Dybt i de varme malme

2024 Forfatter: Seth Attwood | [email protected]. Sidst ændret: 2023-12-16 16:01

Det 20. århundrede var præget af menneskets triumf i luften og erobringen af Verdenshavets dybeste lavninger. Kun drømmen om at trænge ind i vores planets hjerte og kende det hidtil skjulte liv i dens tarme forbliver uopnåelig. "Rejsen til jordens centrum" tegner til at blive ekstremt vanskelig og spændende, fyldt med en masse overraskelser og utrolige opdagelser. De første skridt på denne vej er allerede taget - adskillige dusin superdybe brønde er blevet boret i verden. Den information, der blev opnået ved hjælp af ultradyb boring, viste sig at være så overvældende, at den knuste geologernes etablerede ideer om vores planets struktur og gav de rigeste materialer til forskere inden for forskellige vidensområder.

Rør ved kappen

De flittige kinesere i det 13. århundrede gravede 1.200 meter dybe brønde. Europæere slog den kinesiske rekord i 1930 ved at lære at gennembore jorden med borerigge i 3 kilometer. I slutningen af 1950'erne strakte brøndene sig op til 7 kilometer. Tiden med ultradyb boring begyndte.

Som de fleste globale projekter opstod ideen om at bore Jordens øvre skal i 1960'erne, på højden af rumflyvninger og troen på videnskabens og teknologiens grænseløse muligheder. Amerikanerne undfangede ikke mindre end at gå gennem hele jordskorpen med en brønd og få prøver af klipperne i den øvre kappe. Begreberne af kappen dengang (som faktisk nu) var kun baseret på indirekte data - hastigheden af udbredelsen af seismiske bølger i tarmene, ændringen i hvilken blev fortolket som grænsen for lag af klipper i forskellige aldre og sammensætninger. Forskere troede, at jordskorpen er som en sandwich: unge sten på toppen, gamle under. Men kun superdyb boring kunne give et præcist billede af strukturen og sammensætningen af Jordens ydre skal og øvre kappe.

Mokhol projekt

I 1958 dukkede Mohols superdybe boreprogram op i USA. Dette er et af de mest vovede og mystiske projekter i efterkrigstidens Amerika. Som mange andre programmer var det meningen, at Mohol skulle overhale USSR i videnskabelig rivalisering og sætte en verdensrekord i ultradyb boring. Navnet på projektet kommer fra ordene "Mohorovicic" - dette er navnet på den kroatiske videnskabsmand, der skelnede grænsefladen mellem jordskorpen og kappen - grænsen til Moho og "hul", som betyder "brønd" på engelsk. Skaberne af programmet besluttede at bore i havet, hvor jordskorpen ifølge geofysikere er meget tyndere end på kontinenterne. Det var nødvendigt at sænke rørene flere kilometer ned i vandet, krydse 5 kilometer af havbunden og nå den øvre kappe.

I april 1961, ud for øen Guadeloupe i Det Caribiske Hav, hvor vandsøjlen når 3,5 km, borede geologer fem brønde, den dybeste af dem gik ind i bunden på 183 meter. Ifølge foreløbige beregninger forventede de på dette sted, under de sedimentære klipper, at møde det øverste lag af jordskorpen - granit. Men kernen rejst under sedimenterne indeholdt rene basalter - en slags antipode af granitter. Resultatet af boringen afskrækkede og inspirerede på samme tid forskerne, de begyndte at forberede en ny fase af boringen. Men da omkostningerne ved projektet oversteg 100 millioner dollars, stoppede den amerikanske kongres finansieringen. Mohol svarede ikke på nogen af de stillede spørgsmål, men det viste det vigtigste - superdyb boring i havet er muligt.

Begravelsen er udsat

Ultradyb boring gjorde det muligt at se ind i dybet og forstå, hvordan sten opfører sig ved høje tryk og temperaturer. Ideen om, at sten med dybde bliver tættere og deres porøsitet falder, viste sig at være forkert, såvel som synspunktet om tør undergrund. Dette blev først opdaget under boringen af Kola-superdybet, andre brønde i gamle krystallinske lag bekræftede det faktum, at på en dybde på mange kilometer bliver sten brækket af revner og gennemtrængt af adskillige porer, og vandige opløsninger bevæger sig frit under et tryk på flere hundrede atmosfærer. Denne opdagelse er en af de vigtigste resultater ved ultradyb boring. Det tvang os til igen at vende os til problemet med at nedgrave radioaktivt affald, som skulle placeres i dybe brønde, hvilket virkede helt sikkert. I betragtning af oplysningerne om undergrundens tilstand, der er opnået i løbet af superdyb boring, ser projekter til oprettelse af sådanne depoter nu meget risikable ud.

