VIVOS VOCO: П.Г.Талалай, "Через Гренландский ледниковый щит"

Через Гренландский ледниковый щит

П.Г.Талалай

Павел Григорьевич Талалай, кандидат технических наук, доцент
Санкт-Петербургского государственного горного института им.Г.В.Плеханова.
Участник 35-й Советской антарктической экспедиции 1989-1991 гг. (станция “Восток”).

Небезызвестный викинг Эрик Рыжий назвал эту землю в X в. зеленой, но преобладает здесь все же белый цвет. По площади оледенения Гренландия занимает второе место в мире после Антарктиды, и поэтому так значительна роль острова как полигона для фундаментального исследования ледников, в том числе их глубокого бурения. Гляциологи, изучая пробы из глубоких горизонтов, судят о морфологии и динамике ледника, микробиологи - о древней жизни, тысячелетиями скованной во льду. Но наиболее важен, пожалуй, палеоклиматический аспект исследований. Накапливая воздушные включения времен своего формирования, глубинные ледяные слои хранят уникальную информацию об атмосфере прошлого. По изотопному составу льда в непрерывных его колонках, полученных в Антарктиде и Гренландии, обнаружены следы минимум четырех циклов глобальных потеплений и похолоданий за последние 400 тыс. лет [1]. Все это - научные результаты. Но глубокое бурение во льдах может иметь и практическое значение - для поиска полезных ископаемых, скрытых ледниками.

Гренландия - величайший остров мира, площадь которого составляет 2.18 млн км². Он расположен между Северным Ледовитым океаном и северной частью Атлантики. В административно-политическом отношении Гренландия - часть Королевства Дании, географически же относится к Северной Америке. В результате всеобщего похолодания 3-2 млн лет назад остров стал покрываться мощным слоем льда, постепенно занявшим всю его поверхность. При последующем потеплении началась деградация оледенения, и в настоящее время льды занимают 1.83 млн км², или почти 85% территории острова.

Главный источник аккумуляции снега в Гренландском ледниковом щите - твердые атмосферные осадки: снег, снежная крупа, град. В центральных районах никогда не бывает таяния, и слои снега, накапливаемые год за годом, погружаются на все большую глубину, где под действием вышележащих уплотняются и превращаются в зернистый лед - фирн. С увеличением глубины под влиянием возрастающего давления происходит полное смыкание его воздушных пор, и фирн становится ледяной породой.

В центральной части Гренландского щита снежно-фирновая толща распространяется на глубину до 75-77 м, ниже, на многие сотни метров, - лед. Средняя его толщина - 1790 м, максимальная - 3416 м. Если бы лед Гренландии растаял, то уровень Мирового океана повысился на 7.5 м.

Поверхность ледникового щита полого повышается от берегов в глубь острова, достигая в центральной части высоты 3.3 км над ур.м. Под центральной частью ледникового щита расположена обширная равнина, окаймленная с восточной и западной сторон поясом горных цепей. Причем 20% общей площади ложа ледникового покрова находится ниже уровня моря.

В недрах Гренландии, на территориях, свободных ото льда, обнаружены значительные запасы графита, каменного угля, свинцово-цинковой и железной руд (крупное месторождение последней частично скрыто ледником), минералов, богатых хромом, молибденом, ураном.

В прибрежных районах Гренландии люди жили по крайней мере на протяжении последнего тысячелетия, но история исследования ледникового покрова сравнительно коротка. Его серьезное изучение началось лишь в конце XIX в. Первым, кто убедился в том, что это сплошной покров, был Н.Норденшельд, прошедший в 1870 г. в глубь острова на 50 км, а в 1883 г. - на 117 км.

В 1888 г. Ф.Нансен и О.Свердруп пересекли на лыжах южную часть Гренландии, а четырьмя годами позже Р.Пири - северную. В последующие годы он неоднократно совершал экспедиции по ледниковому покрову, а в 1900 г. первым достиг северного побережья. В начале XX в. в маршрутных исследованиях ледникового щита накапливались сведения о географии острова и поведении ледника. В 1929-1931 гг. немецкий геофизик А.Вегенер организовал две стационарные станции примерно на 71° с.ш. - одну в центре ледникового щита, другую на западном побережье. При помощи сейсмических приборов впервые была определена толщина ледника, организованы регулярные измерения накопления снега, изучено строение снежно-фирновой зоны.

Bo время второй мировой войны, после оккупации Дании, Гренландия оказалась отрезанной от метрополии, и в 1941 г. США установили военный протекторат над этой территорией, обязавшись оставить остров после окончания войны. Однако этого не произошло: в 1951 г. было заключено датско-американское соглашение “Об обороне Гренландии”, и американские войска находятся на территории острова до сих пор.

