Dypt i de varme malmene

2024 Forfatter: Seth Attwood | [email protected]. Sist endret: 2023-12-16 16:13

1900-tallet var preget av menneskets triumf i luften og erobringen av verdenshavets dypeste depresjoner. Bare drømmen om å trenge inn i hjertet av planeten vår og kjenne det hittil skjulte livet i innvollene forblir uoppnåelig. "Journey to the Center of the Earth" lover å bli ekstremt vanskelig og spennende, full av mange overraskelser og utrolige oppdagelser. De første skrittene på denne banen er allerede tatt - flere dusin superdype brønner er boret i verden. Informasjonen innhentet ved hjelp av ultradyp boring viste seg å være så overveldende at den knuste de etablerte ideene til geologer om strukturen til planeten vår og ga de rikeste materialene for forskere innen ulike kunnskapsfelt.

Berør mantelen

De flittige kineserne på 1200-tallet gravde 1200 meter dype brønner. Europeere brøt den kinesiske rekorden i 1930 ved å lære hvordan de kan gjennombore jorden med borerigger i 3 kilometer. På slutten av 1950-tallet strakte brønnene seg opp til 7 kilometer. Tiden med ultradyp boring begynte.

Som de fleste globale prosjekter, oppsto ideen om å bore jordens øvre skall på 1960-tallet, på høyden av romflyvninger og troen på de ubegrensede mulighetene til vitenskap og teknologi. Amerikanerne unnfanget ikke mindre enn å gå gjennom hele jordskorpen med en brønn og få prøver av bergartene i den øvre mantelen. Konseptene til mantelen den gang (som faktisk nå) var bare basert på indirekte data - hastigheten for forplantning av seismiske bølger i tarmene, endringen i hvilken ble tolket som grensen for lag av bergarter i forskjellige aldre og sammensetninger. Forskere mente at jordskorpen er som en sandwich: unge steiner på toppen, eldgamle under. Imidlertid kunne bare superdyp boring gi et nøyaktig bilde av strukturen og sammensetningen av jordens ytre skall og øvre mantel.

Mokhol-prosjekt

I 1958 dukket Mohol superdeep drilling-programmet opp i USA. Dette er et av de mest vågale og mystiske prosjektene i etterkrigstidens Amerika. Som mange andre programmer var Mohol ment å overta Sovjetunionen i vitenskapelig rivalisering, og sette verdensrekord i ultradyp boring. Navnet på prosjektet kommer fra ordene "Mohorovicic" - dette er navnet på den kroatiske forskeren som skilte grensesnittet mellom jordskorpen og mantelen - grensen til Moho, og "hull", som betyr "brønn" på engelsk. Skaperne av programmet bestemte seg for å bore i havet, der jordskorpen ifølge geofysikere er mye tynnere enn på kontinentene. Det var nødvendig å senke rørene flere kilometer ned i vannet, krysse 5 kilometer av havbunnen og nå den øvre mantelen.

I april 1961, utenfor øya Guadeloupe i Det karibiske hav, hvor vannsøylen når 3,5 km, boret geologer fem brønner, den dypeste av dem gikk inn i bunnen på 183 meter. I følge foreløpige beregninger, på dette stedet, under sedimentære bergarter, forventet de å møte det øvre laget av jordskorpen - granitt. Men kjernen som ble løftet opp fra sedimentene inneholdt rene basalter - en slags antipode av granitt. Resultatet av boringen motet og inspirerte samtidig forskere, de begynte å forberede en ny fase av boringen. Men da kostnadene for prosjektet oversteg 100 millioner dollar, stoppet den amerikanske kongressen finansieringen. Mohol svarte ikke på noen av spørsmålene som ble stilt, men det viste det viktigste - superdyp boring i havet er mulig.

