Adânc în minereurile fierbinți

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Modificat ultima dată: 2023-12-16 16:15

Secolul XX a fost marcat de triumful omului în aer și de cucerirea celor mai adânci depresiuni ale Oceanului Mondial. Numai visul de a pătrunde în inima planetei noastre și de a cunoaște viața ascunsă până acum a măruntaielor sale rămâne de neatins. „Călătorie în centrul Pământului” se anunță extrem de dificilă și incitantă, plină de multe surprize și descoperiri incredibile. Primii pași pe această cale au fost deja făcuți – în lume au fost forate câteva zeci de puțuri superadânci. Informațiile obținute cu ajutorul forajelor ultra-profunde s-au dovedit a fi atât de copleșitoare încât au spulberat ideile consacrate ale geologilor despre structura planetei noastre și au oferit cele mai bogate materiale pentru cercetătorii din diverse domenii ale cunoașterii.

Atinge mantaua

Chinezii harnici din secolul al XIII-lea au săpat fântâni adânci de 1.200 de metri. Europenii au doborât recordul chinez în 1930, învățând cum să străpungă pământul cu instalații de foraj timp de 3 kilometri. La sfârșitul anilor 1950, fântânile s-au extins până la 7 kilometri. A început epoca forajelor ultraprofunde.

La fel ca majoritatea proiectelor globale, ideea forării învelișului superior al Pământului și-a luat naștere în anii 1960, la apogeul zborurilor spațiale și a credinței în posibilitățile nelimitate ale științei și tehnologiei. Americanii au conceput nu mai puțin decât să treacă prin întreaga scoarță terestră cu o fântână și să obțină mostre din rocile mantalei superioare. Conceptele mantalei de atunci (cum, într-adevăr, acum) se bazau doar pe date indirecte - viteza de propagare a undelor seismice în intestine, schimbarea căreia a fost interpretată ca limita a straturilor de roci de diferite vârste și compoziții. Oamenii de știință credeau că scoarța terestră este ca un sandviș: roci tinere deasupra, cele vechi dedesubt. Cu toate acestea, numai forarea superprofundă ar putea oferi o imagine precisă a structurii și compoziției învelișului exterior și a mantalei superioare a Pământului.

Proiectul Mokhol

În 1958, în Statele Unite a apărut programul de foraj superdeep Mohol. Acesta este unul dintre cele mai îndrăznețe și mai misterioase proiecte din America de după război. La fel ca multe alte programe, Mohol avea scopul de a depăși URSS în rivalitatea științifică, stabilind un record mondial în foraj ultraprofund. Numele proiectului provine de la cuvintele „Mohorovicic” - acesta este numele omului de știință croat care a distins interfața dintre scoarța terestră și manta - granița lui Moho și „gaura”, care înseamnă „bine” în engleză.. Creatorii programului au decis să foreze în ocean, unde, conform geofizicienilor, scoarța terestră este mult mai subțire decât pe continente. A fost necesar să coborâm conductele câțiva kilometri în apă, să traversezi 5 kilometri de fundul oceanului și să ajungi la mantaua superioară.

În aprilie 1961, în largul insulei Guadelupa din Marea Caraibelor, unde coloana de apă ajunge la 3,5 km, geologii au forat cinci puțuri, cea mai adâncă dintre ele a intrat în fund la 183 de metri. Conform calculelor preliminare, în acest loc, sub rocile sedimentare, se așteptau să întâlnească stratul superior al scoarței terestre - granit. Dar miezul ridicat de sub sedimente conținea bazalt pur - un fel de antipod al granitelor. Rezultatul forajului i-a descurajat și în același timp inspirat pe oamenii de știință, aceștia au început să pregătească o nouă fază de foraj. Dar când costul proiectului a depășit 100 de milioane de dolari, Congresul SUA a oprit finanțarea. Mohol nu a răspuns la niciuna dintre întrebările puse, dar a arătat principalul lucru - forarea superprofundă în ocean este posibilă.