På jagt efter det afkølede helvede

Siden da er verden blevet syg med ultradyb boring. I USA var et nyt program til undersøgelse af havbunden (Deep Sea Drilling Project) under udarbejdelse. Glomar Challenger, der er bygget specifikt til dette projekt, tilbragte flere år i farvandene i forskellige oceaner og have, og borede næsten 800 brønde i deres bund og nåede en maksimal dybde på 760 m. I midten af 1980'erne bekræftede offshore-boreresultater teorien af pladetektonikken. Geologi som videnskab blev genfødt. I mellemtiden gik Rusland sine egne veje. Interessen for problemet, vakt af USA's succeser, resulterede i programmet "Exploration of the Earth's interior and superdeep drilling", men ikke i havet, men på kontinentet. På trods af sin århundreder gamle historie syntes kontinentalboring at være en helt ny forretning. Vi talte trods alt om tidligere uopnåelige dybder - mere end 7 kilometer. I 1962 godkendte Nikita Khrushchev dette program, selvom han blev styret af politiske snarere end videnskabelige motiver. Han ønskede ikke at halte bagefter USA.

Det nyoprettede laboratorium på Institute of Drilling Technology blev ledet af den berømte oliearbejder, Doctor of Technical Sciences Nikolai Timofeev. Han blev pålagt at underbygge muligheden for superdyb boring i krystallinske bjergarter - granitter og gnejser. Forskningen tog 4 år, og i 1966 afsagde eksperterne en dom - du kan bore, og ikke nødvendigvis med morgendagens udstyr, det udstyr, der allerede er der, er nok. Hovedproblemet er varmen i dybden. I takt med at den trænger ind i klipperne, der udgør jordskorpen, skulle temperaturen ifølge beregninger stige hver 33. meter med 1 grad. Det betyder, at man i en dybde på 10 km skal forvente omkring 300 ° С, og ved 15 km - næsten 500 ° С. Boreværktøjer og -anordninger kan ikke modstå sådan opvarmning. Det var nødvendigt at lede efter et sted, hvor tarmene ikke var så varme …

Et sådant sted blev fundet - et gammelt krystallinsk skjold på Kola-halvøen. En rapport udarbejdet ved Institut for Fysik af Jorden lød: I løbet af de milliarder af år, det har eksisteret, er Kola-skjoldet kølet ned, temperaturen i en dybde på 15 km overstiger ikke 150 ° C. Og geofysikere forberedte et omtrentligt udsnit af Kola-halvøen. Ifølge dem er de første 7 kilometer granitlag i den øverste del af jordskorpen, derefter begynder basaltlaget. Så blev ideen om en to-lags struktur af jordskorpen generelt accepteret. Men som det viste sig senere, tog både fysikere og geofysikere fejl. Borestedet blev valgt i den nordlige ende af Kola-halvøen nær Vilgiskoddeoayvinjärvi-søen. På finsk betyder det "Under Ulvebjerget", selvom der ikke er bjerge eller ulve på det sted. Boringen af brønden, hvis designdybde var 15 kilometer, begyndte i maj 1970.

Værktøj til underverdenen

Boringen af Kola-brønden SG-3 krævede ikke oprettelsen af fundamentalt nye enheder og gigantiske maskiner. Vi begyndte at arbejde med det, vi allerede havde: Uralmash 4E-enheden med en løftekapacitet på 200 tons og letmetalrør. Det, der virkelig var brug for på det tidspunkt, var ikke-standardiserede teknologiske løsninger. Faktisk, i hårde krystallinske klipper til så stor en dybde, borede ingen, og hvad der ville ske der, forestillede de sig kun i generelle vendinger. Erfarne borere indså dog, at uanset hvor detaljeret projektet var, ville en rigtig brønd være meget mere kompleks. Fem år senere, da dybden af SG-3-brønden oversteg 7 kilometer, blev en ny Uralmash 15.000 borerig installeret, en af de mest moderne på det tidspunkt. Kraftig, pålidelig, med en automatisk udløsermekanisme, kunne den modstå en række rør op til 15 km lange. Boreriggen er blevet til et fuldt beklædt boretårn, 68 m højt, trodsigt over for stærke vinde, der raser i Arktis. Et minianlæg, videnskabelige laboratorier og et kernelager er vokset i nærheden.

