УДК 550.822 (99)
Вступ
Відкриття підльодовикового оз. Схід (центральний район Східної Антарктиди (рис. 1, а, б) і формування уявлень про його основні параметри стали можливі завдяки гляціологіческіх, мікробіологічними, геофізичних і супутниковим радарних досліджень, а також моделювання [Саламатін та ін., 1998; Лукін та ін. , 2000; Ridley et al., 1993; Kapitsa et al., 1996; Siegert, Ridley, 1998; Jouzel et al., 1999; Karl et al., 1999; Priscu et al., 1999; Siegert et al., 2000. ]. Вони дозволили встановити, що оз. Схід, розташоване під льодовикової товщею потужністю від 3700 до 4200 м, простягається приблизно на 280 км в субмеридиональном і на 60 км в субшірот ом напрямках, має глибину до 950 м і містить донні опади потужністю до 330 м. Передбачається, що озеро прісне, ізольоване від навколишнього середовища на земній поверхні протягом мільйонів років, і тому воно може містити унікальні мікроорганізми.
Продовження перерахованих досліджень в найближчі роки дозволить уточнити планові обриси і морфологічні особливості озерної улоговини, отримати нові дані для більш коректного моделювання характеристик системи льодовик-озеро Схід і про наявність чи відсутність тут яких-небудь форм життя. Однак результати досліджень не зможуть достовірно і повно охарактеризувати особливості водної товщі озера (фізичні умови, хімічний і ізотопний склад, біоту) і його донних опадів (генезис, склад, вік). Для цього необхідно його пряме вивчення (проникнення в озеро, вимір його параметрів і відбір проб води та донних опадів). Ця проблема постала перед міжнародним науковим співтовариством практично з моменту відкриття оз. Схід.
Рішення її ускладнюється тим, що розтин і пряме вивчення озера повинні бути максимально екологічно безпечними, т. Е. Необхідно зберегти всі природні характеристики цього унікального природного об'єкту, що вимагає застосування нової, екологічно чистої технології робіт (і відповідного обладнання).
Міністерство науки, промисловості і технологій Російської Федерації підтримало проект "Обгрунтування і розробка екологічно чистої технології для проникнення в підльодовикове озеро Схід (Антарктида)", який виконували співробітники Арктичного і антарктичного науково-дослідного інституту (ААНДІ) і Санкт-Петербурзького державного гірничого інституту (СПГГІ ). Результати, отримані в ході робіт по проекту в 1999-2000 рр., Представлені в цій статті.
Технологія проникнення в озеро Схід і його дослідження
Пряме вивчення підльодовикового оз. Схід, на нашу думку, складається з двох послідовних етапів: 1) проникнення і рекогносцирувальне обстеження; 2) детальне обстеження і відбір проб води та донних опадів. Технологія реалізації першого етапу описана в статті і включає рішення задач екологічно чистого розтину озера, вимірювання фізичних умов на кордоні лід-поверхню озера і відбору проб озерної води в районі цієї межі.
Місце проникнення. Найбільш зручною точкою для проникнення в озеро, на наш погляд, є свердловина 5Г-1, пробурена на ст. Схід (див. Рис. 1, а, б, в). У 1998 р глибина свердловини досягла рекордної позначки 3623 м (забій), після чого свердловина була законсервована. Комплексні дослідження відібраного тут крижаного керна показали, що з глибини 3538 м і до забою льодовикова товща складена льодом не атмосферне походження, а конжеляціонним льодом - продуктом тривалого послідовного намерзання озерної води на нижню поверхню льодовика [Lipenkov, Barkov, 1998; Jouzel et al., 1999; Petit et al., 1999]. З огляду на, що намерзання відбувається зі швидкістю 1,1 ± 0,6 мм / рік [Саламатін та ін., 1998], можна стверджувати, що непробуренную частина льодовикового покриву від забою свердловини до кордону лід-поверхню озера складає конжеляціонний лід. Ця межа знаходиться на глибині 3750 ± 30 м, тобто всього на 130 м нижче забою [Попков і ін., 1999; Лукін та ін., 2000]. Глибина озера в районі свердловини 5Г-1 становить близько 670 м, а потужність донних опадів досягає 90 м (див. Рис. 1, в).