В послевоенные годы наибольшее внимание здесь уделялось строительству аэродромов на льду, устройству стационарных и сезонных баз и лагерей, прокладке трасс и т.д. В связи со сложностью и дороговизной эти работы велись не только ослабленной войной Данией, но и Францией, Великобританией и США.

Крупные научные результаты принесла Французская полярная экспедиция под руководством П.-Э.Виктора. В 1948-1951 гг. ее отряды несколько раз пересекали ледник. Сейсмические работы позволили составить достаточно подробную карту рельефа подстилающего ледник ложа. Французские полярники оказались первыми, кто извлек глубинные пробы льда. В районе сезонных лагерей “Кэмп VI” и “Сентраль” (западная и центральная часть Гренландии) при помощи серийного геологоразведочного бурового оборудования пробурены две скважины глубиной 126 и 150 м.

В 1954 г. в Дании создан Арктический институт, занимающийся главным образом координацией научно-исследовательских работ в Гренландии, а через два года основана Международная гренландская экспедиция, объединившая ученых Дании, Франции, Швейцарии, Австрии и ФРГ. Ее силами в 1959 г. был основан гляциологический стационар “Ярл-Жозе” на восточном склоне ледникового щита, проведена его триангуляция, радиолокационное зондирование ледниковой толщи и т.д.

Глубокое бурение

Всего в Гренландии пробурено шесть глубоких скважин, первая - в районе бывшей военной базы Кэмп Сенчури в северной части острова. Несколько лет назад были рассекречены и стали достоянием широкой общественности подробности любопытного проекта [2]. В конце 50-х годов Пентагон разработал грандиозную программу строительства сети многокилометровых туннелей в толще ледникового покрова Гренландии, по которым должны были курсировать поезда с баллистическими ракетами. Таким образом, их обнаружение и уничтожение для стран-участниц Варшавского Договора было нереальной задачей.

В 1959 г. была построена база, все помещения которой находились под снежным покровом. Здесь размещался гарнизон (250 военнослужащих), а электроэнергией базу обеспечивал небольшой атомный реактор.

В это же время американские специалисты Б.Хансен и Х.Уеда из Лаборатории научных и инженерных исследований полярных районов армии США в Хановере (US Army Cold Regions Research and Engineering Laboratory - CRREL) впервые предложили использовать электротермобур для бурения скважин во льду [3]. Это устройство имело кольцевой нагреватель мощностью 3.5-4.0 кВт. Талая вода отсасывалась по трубкам в водосборный бак при помощи вакуумного насоса. Буровой снаряд длиной 10.5 м и массой около 400 кг спускали в скважину на грузонесущем кабеле при помощи лебедки с гидравлическим приводом и вышки высотой 31 м.

В 1960-1961 гг. в районе базы Кэмп Сенчури этим снарядом пробурена “сухая” скважина глубиной 186 м, а затем, после некоторых усовершенствований электротермобура, - еще две: глубиной 238 м (1962) и 264 м (1963).

Поскольку из-за постоянного движения ледника скважина при бурении сужается, параллельно в той же лаборатории разрабатывалось устройство с помощью которого ее можно заливать “низкотемпературной” промывочной жидкостью (смесью дизельного топлива DF-A с трихлорэтиленом). Такой снаряд был похож на разработанный ранее, но вместо вакуумного насоса внутри водосборного бака размещался гидравлический насос.

В 1964 г. с помощью нового устройства углубили скважину с 264 до 535 м. Однако до конца отработать технологию не удалось: талая вода частично оставалась в скважине и превращалась в шугообразную массу, мешавшую бурению. Не помогало и увеличение мощности электронагревательных элементов - они быстро перегорали. Поэтому впоследствии усилия были сосредоточены на разработке не электротермических, а электромеханических устройств.

В 1965 г. удалось модернизировать электробур конструкции нашего бывшего соотечественника А.Арутюнова. Основная особенность бурения этим снарядом длиной 26.5 м и массой 1100 кг заключалась в том, что образующийся в скважине шлам растворяли в циркулирующем растворе этиленгликоля - образовывался раствор равновесной концентрации, не замерзающий при температуре окружающего льда. Поэтому перед каждым рейсом бак снаряда заполнялся концентрированным раствором этого вещества. Летом 1965 и 1966 гг. на базе Кэмп Сенчури скважина, пройденная ранее термобуром до отметки 535 м, была углублена новым снарядом до 1391 м.

