VIVOS VOCO: П.Г. Талалай, "Проникновение в подледниковые озера: планы и реальность"

Проникновение
в подледниковые озера:
планы и реальность

П.Г. Талалай

Павел Григорьевич Талалай, кандидат технических наук,
доцент СПБ-го Гос. горного ин-та им. Г.В. Плеханова.

Уже сейчас в Антарктиде обнаружено более 140 относительно небольших подледниковых водоемов и одно крупное озеро, над южной частью которого находится российская станция «Восток». История открытия этого гигантского водоема (длина 230 км, площадь около 14 тыс. км²) уже известна читателям «Природы» [1].

Обнаружено оз.Восток, как и прочие, с помощью дистанционных геофизических методов исследования, но в последние годы все больший интерес проявляется к непосредственному проникновению в озеро при помощи буровой скважины. Только так можно определить вещественный состав подледной воды и получить непосредственные доказательства существования жизни подо льдом или опровергнуть эту гипотезу.

Поверхность Антарктического ледникового щита
в районе станции Восток с контурами озера.
Снимок из космоса.

Среди самых осторожных ученых бытует мнение, что на сегодняшнем этапе развития науки и техники невозможно создать абсолютно экологически чистую технологию вскрытия подледниковых озер, и поэтому эту задачу надо отложить для решения нашим потомкам. Тем не менее эта техническая головоломка уже давно привлекает внимание изобретателей и инженеров всего мира. Многие из предлагаемых проектов фантастичны и абсурдны, другие - кажутся вполне реалистичными.

Сквозь лед Антарктиды и Гренландии

В 1963 г. российские ученые И.А.Зотиков и А.П.Капица предложили создать для проникновения к ложу ледника автоматическую станцию с атомным нагревателем, в качестве которого был выбран один из миниатюрных атомных реакторов мощностью 100 кВт [1]. Предполагалось, что помещенный в контейнер длиной до 10 м и диаметром около 1 м, он проплавит ледниковый покров на всю глубину и доставит туда приборы и оборудование. При этом контейнер, связанный с поверхностью лишь тонким коммуникационным кабелем, погрузится в лед без образования скважины. К сожалению (а может быть, к счастью), этот проект не был осуществлен.

Похожая идея, правда, без атомного реактора, была воплощена в жизнь в середине 1960-х годов немецким изобретателем К.Филбертом [2]. Он предложил снабдить термоиглу мини-катушками с проводами, которые, раскручиваясь, оставляли за собой два провода для подвода электрической энергии забойному нагревателю и для измерения характеристик ледника. Эти провода по мере углубления устройства вмерзали бы в лед вместе с расплавленной водой в пробуренной скважине, навсегда замуровывая буровое устройство.

Термоигла К. Фильберта.

В 1968 г. на станции Ярл-Жозе в Гренландии (71°21ўс.ш., 33°28ўз.д.) термоиглой Филберта удалось углубиться сначала на 218 м, а затем на 1005 м. Остановка бурения произошла из-за короткого замыкания во вмерзших электрических проводах, вероятнее всего, из-за увеличения влагосодержания в их изоляции.

Примерно в это же время электромеханическим снарядом, разработанным в Лаборатории научных и инженерных исследований полярных районов армии США в Хановере, на станции Берд в Антарктиде (80°01’ю.ш., 119°32ўз.д.) была пробурена скважина через всю толщу ледникового покрова [3].

На глубине 2164 м были достигнуты подстилающие ледник породы, на контакте с которыми обнаружен слой воды (по мнению авторов проекта, толщиной не менее 0.2-0.3 м). Однако на поверхность удалось поднять лишь небольшое количество тонкозернистых глинистых частиц, налипших на поверхность бурового инструмента.

При выравнивании давления подледниковая вода поднялась в скважину на высоту примерно 55 м и, смешавшись с промывочной жидкостью - водным раствором этиленгликоля, образовала в нижней части скважины ледяную шугу, труднопроходимую для бурового снаряда.

В июле 2003 г. в скважине, пробуренной в северной части Гренландии на глубине 3085 м, был вскрыт подледниковый водный горизонт на нижней границе ледникового покрова. Для датских специалистов, основных исполнителей проекта NGRIP (North Greenland Ice core Project), скептически относившихся к возможности существования воды под Гренландским ледниковым щитом, это стало полной неожиданностью. События в скважине развивались почти так же, как и 35 лет назад на станции Берд в Антарктиде: подледниковая жидкость вытеснила промывочную жидкость, заполняющую скважину, и поднялась на высоту 43 м.