Свердловина має діаметр не менше 137 мм. Від поверхні льодовика до глибини 2200 м вона вертикальна, а нижче відхиляється в межах 6-8 °. В процесі буріння вона заповнювалася сумішшю авіаційного гасу TS1 і фреону F141b, необхідної для компенсації гірського тиску і запобігання стиснення її стовбура. В даний час заливальна рідина наповнює свердловину з глибини 95 м від поверхні льодовика до забою (див. Рис. 1, в) і має об'єм близько 60 м3 і середню щільність 928 кг / м3. Ці значення свідчать про наявність тут недокомпенсації гірського тиску величиною в ОД МПа, що в свою чергу веде до зменшення діаметра стовбура свердловини зі швидкістю близько 0,1 мм / рік.
Спосіб проникнення і дослідження. Пропонований спосіб розтину і вивчення оз. Схід заснований на використанні двох фізичних умов існування системи льодовиковий покрив-озеро: 1) товща льодовика над озером знаходиться в плавучому стані, і тиск в кожній точці на кордоні лід-вода відповідає вазі стовпа льоду (гірському тиску) завдяки закритому стану системи [Kapitsa et al., 1996]; 2) в районі свердловини 5Г-1 (південна частина оз. Схід) в даний час відбувається намерзання озерної води на нижню поверхню льодовика [Саламатін та ін., 1998].
Виходячи з першого умови ми вважаємо за можливе зменшити кількість заливальної рідини в свердловині 5Г-1 і тим самим забезпечити тут таку величину недокомпенсації гірського тиску, що тиск води озера буде перевищувати тиск стовпа заливальної рідини. Тоді при продовженні буріння свердловини і торканні забоєм поверхні озера заливальна рідина повинна бути витіснена озерної водою вгору по стовбуру свердловини на висоту, відповідну заданій величині недокомпенсації гірського тиску. При цьому проникнення заливальної рідини в озеро виключається, так як вона гидрофобна і істотно легше води. Відразу після досягнення поверхні озера бурової снаряд витягується з свердловини.
З огляду на другу умову, ми вважаємо, що піднялася по свердловині озерна вода повинна замерзнути. Відповідно до попередніх розрахунків, виконаних фахівцями СПГГІ, час замерзання озерної води може скласти від доби до місяця. Після цього тут виробляється повторне буріння з відбором частини льоду, що утворився з приповерхневих шарів води оз. Схід (по суті, відбір проб води озера). Частина, що залишилася нижче забою частина озерного льоду буде служити природною перегородкою, що розділяє стовбур свердловини і поверхню озера, що виключить ймовірність будь-якого забруднення озера зі свердловини 5Г-1.
Практична реалізація цього уявного простим способу ускладнюється насамперед наявністю в свердловині екологічно небезпечної заливальної рідини. Тому для максимального виключення ризику забруднити озеро при проникненні ми припускаємо створити особливі умови в свердловині і використовувати спеціальне обладнання.
Необхідні умови і обладнання. Випереджаючи проникнення в озеро, планується пробурити в свердловині 5Г-1 додатково близько 100 м за допомогою колонкового електромеханічного бурового снаряда КЕМС-132 (рис. 2). З огляду на перевірену надійність і високу ефективність цього обладнання [Kudryashov et al., 1994; 2002], його використання видається цілком безпечним в екологічному відношенні, тим більше, що між забоєм свердловини і поверхнею озера залишатиметься шар льоду товщиною не менше 30 м. В результаті цієї операції буде відібрано близько 100 м керна намерзлого озерного льоду, що містить унікальну інформацію про еволюції озера. Крім того, після буріння буде можливе проведення геофізичних вимірювань в свердловині в безпосередній близькості від поверхні озера, що необхідно для уточнення глибини залягання кордону лід-вода і, можливо, інших характеристик озера.