В начале 80-х годов в рамках Международного проекта по исследованию ледникового покрова Гренландии-1 (Greenland Ice Sheet Program - GISP-1), организованного Национальным научным фондом США с участием Дании, Франции, ФРГ, Швейцарии, на станции “Дай-3” была пробурена скважина глубиной 2037.6 м. С помощью оригинального электромеханического снаряда ISTUK (в переводе с датского расшифровка этой аббревиатуры читается: снаряд для глубокого бурения), разработанного в Университете Копенгагена, удалось пройти через всю ледниковую толщу. Масса этого устройства составила около 180 кг, длина - 11.5 м; диаметр бурения - 129.6 мм [4].

При этом шлам вместе с промывочной жидкостью всасывался по прямоугольным трубкам, закрепленным на наружной поверхности колонковой трубы, во внутреннюю полость поршневых насосов, выполняющих одновременно роль шламосборников. Были решены здесь и проблемы энергообеспечения: аккумуляторный модуль, помещенный в герметичный отсек снаряда, состоял из 55 никель-кадмиевых элементов и работал безотказно. Новым было и то, что работа всех систем и агрегатов снаряда приводилась в действие и контролировалась при помощи компьютера [4].

В 90-х годах был успешно завершен Проект колонкового бурения (Greenland Ice Program - GRIP), организованный Европейским научным фондом с участием Дании, Франции, ФРГ, Швейцарии, Бельгии, Великобритании, Исландии и Италии, а также проект GISP-2. Поскольку точки бурения находились на куполе ледникового щита - Саммите - в 30 км друг от друга, в районе максимальной мощности ледника, а работа на них началась почти одновременно, в некотором роде она стала состязанием между учеными Старого и Нового Света.

В результате европейский GRIP был закончен в 1992 г. на глубине 3029 м, а “американский” GISP-2 - в 1993 г. на глубине 3053 м. Эта скважина и на сегодняшний день - самая глубокая во льдах Северного полушария, к тому же здесь последние 1.55 м были пробурены по подледниковым горным породам.

В проекте GRIP была использована усовершенствованная конструкция снаряда ISTUK [5], а в проекте GISP-2 - электромеханический снаряд PICO-5.2'', разработанный в Университете Фэрбенкс (Аляска, США) [6] на базе сконструированного ранее для бурения “сухих” неглубоких скважин. В состав снаряда были введены насосный узел и шламосборник с перфорированным фильтром. Для бурения по подледниковым горным породам использовался стандартный геологоразведочный колонковый набор. Наземный буровой комплекс снаряда РICO-5.2'' снабжен оригинальной каруселью, позволяющей легко и быстро проводить сборку и разборку бурового снаряда на отдельные узлы и части.

В качестве промывочной жидкости американцы использовали n-бутилацетат - эфир уксусной кислоты, относящийся к классу высокотоксичных соединений (предельно допустимая концентрация паров в воздухе рабочих помещений составляет всего 200 мг/м³) [7]. Несмотря на организованную в буровом комплексе вентиляцию, максимальная концентрация паров n-бутилацетата более чем в 5 раз превышает пороговое значение. По словам буровиков, работавших при проходке скважины в респираторах, после рабочего дня возникали головные боли, тошнота, головокружение. Кроме того, n-бутилацетат - агрессивный растворитель. После трехлетней работы в скважине, залитой этим веществом, смазка полимерной брони грузонесущего кабеля оказалась разрушенной. Единственное преимущество, которым обладает этот химический реагент, - его относительная дешевизна.

Разнообразные исследования ледяного керна глубоких скважин, пробуренных на Саммите, позволили реконструировать климат Земли за последние сотни тысяч лет, уточнить причины образования ледяных щитов, датировать крупные вулканические извержения, лесные пожары; определить уровень антропогенного загрязнения и т.д.

Однако, несмотря на отработанную методику изотопного анализа льда, результаты исследований кернов, извлеченных из двух скважин на Саммите с глубин более 300 м, существенно различаются, в частности и для теплого периода истории Земли, имевшего место примерно 120 тыс. лет назад. Точная реконструкция климатических изменений того времени особенно важна, так как их считают возможным аналогом современных тенденций.

С целью получения более достоверной информации о климате того периода в 1996 г. был начат Проект колонкового бурения Северной Гренландии (North Greenland Ice Project - NGRIP), основными исполнителями которого стали Дания и Германия. Среди участников - Бельгия, Франция, Исландия, Япония, Швейцария, Швеция и США. Для бурения выбран полигон, где, согласно радарным исследованиям, древние годовые слои имеют большую мощность, чем на Саммите.

Для проходки скважины датские и французские специалисты подготовили новый снаряд, который в конструктивном отношении представляет собой синтез предыдущих электромеханических устройств. Верхняя невращающаяся часть - ударник, распорное устройство и электроотсек - заимствованы от снаряда ISTUK.

