Восток — дело глубокое. На полюсе холода петербуржцы строят «подземелье» в интересах науки
К глубокой скважине, которую бурят в Антарктике петербуржцы, приковано внимание многих ученых. Она дает керновый материал, позволяющий судить об изменениях климата на Земле за сотни тысяч лет и делать прогнозы. А недавно полярники извлекли из глубин лед возрастом более 1 млн лет, что стало настоящей сенсацией. Научная составляющая этого проекта, впрочем, на слуху (рассказывала о нем и наша газета), чего не скажешь о скважине. Между тем, работая в одном из суровых и малоизученных мест на планете, сотрудники Горного установили там несколько мировых рекордов бурения ледников. И создают новое оборудование, чтобы вновь проникнуть в озеро Восток, лежащее под ледяным плато. О том, что для этого нужно и многое ли удалось сделать за минувший сезон, рассказывает Алексей БОЛЬШУНОВ, руководитель одной из лабораторий научного центра «Арктика» Горного университета. Именно он возглавлял отряд сотрудников вуза, работавший на станции «Восток» в составе 68‑й Российской антарктической экспедиции (РАЭ).
ФОТО Вячеслава КАДОЧНИКОВА
Методом проб и ошибок
— Алексей Викторович, как давно ведется бурение в тех местах?
— Первую глубокую скважину в этом полярном районе начали бурить в 1970‑м. Технологий и техники, которые помогли бы «заглянуть» в ледники на большую глубину, тогда, правда, не существовало. Приходилось создавать все с нуля, действовать методом проб и ошибок.
Такой керновый материал, кладезь климатической информации, подобным способом можно получить и на арктических островах, и в Гренландии. Буровики там тоже работали на благо науки. Но чем глубже забой, тем старше извлекаемый лед, а значит, он содержит более ценные сведения. Хотя в Антарктиде есть места, где древний лед находится на разных глубинах.
— Какие сведения он содержит?
— Состав атмосферного воздуха на ту пору, то есть концентрации в нем тех или иных газов, и его температура. Выпадение осадков, солнечная активность на момент образования льда и т. д. Если где‑то произошло крупное извержения вулкана и «застыл» выпавший пепел, ученым об этом тоже станет известно. Словом, такие свидетели прошлого способны поведать о многом, — это подлинная энциклопедия событий и фактов.
Они касаются разных отраслей знаний, и керн изучают ученые из многих научных центров. Это сотрудники Арктического и Антарктического института (ААНИИ), точнее, его Лаборатории изменений климата и окружающей среды, возглавляет которую Владимир Липенков. Они наши давние партнеры по работе на Шестом континенте — климатологи и гляциологи. Свои сферы исследований есть у химиков, геологов, биологов и гидрологов, работающих в академических институтах Москвы, Новосибирска, Иркутска…
— За эти годы было пробурено пять глубоких скважин?
— Верно. От одной к другой менялись способы бурения, технические средства и материалы. А сколько с ними связано рекордов, которые никто до сих пор не превысил?! Наиболее глубокая сухая (без заливочной жидкости) скважина — достижение Советской России. Самая глубокая (3,7 км), пробуренная в ледниках, — тоже одна из наших побед. Дважды, в 2012 и 2015 годах, сотрудники Горного и ААНИИ проникали в подледниковое озеро Восток и брали пробы реликтовой воды.
Не скажу, что успех обходил стороной наших зарубежных партнеров, которые проводят там схожие научные исследования, но итоги работ в зависимости от глубины бурения обусловлены местом их проведения, а потому у всех они разные. Под станцией «Восток», в центральной Антарктиде, находится мощный ледяной массив. А, скажем, в районе континентальной франко-итальянской станции «Конкордия», у соседей, ледник меньше.
Условия работ тоже неодинаковые. На побережье материка они одни, а в центральной его части климат более суровый. Технологии бурения во льдах общеизвестны, и выбор их зависит от цели проекта. Но основных видов два — механическое и тепловое, и оба были опробованы на станции «Восток»…
Навеки в ледовых тисках
— Как зарождался этот «подземельный» проект?