Наступною операцією є доставка на забій свердловини за допомогою спеціальних контейнерів нової, гидрофобной, екологічно безпечної рідини (кремнійорганіческоі), яка важче заливальної рідини і легші за воду. Вона створить буферний шар потужністю до 100 м, він розділить забій свердловини і раніше використовувалася заливальне рідину (див. Рис. 2).
Останньою операцією, яка випереджає проникнення в озеро, буде витяг зі свердловини розрахункової кількості суміші авіаційного гасу і фреону. Це створить умови, коли тиск в свердловині (Рскв) буде на задану величину менше, ніж тиск в озері (Роз).
Буріння останніх 30 м льоду до поверхні озера передбачається виконати термобуровим снарядом ТБПО-132 (рис. 3), який розроблений і виготовляється в ААНДІ і СПГГІ з використанням попереднього досвіду термобуренія льодовиків Арктики і Антарктиди [Кудряшов та ін., 1991]. Цей снаряд, який має довжину близько 6-7 м і з найбільшим зовнішнім діаметр 132 мм, включає такі основні елементи: нагрівальний вузол, що складається з пілотного термодолота довжиною 1-2 м (7) і кільцевої опорної термокоронкі (2); пакер (5), датчики тиску (4,5, 6), клапан (7), насос (8) з електродвигуном (9), електронний блок (10), електроотсек (77), датчик навантаження на забій (72), кабельний замок (13) для під'єднання грузонесущего кабелю (14) з рухомою втулкою (75) і пружиною (76), а також контактний датчик (77), що складається з штока (18), чутливих елементів (79, 20) і пружини (27) . Управління снарядом і бурінням здійснюється оператором з поверхні, який використовує контрольну панель з показаннями датчиків і всієї необхідної інформації про характеристики та стан бурового процесу і устаткування.
План робіт по проникненню в озеро і його дослідженню. Термобуреніе приблизно 30 м льоду, які поділяють забій свердловини 5Г-1 і поверхню озера, після проведення попередніх операцій буде виконано снарядом ТБПО-132 за одну операцію, без проміжних підйомів снаряда на поверхню і відбору крижаних кернів. Швидкість проходки складе близько 4 м / год. Завдяки пристрою снаряда в процесі буріння будуть створюватися три свердловини; передова вузька свердловина (за допомогою пілотного термодолота), що змінює її свердловина з формою усіченого конуса (форма опорної термокоронкі) і потім основна свердловина діаметром 132 мм. В ході буріння стінки снаряда будуть очищатися утвореною талою водою від залишків заливальної та кремнийорганической рідин; при цьому тала вода створить додатковий буферний шар, що розділяє кремнійорганічне рідина і забій свердловини (рис. 4, а).
У момент торкання наконечника пілотного термодолота поверхні озера (див. Рис. 4, а) шток снаряда ТБПО-132 втратить упор в крижаній забій свердловини і буде висунутий вниз пружиною. На це негайно відреагують чутливі елементи і контактний датчик, які передадуть відповідний сигнал на контрольну панель управління. При отриманні
такого сигналу відбудуться автоматичне спрацьовування пакера (перекриття стовбура свердловини), зупинка нагрівання снаряда, процесу буріння і, отже, руху снаряда вниз. Таким чином, в момент дотику снарядом поверхні озера буде забезпечена миттєва ізоляція озера від стовбура свердловини.
Наступні операції будуть залежати від показань датчиків тиску, контактного датчика і чутливих елементів, що дозволяють оцінити різницю між тиском в свердловині (Рскв) і в озері (Роз). Якщо виявиться менше Роз на раніше задану величину недокомпенсації гірського тиску (що найбільш імовірно), пакер вимкнеться (т. Е. Відбудеться розблокування стовбура свердловини) і одночасно відбудеться підйом снаряда. Ці дії дозволять озерній воді кинутися в свердловину і заповнити її знизу на необхідну висоту (40-50 м, см. Рис. 4, б). Висота впровадження озерної води в свердловину визначається величиною недокомпенсації гірського тиску і може легко регулюватися добавкою або вилученням з свердловини необхідної кількості заливальної рідини.
