Djupt i de varma malmerna

2024 Författare: Seth Attwood | [email protected]. Senast ändrad: 2023-12-16 16:17

1900-talet präglades av människans triumf i luften och erövringen av de djupaste sänkorna i världshavet. Endast drömmen om att tränga in i hjärtat av vår planet och känna till det hittills dolda livet i dess tarmar förblir ouppnåeligt. "Resan till jordens centrum" lovar att bli extremt svår och spännande, fylld med många överraskningar och otroliga upptäckter. De första stegen på denna väg har redan tagits - flera dussin superdjupa brunnar har borrats i världen. Informationen som erhölls med hjälp av ultradjupa borrningar visade sig vara så överväldigande att den krossade geologernas etablerade idéer om vår planets struktur och gav rikaste material till forskare inom olika kunskapsområden.

Rör vid manteln

De flitiga kineserna på 1200-talet grävde brunnar på 1 200 meters djup. Européer slog det kinesiska rekordet 1930 genom att lära sig att genomborra jorden med borriggar i 3 kilometer. I slutet av 1950-talet sträckte sig brunnarna upp till 7 kilometer. Eran av ultradjup borrning började.

Liksom de flesta globala projekt uppstod idén om att borra jordens övre skal på 1960-talet, på höjden av rymdflygningar och tron på vetenskapens och teknikens gränslösa möjligheter. Amerikanerna blev gravida inte mindre än att gå igenom hela jordskorpan med en brunn och få prover på bergarterna i den övre manteln. Begreppen av manteln då (som faktiskt nu) baserades endast på indirekta data - hastigheten för utbredning av seismiska vågor i tarmarna, vars förändring tolkades som gränsen för lager av stenar av olika åldrar och sammansättningar. Forskare trodde att jordskorpan är som en smörgås: unga stenar på toppen, gamla under. Men bara superdjupa borrningar kunde ge en korrekt bild av strukturen och sammansättningen av jordens yttre skal och övre mantel.

Mokhol-projekt

1958 dök Mohols superdjupa borrprogram upp i USA. Detta är ett av de mest vågade och mystiska projekten i efterkrigstidens Amerika. Liksom många andra program var Mohol tänkt att gå om Sovjetunionen i vetenskaplig rivalitet och sätta världsrekord i ultradjup borrning. Namnet på projektet kommer från orden "Mohorovicic" - detta är namnet på den kroatiska forskaren som skiljde gränssnittet mellan jordskorpan och manteln - gränsen till Moho, och "hål", vilket betyder "brunn" på engelska. Skaparna av programmet bestämde sig för att borra i havet, där jordskorpan enligt geofysiker är mycket tunnare än på kontinenterna. Det var nödvändigt att sänka rören flera kilometer ner i vattnet, korsa 5 kilometer av havsbotten och nå den övre manteln.

I april 1961, utanför ön Guadeloupe i Karibiska havet, där vattenpelaren når 3,5 km, borrade geologer fem brunnar, den djupaste av dem gick in i botten på 183 meter. Enligt preliminära beräkningar, på denna plats, under de sedimentära bergarterna, förväntade de sig att möta det övre lagret av jordskorpan - granit. Men kärnan som lyftes upp från sedimenten innehöll rena basalter - en sorts antipod av graniter. Resultatet av borrningen avskräckte och inspirerade samtidigt forskarna, de började förbereda en ny fas av borrningen. Men när kostnaden för projektet översteg 100 miljoner dollar, stoppade den amerikanska kongressen finansieringen. Mohol svarade inte på någon av frågorna som ställdes, men det visade det viktigaste - superdjupa borrningar i havet är möjliga.

Begravningen skjuts upp

Ultradjupa borrningar gjorde det möjligt att titta in i djupet och förstå hur stenar beter sig vid höga tryck och temperaturer. Tanken att stenar med djup blir tätare och deras porositet minskar visade sig vara felaktig, liksom synpunkten om torr undergrund. Detta upptäcktes först under borrningen av Kolas superdjup, andra brunnar i forntida kristallina skikt bekräftade det faktum att på ett djup av många kilometer bryts stenar av sprickor och penetreras av många porer, och vattenlösningar rör sig fritt under ett tryck på flera hundra atmosfärer. Denna upptäckt är en av de viktigaste resultaten av ultradjup borrning. Det tvingade oss att åter vända oss till problemet med att gräva ner radioaktivt avfall, som var tänkt att placeras i djupa brunnar, vilket verkade helt säkert. Med tanke på informationen om tillståndet i undergrunden som erhållits under loppet av superdjupa borrningar, ser projekt för att skapa sådana förvar nu mycket riskabla ut.