— В Горном работал профессор Борис Борисович Кудряшов — основатель отечественной школы буровой теплофизики. Он заведовал кафедрой бурения, а в 1980‑е был проректором по науке. По его инициативе началось сотрудничество с ААНИИ, благодаря чему многие сотрудники нашего вуза создавали и испытывали в том полярном регионе буровые технологии.
К этому проекту подключились другие ученые Горного — Загривный, Бобин, Чистяков. А также Николай Иванович Васильев, который возглавил эту кафедру и вел проект больше двадцати лет, до своей кончины. Он сам выбирался на место работ, где использовали придуманные им технологии и созданные под его началом технические средства. Он руководил первым вскрытием (3769 метров) подледникового озера Восток, да и вторым тоже. Вообще это был замечательный человек, очень надежный. Талантливый ученый и инженер.
Нетипичная для ученых фигура: он мог что‑то придумать, а потом встать к станку и воплотить задумку в металле. Он довел до совершенства глубокое электромеханическое бурение ледников, создал особую систему удаления шлама, частиц льда на забое. И придумал породоразрушающие инструменты (коронки), с помощью которых можно без осложнений бурить «теплый» лед, находящийся в нижней части ледяного покрова (чем глубже, тем выше его температура).
— Но аварии все‑таки случались?
— Да, и не только на скважине 5Г (пятой глубокой), эта участь не миновала ее предшественниц. Иногда удавалось извлечь буровой снаряд, а бывало он оставался в леднике навечно. Тогда обходили аварийный участок и шли дальше.
Но не стоит думать, что виной всему отсутствие профессионализма. Такое случалось и у зарубежных коллег при бурении ледников (да и в нашей стране при строительстве геолого-разведочных и нефтяных скважин). Непредсказуемых факторов тут немало. Казалось бы, «вторгаться» в ледяной массив проще, чем в горные породы. Но это не совсем так. Антарктический лед, структура и физико-механические свойства которого меняются на разных глубинах, для буровиков был в новинку.
По мере развития технологий и появления новых знаний о леднике сотрудники Горного, однако, улучшали конструкцию буровых снарядов. Повышали надежность оборудования, делали его проще в обслуживании и менее энергоемким. Хотя с точки зрения энергозатрат бурить лед легче: проходка там требует меньших усилий. Но доставлять туда тяжелое «железо», материалы и прочее сложнее, чем в отдаленные районы Крайнего Севера. Транспортно-логистическая часть таких проектов на Шестом континенте труднее.
Путь к пингвинам
— Наверное, механизмы на морозе ломались?
— Наш буровой комплекс находится внутри металлического каркаса, обшитого фанерой, который отапливается. Так что бурить круглый год можно и в самых холодных местах на планете, где температура падает порой до минус 80 градусов. Буровой отряд Горного раньше так и делал, оставаясь на зимовку с другими участниками РАЭ. В последние годы, правда, мы работаем там лишь в летний период.
Технология же бурения особой новизной не отличается. Ледяной покров Антарктиды образует так называемый атмосферный лед. Кристаллы снега там не тают, а накапливаются, превращаясь сначала в фирн, а затем в лед. При проходке верхнего, высокопроницаемого снежно-фирнового горизонта мы применяем обсадную колонну. А затем, чтобы стенки скважины не сжались, используем заливочную жидкость, компенсирующую горное давление…
— Когда вы впервые попали в те места?
— Почти десять лет назад оказался там в составе 60‑й РАЭ. Я работал тогда доцентом кафедры конструирования горных машин, и профессор Васильев привлекал меня к проектированию и разработке нового оборудования для 5Г. И сказал как‑то: мол, неплохо бы тебе отправиться на станцию «Восток» и узнать, в каких условиях оно применяется.
Первые впечатления врезались в память. Мы прилетели в южноафриканский город Кейптаун. Оттуда отправились в Южный океан на научно-исследовательском судне «Академик Федоров». Величественные айсберги, тюлени у побережья, пингвины… Когда видишь это наяву, а не на телеэкране, дух захватывает. Ни один снимок не передаст красоту и очарование тех мест, к ним прикипаешь душой.