Begravelsen er utsatt

Ultra-dyp boring tillot å se ned i dypet og forstå hvordan bergarter oppfører seg ved høye trykk og temperaturer. Ideen om at bergarter med dybde blir tettere og deres porøsitet avtar, viste seg å være feil, så vel som synspunktet om tørr undergrunn. Dette ble først oppdaget under boringen av Kola-superdypet, andre brønner i eldgamle krystallinske lag bekreftet det faktum at på en dybde på mange kilometer brytes bergarter av sprekker og penetreres av mange porer, og vandige løsninger beveger seg fritt under trykk på flere hundre. atmosfærer. Denne oppdagelsen er en av de viktigste prestasjonene ved ultradyp boring. Det tvang oss til å vende tilbake til problemet med å grave ned radioaktivt avfall, som skulle plasseres i dype brønner, noe som virket helt trygt. Tatt i betraktning informasjonen om tilstanden til undergrunnen som ble oppnådd i løpet av superdyp boring, ser prosjekter for opprettelse av slike depoter nå veldig risikable ut.

På jakt etter det avkjølte helvete

Siden den gang har verden blitt syk med ultradyp boring. I USA ble et nytt program for å studere havbunnen (Deep Sea Drilling Project) under utarbeidelse. Glomar Challenger, bygget spesielt for dette prosjektet, tilbrakte flere år i vannet i forskjellige hav og hav, og boret nesten 800 brønner i bunnen, og nådde en maksimal dybde på 760 m. På midten av 1980-tallet bekreftet offshore boreresultater teorien. av platetektonikk. Geologi som vitenskap ble gjenfødt. I mellomtiden gikk Russland sine egne veier. Interessen for problemet, vekket av suksessene til USA, resulterte i programmet "Exploration of the Earth's interior and superdeep drilling", men ikke i havet, men på kontinentet. Til tross for sin hundre år gamle historie, så kontinentalboring ut til å være en helt ny virksomhet. Tross alt snakket vi om tidligere uoppnåelige dybder - mer enn 7 kilometer. I 1962 godkjente Nikita Khrusjtsjov dette programmet, selv om han ble styrt av politiske snarere enn vitenskapelige motiver. Han ønsket ikke å ligge bak USA.

Det nyopprettede laboratoriet ved Institute of Drilling Technology ble ledet av den berømte oljearbeideren, doktor i tekniske vitenskaper Nikolai Timofeev. Han ble instruert om å underbygge muligheten for superdyp boring i krystallinske bergarter - granitter og gneiser. Forskningen tok 4 år, og i 1966 avsa ekspertene en dom - du kan bore, og ikke nødvendigvis med morgendagens utstyr, utstyret som allerede er der er nok. Hovedproblemet er varmen på dypet. I følge beregninger, når den trenger inn i bergartene som utgjør jordskorpen, skal temperaturen øke hver 33. meter med 1 grad. Dette betyr at på en dybde på 10 km bør man forvente omtrent 300 ° С, og ved 15 km - nesten 500 ° С. Boreverktøy og -innretninger tåler ikke slik oppvarming. Det var nødvendig å se etter et sted hvor tarmene ikke var så varme …

Et slikt sted ble funnet - et eldgammelt krystallinsk skjold på Kolahalvøya. En rapport utarbeidet ved Institute of Physics of the Earth lød: i løpet av milliarder av år av dets eksistens har Kola-skjoldet kjølt seg ned, temperaturen på en dybde på 15 km overstiger ikke 150 ° C. Og geofysikere utarbeidet en omtrentlig del av Kolahalvøya. Ifølge dem er de første 7 kilometerne granittlag i den øvre delen av jordskorpen, deretter begynner basaltlaget. Da ble ideen om en to-lags struktur av jordskorpen generelt akseptert. Men som det viste seg senere, tok både fysikere og geofysikere feil. Borestedet ble valgt i den nordlige enden av Kolahalvøya nær innsjøen Vilgiskoddeoayvinjärvi. På finsk betyr det "Under ulvefjellet", selv om det ikke er fjell eller ulver på det stedet. Boringen av brønnen, hvis designdybde var 15 kilometer, begynte i mai 1970.