Буровой снаряд готов к спуску (станция Берд, Антарктида. 1968 г.).

Подледниковая вода замерзла, и в летний сезон 2004 г. датские ученые при повторном бурении извлекли на поверхность примерно 50 кг замороженных образцов подледниковой воды [5]. Однако в связи с несовершенством технологии проникновения в подледниковый водоем образцы оказались практически непригодными для микробиологических и геохимических исследований.

Здесь, видимо, пришло время сказать об экологических последствиях проникновения в реликтовую экосистему, к которой относят подледниковые водные горизонты, и чем они могут быть вызваны.

Как известно, ледники под действием силы тяжести находятся в напряженном состоянии. Лед на стенках скважины деформируется, и стенки становятся неустойчивыми. Ствол скважины сужается, что в конечном счете приводит к авариям - затяжкам и прихватам бурового инструмента. Чтобы этого не происходило, скважину заполняют специальной жидкостью, компенсирующей давление ледяной толщи.

В последние годы при глубоком бурении в ледниках используют смесь углеводородной жидкости типа керосина (авиационные топлива или специальные растворители) с дихлорфторэтаном. Эта смесь не теряет текучести при крайне низких температурах (до -60°С), а плотность ее примерно равна плотности льда. Но, к сожалению, для живых организмов смесь очень токсична.

Особенно опасны насыщенные углеводороды, входящие в состав керосина. Даже при малых концентрациях (более 1 мг/м³) они оказывают отравляющее действие ни низшие формы жизни в водоемах и водостоках. С другой стороны, экспериментально доказано, что промывочная жидкость и сама содержит бактерии различного происхождения [6]. Поэтому при контакте с подледниковой водой она может оказать не только подавляющее действие на жизнеспособность микроорганизмов, находящихся в подледниковой воде, но и вызвать попадание в водоем посторонней микрофлоры. Вот почему гренландские образцы оказались загрязненными. Но вернемся в Антарктиду.

Здесь на Земле Королевы Мод, в соответствии с Европейским проектом колонкового бурения, в летний сезон 2001/2002 гг. на сезонной германской антарктической станции Конен была заложена вторая глубокая скважина для отбора керна льда по всему разрезу ледникового покрова. Результаты, полученные при бурении первой, на Куполе С в Восточной Антарктиде, позволили реконструировать климат прошлого Земли за рекордный на то время период - 740 тыс. лет [7] *.

* Когда я писал эту статью, еще не были обработаны керны из скважины на Земле Королевы Мод (возраст льда оказался равным около 900 тыс. лет) и из скважины на куполе F (здесь был поднят самый «старый» на сегодня образец льда - примерно 1 млн лет).

Немецкая сезонная база Конен.

В течение трех лет глубина второй скважины была доведена до отметки 2560 м. Согласно радарным исследованиям, граница ледник - подледниковое ложе в этом месте должна находиться на глубине 2780±5 м, но в летний сезон 2005/2006 гг., когда бурение на базе Конен было продолжено, при подходе к подледниковому ложу на глубине 2774 м в скважине появилась вода. Извлеченный на поверхность буровой снаряд и примыкающая к нему часть грузонесущего кабеля оказались покрытыми «ледяной бородой» - первым образцом подледниковой воды. Проникнув в скважину и вытеснив промывочную жидкость, вода поднялась на высоту примерно 80 м.

Замороженная программа НАСА

В середине 1990-х годов несколько научно-исследовательских организаций США получили от могущественного американского космического агентства НАСА целевые гранты на разработку уникальной «стерильной» технологии проникновения в оз.Восток.

Долгосрочная цель этого проекта - исследование Европы, второго по величине спутника Юпитера, полностью покрытого толщей льда. Есть основания полагать, что под ним находится достаточно теплая вода; возможно, в ней существует и жизнь. Другая перспектива - полярные шапки Марса, где многокилометровый слой льда скрывает информацию об истории климатических изменений на этой планете. В качестве аналога и «натурного образца» ледяных шапок планет и спутников Солнечной системы руководство НАСА выбрало антарктический ледник и оз.Восток.