Бурение началось в 1996 г. В 1997 г. остановлено из-за аварии. В 1998 г. заложена новая скважина - в 25 м от устья первой. Траншея, таких же размеров, что и предыдущая, была соединена проходами со старой буровой и кернохранилищем.

В 1999 и 2000 гг. автор статьи принимал участие в этом проекте в качестве научного сотрудника и в течение нескольких месяцев занимался бурением, приготовлением промывочной жидкости, ликвидацией осложнений и аварий, консервацией бурового комплекса.

Точки бурения глубоких скважин в Гренландии.

Как попасть в Гренландию

Путь длиной в 3234 км (по прямой) между Санкт-Петербургом и базой NGRIP - это всего 9 ч полета. Первая пересадка в Копенгагене, вторая в Кангерлюссаке (что в переводе с эскимосского означает “Большой фьорд”).

Этот поселок на западном берегу Гренландии, в 50 км к северу от Полярного круга, находится у основания самого длинного фьорда (180 км) с тем же названием. До конца 70-х годов Кангерлюссак назывался по-датски Сандре Стремфьорд. В 1979 г., когда бывшая колония стала самоуправляющейся частью Королевства Дании, по решению ее нового парламента почти все датские топонимы были заменены эскимосскими.

Кангерлюссак построен в 1942 г. американцами и до начала 90-х сохранял функцию военной авиабазы. После распада СССР она потеряла актуальность и была ликвидирована. Все здания, взлетно-посадочная полоса и метеостанция безвозмездно переданы Дании. Теперь Кангерлюссак - основные международные ворота Гренландии, здесь совершают посадку самолеты из Дании, Канады и Исландии, а затем вертолеты развозят многочисленных туристов по острову.

В нескольких десятках двух- и трехэтажных домов постоянно проживают чуть более 300 человек, занятых в основном обслуживанием аэропорта. Одно из зданий называется ласково KISS (Kangerlussuaq International Science Support center). В нем находится штаб-квартира проекта NGRIP, в которой в полевой сезон находятся два оператора, управляющие доставкой на ледник людей и грузов.

До самой базы остается 951 км и перелет не обходится без американцев, по сути дела, монополистов в области крупных полярных перевозок. Самолеты 109-й Тактической воздушной группы ВВС США “Геркулес” совершают посадку и взлет на колесах или лыжах. При максимальном радиусе полета около 3800 км они способны перевезти 6 т груза. Для сравнения скажу, что самолет “Твин Оттер”, широко распространенный в зарубежной Арктике, имеет радиус полета 556 км, а грузоподъемность 1.9 т. Каждые две-три недели на станцию прибывает самолет со сменой научного и обслуживающего персонала, топливом, продуктами, почтой.

База NGRIP

База NGRIP - сезонная; начинает работать в начале-середине мая, когда температура воздуха повышается до –30°С, а закрывается в середине августа, когда из-за штормового ветра погода становится нелетной.

Среднегодовая температура в этой точке –32°С и круглый год держится ниже нуля. Правда, в погожие июльские дни температура воздуха может прогреться до значения, которое физики обозначают 0°С.

Низкая температура не самая главная напасть. Здесь, как и во всех горных районах, люди от недостатка кислорода страдают горной болезнью - гипоксией. Низкое атмосферное давление (500 мм рт. ст. вместо привычных 760) в первые дни пребывания на станции вызывает тошноту, рвоту, носовые кровотечения. Затем организм привыкает, но все же ящик весом 20 кг кажется двухпудовым, а десятиминутная волейбольная разминка - трехсетным матчемј

Вот и база NGRIP. Отлично укатанная трехкилометровая взлетно-посадочная полоса, а в 250-300 м от нее расположен поселок из куполообразных палаток. Главная, с деревянным остовом, диаметром около 11 и высотой 7 м, поделена на два этажа. Внизу - кухня, столовая, душевая, туалет, умывальня; наверху - несколько компьютерных станций для всеобщего пользования, факс, офис начальника станции и пять двухъярусных кроватей.

Невдалеке от главной высятся еще несколько палаток: жилое помещение на 10 человек; мастерская с верстаком, токарным и сверлильным станками; имеющий вид церковной главы “костел” Люхта, склад-холодильник, собранный механиком Питером Люхтом. Чуть дальше гараж и несколько других жилых помещений. Куполообразная форма палаток - неслучайна, именно она позволяет избежать сильных заносов в зимнее время. Но все же начало каждого сезона начинается с расчистки территории.