Înmormântarea este amânată

Forajul ultra-profund a permis să se uite în adâncime și să se înțeleagă cum se comportă rocile la presiuni și temperaturi ridicate. Ideea că rocile cu adâncime devin mai dense și porozitatea lor scade, s-a dovedit a fi greșită, precum și punctul de vedere despre subsolul uscat. Acest lucru a fost descoperit pentru prima dată în timpul forării superadâncului Kola, alte puțuri din straturi cristaline antice au confirmat faptul că, la o adâncime de mulți kilometri, rocile sunt sparte de crăpături și pătrunse de numeroși pori, iar soluțiile apoase se mișcă liber sub presiunea de câteva sute. atmosfere. Această descoperire este una dintre cele mai importante realizări ale forajului ultraprofund. Ne-a obligat să trecem din nou la problema îngroparii deșeurilor radioactive, care trebuia să fie plasate în puțuri adânci, care păreau complet sigure. Având în vedere informațiile despre starea subsolului obținute în timpul forajelor superprofunde, proiectele pentru crearea unor astfel de depozite arată acum foarte riscante.

În căutarea iadului răcit

De atunci, lumea s-a îmbolnăvit de foraje ultra-profunde. În Statele Unite, se pregătea un nou program pentru studierea fundului oceanului (Deep Sea Drilling Project). Glomar Challenger, construit special pentru acest proiect, a petrecut câțiva ani în apele diferitelor oceane și mări, forând aproape 800 de puțuri în fundul acestora, atingând o adâncime maximă de 760 m. Până la mijlocul anilor 1980, rezultatele forajelor offshore au confirmat teoria. a plăcilor tectonice. Geologia ca știință a renăscut. Între timp, Rusia a urmat propriul drum. Interesul pentru problemă, stârnit de succesele Statelor Unite, a rezultat în programul „Explorarea interiorului Pământului și forarea superdeep”, dar nu în ocean, ci pe continent. În ciuda istoriei sale de secole, forajul continental părea a fi o afacere complet nouă. La urma urmei, vorbeam despre adâncimi de neatins până acum - mai mult de 7 kilometri. În 1962, Nikita Hrușciov a aprobat acest program, deși a fost ghidat de motive mai degrabă politice decât științifice. Nu a vrut să rămână în urma Statelor Unite.

Laboratorul nou creat de la Institutul de Tehnologie de Foraj a fost condus de celebrul muncitor petrolier, doctor în științe tehnice Nikolai Timofeev. El a fost instruit să fundamenteze posibilitatea forajelor superprofunde în roci cristaline - granite și gneisuri. Cercetarea a durat 4 ani, iar în 1966 experții au dat un verdict - poți să forezi, și nu neapărat cu echipamentul de mâine, echipamentul care există deja este suficient. Problema principală este căldura la adâncime. Conform calculelor, pe măsură ce pătrunde în rocile care alcătuiesc scoarța terestră, temperatura ar trebui să crească la fiecare 33 de metri cu 1 grad. Aceasta înseamnă că la o adâncime de 10 km ar trebui să vă așteptați la aproximativ 300 ° С, iar la 15 km - aproape 500 ° С. Uneltele și dispozitivele de foraj nu vor rezista la o astfel de încălzire. A fost necesar să se caute un loc în care intestinele să nu fie atât de fierbinți…

A fost găsit un astfel de loc - un scut cristalin străvechi al peninsulei Kola. Un raport pregătit la Institutul de Fizică a Pământului spunea: de-a lungul miliardelor de ani de existență, scutul Kola s-a răcit, temperatura la o adâncime de 15 km nu depășește 150 ° C. Și geofizicienii au pregătit o secțiune aproximativă a Peninsulei Kola. Potrivit acestora, primii 7 kilometri sunt straturi de granit ale părții superioare a scoarței terestre, apoi începe stratul de bazalt. Apoi ideea unei structuri cu două straturi a scoarței terestre a fost în general acceptată. Dar după cum sa dovedit mai târziu, atât fizicienii, cât și geofizicienii au greșit. Locul de foraj a fost ales la capătul de nord al peninsulei Kola, lângă lacul Vilgiskoddeoayvinjärvi. În finlandeză înseamnă „Sub Muntele Lupului”, deși nu există munți sau lupi în acel loc. Forarea sondei, a cărei adâncime de proiectare era de 15 kilometri, a început în mai 1970.