Схема работы установки для гидродинамического бурения льда горячей водой.

По первому плану «добраться» до подледникового озера планировалось в несколько этапов. Сначала гидродинамическим устройством бурится специальная скважина до глубины примерно 3500 м. Затем на ее забой опускается криобот - автоматическое устройство, предназначенное для проплавления последних нескольких сотен метров и доставки к поверхности подледникового озера другого автомата - гидробота, которое должно исследовать подледниковое озеро.

На поверхность криобот и гидробот не извлекаются. Вся информация о химическом, вещественном, микробиологическом составе подледниковой воды регистрируется специальными датчиками, расположенными в роботе-зонде.

По второму плану, криобот начинает проплавлять лед прямо с поверхности ледникового щита, исключая тем самым необходимость использования дорогостоящей и громоздкой установки гидродинамического бурения. Но время проходки 3.5-километровой толщи льда значительно увеличивается, поскольку гидродинамическое бурение - «рекордсмен» по скорости протаивания льда (достигающей фантастических значений - 30 м/ч и выше).

Технология сооружения скважин большого поперечного сечения гидродинамическими буровыми устройствами разработана американцами почти двадцать лет назад для изучения свойств нейтрино [8]. Согласно этому проекту, начиная с сезона 1991-1992 гг., на станции Амундсен-Скотт во льду была пробурена серия из 18 скважин глубиной от 1000 до 2400 м, в которые затем были опущены и вморожены 190-метровые колонны труб-датчиков.

Для сооружения скважины гидродинамическим устройством на глубине 40 м от поверхности ледникового покрова создавалась каверна, исполняющая роль резервуара. Скважинный насос откачивал воду из этого резервуара на поверхность, где в специальной емкости происходил предварительный прогрев и дегазация. Затем при помощи поверхностного насоса вода поступала в серию основных нагревателей (на выходе температура воды - около 90°С) и затем через термопластиковый гибкий шланг на забой скважины. Общие энергозатраты на гидродинамическое бурение очень высоки и достигают 2500 кВт при колоссальном расходе топлива (до 25 л на 1 погонный метр проходки) [9].

Нижняя часть криобота упала на дно подледникового водоема
(по материалам журнала «Space»).

Гидродинамическое устройство создает временную скважину, которая быстро замерзает после прекращения подачи горячей воды. После доставки на забой криобота скважина замерзает и надежно герметизирует призабойную часть от окружающего мира. На сооружение скважины глубиной 3500 м уйдет предположительно не более двух недель.

Робот-зонд, разработанный уже к концу 1998 г., имеет длину 1 м и диаметр 15 см. Источником энергии должен служить радиоизотопный термоэлектрический генератор, способный вырабатывать 1 кВт тепловой энергии с учетом замкнутого цикла циркуляции жидкого теплоносителя. Термоэлектрический преобразователь снабжает электрической энергией бортовую электронику и датчики.

Сложная система рулевого управления позволяет криоботам изменять положение в скважине и корректировать свой курс при отклонении сооружаемой скважины от вертикали. Эхолокатор, расположенный в головке устройства, может оперативно обнаружить границу между ледниковым покровом и водоемом. При достижении подледникового озера криобот разделяется на две части: нижняя часть с термоголовкой и измерительным контейнером опускается в озеро, а верхняя часть, содержащая средства связи и электронное оборудование, вмораживается в лед и становится приемо-передающим устройством.

Гидродинамическое бурение на станции Амундсен-Скотт.

Попав в подледниковый водоем, нижняя часть криобота выбрасывает гидробот - биохимический зонд, способный плавать и отбирать микробиологические пробы подледниковой воды. Полученная информация передается сначала главному приемо-передающему устройству, вмороженному в нижней части ледникового покрова, а затем на поверхность. Для связи с поверхностью используется радиопередача, при этом электромагнитные волны по скважине передаются при помощи мини-радиопередатчиков, оставленных при движении криобота к озеру.