И люди в суровых полярных краях другие — более открытые, готовые прийти на выручку. Да и как иначе, когда два-три десятка человек работают почти посреди континента, а кругом на тысячи верст ни души…
— Какой была последняя экспедиция?
— У полярников принято говорить «крайняя». Нынешний сезон из‑за сложной логистики начался почти на полмесяца позже обычного. Наше судно пробивалось через припайные льды толщиной больше метра в бухту Тала, к побережью станции «Прогресс». Потом стали выгружать продукты и оборудование (работы велись при нашем участии), перекачивали топливо. Грузы доставляли к месту старта санно-гусеничного похода.
Он длится в зависимости от загрузки до двенадцати суток. Терять столько времени мы не могли. А воздушных рейсов с аэродрома «Зенит», который полярники построили на той станции, внутрь континента не планировалось. Поэтому руководители РАЭ решили доставить нас на станцию «Восток», используя вездеходы «Бурлак». Дорога там укатанная, по сторонам стоят вешки, а машины оборудованы GPS-навигаторами, чтобы не сбиться с пути. Но все равно это не проспект, а трудная снежная трасса длиной более 1,3 тыс. километров.
Шли непрерывно, останавливаясь лишь для дозаправки и смены водителей. В дороге «летели» сварные швы колесных дисков, были проблемы с редукторами. Делали ремонт на морозе и ехали дальше. И все же прибыли на место в короткий срок, за двое с половиной суток. Приехали 14 января ближе к полуночи, а назавтра взялись за дело. Благо акклиматизация, учитывая время в пути, проходила не так болезненно, как если бы прибыли самолетом.
Бессонница и гипоксия
— Климат там, конечно, безумный…
— Высота ледового плато, на котором находится станция «Восток», — 3488 метров над уровнем моря. Атмосферное давление ниже привычного почти вдвое, сильно ощущается недостаток кислорода, что приводит к гипоксии. В первые дни у всех головные боли, кровь идет носом, бессонница. Прибавьте высокую солнечную активность и пониженную влажность, около 35 %.
На Большой земле идешь долго, пока не сбилось дыхание, а тут тяжело дышать после сотни шагов. Словом, в таких условиях и пребывать трудно, не то что работать. Но времени было в обрез, а задач много. Кроме проведения буровых работ на 5Г-5 (пятый боковой ствол) с отбором керна, сезонная программа включала эксперименты по апробации новых буровых технологий и разработок Горного. И нужно было обучать тех, кто придет на смену полярникам-буровикам.
Гляциобуровая группа состояла из двенадцати человек. Руководил ею Алексей Туркеев, сотрудник ААНИИ, который не раз был начальником зимовочного отряда на этой станции. Институт отправил четырех специалистов, а Горный — восьмерых (впервые за постсоветский период), половина из которых — молодые люди до тридцати лет. Из «старожилов» кроме меня были доцент Андрей Дмитриев, опытный полярник, и Сергей Игнатьев, завкафедрой начертательной геометрии. Он отвечает за проектно-конструкторские работы по созданию нового бурового оборудования.
А молодежь — Данил Сербин и Вячеслав Кадочников, ведущие инженеры нашей лаборатории, два аспиранта: Дмитрий Васильев и Вячеслав Шадрин. Они готовят научные работы по бурению в Антарктиде, успев побывать там прежде и не по одному разу. «Премьера» была только у геолога Никиты Крикуна. То есть в группу вошли разные специалисты: инженеры-буровики, механик, электрик и т. д.
— С чего начали?
— Буровой комплекс до нашего приезда члены зимовочного состава РАЭ отчасти расконсервировали. Завершив это дело, мы провели геофизику, выясняя, изменилось ли что‑то в скважине почти за год. Затем выполнили калибровку ее нижнего участка ствола, чтобы не прихватило снаряд. Он состоит из нескольких частей (коронка, две колонковые трубы для отбора керна, шламосборные фильтры, насос и т. д.) общей длиной больше десяти метров и весом свыше 200 килограммов.
Лебедка опускает его на грузонесущем кабеле до забоя — энергию подает дизельная электростанция. Шлам мы не вымываем на поверхность, а с помощью призабойной циркуляции заливочной жидкости собираем в фильтры. Подняли снаряд — поменяли их, вынули керн. Одна спуско-подъемная операция с бурением занимает на тех глубинах около пяти часов. Работы идут непрерывно: вахты, состоящие из трех человек, меняются трижды в сутки.