På jakt efter det kylda helvetet

Sedan dess har världen insjuknat i ultradjupa borrningar. I USA förbereddes ett nytt program för att studera havsbotten (Deep Sea Drilling Project). Glomar Challenger, byggd speciellt för detta projekt, tillbringade flera år i vattnet i olika hav och hav och borrade nästan 800 brunnar i deras botten och nådde ett maximalt djup av 760 m. I mitten av 1980-talet bekräftade havsborrningsresultaten teorin av plattektoniken. Geologi som vetenskap föddes på nytt. Samtidigt gick Ryssland sin egen väg. Intresset för problemet, väckt av USA:s framgångar, resulterade i programmet "Exploration of the Earth's interior and superdeep drilling", men inte i havet, utan på kontinenten. Trots sin månghundraåriga historia verkade kontinentalborrning vara en helt ny verksamhet. Vi pratade trots allt om tidigare ouppnåeliga djup - mer än 7 kilometer. 1962 godkände Nikita Chrusjtjov detta program, även om han styrdes av politiska snarare än vetenskapliga motiv. Han ville inte ligga efter USA.

Det nyskapade laboratoriet vid Institute of Drilling Technology leddes av den berömda oljearbetaren, doktor i tekniska vetenskaper Nikolai Timofeev. Han fick i uppdrag att styrka möjligheten till superdjupa borrningar i kristallina bergarter - graniter och gnejser. Forskningen tog 4 år, och 1966 gjorde experterna en dom - du kan borra, och inte nödvändigtvis med morgondagens utrustning, den utrustning som redan finns där räcker. Det största problemet är värmen på djupet. Enligt beräkningar bör temperaturen öka var 33:e meter med 1 grad när den tränger in i klipporna som utgör jordskorpan. Detta betyder att man på ett djup av 10 km bör förvänta sig cirka 300 ° С och vid 15 km - nästan 500 ° С. Borrverktyg och anordningar tål inte sådan uppvärmning. Det var nödvändigt att leta efter en plats där tarmarna inte var så heta …

En sådan plats hittades - en gammal kristallsköld på Kolahalvön. En rapport som utarbetats vid Institute of Physics of the Earth läser: under de miljarder år av dess existens har Kola-skölden svalnat, temperaturen på ett djup av 15 km överstiger inte 150 ° C. Och geofysiker förberedde en ungefärlig del av Kolahalvön. Enligt dem är de första 7 kilometerna granitskikt av den övre delen av jordskorpan, sedan börjar basaltskiktet. Då var idén om en tvåskiktsstruktur av jordskorpan allmänt accepterad. Men som det visade sig senare hade både fysiker och geofysiker fel. Borrplatsen valdes vid den norra änden av Kolahalvön nära sjön Vilgiskoddeoayvinjärvi. På finska betyder det "Under Vargberget", även om det inte finns några berg eller vargar på den platsen. Borrningen av brunnen, vars designdjup var 15 kilometer, började i maj 1970.

Verktyg för underjorden

Borrningen av Kola-brunnen SG-3 krävde inte skapandet av fundamentalt nya enheter och jättemaskiner. Vi började arbeta med det vi redan hade: Uralmash 4E-enheten med en lyftkapacitet på 200 ton och lättmetallrör. Det som verkligen behövdes på den tiden var icke-standardiserade tekniska lösningar. Faktum är att i hårda kristallina bergarter till ett så stort djup borrade ingen, och vad som skulle hända där, föreställde de sig bara i allmänna termer. Erfarna borrare insåg dock att oavsett hur detaljerat projektet var så skulle en riktig brunn vara mycket mer komplex. Fem år senare, när djupet på SG-3-brunnen översteg 7 kilometer, installerades en ny Uralmash 15 000 borrigg, en av de modernaste på den tiden. Kraftfull, pålitlig, med en automatisk utlösningsmekanism, klarar den en sträng av rör upp till 15 km lång. Borriggen har förvandlats till ett helt mantlat borrtårn, 68 m högt, som trotsar hårda vindar som rasar i Arktis. En minianläggning, vetenskapliga laboratorier och ett kärnlager har vuxit fram i närheten.

Vid borrning till grunda djup installeras en motor som roterar rörsträngen med en borr i änden på ytan. Borren är en järncylinder med diamant- eller hårdlegerade tänder - lite. Denna krona biter i stenar och skär ut en tunn kolonn från dem - en kärna. För att kyla verktyget och ta bort lite skräp från brunnen pumpas borrvätska in i det - flytande lera, som cirkulerar hela tiden längs brunnhålet, som blod i kärl. Efter en tid höjs rören till ytan, befrias från kärnan, kronan ändras och kolonnen sänks igen i bottenhålet. Så här fungerar konventionell borrning.