Ved boring til lave dybder installeres en motor, der roterer rørstrengen med et bor for enden på overfladen. Boret er en jerncylinder med diamant- eller hårdlegeringstænder - en smule. Denne krone bider i sten og skærer en tynd søjle ud af dem - en kerne. For at afkøle værktøjet og fjerne smårester fra brønden pumpes borevæske ind i det - flydende ler, som hele tiden cirkulerer langs brøndboringen, ligesom blod i kar. Efter nogen tid hæves rørene til overfladen, frigøres fra kernen, kronen ændres, og søjlen sænkes igen ned i bundhullet. Sådan fungerer konventionel boring.

Og hvis tøndens længde er 10-12 kilometer med en diameter på 215 millimeter? Rørstrengen bliver den tyndeste tråd, der sænkes ned i brønden. Hvordan administrerer man det? Hvordan kan man se, hvad der foregår i ansigtet? Derfor blev der på Kola-brønden, i bunden af borestrengen, installeret miniatureturbiner, de blev startet ved at boremudder pumpet gennem rør under tryk. Turbiner roterede en hårdmetal bit og kerne skåret. Hele teknologien var veludviklet, operatøren på kontrolpanelet så borets rotation, kendte dens hastighed og kunne styre processen.

For hver 8-10 meter skulle der løftes en flerkilometer rørsnor op. Ned- og opstigningen tog i alt 18 timer.

Det lumske ved tallet "7"

7 kilometer - mærket for Kola superdeep fatal. Bagved begyndte usikkerhed, mange ulykker og en vedvarende kamp med sten. Tønden kunne ikke holdes oprejst. Da vi rejste 12 km for første gang, afveg brønden fra lodret med 21°. Selvom borerne allerede havde lært at arbejde med brøndboringens utrolige krumning, var det umuligt at komme længere. Boringen skulle bores fra 7 km-mærket. For at få et lodret hul i hårde sten skal du bruge en meget hård bund af borestrengen, så den kommer ind i tarmene som olie. Men et andet problem opstår - brønden udvider sig gradvist, boret dingler i det, som i et glas begynder brøndboringens vægge at kollapse og kan trykke ned på værktøjet. Løsningen på dette problem viste sig at være original - pendulteknologien blev anvendt. Boret blev kunstigt vugget i brønden og undertrykte kraftige vibrationer. På grund af dette viste stammen sig at være lodret.

Den mest almindelige ulykke på enhver rig er et rørsnorbrud. Normalt forsøger de at fange rørene igen, men sker det på store dybder, så bliver problemet uopretteligt. Det nytter ikke noget at lede efter et værktøj i en 10 kilometer lang boring, sådan en boring blev kastet og en ny blev startet, lidt højere. Rørbrud og tab ved SG-3 skete mange gange. Som følge heraf ligner brønden i sin nederste del rodsystemet på en kæmpe plante. Forgreningen af brønden forstyrrede borerne, men viste sig at være en lykke for geologerne, som uventet fik et tredimensionelt billede af et imponerende segment af gamle arkæiske klipper, der blev dannet for mere end 2,5 milliarder år siden.

I juni 1990 nåede SG-3 en dybde på 12.262 m. Brønden begyndte at blive klargjort til boring op til 14 km, og så skete der igen en ulykke - i en højde af 8.550 m brækkede rørstrengen af. Fortsættelsen af arbejdet krævede en lang forberedelse, fornyelse af udstyr og nye omkostninger. I 1994 blev boringen af Kola Superdeep stoppet. Efter 3 år kom hun ind i Guinness Book of Records og er stadig uovertruffen. Nu er brønden et laboratorium til undersøgelse af dybe tarme.

Hemmelige tarme

SG-3 har været et klassificeret anlæg siden begyndelsen. Grænsezonen, de strategiske forekomster i distriktet og den videnskabelige prioritering er skylden. Den første udlænding, der besøgte borestedet, var en af lederne af Videnskabsakademiet i Tjekkoslovakiet. Senere, i 1975, blev en artikel om Kola Superdeep offentliggjort i Pravda underskrevet af ministeren for geologi Alexander Sidorenko. Der var stadig ingen videnskabelige publikationer om Kola-brønden, men nogle oplysninger lækket til udlandet. Ifølge rygter begyndte verden at lære mere - den dybeste brønd bliver boret i USSR.