Verktøy for underverdenen

Boringen av Kola-brønnen SG-3 krevde ikke opprettelsen av fundamentalt nye enheter og gigantiske maskiner. Vi begynte å jobbe med det vi allerede hadde: Uralmash 4E-enheten med en løftekapasitet på 200 tonn og lettmetallrør. Det som virkelig var nødvendig på den tiden var ikke-standardiserte teknologiske løsninger. Faktisk, i harde krystallinske bergarter til en så stor dybde, boret ingen, og hva som ville skje der, forestilte de seg bare i generelle termer. Erfarne borere innså imidlertid at uansett hvor detaljert prosjektet var, ville en ekte brønn være mye mer kompleks. Fem år senere, da dybden på SG-3-brønnen oversteg 7 kilometer, ble en ny Uralmash 15.000 borerigg installert, en av de mest moderne på den tiden. Kraftig, pålitelig, med en automatisk utløsermekanisme, tåler den en rørstreng på opptil 15 km. Boreriggen har forvandlet seg til et fullt mantlet boretårn som er 68 m høyt, motstandsdyktig mot sterk vind som raser i Arktis. Et minianlegg, vitenskapelige laboratorier og et kjernelager har vokst i nærheten.

Ved boring til grunne dybder installeres en motor som roterer rørstrengen med en bor i enden på overflaten. Boret er en jernsylinder med diamant- eller hardlegerte tenner - litt. Denne kronen biter i steiner og kutter ut en tynn søyle fra dem - en kjerne. For å avkjøle verktøyet og fjerne smårester fra brønnen, pumpes borevæske inn i det - flytende leire, som sirkulerer hele tiden langs brønnhullet, som blod i kar. Etter en tid heves rørene til overflaten, frigjøres fra kjernen, kronen endres og søylen senkes igjen ned i bunnhullet. Slik fungerer konvensjonell boring.

Og hvis tønnelengden er 10-12 kilometer med en diameter på 215 millimeter? Rørstrengen blir den tynneste tråden som senkes ned i brønnen. Hvordan administrere det? Hvordan se hva som skjer i ansiktet? Derfor, på Kola-brønnen, i bunnen av borestrengen, ble det installert miniatyrturbiner, de ble startet ved å boreslam pumpet gjennom rør under trykk. Turbiner roterte en karbidbit og en kjernekuttet. Hele teknologien var godt utviklet, operatøren på kontrollpanelet så rotasjonen av biten, kjente hastigheten og kunne kontrollere prosessen.

Hver 8.-10. meter måtte en flerkilometers rørstreng løftes opp. Nedstigningen og oppstigningen tok totalt 18 timer.

Det lumske med tallet "7"

7 kilometer - merket for Kola superdeep fatal. Bak startet usikkerhet, mange ulykker og en kontinuerlig kamp med steiner. Tønnen kunne ikke holdes oppreist. Da vi reiste 12 km for første gang, avvek brønnen fra vertikalen med 21°. Selv om borerne allerede hadde lært å jobbe med den utrolige krumningen til brønnhullet, var det umulig å komme lenger. Brønnen skulle bores fra 7 km-merket. For å få et vertikalt hull i harde steiner trenger du en veldig hard bunn av borestrengen, slik at den kommer inn i tarmene som olje. Men et annet problem oppstår - brønnen utvides gradvis, boret dingler i den, som i et glass begynner veggene i brønnhullet å kollapse og kan presse ned på verktøyet. Løsningen på dette problemet viste seg å være original - pendelteknologien ble brukt. Boret ble kunstig vugget i brønnen og dempet sterke vibrasjoner. På grunn av dette viste stammen seg å være vertikal.