Och om fatlängden är 10-12 kilometer med en diameter på 215 millimeter? Rörsträngen blir den tunnaste tråden som sänks ner i brunnen. Hur ska man hantera det? Hur ser man vad som händer i ansiktet? Därför installerades miniatyrturbiner på Kola-brunnen, i botten av borrsträngen, de startade genom att borrslam pumpades genom rör under tryck. Turbiner roterade en hårdmetallkrona och kärna skar. Hela tekniken var väl utvecklad, operatören på kontrollpanelen såg rotationen av borrkronan, kände till dess hastighet och kunde styra processen.

Var 8-10:e meter fick en flerkilometer lång rörsträng lyftas upp. Nedstigningen och uppstigningen tog totalt 18 timmar.

Det lömska med siffran "7"

7 kilometer - märket för Kola superdeep fatal. Bakom det började osäkerhet, många olyckor och en kontinuerlig kamp med stenar. Pipan kunde inte hållas upprätt. När vi reste 12 km för första gången avvek brunnen från vertikalen med 21°. Även om borrarna redan hade lärt sig att arbeta med borrhålets otroliga krökning var det omöjligt att gå längre. Brunnen skulle borras från 7 km-märket. För att få ett vertikalt hål i hårda stenar behöver du en väldigt hård botten av borrsträngen, så att den kommer in i tarmen som olja. Men ett annat problem uppstår - brunnen expanderar gradvis, borren dinglar i den, som i ett glas börjar brunnhålets väggar att kollapsa och kan trycka ner på verktyget. Lösningen på detta problem visade sig vara original - pendeltekniken tillämpades. Borren gungades artificiellt i brunnen och dämpade starka vibrationer. På grund av detta visade sig stammen vara vertikal.

Den vanligaste olyckan på en rigg är ett rörsträngbrott. Vanligtvis försöker de fånga upp rören igen, men om detta sker på stora djup blir problemet omöjligt att återställa. Det är värdelöst att leta efter ett verktyg i ett 10 kilometer långt borrhål, ett sådant borrhål kastades och ett nytt startades, lite högre. Rörbrott och förlust vid SG-3 hände många gånger. Som ett resultat, i sin nedre del, ser brunnen ut som rotsystemet hos en jätteväxt. Förgreningen av brunnen upprörde borrarna, men visade sig vara en lycka för geologerna, som oväntat fick en tredimensionell bild av ett imponerande segment av antika arkeiska stenar som bildades för mer än 2,5 miljarder år sedan.

I juni 1990 nådde SG-3 ett djup av 12 262 m. Brunnen började förberedas för borrning upp till 14 km, och sedan inträffade en olycka igen - på en höjd av 8 550 m bröts rörsträngen av. Fortsättningen av arbetet krävde långa förberedelser, förnyelse av utrustning och nya kostnader. 1994 stoppades borrningen av Kola Superdeep. Efter 3 år kom hon in i Guinness rekordbok och är fortfarande oöverträffad. Nu är brunnen ett laboratorium för studier av djupa tarmar.

Hemliga tarmar

SG-3 har varit en sekretessbelagd anläggning sedan starten. Gränszonen, de strategiska fyndigheterna i distriktet och den vetenskapliga prioriteringen bär skulden. Den första utlänningen som besökte borrplatsen var en av ledarna för Tjeckoslovakiens vetenskapsakademi. Senare, 1975, publicerades en artikel om Kola Superdeep i Pravda undertecknad av geologiminister Alexander Sidorenko. Det fanns fortfarande inga vetenskapliga publikationer om Kola-brunnen, men viss information läckte ut utomlands. Enligt rykten började världen lära sig mer - den djupaste brunnen borras i Sovjetunionen.

En slöja av hemlighet hade troligen hängt över brunnen fram till själva "perestrojkan", om inte World Geological Congress hade ägt rum 1984 i Moskva. De förberedde sig noggrant för en sådan stor händelse i den vetenskapliga världen, en ny byggnad byggdes till och med för geologiministeriet - många deltagare väntade. Men utländska kollegor var främst intresserade av Kola superdeep! Amerikanerna trodde inte alls att vi hade det. Brunnens djup hade vid den tiden nått 12 066 meter. Det var inte längre meningsfullt att gömma föremålet. En utställning av prestationer från rysk geologi väntade på kongressdeltagarna i Moskva, en av montrarna var tillägnad SG-3-brunnen. Experter över hela världen tittade förvirrat på ett konventionellt borrhuvud med utslitna karbidtänder. Och med detta borrar de den djupaste brunnen i världen? Otrolig! En stor delegation av geologer och journalister gick till Zapolyarny-bosättningen. Besökare visades riggen i aktion och 33 meter långa rörsektioner togs bort och kopplades bort. Runt omkring låg högar av exakt samma borrhuvuden som det som stod på montern i Moskva.