Et slør af hemmeligholdelse ville formentlig have hængt over brønden indtil selve "perestrojkaen", hvis ikke den geologiske verdenskongres havde fundet sted i 1984 i Moskva. De forberedte sig omhyggeligt til en så stor begivenhed i den videnskabelige verden; der blev endda bygget en ny bygning til Geologiministeriet - mange deltagere ventede. Men udenlandske kolleger var primært interesserede i Kola-superdybet! Amerikanerne troede slet ikke på, at vi havde det. Brøndens dybde var på det tidspunkt nået 12.066 meter. Det gav ikke længere mening at skjule objektet. En udstilling af resultater fra russisk geologi ventede på kongresdeltagerne i Moskva, en af standene var dedikeret til SG-3-brønden. Eksperter over hele verden kiggede forvirret på et konventionelt borehoved med slidte hårdmetaltænder. Og med dette borer de den dybeste brønd i verden? Utrolig! En stor delegation af geologer og journalister tog til Zapolyarny-bosættelsen. Besøgende blev vist riggen i aktion, og 33 meter lange rørsektioner blev fjernet og frakoblet. Rundt omkring lå bunker af nøjagtig de samme borehoveder som det, der stod på standen i Moskva.

En velkendt geolog, akademiker Vladimir Belousov modtog delegationen fra Videnskabsakademiet. Under et pressemøde blev han stillet et spørgsmål fra salen:

- Hvad er det vigtigste, som Kola-brønden har vist?

- Mine herrer! Vigtigst af alt viste det, at vi ikke ved noget om den kontinentale skorpe, - svarede videnskabsmanden ærligt.

Dyb overraskelse

Selvfølgelig vidste de noget om jordskorpen på kontinenterne. Det faktum, at kontinenterne er sammensat af meget gamle klipper, alderen fra 1,5 til 3 milliarder år, blev ikke modbevist selv af Kola-brønden. Det geologiske afsnit, der blev udarbejdet på basis af SG-3-kernen, viste sig dog at være præcis det modsatte af, hvad forskerne havde forestillet sig tidligere. De første 7 kilometer var sammensat af vulkanske og sedimentære bjergarter: tuffer, basalter, breccier, sandsten, dolomitter. Dybere lå den såkaldte Conrad-sektion, hvorefter hastigheden af seismiske bølger i klipperne steg kraftigt, hvilket blev tolket som grænsen mellem granitter og basalter. Dette afsnit blev passeret for længe siden, men basalterne i det nederste lag af jordskorpen dukkede aldrig op nogen steder. Tværtimod begyndte granitter og gnejser.

Sektionen af Kola-brønden tilbageviste tolagsmodellen af jordskorpen og viste, at de seismiske sektioner i tarmene ikke er grænserne for lag af klipper af forskellig sammensætning. De indikerer snarere en ændring i stenens egenskaber med dybden. Ved højt tryk og temperatur kan klippernes egenskaber tilsyneladende ændre sig dramatisk, så granitter i deres fysiske egenskaber bliver lig basalter og omvendt. Men "basalten" rejst til overfladen fra en 12 kilometers dybde blev straks til granit, selvom den oplevede et alvorligt angreb af "caisson-sygdom" undervejs - kernen smuldrede og gik i opløsning til flade plaques. Jo længere brønden gik, jo mindre kvalitetsprøver faldt i hænderne på videnskabsmænd.

Dybden rummede mange overraskelser. Tidligere var det naturligt at tro, at med stigende afstand fra jordens overflade, med stigende tryk, bliver klipperne mere monolitiske, med et lille antal revner og porer. SG-3 overbeviste videnskabsmænd om andet. Startende fra 9 kilometer viste lagene sig at være meget porøse og bogstaveligt talt fyldt med revner, langs hvilke vandige opløsninger cirkulerede. Senere blev dette faktum bekræftet af andre superdybe brønde på kontinenterne. Det viste sig at være meget varmere i dybden end forventet: med så meget som 80 °! Ved 7 km-mærket var bundhulstemperaturen 120 ° С, ved 12 km havde den allerede nået 230 ° С. I prøverne fra Kola-brønden opdagede forskerne guldmineralisering. Indeslutninger af ædelmetal blev fundet i gamle klipper i en dybde på 9, 5-10, 5 km. Koncentrationen af guld var dog for lav til at kræve en forekomst - et gennemsnit på 37,7 mg pr. ton sten, men tilstrækkeligt til at forventes andre lignende steder.

På det russiske spor

Demonstrationen af Kola-brønden i 1984 gjorde et dybt indtryk på verdenssamfundet. Mange lande er begyndt at forberede videnskabelige boreprojekter på kontinenterne. Et sådant program blev også godkendt i Tyskland i slutningen af 1980'erne. Den ultradybe brønd KTB Hauptborung blev boret fra 1990 til 1994, efter planen skulle den nå en dybde på 12 km, men på grund af uforudsigelige høje temperaturer var det kun muligt at komme til 9,1 km-mærket. På grund af åbenheden af data om boring og videnskabeligt arbejde, god teknologi og dokumentation forbliver den ultradybe KTV-brønd en af de mest berømte i verden.