Instrument pentru lumea interlopă

Forarea puțului Kola SG-3 nu a necesitat crearea de dispozitive fundamental noi și mașini gigantice. Am început să lucrăm cu ceea ce aveam deja: unitatea Uralmash 4E cu o capacitate de ridicare de 200 de tone și țevi din aliaj ușor. Ceea ce era cu adevărat necesar la acea vreme erau soluții tehnologice non-standard. Într-adevăr, în roci cristaline dure la o adâncime atât de mare, nimeni nu a forat și ce s-ar întâmpla acolo, și-au imaginat doar în termeni generali. Foratorii cu experiență și-au dat seama însă că, oricât de detaliat ar fi proiectul, o sondă adevărată va fi mult mai complexă. Cinci ani mai târziu, când adâncimea sondei SG-3 a depășit 7 kilometri, a fost instalată o nouă instalație de foraj Uralmash 15.000, una dintre cele mai moderne la acea vreme. Puternic, fiabil, cu un mecanism de declanșare automat, ar putea rezista unui șir de țevi de până la 15 km lungime. Instalația de foraj s-a transformat într-un foraj complet învelit, cu o înălțime de 68 m, sfidând vânturile puternice care năvălesc în Arctica. În apropiere au crescut o mini-plantă, laboratoare științifice și un depozit de bază.

Când forați la adâncimi mici, la suprafață este instalat un motor care rotește șirul țevii cu un burghiu la capăt. Burghiul este un cilindru de fier cu dinți de diamant sau aliaj dur - puțin. Această coroană mușcă în roci și decupează o coloană subțire din ele - un miez. Pentru a răci unealta și a îndepărta resturile mici din puț, fluidul de foraj este pompat în el - argilă lichidă, care circulă tot timpul de-a lungul sondei, ca sângele în vase. După ceva timp, țevile sunt ridicate la suprafață, eliberate de miez, coroana este schimbată și coloana este din nou coborâtă în gaura de fund. Așa funcționează forajul convențional.

Și dacă lungimea butoiului este de 10-12 kilometri cu un diametru de 215 milimetri? Șirul de țevi devine cel mai subțire fir care se coboară în puț. Cum să o gestionezi? Cum să vezi ce se întâmplă în față? Așadar, pe fântâna Kola, la fundul garniturii de foraj, au fost instalate turbine miniaturale, acestea fiind pornite prin forarea noroiului pompat prin conducte sub presiune. Turbinele au rotit un bit de carbură și miezul tăiat. Toată tehnologia a fost bine dezvoltată, operatorul de pe panoul de control a văzut rotația bitului, îi cunoștea viteza și putea controla procesul.

La fiecare 8-10 metri, trebuia ridicată un șir de țevi de mai mulți kilometri. Coborârea și urcarea au durat în total 18 ore.

Insidiositatea numărului „7”

7 kilometri - marcajul pentru fatalul Kola superdeep. În spatele lui a început incertitudinea, multe accidente și o luptă continuă cu pietrele. Butoiul nu putea fi ținut vertical. Când am călătorit 12 km pentru prima dată, puțul a deviat de la verticală cu 21 °. Deși foratorii învățaseră deja să lucreze cu curbura incredibilă a sondei, era imposibil să meargă mai departe. Puţul urma să fie forat de la marcajul de 7 km. Pentru a obține o gaură verticală în rocile dure, aveți nevoie de un fund foarte dur al coardei de foraj, astfel încât să intre în intestine ca uleiul. Dar apare o altă problemă - puțul se extinde treptat, burghiul atârnă în el, ca într-un pahar, pereții sondei încep să se prăbușească și pot apăsa instrumentul. Soluția la această problemă s-a dovedit a fi originală - a fost aplicată tehnologia pendulului. Burghiul a fost legănat artificial în puț și a suprimat vibrațiile puternice. Din această cauză, trunchiul s-a dovedit a fi vertical.