Прототип криобота был изготовлен и в сентябре 2000 г. опробован на экспериментальном стенде при бурении-плавлении 5-метровой колонны льда. Общее время проходки составило 11.2&nbs;ч, средняя потребляемая мощность 418 Вт, средняя скорость бурения-протаивания - 0.43 м/ч. С ноября 2000 г. по январь 2001 г. видеоаппаратура прошла полевые испытания на Леднике C в западной части Антарктиды, совершив семь пробных рейсов в трех скважинах, предварительно пробуренных гидродинамическим устройством с максимальной глубиной «погружения» 1226 м. Качество снимков оказалось очень хорошим - в призабойной зоне были обнаружены похожие на сэндвич чередующиеся слои частой воды и слои, содержащие скальные обломы.

Летом 2001 г. подводная часть робота-зонда была испытана в Тихом океане в районе Гавайских о-вов, а криобот - на леднике Лонгиер архипелага Шпицберген, где в ледниковом льду без каких-либо осложнений была пробурена 23-метровая скважина [10].

Очередной прототип криобота для исследования оз.Восток должен был быть готов к лету 2004 г., но работы по его созданию были остановлены. Официальная причина - недостаточная проработанность экологического аспекта этой технологии вскрытия подледникового водоема. В самом деле, никаких тестирований криобота на стерилизацию не проводилось, и нет полной уверенности, что он не занесет в реликтовое озеро микробы с поверхности или из пройденной ледяной толщи.

Однако, по мнению Ф.Карси, ведущего научного сотрудника проекта, общая работоспособность идеи криобота была продемонстрирована, и еще никто ни в США, ни в мире, так и не сформулировал, насколько чистым должно быть «достаточно чистое» вскрытие подледникового озера.

По мнению автора этих строк (и не только), подлинная причина прекращения финансирования - общая неблагополучная ситуация с выделением денег на научные исследования в США, начавшаяся во время американских военных операций в Афганистане и усилившаяся после введения войск в Ирак.

Среди других достаточно интересных планов вскрытия подледниковых озер можно выделить проект, предложенный канадской фирмой Icefield Instruments Inc., специализирующейся на проектировании бурового и геофизического оборудования для гляциологических исследований [11]. Здесь, так же как и в упомянутом американском проекте, для быстрого проникновения через ледниковый покров планируется установкой гидродинамического бурения соорудить скважину диаметром 200 мм, не доходящую примерно 10 м до границы лед - подледниковый водоем.

На дно скважины опускается устройство для проникновения в подледниковый водоем и остается там на время, достаточное для того, чтобы скважина сузилась и ее стенки герметично «обжали» корпус устройства, из которого высвобождается термоигла для бурения-протаивания оставшейся 10-метровой ледяной перемычки. После проникновения в озеро кабель между термоиглой и устройством отсоединяется, и термоигла падает на дно водоема.

Общий вид криобота.

В образованную скважину и затем в подледниковый водоем на кабеле опускается пробоотборник. После выполнения программы исследований он поднимается и входит в корпус устройства, сжатого в скважине. Затем включается специальный замораживающий агрегат, который вызывает обратное перемерзание нижней части скважины. Озеро снова изолировано от скважины.

Однако этот проект вряд ли будет когда-либо осуществлен. Во-первых, для его реализации необходимо поддерживать скважину, что называется, в открытом состоянии в течение выполнения всей программы, а во-вторых, неясна степень надежности герметизации подледникового водоема посредством простого механического обжатия корпуса устройства стенками скважины. Кроме того, авторы умалчивают, чем и как они будут намораживать перемычку между озером и скважиной, и главное, как практически реализовать план извлечения пробоотборника на поверхность.

Российский проект

С историей бурения на станции Восток читатели «Природы» уже знакомы [12]. Напомню, что проходка самой глубокой скважины была остановлена в 1998 г. на отметке 3623 м, приблизительно в 130 м от поверхности подледникового озера по инициативе Международного научного комитета по антарктическим исследованиям SCAR (Scientific Council for Antarctic Research). Члены комитета рекомендовали не продолжать бурение из-за опасности нарушения экологии уникального реликтового озера. Теперь стоит вопрос о том, как вскрыть подледниковый водоем так, чтобы исключить его загрязнение.

Вышки бурового комплекса,
полностью погребенного под снегом, на станции Восток.
Здесь в летний сезон 2007/2008 гг. планируется
проникнуть в подледниковое озеро Восток.
Фото А.П. Маркова

Схема самой глубокой скважины во льдах Антарктиды - скважины 5Г-1.

Согласившись с мнением научного сообщества, российские ученые начали разрабатывать особую новую технологию вскрытия подледникового водоема.