Den vanligste ulykken på en rigg er et rørstrengbrudd. Vanligvis prøver de å fange opp rørene igjen, men hvis dette skjer på store dyp, blir problemet uopprettelig. Det nytter ikke å lete etter et verktøy i et 10 kilometer langt borehull, et slikt borehull ble kastet og et nytt startet, litt høyere. Rørbrudd og tap ved SG-3 skjedde mange ganger. Som et resultat, i sin nedre del, ser brønnen ut som rotsystemet til en gigantisk plante. Forgreningen av brønnen opprørte borerne, men viste seg å være lykke for geologene, som uventet fikk et tredimensjonalt bilde av et imponerende segment av eldgamle arkeiske bergarter som ble dannet for mer enn 2,5 milliarder år siden.

I juni 1990 nådde SG-3 en dybde på 12 262 m. Brønnen begynte å forberedes for boring opp til 14 km, og så skjedde det igjen en ulykke - i en høyde på 8 550 m brøt rørstrengen av. Videreføringen av arbeidet krevde lange forberedelser, fornyelse av utstyr og nye kostnader. I 1994 ble boringen av Kola Superdeep stoppet. Etter 3 år kom hun inn i Guinness rekordbok og er fortsatt uovertruffen. Nå er brønnen et laboratorium for studier av dype tarmer.

Hemmelige tarmer

SG-3 har vært et klassifisert anlegg siden starten. Grensesonen, de strategiske forekomstene i distriktet, og den vitenskapelige prioriteringen har skylden. Den første utlendingen som besøkte borestedet var en av lederne for Vitenskapsakademiet i Tsjekkoslovakia. Senere, i 1975, ble en artikkel om Kola Superdeep publisert i Pravda signert av geologiminister Alexander Sidorenko. Det var fortsatt ingen vitenskapelige publikasjoner om Kola-brønnen, men noe informasjon lekket til utlandet. Ifølge rykter begynte verden å lære mer - den dypeste brønnen bores i USSR.

Et slør av hemmelighold ville trolig ha hengt over brønnen frem til selve «perestroikaen», hvis ikke World Geological Congress hadde funnet sted i 1984 i Moskva. De forberedte seg nøye på en så stor begivenhet i den vitenskapelige verden; et nytt bygg ble til og med bygget for Geologidepartementet - mange deltakere ventet. Men utenlandske kolleger var først og fremst interessert i Kola superdeep! Amerikanerne trodde ikke i det hele tatt at vi hadde det. Brønnens dybde på det tidspunktet hadde nådd 12 066 meter. Det var ikke lenger fornuftig å skjule objektet. En utstilling av prestasjoner fra russisk geologi ventet på kongressdeltakerne i Moskva, en av standene var dedikert til SG-3-brønnen. Eksperter over hele verden så forvirret på et konvensjonelt borehode med utslitte karbidtenner. Og med dette borer de den dypeste brønnen i verden? Utrolig! En stor delegasjon av geologer og journalister dro til Zapolyarny-bosetningen. Besøkende ble vist riggen i aksjon, og 33 meter lange rørseksjoner ble fjernet og frakoblet. Rundt rundt lå hauger av nøyaktig de samme borehodene som det som sto på stativet i Moskva.

En kjent geolog, akademiker Vladimir Belousov, mottok delegasjonen fra Vitenskapsakademiet. Under en pressekonferanse ble han stilt et spørsmål fra salen:

– Hva er det viktigste som Kola-brønnen har vist?

- Mine herrer! Viktigst, det viste at vi ikke vet noe om kontinentalskorpen, - svarte forskeren ærlig.

Dyp overraskelse

Selvfølgelig visste de noe om jordskorpen på kontinentene. Det faktum at kontinentene er sammensatt av svært eldgamle bergarter, i alderen fra 1,5 til 3 milliarder år, ble ikke tilbakevist selv av Kola-brønnen. Den geologiske seksjonen kompilert på grunnlag av SG-3-kjernen viste seg imidlertid å være nøyaktig det motsatte av hva forskerne hadde forestilt seg tidligere. De første 7 kilometerne var sammensatt av vulkanske og sedimentære bergarter: tuffer, basalter, breccias, sandsteiner, dolomitter. Dypere lå den såkalte Conrad-seksjonen, hvoretter hastigheten på seismiske bølger i bergartene økte kraftig, noe som ble tolket som grensen mellom granitt og basalt. Denne delen ble passert for lenge siden, men basaltene i det nedre laget av jordskorpen dukket aldri opp noe sted. Tvert imot begynte granitter og gneiser.