Cel mai obișnuit accident pe orice platformă este ruperea șirului de țeavă. De obicei, încearcă să capteze din nou țevile, dar dacă acest lucru se întâmplă la adâncimi mari, atunci problema devine irecuperabilă. Este inutil să cauți o unealtă într-un foraj de 10 kilometri, s-a aruncat un astfel de foraj și s-a început unul nou, puțin mai sus. Ruperea și pierderea conductei la SG-3 s-au întâmplat de multe ori. Drept urmare, în partea sa inferioară, fântâna arată ca sistemul de rădăcină al unei plante gigantice. Ramificarea puțului i-a supărat pe foratori, dar s-a dovedit a fi o fericire pentru geologi, care au obținut în mod neașteptat o imagine tridimensională a unui segment impresionant de roci antice arheene care s-au format în urmă cu mai bine de 2,5 miliarde de ani.

În iunie 1990, SG-3 a atins o adâncime de 12.262 m. Sonda a început să fie pregătită pentru forare până la 14 km, iar apoi a avut loc din nou un accident - la o altitudine de 8.550 m, șirul de conducte s-a rupt. Continuarea lucrărilor a necesitat o pregătire îndelungată, reînnoirea echipamentelor și costuri noi. În 1994, forajul Kola Superdeep a fost oprit. După 3 ani, ea a intrat în Cartea Recordurilor Guinness și încă rămâne neîntrecută. Acum fântâna este un laborator pentru studiul intestinelor profunde.

intestine secrete

SG-3 a fost o facilitate clasificată încă de la început. Zona de frontieră, zăcămintele strategice din raion și prioritatea științifică sunt de vină. Primul străin care a vizitat locul de foraj a fost unul dintre liderii Academiei de Științe din Cehoslovacia. Mai târziu, în 1975, un articol despre Kola Superdeep a fost publicat în Pravda semnat de ministrul geologiei Alexander Sidorenko. Încă nu existau publicații științifice despre fântâna Kola, dar unele informații s-au scurs în străinătate. Potrivit zvonurilor, lumea a început să învețe mai multe - cea mai adâncă fântână este forată în URSS.

Un văl de secret ar fi atârnat probabil peste fântână până la chiar „perestroika”, dacă Congresul Geologic Mondial nu ar fi avut loc în 1984 la Moscova. S-au pregătit cu atenție pentru un astfel de eveniment major din lumea științifică; chiar a fost construită o nouă clădire pentru Ministerul Geologiei - mulți participanți se așteptau. Dar colegii străini au fost interesați în primul rând de superadâncul Kola! Americanii nu credeau deloc că avem. Adâncimea fântânii până în acel moment ajunsese la 12.066 de metri. Nu mai avea sens să ascunzi obiectul. O expoziție a realizărilor geologiei ruse i-a așteptat pe participanții la congres la Moscova, unul dintre standuri a fost dedicat puțului SG-3. Experții din întreaga lume s-au uitat uluiți la un cap de burghiu convențional cu dinți uzați de carbură. Și cu asta forează cea mai adâncă fântână din lume? Incredibil! O mare delegație de geologi și jurnaliști a mers la așezarea Zapolyarny. Vizitatorilor li s-a arătat instalația în acțiune, iar secțiunile de conducte de 33 de metri au fost îndepărtate și deconectate. De jur împrejur erau grămezi de exact aceleași capete de foraj ca cel care se afla pe standul de la Moscova.

Un cunoscut geolog, academicianul Vladimir Belousov a primit delegația de la Academia de Științe. În timpul unei conferințe de presă, i s-a adresat o întrebare din partea publicului:

- Care este cel mai important lucru pe care l-a arătat fântâna Kola?

- Domnilor! Cel mai important, a arătat că nu știm nimic despre crusta continentală, - a răspuns sincer omul de știință.

Surpriză profundă

Desigur, ei știau ceva despre scoarța terestră a continentelor. Faptul că continentele sunt compuse din roci foarte vechi, cu o vârstă cuprinsă între 1,5 și 3 miliarde de ani, nu a fost infirmat nici măcar de fântâna Kola. Cu toate acestea, secțiunea geologică compilată pe baza nucleului SG-3 s-a dovedit a fi exact opusul a ceea ce își imaginaseră oamenii de știință mai devreme. Primii 7 kilometri au fost formați din roci vulcanice și sedimentare: tufuri, bazalt, brecii, gresii, dolomiți. Mai adânc se afla așa-numita secțiune Conrad, după care viteza undelor seismice din roci a crescut brusc, ceea ce a fost interpretat ca granița dintre granite și bazalt. Această secțiune a fost trecută cu mult timp în urmă, dar bazalții din stratul inferior al scoarței terestre nu au apărut nicăieri. Dimpotrivă, au început granitele și gneisurile.