En välkänd geolog, akademiker Vladimir Belousov tog emot delegationen från Vetenskapsakademin. Under en presskonferens fick han en fråga från publiken:

– Vad är det viktigaste som Kolabrunnen har visat?

- Herrar! Viktigast av allt, det visade att vi inte vet något om kontinentalskorpan, - svarade vetenskapsmannen ärligt.

Djup överraskning

Naturligtvis visste de något om jordskorpan på kontinenterna. Det faktum att kontinenterna är sammansatta av mycket gamla stenar, åldrade från 1,5 till 3 miljarder år, motbevisades inte ens av Kola-brunnen. Det geologiska avsnittet som sammanställts på basis av SG-3-kärnan visade sig dock vara precis motsatsen till vad forskarna hade föreställt sig tidigare. De första 7 kilometerna bestod av vulkaniska och sedimentära bergarter: tuffar, basalter, breccia, sandstenar, dolomiter. Djupare låg den så kallade Conrad-sektionen, varefter hastigheten på seismiska vågor i bergarna ökade kraftigt, vilket tolkades som gränsen mellan graniter och basalt. Denna sektion passerades för länge sedan, men basalterna i det nedre lagret av jordskorpan dök aldrig upp någonstans. Tvärtom började graniter och gnejser.

Sektionen av Kola-brunnen motbevisade tvåskiktsmodellen av jordskorpan och visade att de seismiska sektionerna i tarmarna inte är gränserna för lager av stenar med olika sammansättning. Snarare indikerar de en förändring av stenens egenskaper med djupet. Vid högt tryck och temperatur kan bergarternas egenskaper tydligen förändras dramatiskt, så att graniter i sina fysiska egenskaper blir liknande basalter och vice versa. Men "basalten" som höjdes till ytan från ett djup på 12 kilometer blev omedelbart granit, även om den upplevde en allvarlig attack av "caissonsjuka" längs vägen - kärnan smulades sönder och sönderdelades till platta plack. Ju längre brunnen gick, desto mindre kvalitetsprov föll i händerna på forskarna.

Djupet innehöll många överraskningar. Tidigare var det naturligt att tänka att med ökande avstånd från jordens yta, med ökande tryck, blir stenarna mer monolitiska, med ett litet antal sprickor och porer. SG-3 övertygade forskarna om något annat. Från 9 kilometer visade sig skikten vara mycket porösa och bokstavligen fulla av sprickor längs vilka vattenlösningar cirkulerade. Senare bekräftades detta faktum av andra superdjupa brunnar på kontinenterna. Det visade sig vara mycket varmare på djupet än väntat: med så mycket som 80 °! Vid 7 km-märket var bottenhålets temperatur 120 ° С, vid 12 km hade den redan nått 230 ° С. I proverna från Kola-brunnen upptäckte forskare guldmineralisering. Inneslutningar av ädelmetall hittades i gamla stenar på ett djup av 9, 5-10, 5 km. Koncentrationen av guld var dock för låg för att göra anspråk på en fyndighet - i genomsnitt 37,7 mg per ton sten, men tillräckligt för att förväntas på andra liknande platser.

På det ryska spåret

Demonstrationen av Kola-brunnen 1984 gjorde ett djupt intryck på världssamfundet. Många länder har börjat förbereda vetenskapliga borrprojekt på kontinenterna. Ett sådant program godkändes även i Tyskland i slutet av 1980-talet. Den ultradjupa brunnen KTB Hauptborung borrades från 1990 till 1994, enligt planen skulle den nå ett djup på 12 km, men på grund av oförutsägbart höga temperaturer var det bara möjligt att komma till 9,1 km-märket. På grund av öppenheten i data om borrning och vetenskapligt arbete, bra teknik och dokumentation, är KTV:s ultradjupa brunn fortfarande en av de mest kända i världen.