Placeringen for at bore denne brønd blev valgt i den sydøstlige del af Bayern, på resterne af en gammel bjergkæde, hvis alder er anslået til 300 millioner år. Geologer mente, at der et eller andet sted her er en sammenføjningszone af to plader, som engang var havets kyster. Ifølge videnskabsmænd er den øverste del af bjergene over tid blevet slidt væk og blotlagt resterne af den gamle oceaniske skorpe. Endnu dybere, ti kilometer fra overfladen, opdagede geofysikere et stort legeme med unormalt høj elektrisk ledningsevne. De håbede også at afklare dens natur ved hjælp af en brønd. Men hovedudfordringen var at nå en dybde på 10 km for at få erfaring med ultra-dyb boring. Efter at have studeret materialerne i Kola SG-3 besluttede de tyske borere først at bore en testbrønd 4 km dyb for at få en mere præcis idé om arbejdsforholdene i undergrunden, teste teknikken og tage en kerne. Ved afslutningen af pilotarbejdet skulle meget af bore- og videnskabeligt udstyr ændres, og noget skulle genskabes.

Den vigtigste - superdybe - brønd KTV Hauptborung blev lagt kun to hundrede meter fra den første. Til arbejdet blev der rejst et tårn på 83 meter og skabt en borerig med en løftekapacitet på 800 tons, den daværende kraftigste. Mange boreoperationer er blevet automatiseret, primært mekanismen til at sænke og genvinde rørstrengen. Det selvstyrede vertikale boresystem gjorde det muligt at lave et næsten lodret hul. Teoretisk set var det med sådant udstyr muligt at bore til en dybde på 12 kilometer. Men virkeligheden viste sig som altid at være mere kompliceret, og forskernes planer gik ikke i opfyldelse.

Problemerne ved KTV-brønden begyndte efter en dybde på 7 km, hvilket gentog meget af Kola Superdeeps skæbne. Først menes det, at det lodrette boresystem på grund af den høje temperatur brød sammen, og hullet gik skråt. Ved slutningen af arbejdet afveg bunden fra lodret med 300 m. Så begyndte mere komplicerede ulykker - et brud i borestrengen. Ligesom på Kola skulle der bores nye aksler. Visse vanskeligheder var forårsaget af indsnævringen af brønden - i toppen var dens diameter 71 cm, i bunden - 16,5 cm. Endeløse ulykker og høj bundhulstemperatur -270 ° C tvang borerne til at stoppe med at arbejde ikke langt fra det elskede mål.

Det kan ikke siges, at de videnskabelige resultater af KTV Hauptborung ramte videnskabsmænds fantasi. I dybden var amfibolitter og gnejser, gamle metamorfe bjergarter, hovedsageligt aflejret. Havets konvergenszone og resterne af oceanskorpen er ikke fundet nogen steder. Måske er de et andet sted, her er et lille krystallinsk massiv, vendt opad til en højde af 10 km. En aflejring af grafit blev opdaget en kilometer fra overfladen.

I 1996 kom KTV-brønden, som kostede det tyske budget 338 millioner dollars, under protektion af det videnskabelige center for geologi i Potsdam, den blev omdannet til et laboratorium til observation af dyb undergrund og et turistmål.

De dybeste brønde i verden

1. Aralsor SG-1, Kaspisk lavland, 1962-1971, dybde - 6, 8 km. Søg efter olie og gas.

2. Biikzhal SG-2, Kaspisk lavland, 1962-1971, dybde - 6, 2 km. Søg efter olie og gas.

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. Søg efter guld.

7. Timan-Pechora SG-5, nordøst for Rusland, 1984-1993, dybde - 6.904 m, design dybde - 7 km.

8. Tyumen SG-6, Vestsibirien, 1987-1996, dybde - 7.502 m. Designdybde - 8 km. Søg efter olie og gas.

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

10. Vorotilovskaya-brønd, Volga-regionen, 1989-1992, dybde - 5.374 m. Søg efter diamanter, undersøgelse af Puchezh-Katunskaya astrobleme.

11. Krivoy Rog SG-8, Ukraine, 1984-1993, dybde - 5 382 m. Designdybde - 12 km. Søg efter jernholdige kvartsitter.

Ural SG-4, Mellem Ural. Nedlagt i 1985. Design dybde - 15.000 m. Nuværende dybde - 6.100 m. Søg efter kobbermalm, undersøgelse af strukturen i Ural. En-Yakhtinskaya SG-7, Vestsibirien. Designdybde - 7.500 m. Nuværende dybde - 6.900 m. Søg efter olie og gas.