Seksjonen av Kola-brønnen tilbakeviste tolagsmodellen av jordskorpen og viste at de seismiske seksjonene i tarmene ikke er grensene for lag av bergarter med ulik sammensetning. Snarere indikerer de en endring i egenskapene til steinen med dybden. Ved høyt trykk og temperatur kan egenskapene til bergarter, tilsynelatende, endre seg dramatisk, slik at granitt i sine fysiske egenskaper blir lik basalter, og omvendt. Men "basalten" som ble hevet til overflaten fra en dybde på 12 kilometer ble umiddelbart granitt, selv om den opplevde et alvorlig angrep av "caisson sykdom" underveis - kjernen smuldret og gikk i oppløsning til flate plaketter. Jo lenger brønnen gikk, jo mindre kvalitetsprøver falt i hendene på forskere.

Dybden inneholdt mange overraskelser. Tidligere var det naturlig å tenke at med økende avstand fra jordoverflaten, med økende trykk, blir bergartene mer monolittiske, med et lite antall sprekker og porer. SG-3 overbeviste forskere om noe annet. Fra 9 kilometer viste lagene seg å være svært porøse og bokstavelig talt fulle av sprekker som vandige løsninger sirkulerte langs. Senere ble dette faktum bekreftet av andre superdype brønner på kontinentene. Det viste seg å være mye varmere på dypet enn forventet: med så mye som 80 °! Ved 7 km-merket var bunnhullstemperaturen 120 ° С, ved 12 km hadde den allerede nådd 230 ° С. I prøvene fra Kola-brønnen oppdaget forskere gullmineralisering. Inneslutninger av edelt metall ble funnet i eldgamle bergarter på en dybde på 9, 5-10, 5 km. Konsentrasjonen av gull var imidlertid for lav til å kreve en forekomst - et gjennomsnitt på 37,7 mg per tonn stein, men tilstrekkelig til å forvente andre lignende steder.

På russestien

Demonstrasjonen av Kola-brønnen i 1984 gjorde dypt inntrykk på verdenssamfunnet. Mange land har begynt å forberede vitenskapelige boreprosjekter på kontinentene. Et slikt program ble også godkjent i Tyskland på slutten av 1980-tallet. Den ultradype brønnen KTB Hauptborung ble boret fra 1990 til 1994, etter planen skulle den nå en dybde på 12 km, men på grunn av uforutsigbare høye temperaturer var det kun mulig å komme til 9,1 km-merket. På grunn av åpenheten til data om boring og vitenskapelig arbeid, god teknologi og dokumentasjon, er den ultradype brønnen KTV fortsatt en av de mest kjente i verden.

Plasseringen for boring av denne brønnen ble valgt i sørøst for Bayern, på restene av en eldgammel fjellkjede, hvis alder er anslått til 300 millioner år. Geologer mente at et sted her er det en sone for sammenføyning av to plater, som en gang var kysten av havet. I følge forskere har den øvre delen av fjellene over tid slitt bort, og avslørt restene av den eldgamle havskorpen. Enda dypere, ti kilometer fra overflaten, oppdaget geofysikere et stort legeme med unormalt høy elektrisk ledningsevne. De håpet også å klargjøre dens natur ved hjelp av en brønn. Men hovedutfordringen var å nå en dybde på 10 km for å få erfaring med ultra-dyp boring. Etter å ha studert materialene til Kola SG-3, bestemte de tyske borerne seg for først å bore en testbrønn 4 km dyp for å få en mer nøyaktig ide om arbeidsforholdene i undergrunnen, teste teknikken og ta en kjerne. På slutten av pilotarbeidet måtte mye av bore- og vitenskapelig utstyr endres, og noe måtte gjenskapes.