Каждому приходилось трудиться по 16 часов в день. Еще и потому, что после вахты бурили другую, неглубокую, скважину VC-23 для извлечения и сопоставления кернового материала. Изучение верхних более молодых слоев покрова континента помогает также понимать климатические изменения, происшедшие на Земле за последние сотни лет. В районе станции «Восток» — сеть таких скважин-малюток.
Бурить VC-23 было важно и для решения прикладных задач. Чтобы не нанести экологический ущерб снежно-фирновой толще, там нельзя очищать забой заливочной жидкостью. Делать это можно, скажем, применяя сжатый воздух и фильтровые системы для улавливания шлама. На стенде, сделанном в Горном, «примерялись» к этой технологии, а чтобы смоделировать такие процессы, использовали полученный на VC-23 ледяной шлам.
Делали это наши молодые полярники. Они же проводили эксперименты в сфере механического и теплового бурения. Эти технологии можно применять и в Арктике для получения керна, например, чтобы изучать растепление вечной мерзлоты. Такое оборудование вдобавок весит меньше аналогов и не требует больших энергозатрат.
Городок под снегом
— Выполнили все намеченное?
— Да, на скважине 5Г-5 за сезон пробурили еще 80 метров, углубившись до 3,5 км, и отобрали десятки метров ледяного керна без потери интервала. Хотя чем глубже, тем сложнее бурить из‑за изменения температурного режима ледника и его структуры. Сотрудники ААНИИ сделали первичное описание керна и подготовили образцы (срезы), а затем отправили в Петербург для лабораторных исследований.
В следующем сезоне предстоит опуститься ниже, до 3,6 км, и получить керн с горизонта, где атмосферный лед стыкуется с озерным. Продолжим эксперименты, связанные с созданием нового или, лучше сказать, модернизацией существующего бурового оборудования, которое устарело.
Ведь речь идет не просто об очередном вскрытии водоема, лежащего под мощным ледяным щитом и миллионы лет изолированного от внешней среды. Мы собираемся, пробурив новую скважину и используя экологически безопасные технологии, взять там свежие пробы воды и проникнуть в озерную толщу на разные глубины. А чтобы отобрать пробы донных отложений, будем опускать исследовательские модули, которые сами же создаем.
— Когда это произойдет?
— Трудно сказать: проект уникальный, никто в мире такого прежде не делал. К тому же это еще и вопрос финансирования. Но работы эти идут, как и подготовка к 69‑й РАЭ. Горный делает для этого все возможное и подтягивает новое поколение специалистов, способных совершить такой рывок.
Также в районе станции «Восток» продолжается строительство нового зимовочного комплекса (НЗК). Сегодня бытовые условия на станции, давно устаревшей, спартанские. Этот полярный городок (жилые помещения, гараж, буровая, кернохранилище и др.) лежит под трехметровым слоем снега, а к основному зданию станции ведет снежный тоннель длиной около 50 метров.
В НЗК смогут работать в более комфортных условиях больше ученых. И там будут лаборатории, что позволит проводить ряд исследований на месте, получая более достоверные результаты и корректируя, если надо, программу работ. По сути, это будет наш научный кластер в Антарктиде, который приютит ученых из разных научных центров России и других стран, выполняющих совместные научные программы.
— А разве прежде они не работали сообща?
— Конечно, работали. Хотя достигнутые в Антарктиде успехи — вопрос национального престижа. Всем ведь хочется показать, каким большим научно-промышленным потенциалом обладает их страна. Но бурение не самоцель, а инструмент получения новых данных. И хотя у полярников из разных стран свои зоны ответственности, цель у них общая. Они способствуют изучению палеоклимата, геологии Земли, ее биологических особенностей — благодаря открытым публикациям, обмену данными и прямому взаимодействию.
Материал опубликован в газете «Санкт-Петербургские ведомости» № 137 (7466) от 27.07.2023 под заголовком «Восток — дело глубокое».
Комментарии