moremo reči, da so znanstveni rezultati KTV Hauptborung presenetili domišljijo znanstvenikov. V globini so se v glavnem odlagali amfiboliti in gnajsi, starodavne metamorfne kamnine. Območje konvergence oceana in ostankov oceanske skorje niso našli nikjer. Morda so na drugem mestu, tukaj je majhen kristalni masiv, prevrnjen na višino 10 km. Kilometer od površja so odkrili nahajališče grafita.

Leta 1996 je vodnjak KTV, ki je nemški proračun stal 338 milijonov dolarjev, prešel pod pokroviteljstvo Znanstvenega centra za geologijo v Potsdamu, spremenili so ga v laboratorij za opazovanje globokega podzemlja in turistično destinacijo.

Najgloblji vodnjaki na svetu

1. Aralsor SG-1, Kaspijska nižina, 1962-1971, globina - 6, 8 km. Iskanje nafte in plina.

2. Biikzhal SG-2, Kaspijska nižina, 1962-1971, globina - 6, 2 km. Iskanje nafte in plina.

3. Kola SG-3, 1970-1994, globina - 12.262 m. Projektna globina - 15 km.

4. Saatlinskaya, Azerbajdžan, 1977-1990, globina - 8 324 m. Oblikovna globina - 11 km.

5. Kolvinskaya, regija Arkhangelsk, 1961, globina - 7057 m.

6. Muruntau SG-10, Uzbekistan, 1984, globina -

3 km. Projektna globina je 7 km. Išči zlato.

7. Timan-Pechora SG-5, severovzhod Rusije, 1984-1993, globina - 6.904 m, projektna globina - 7 km.

8. Tyumen SG-6, Zahodna Sibirija, 1987-1996, globina - 7.502 m. Projektna globina - 8 km. Iskanje nafte in plina.

9. Novo-Elkhovskaya, Tatarstan, 1988, globina - 5.881 m.

10. Vodnjak Vorotilovskaya, Volga, 1989-1992, globina - 5.374 m Iskanje diamantov, študija astrobleme Puchezh-Katunskaya.

11. Krivoy Rog SG-8, Ukrajina, 1984-1993, globina - 5 382 m. Projektna globina - 12 km. Poiščite železove kvarcite.

Ural SG-4, Srednji Ural. Postavljen leta 1985. Projektna globina - 15.000 m Trenutna globina - 6.100 m Iskanje bakrovih rud, študij strukture Urala. En-Yaktinskaya SG-7, Zahodna Sibirija. Projektna globina - 7.500 m Trenutna globina - 6.900 m Iskanje nafte in plina.