Platsen för att borra denna brunn valdes i sydöstra Bayern, på resterna av en gammal bergskedja, vars ålder uppskattas till 300 miljoner år. Geologer trodde att någonstans här finns en zon för sammanfogning av två plattor, som en gång var havets stränder. Enligt forskare har den övre delen av bergen med tiden slitits bort, vilket avslöjar resterna av den gamla oceaniska skorpan. Ännu djupare, tio kilometer från ytan, upptäckte geofysiker en stor kropp med onormalt hög elektrisk ledningsförmåga. De hoppades också kunna klargöra dess karaktär med hjälp av en brunn. Men huvudutmaningen var att nå ett djup på 10 km för att få erfarenhet av ultradjup borrning. Efter att ha studerat materialen i Kola SG-3 beslutade de tyska borrarna att först borra en testbrunn 4 km djup för att få en mer exakt uppfattning om arbetsförhållandena i underjorden, testa tekniken och ta en kärna. I slutet av pilotarbetet behövde mycket av borrningen och den vetenskapliga utrustningen ändras, och något måste återskapas.

Den huvudsakliga - superdjupa - brunnen KTV Hauptborung lades bara tvåhundra meter från den första. För arbetet restes ett 83 meter stort torn och en borrigg med en lyftkapacitet på 800 ton, den då kraftigaste, skapades. Många borroperationer har automatiserats, främst mekanismen för att sänka och återhämta rörsträngen. Det självstyrda vertikala borrsystemet gjorde det möjligt att göra ett nästan vertikalt hål. Teoretiskt, med sådan utrustning, var det möjligt att borra till ett djup av 12 kilometer. Men verkligheten visade sig som alltid vara mer komplicerad, och forskarnas planer blev inte verklighet.

Problemen vid KTV-brunnen började efter ett djup på 7 km, vilket upprepade mycket av ödet för Kola Superdeep. Till en början tror man att på grund av den höga temperaturen gick det vertikala borrsystemet sönder och hålet gick snett. I slutet av arbetet avvek botten från vertikalen med 300 m. Sedan började mer komplicerade olyckor - ett brott i borrsträngen. Precis som på Kola måste nya schakt borras. Vissa svårigheter orsakades av avträngningen av brunnen - på toppen var diametern 71 cm, i botten - 16,5 cm. Ändlösa olyckor och hög bottenhålstemperatur –270 ° C tvingade borrarna att sluta arbeta inte långt från det omhuldade målet.

Det kan inte sägas att de vetenskapliga resultaten från KTV Hauptborung slog forskarnas fantasi. På djupet avsattes huvudsakligen amfiboliter och gnejser, urgamla metamorfa bergarter. Havets konvergenszon och resterna av oceanskorpan har inte hittats någonstans. Kanske finns de på ett annat ställe, här finns ett litet kristallint massiv, uppåtriktat till en höjd av 10 km. En avlagring av grafit upptäcktes en kilometer från ytan.

1996 kom KTV-brunnen, som kostade den tyska budgeten 338 miljoner dollar, under beskydd av Scientific Center for Geology i Potsdam, den förvandlades till ett laboratorium för att observera djup undergrund och ett turistmål.

De djupaste brunnarna i världen

1. Aralsor SG-1, Kaspiska låglandet, 1962-1971, djup - 6, 8 km. Sök efter olja och gas.

2. Biikzhal SG-2, Kaspiska låglandet, 1962-1971, djup - 6, 2 km. Sök efter olja och gas.

3. Kola SG-3, 1970-1994, djup - 12 262 m. Designdjup - 15 km.

4. Saatlinskaya, Azerbajdzjan, 1977-1990, djup - 8 324 m. Designdjup - 11 km.

5. Kolvinskaya, Archangelsk-regionen, 1961, djup - 7 057 m.

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

3 km. Designdjupet är 7 km. Sök efter guld.

7. Timan-Pechora SG-5, nordöstra Ryssland, 1984-1993, djup - 6 904 m, designdjup - 7 km.

8. Tyumen SG-6, västra Sibirien, 1987-1996, djup - 7 502 m. Designdjup - 8 km. Sök efter olja och gas.

9. Novo-Elkhovskaya, Tatarstan, 1988, djup - 5 881 m.

10. Vorotilovskaya brunn, Volga-regionen, 1989-1992, djup - 5 374 m. Sök efter diamanter, studie av Puchezh-Katunskaya astrobleme.

11. Krivoy Rog SG-8, Ukraina, 1984-1993, djup - 5 382 m. Designdjup - 12 km. Sök efter järnhaltiga kvartsiter.

Ural SG-4, Mellan Ural. Fastställdes 1985. Designdjup - 15 000 m. Nuvarande djup - 6 100 m. Sök efter kopparmalmer, studie av strukturen i Ural. En-Yakhtinskaya SG-7, västra Sibirien. Designdjup - 7 500 m. Nuvarande djup - 6 900 m. Sök efter olja och gas.