Secțiunea fântânii Kola a infirmat modelul în două straturi al scoarței terestre și a arătat că secțiunile seismice din intestine nu sunt limitele straturilor de roci de compoziție diferită. Mai degrabă, ele indică o schimbare a proprietăților pietrei cu adâncimea. La presiune și temperatură ridicată, proprietățile rocilor, aparent, se pot schimba dramatic, astfel încât granitele în caracteristicile lor fizice devin asemănătoare cu bazalților și invers. Dar „bazaltul” ridicat la suprafață de la o adâncime de 12 kilometri a devenit imediat granit, deși a suferit un atac sever de „boală cheson” pe parcurs - miezul s-a prăbușit și s-a dezintegrat în plăci plate. Cu cât fântâna mergea mai departe, cu atât probele de mai puțină calitate au căzut în mâinile oamenilor de știință.

Adâncimea a cuprins multe surprize. Anterior, era firesc să ne gândim că odată cu creșterea distanței față de suprafața pământului, odată cu creșterea presiunii, rocile devin mai monolitice, cu un număr mic de fisuri și pori. SG-3 i-a convins pe oamenii de știință de altfel. Începând de la 9 kilometri, straturile s-au dovedit a fi foarte poroase și literalmente pline de fisuri de-a lungul cărora au circulat soluții apoase. Ulterior, acest fapt a fost confirmat de alte fântâni superadânci de pe continente. S-a dovedit a fi mult mai cald la adâncime decât se aștepta: cu până la 80 °! La marcajul de 7 km, temperatura de fund era de 120 ° С, la 12 km atinsese deja 230 ° С. În probele fântânii Kola, oamenii de știință au descoperit mineralizarea aurului. Incluziuni de metal prețios au fost găsite în roci antice la o adâncime de 9, 5-10, 5 km. Cu toate acestea, concentrația de aur a fost prea mică pentru a revendica un depozit - o medie de 37,7 mg pe tonă de rocă, dar suficientă pentru a fi de așteptat în alte locuri similare.

Pe urmele Rusiei

Demonstrația fântânii Kola din 1984 a făcut o impresie profundă asupra comunității mondiale. Multe țări au început să pregătească proiecte științifice de foraj pe continente. Un astfel de program a fost aprobat și în Germania la sfârșitul anilor 1980. Sonda ultraprofundă KTB Hauptborung a fost forată din 1990 până în 1994, conform planului, trebuia să atingă o adâncime de 12 km, dar din cauza temperaturilor imprevizibil de ridicate, a fost posibil să se ajungă doar la marcajul de 9,1 km. Datorită deschiderii datelor despre foraj și lucrări științifice, tehnologiei bune și documentației, puțul ultraprofund KTV rămâne unul dintre cele mai faimoase din lume.

Locația pentru forarea acestui puț a fost aleasă în sud-estul Bavariei, pe rămășițele unui lanț muntos străvechi, a cărui vârstă este estimată la 300 de milioane de ani. Geologii credeau că undeva aici există o zonă de unire a două plăci, care au fost cândva țărmurile oceanului. Potrivit oamenilor de știință, de-a lungul timpului, partea superioară a munților s-a uzat, expunând rămășițele crustei oceanice antice. Chiar mai adânc, la zece kilometri de suprafață, geofizicienii au descoperit un corp mare cu o conductivitate electrică anormal de mare. De asemenea, sperau să-i clarifice natura cu ajutorul unei fântâni. Dar principala provocare a fost atingerea unei adâncimi de 10 km pentru a dobândi experiență în forajul ultraadânc. După ce au studiat materialele Kola SG-3, forătorii germani au decis să foreze mai întâi un puț de testare la 4 km adâncime pentru a-și face o idee mai precisă a condițiilor de lucru din subsol, a testa tehnica și a lua un miez. La sfârșitul lucrărilor pilot, o mare parte din echipamentele de foraj și științifice au trebuit să fie modificate și ceva a trebuit să fie recreat.