Випадок, коли Рскв буде перевищувати Роз, малоймовірний, однак повністю не виключається. Подібна ситуація можлива через неправильні розрахунки величини недокомпенсації гірського тиску в свердловині, що в свою чергу може бути наслідком недостатнього знання фізичних умов на кордоні льодовик-поверхню озера. При виникненні такої ситуації надлишковий тиск в свердловині повинно щільно притиснути конусоподібну опорну коронку до забою одночасно з дотиком наконечником пілотного термодолота поверхні озера (див. Рис. 4, а) Разом з дією пакера і негайної зупинкою процесу буріння це гарантуватиме надійну ізоляцію стовбура свердловини від озера. Потім, грунтуючись на показаннях датчиків, зі свердловини буде вилучено надмірна кількість заливальної рідини, що створить умови, коли Рскв буде менше Рое, і, отже, виникне можливість впуску озерної води в свердловину (див. Вище, рис. 4, б).
Передбачається, що впровадили в свердловину озерна вода замерзне протягом декількох місяців завдяки особливостям фізичних і термічних умов на кордоні лід-вода в південному районі озера [Саламатін та ін., 1998]. Факт її замерзання і, таким чином, блокування нижніх 40-50 м свердловини льодом повинен бути підтверджений повторними геофізичними дослідженнями в свердловині. Після отримання такого підтвердження планується провести повторне буріння утворився конжеляціонного льоду (близько 30 м) за допомогою снаряда КЕМС-135. В ході буріння будуть відібрані крижані керни, які являють собою не що інше, як проби води з поверхневих шарів підльодовикового оз. Схід. Зупинка буріння в 10-15 м від кордону лід-вода дозволить зберегти крижану перемичку між новим забоєм свердловини і озером, яка оберігатиме озеро від забруднення.
висновок
Реалізація пропонованої технології буде, на наш погляд, сприяти прогресу в таких напрямках вивчення оз. Схід:
- реконструкція історії озера, а також виявлення механізму освіти і властивостей льоду глибше 3623 м (при відборі і дослідженнях 100 м керна конжеляціонного льоду перед проникненням);
- визначення термічних і фізичних умов на кордоні лід-поверхню озера (при підході до поверхні озера і його розтині в результаті роботи вимірювальних датчиків снаряда ТБПО-132);
- визначення хімічного і ізотопного складу, а також інших параметрів поверхневого шару озера (при відборі і дослідженнях льоду, що утворився в свердловині в результаті впровадження і замерзання озерної води);
- пошук мікроорганізмів або слідів їх існування в озері (при відборі і дослідженнях льоду, що утворився в свердловині в результаті впровадження і замерзання озерної води);
- випробування методик, отримання досвіду і відомостей, необхідних для розробки технології і виконання другого етапу прямих досліджень оз. Схід, - детального вивчення його водної товщі (відбір проб води) і донних опадів (буріння, відбір колонок).
Застосування пропонованої нами технології є порівняно простим завданням в технічному і логістичному відносинах. Новий снаряд ТБПО-132 розроблений на основі застосованих раніше термобурового обладнання, що підвищує впевненість у надійній роботі його основних елементів. Технічні нововведення, запроваджені в конструкцію снаряда з метою забезпечити екологічну безпеку при проникненні в озеро (пілотне термодолото, система датчиків, пакер і ін.), Відрізняються простотою у виготовленні і ефективністю в роботі.
Розташування свердловини 5Г-1 в районі Діє ст. Схід значно полегшує завдання підтримки робіт (доставка і вивіз учасників робіт, доставка палива, обладнання, зв'язок і т. Д.). Крім того, в даний час на станції знаходиться буровий комплекс, який застосовувався тут при глибокому бурінні і може бути використаний при проникненні в озеро.