Den viktigste - superdype - brønnen KTV Hauptborung ble lagt bare to hundre meter fra den første. Til arbeidet ble det reist et tårn på 83 meter og laget en borerigg med en løftekapasitet på 800 tonn, den kraftigste på den tiden. Mange boreoperasjoner har blitt automatisert, først og fremst mekanismen for å senke og gjenvinne rørstrengen. Det selvstyrte vertikale boresystemet gjorde det mulig å lage et nesten vertikalt hull. Teoretisk sett, med slikt utstyr, var det mulig å bore til en dybde på 12 kilometer. Men virkeligheten viste seg som alltid å være mer komplisert, og forskernes planer gikk ikke i oppfyllelse.

Problemene ved KTV-brønnen begynte etter en dybde på 7 km, og gjentok mye av skjebnen til Kola Superdeep. Først antas det at på grunn av den høye temperaturen brøt det vertikale boresystemet sammen og hullet gikk på skrå. På slutten av arbeidet avvek bunnen fra vertikalen med 300 m. Da begynte mer kompliserte ulykker - et brudd i borestrengen. Akkurat som på Kola måtte det bores nye sjakter. Visse vanskeligheter ble forårsaket av innsnevringen av brønnen - på toppen var diameteren 71 cm, nederst - 16,5 cm. Endeløse ulykker og høy bunnhullstemperatur -270 ° C tvang borerne til å slutte å jobbe ikke langt fra det kjære målet.

Det kan ikke sies at de vitenskapelige resultatene til KTV Hauptborung traff fantasien til forskere. På dypet ble det hovedsakelig avsatt amfibolitter og gneiser, eldgamle metamorfe bergarter. Konvergenssonen til havet og restene av havskorpen er ikke funnet noe sted. Kanskje er de på et annet sted, her er et lite krystallinsk massiv, snudd opp til en høyde på 10 km. En forekomst av grafitt ble oppdaget en kilometer fra overflaten.

I 1996 kom KTV-brønnen, som kostet det tyske budsjettet 338 millioner dollar, under beskyttelse av Scientific Center for Geology i Potsdam, den ble omgjort til et laboratorium for å observere dyp undergrunn og et turistmål.

De dypeste brønnene i verden

1. Aralsor SG-1, Kaspisk lavland, 1962-1971, dybde - 6, 8 km. Søk etter olje og gass.

2. Biikzhal SG-2, Kaspisk lavland, 1962-1971, dybde - 6, 2 km. Søk etter olje og gass.

3. Kola SG-3, 1970-1994, dybde - 12 262 m. Designdybde - 15 km.

4. Saatlinskaya, Aserbajdsjan, 1977-1990, dybde - 8 324 m. Designdybde - 11 km.

5. Kolvinskaya, Arkhangelsk-regionen, 1961, dybde - 7.057 m.

6. Muruntau SG-10, Usbekistan, 1984, dybde -

3 km. Designdybden er 7 km. Søk etter gull.

7. Timan-Pechora SG-5, Nord-Øst for Russland, 1984-1993, dybde - 6.904 m, designdybde - 7 km.

8. Tyumen SG-6, Vest-Sibir, 1987-1996, dybde - 7 502 m. Designdybde - 8 km. Søk etter olje og gass.

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

10. Vorotilovskaya-brønn, Volga-regionen, 1989-1992, dybde - 5 374 m. Søk etter diamanter, studie av Puchezh-Katunskaya astrobleme.

11. Krivoy Rog SG-8, Ukraina, 1984-1993, dybde - 5 382 m. Designdybde - 12 km. Søk etter jernholdige kvartsitter.

Ural SG-4, Midt-Ural. Lagt ned i 1985. Designdybde - 15 000 m. Nåværende dybde - 6 100 m. Søk etter kobbermalm, studie av strukturen til Ural. En-Yakhtinskaya SG-7, Vest-Sibir. Designdybde - 7 500 m. Nåværende dybde - 6 900 m. Søk etter olje og gass.