Puțul principal - superadânc - KTV Hauptborung a fost așezat la doar două sute de metri de primul. Pentru lucrare a fost ridicat un turn de 83 de metri și a fost creată o instalație de foraj cu o capacitate de ridicare de 800 de tone, cea mai puternică la acea vreme. Au fost automatizate multe operațiuni de foraj, în primul rând mecanismul de coborâre și recuperare a șirului de țevi. Sistemul de foraj vertical auto-ghidat a făcut posibilă realizarea unei găuri aproape verticale. Teoretic, cu un astfel de echipament, a fost posibil să se foreze la o adâncime de 12 kilometri. Dar realitatea, ca întotdeauna, s-a dovedit a fi mai complicată, iar planurile oamenilor de știință nu s-au adeverit.

Problemele de la puțul KTV au început după o adâncime de 7 km, repetând o mare parte din soarta Kola Superdeep. La început, se crede că din cauza temperaturii ridicate, sistemul de foraj vertical s-a stricat și gaura a mers oblic. La sfârșitul lucrării, fundul s-a abătut de la verticală cu 300 m. Apoi, au început accidente mai complicate - o rupere a garniturii de foraj. La fel ca la Kola, au trebuit să fie forați arbori noi. Anumite dificultăți au fost cauzate de îngustarea puțului - în partea de sus diametrul său a fost de 71 cm, în partea de jos - 16,5 cm. Accidentele nesfârșite și temperatura ridicată în fundul găurii –270 ° C au forțat foratorii să nu mai lucreze nu departe de obiectivul prețuit.

Nu se poate spune că rezultatele științifice ale KTV Hauptborung au lovit imaginația oamenilor de știință. La adâncime au fost depuse în principal amfiboliți și gneisuri, roci metamorfice antice. Zona de convergență a oceanului și resturile scoarței oceanice nu au fost găsite nicăieri. Poate că sunt în alt loc, aici este un masiv masiv cristalin, întors în sus la o înălțime de 10 km. Un depozit de grafit a fost descoperit la un kilometru de suprafață.

În 1996, fântâna KTV, care a costat bugetul german 338 de milioane de dolari, a intrat sub patronajul Centrului Științific de Geologie din Potsdam, a fost transformată într-un laborator de observare a subsolului adânc și o destinație turistică.

Cele mai adânci fântâni din lume

1. Aralsor SG-1, câmpie Caspică, 1962-1971, adâncime - 6, 8 km. Caută petrol și gaze.

2. Biikzhal SG-2, câmpie Caspică, 1962-1971, adâncime - 6, 2 km. Caută petrol și gaze.

3. Kola SG-3, 1970-1994, adâncime - 12.262 m. Adâncime proiectare - 15 km.

4. Saatlinskaya, Azerbaidjan, 1977-1990, adâncime - 8 324 m. Adâncime proiectare - 11 km.

5. Kolvinskaya, regiunea Arhangelsk, 1961, adâncime - 7.057 m.

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

3 km. Adâncimea de proiectare este de 7 km. Caută aur.

7. Timan-Pechora SG-5, Nord-Estul Rusiei, 1984-1993, adâncime - 6.904 m, adâncime proiectată - 7 km.

8. Tyumen SG-6, Siberia de Vest, 1987-1996, adâncime - 7.502 m. Adâncime de proiectare - 8 km. Caută petrol și gaze.

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

10. Fântână Vorotilovskaya, regiunea Volga, 1989-1992, adâncime - 5.374 m. Căutarea diamantelor, studiul astroblemei Puchezh-Katunskaya.

11. Krivoy Rog SG-8, Ucraina, 1984-1993, adâncime - 5 382 m. Adâncime proiectare - 12 km. Caută cuarțite feruginoase.

Ural SG-4, Ural mijlociu. Înființată în 1985. Adâncimea de proiectare - 15.000 m. Adâncimea actuală - 6.100 m. Căutare minereuri de cupru, studiu al structurii Uralilor. En-Yakhtinskaya SG-7, Siberia de Vest. Adâncimea de proiectare - 7.500 m. Adâncimea actuală - 6.900 m. Căutare petrol și gaze.