Пропонована технологія проникнення в оз. Схід безпечна в екологічному відношенні, що підтверджується в цілому позитивним висновком Державної екологічної експертизи, проведеної за проектом. По-перше, ця технологія передбачає використовувати фізичні особливості стану середовища на кордоні лід-поверхню озера, які повинні забезпечити рух озерної води в свердловину в момент розтину озера. По-друге, вона передбачає короткочасний (найімовірніше, миттєвий) контакт головної частини бурового устаткування з озером. По-третє, забезпечує додатковий захист озера від контакту зі стовбуром свердловини завдяки використанню пакера і особливої форми нагрівається передньої частини снаряда (пілотне термодолото, конусоподібна коронка), а також завдяки можливості постійного контролю за умовами на забої і управління процесом буріння.
Таким чином, реалізація даної технології є найбільш простим в технічному відношенні, економічним і швидким способом вирішення проблеми екологічно безпечного розтину і рекогносцировочного обстеження підльодовикового озера Схід.
література
Кудряшов Б. Б., Чистяков В. К., Литвиненко BC Буріння свердловин в умовах зміни агрегатного стану гірських порід. Л .: Недра, 1991. 193 с.
Лукін В. В., Масол В. Н., Миронов А. В. та ін. Результати геофізичних досліджень під-льодовикового озера Схід (Антарктида) в 1995-1997 рр .// Пробл. Арктики і Антарктики. 2000. Вип. 72. С. 237-248.
Попков AM, Веркулич С. Р., Масол В. Н., Лукін В. В. Сейсмічний розріз в районі станції Схід (Антарктида) - результати досліджень 1997 р .// Матеріали гляціол. дослідні. 1999. Вип. 86. С. 152-159.
Саламатін А. Н., Вострецов Р. Н., Петі Ж. Р. і ін. Геофізичні і палеокліматичні додатки складеного температурного профілю з глибокої свердловини на станції Схід (Антарктида) // Там же. 1998. Вип. 85. С. 233-240.
Jouzel J., Petit JR, Souchez R., Barkov NI et al. More than 200 m of lake ice above sub-glacial Lake Vostok, Antarctica // Science. 1999. Vol. 286. P. 2138-2140.
Kapitsa A., Ridley JK, Robin G. De Q. et al. Large deep freshwater lake beneath the ice of central East Antarctica // Nature. 1996. Vol. 381; N 6584. P. 684-686.
Karl DM, Bird DF, Bjorkmann K. et al. Microorganisms in the accreted ice of Lake Vostok, Antarctica // Science. 1999. Vol. 286. P. 2144-2147.
Kudryashov BB, Vasiliev NI, Talalay PG KEMS-112 electromechanical ice core drill // Mem. Nat. Inst. Polar Res. 1994. Vol. 49. Spec. Iss. P. 138-152.
Kudryashov BB, Vasiliev NI, Vostretsov RN et al. Deep ice coring at Vostok Station (East Antarctica) with electromechanical drill designed at St. Petersburg Mining Institute // Ibid. 2002. Vol. 56. P. 230-244.
Lipenkov V. Ya., Barkov NI Internal structure of the Antarctic ice sheet as revealed by deep core drilling at Vostok Station // Lake Vostok study: Scientific objectives and technological requirements: Abstracts of the International workshop (March 24-26, 1998, St Petersburg). St. Petersburg, 1998. P. 31-35.
Petit JR, Jouzel J., Raynaud D. et al. Climate and atmospheric history of the past 420,000 years from the Vostok ice core, Antarctica // Nature. 1999. Vol. 399. P. 429-436.
Priscu JC, Adams EE, Lyons WB et al. Geomicrobiology of sub-glacial ice above Lake Vostok, Antarctica // Science. 1999. Vol. 286. P. 2141-2144.
Ridley JK, Cudlip W., Laxon W. Identification of subglacial lakes using ERS-1 radar altimeter // J. Glaciol. 1993. Vol. 39, N 133. P. 625-634.
Siegert MJ, Ridley JK An analysis of the surface and sub-surface topography of the Vostok Station sub-glacial lake, central East Antarctica // J. Geophys. Res. 1998. Vol. 103. P. 10195-10207.
Siegert MJ, Kwok R., Mayer C, Hubbard В. Water exchange between the sub-glacial Lake Vostok and the overlying ice sheet // Nature. 2000. Vol. 403. P. 643-646.