На станции может разместиться 41 полярник, обычная же норма - 32 человека. В 1999 и 2000 гг. на станции работало в среднем по 28-30 человек: начальник станции, буровики (6-7), механик, повар, помощники начальника станции (4), упаковщики керна (3), группа исследования физических свойств льда (3), группы изотопного (3) и химического (5-6) анализов. Национальный состав такой: датчане (6-8), немцы (5-6), швейцарцы (3), исландцы (3-4), французы (2), японцы (3) и по одному полярнику из Бельгии, Швеции, США, России. Официальный, а также неофициальный язык проекта - английский (на нем составляются ежедневные, еженедельные и сезонные отчеты, ведется деловая переписка и радиопереговоры).

Кроме поверхностных сооружений база NGRIP включает огромный комплекс подземных или, точнее, - подснежных сооружений; буровое помещение в виде траншеи размерами 23ґ5ґ5 м³, перекрытой на уровне дневной поверхности фанерными щитами; кернохранилище, научно-исследовательская лаборатория - тоже огромная траншея. Все они соединяются проходами и имеют только один общий выход (кстати, в нарушение противопожарной безопасности!).

В полевом сезоне 1999 г. бурение шло в две смены, в третью - ночную - обслуживалось оборудование, а скважина очищалась от шлама при помощи специального фильтра. К концу сезона была достигнута глубина 1751.47 м при средней проходке 30.1 м/сут (это самый высокий показатель глубокого бурения скважин во льдах). Но в сезоне 2000 г., несмотря на круглосуточное бурение, на глубине свыше 2500 м скорость снизилась до 20.3 м/сут из-за резкого изменения реологических свойств льда (прежде всего в результате повышения его температуры).

Конец полевого сезона отличался особой драматичностью. На глубине 2932 м снаряд застрял на забое скважины. С поверхности в нее было залито 160 л технического этиленгликоля, но это не дало результатов. Как выяснилось позже, по мере опускания на глубину он разбавлялся водой. Тогда чистый этиленгликоль заморозили в виде небольших шайб (температура замерзания –12.6°С) и опустили в скважину, температура в которой плавно повышалась с –32°С на поверхности до –8°С на забое. После заброски всего 6 кг этого замороженного реагента натяжение кабеля ослабло, и снаряд был благополучно извлечен на поверхность.

Но на этом “приключения” 2000 г. не окончились. Чтобы продолжить бурение, нужно было извлечь этиленгликоль из скважины, так как он превратился в тестообразную массу и налипал на поверхность снаряда. Для этого использовали специальную трубу-желонку, но и та застряла в скважине. В скважину опять пришлось забрасывать замороженный этиленгликоль и через несколько дней желонку удалось поднять наверх.

В новом сезоне, который начался в мае 2001 г., предстоит очистить скважину от этиленгликоля и продолжить бурение до подледниковых горных пород. Согласно радарным исследованиям, до них осталось всего 150 м.

Но самым неожиданным моментом в работе NGRIP были даже не эти неполадки с бурением, а то, что слои теплого периода, которых ждали на глубинах около 2800 м, так и не появились, поскольку мощность годовых слоев оказалась больше расчетной. Получается, что лед того периода находится под ложем ледникового покрова, чего быть не может. Возможно, в те времена здесь ледника не было вообще, а само оледенение представляло собой не ледниковый щит, как считали ранее, а группу ледниковых куполов. Уточнить это позволят дальнейшие исследования.

Керн, извлеченный из скважины NGRIP-2 с глубины 1886 м.
Отчетливо виден прослой с частицами вулканического происхождения.

Литература

1. Dahl-Jensen D., Mosegaard K., Gundestrup N. et al. // Science. 1998. V.282. P.268-271.

2. Rasmussen L.T. // Suluk. 1999. №3. Р.32-39.

3. Ueda H.T., Garfield D.E. Drilling through the Greenland ice sheet // CRREL Spec. Rep. 126. Hanover, 1968.

4. Gundestrup N.S., Johnsen S.J., Reeh N. ISTUK: a Deep Ice Core Drill System // CRREL Spec. Rep. 84-34. Hanover, 1984. P.7-19.

5. Johnsen S.J., Gundestrup N.S., Hansеn S.B. et al. // Mem. of National Inst. of Polar Research. 1994. №49. P.9-23.

6. Kelley J.J., Stanford K., Koci B. et al. // Mem. of National Inst. of Polar Research. 1994. ?49. P.24-40.

7. Чистяков В.К., Талалай П.Г. Экологические проблемы бурения в Антарктиде // Рос. наука: грани творчества на грани веков: Сб. науч.-попул. статей. М., 2000. С.397-404.