Работа выполнялась в основном сотрудниками Санкт-Петербургского государственного горного института и Арктического и антарктического научно-исследовательского института Роскомгидромета. Достижение поверхности оз.Восток и извлечение образцов подледниковой воды предполагается выполнить в три этапа.

На первом этапе скважину 5Г-1 углубят дополнительно на 100 м с помощью колонкового электромеханического снаряда. Это оборудование, уже использовавшееся здесь, доказало свою безопасность, эффективность и надежность. Чтобы предотвратить проникновение токсичной жидкости в подледниковое озеро, призабойную часть скважины предполагается заполнить экологически безопасной кремнийорганической жидкостью класса полиметилсилоксановых соединений, которая создаст примерно 100-метровый буферный промежуточный слой между забоем и ранее использовавшейся жидкостью. Кремнийорганические жидкости гидрофобны, т.е. нерастворимы в воде. Для людей и животных они безвредны.

Для исключения попадания в подледниковый водоем посторонних микроорганизмов перед доставкой жидкости на забой скважины она должна быть подвергнута тщательной термической или лучевой стерилизации.

На втором этапе бурение последних 30 м до выхода в озеро будет проводиться при помощи специально разработанного термобурового снаряда ТБПО-132 без его подъема на поверхность. Он будет создавать еще один буферный слой из талой воды, расположенный ниже слоя гидрофобной кремнийорганической жидкости. При достижении пилот-скважиной поверхности озера система датчиков подаст мгновенный сигнал на поверхность. В результате произойдет автоматическое включение пакера - устройства, изолирующего призабойную зону от остальной части скважины, отключится электропитание тепловой коронки, и буровой снаряд остановится.

В соответствии с показаниями датчиков, размещенных в буровом снаряде, будет произведена оценка соотношения давления внутри скважины (гидростатического давления столба жидкости) Р_г и давления воды в озере Ро. В зависимости от этого соотношения возможны три варианта развития дальнейших событий.

Наиболее вероятный и желаемый сценарий - если гидростатическое давление столба жидкости меньше давления воды в озере (Р_г < Р_о). В этом случае под действием разницы давлений озерная вода будет стремиться попасть в скважину, но прямой проход окажется перекрытым опорной термокоронкой бурового снаряда. Вода попадет в скважину, только когда будет снят пакер и буровой снаряд поднимется на поверхность. Экологической угрозы такое развитие событий не несет, поскольку скважинная жидкость не попадет в воды озера.

Второй вариант возникнет, если гидростатическое давление столба жидкости окажется примерно равным давлению воды в озере (Р_г @ Р_о): озерная вода также поднимется в скважину при подъеме бурового снаряда. При этом объем поступающей в скважину воды будет примерно равен объему извлекаемого грузонесущего кабеля и объему самого бурового снаряда при поднятии его на поверхность.

Третий случай, когда гидростатическое давление столба жидкости больше давления воды в озере (Р_г > Ро), может возникнуть из-за ошибки оценки давлений. Тогда при выходе пилот-скважины в озеро на буровой снаряд будет действовать усилие, прижимающее опорную термокоронку к забою, что позволит изолировать озеро от скважины. Пакер обеспечит дополнительную изоляцию. Далее предполагается откачать часть жидкости из скважины с тем, чтобы события развивались по первому варианту, когда гидростатическое давление столба жидкости меньше давления воды в озере. Затем снаряд поднимут на поверхность, и озерная вода поступит в скважину.

Три этапа вскрытия подледникового озера Восток в соответствии с российским проектом.

Таким образом, термобуровой снаряд будет выполнять функцию клапана, разобщая озеро и скважину в момент выхода пилот-скважины в подледниковый водоем. Во всех трех вариантах жидкость из скважины не должна попасть в озеро, а наоборот, озерная вода должна подняться в скважину. При этом высота подъема озерной воды легко регулируется откачкой или добавлением промывочной жидкости с поверхности. В конечном счете предполагается, что скважинное давление будет меньше озерного на 0.3-0.4 МПа, что обеспечит подъем озерной воды на 30-40 м.

После подъема на поверхность термобурового снаряда работы в скважине прекратятся до замерзания поступившей в скважину подледниковой воды. На это уйдет примерно месяц. После этого начинается заключительный этап - извлечение на поверхность замерзшей озерной воды колонковым электромеханическим снарядом. Бурение будет остановлено не доходя 10-15 м до поверхности подледникового озера. Оставшаяся перемычка обеспечит полную изоляцию ствола скважины от подледникового озера.

Макет термобурового снаряда ТБПО-132 был испытан при бурении искусственного льда в лаборатории Санкт-Петербургского горного института. Эксперименты показали общую работоспособность системы и доказали возможность эффективного бурения-плавления ступенчатым забоем.

Общий вид термобурового снаряда ТБПО-132,
разработанного в Санкт-Петербургском государственном горном институте.

Разработанный проект получил положительное заключение Государственной экологической экспертизы Министерства природных ресурсов РФ и в июне 2003 г. стал одной из главных тем обсуждения на XXVI Консультативном совещании по Договору об Антарктике - главном форуме международного антарктического сообщества, проходившего в Мадриде. Несмотря на жесткое противодействие некоторых делегаций, российская сторона убедила международное сообщество, что новый проект строго следует всем требованиям Протокола об охране окружающей среды Антарктики. С учетом рекомендаций, вынесенных на совещании, проект проникновения в водный слой озера Восток наконец получил возможность перейти в фазу практической реализации.

* * *

В летний сезон 2005-2006 гг. бурение глубокой скважины 5Г-1 на станции Восток было продолжено. Поскольку американские и французские партнеры не участвуют в обеспечении этих работ, проникновение в оз.Восток стало целиком национальным российским проектом. Колонковым электромеханическим снарядом удалось углубить скважину до отметки в 3650.2 м при средней рейсовой проходке 0.7-0.8 м, но 25 января сезонные работы на станции Восток закончились, и нехватка времени не позволила углубиться еще дальше. Вместо запланированных 50 м удалось пройти чуть больше 27 м. Но и этот результат можно считать очень хорошим. Буровое оборудование еще раз доказало свою эффективность, и, главное, состояние скважины после восьмилетнего простоя оказалось пригодным для безаварийного продолжения бурения.

До подледникового озера осталось еще около 100 м. В ближайший антарктический сезон 2006/2007 гг. буровые работы в скважине будут продолжены, и антарктическим летом 2007/2008 гг. запланировано проникновение в оз.Восток. Будем надеяться, что это долгожданное событие наконец произойдет.

Литература

1. Зотиков И.А. Антарктический феномен - озеро Восток // Природа. 2000. №2. С.61-68.

2. Philbert K. The thermal probe deep-drilling method by EGIG in 1968 at Station Jarl-Joset, Central Greenland // Ice-Core Drilling: Proc. of the Symp. Univ. of Nebraska, Lincoln, USA, 28-30 Aug. 1974. Lincoln, 1976. P.117-132.

3. Ueda H.T., Garfield D.E. Core drilling through the Antarctic ice sheet // USA CRREL Tech. Rep. 231. Hanover, 1969.

4. Талалай П.Г. Проект NGRIP завершен, продолжение следует // Природа. 2004. №3. С.33-38.

5. Талалай П.Г. Первые итоги бурения самой глубокой скважины во льдах Гренландии // Природа. 2005. №11. С.32-39.

6. Булат С.А., Васильева Л.П., Пети Ж.Р., Лукин В.В., Алехина И.А. Молекулярно-биологическое исследование бактериального состава жидкости для бурения из скважины 5Г-1, станция Восток, Антарктида // Проблемы Арктики и Антарктики. 2003. Вып.74. С.88-102.

7. Гиляров А.М. Климат Земли за 740 тысяч лет // Природа. 2004. №11. С.83.

8. Koci B.R. The AMANDA Project: Drilling precise, large-diameter holes using hot water // Mem. of National Inst. of Polar Research. 1994. №49. P.203-211.

9. Koci B. Wotan: a drill for ice cube // Mem. of National Inst. of Polar Research. 2002. №56. P.209-216.

10. Криобот плавит льды // Природа. 2002. №12. С.75.

11. Blake E.W., Price B. A proposed sterile sampling system for Antarctic subglacial lakes // Mem. of National Inst. of Polar Research. 2002. №56. P.253-263.

12. Талалай П.Г. Долгий путь сквозь льды Антарктиды // Природа. 2003. №9. С.36-45.