Duboko u vrelim rudama

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Zadnja izmjena: 2023-12-16 15:59

20. vijek je obilježen trijumfom čovjeka u zraku i osvajanjem najdubljih depresija Svjetskog okeana. Ostaje nedostižan samo san da prodremo u srce naše planete i upoznamo dotad skriveni život njenih nedra. "Putovanje u centar Zemlje" obećava da će biti izuzetno teško i uzbudljivo, ispunjeno puno iznenađenja i nevjerovatnih otkrića. Prvi koraci na ovom putu su već napravljeni - u svijetu je izbušeno nekoliko desetina superdubokih bušotina. Podaci dobijeni uz pomoć ultra-dubokog bušenja pokazali su se toliko neodoljivim da su razbili ustaljene ideje geologa o strukturi naše planete i pružili najbogatiji materijal za istraživače u različitim oblastima znanja.

Dodirnite plašt

Vredni Kinezi su u 13. veku kopali bunare duboke 1.200 metara. Evropljani su oborili kineski rekord 1930. godine naučivši kako da buše zemlju bušilicama u dužini od 3 kilometra. Krajem 1950-ih, bunari su se protezali i do 7 kilometara. Počela je era ultra-dubokog bušenja.

Kao i većina globalnih projekata, ideja o bušenju gornjeg omotača Zemlje nastala je 1960-ih, na vrhuncu svemirskih letova i vjere u neograničene mogućnosti nauke i tehnologije. Amerikanci su zamislili ni manje ni više nego da bunarom prođu kroz cijelu zemljinu koru i uzmu uzorke stijena gornjeg plašta. Koncepti plašta tada (kao, zapravo, i sada) bili su zasnovani samo na neizravnim podacima - brzini širenja seizmičkih valova u utrobi, čija se promjena tumačila kao granica slojeva stijena različite starosti i sastava. Naučnici su vjerovali da je zemljina kora poput sendviča: mlade stijene na vrhu, drevne ispod. Međutim, samo superduboko bušenje moglo bi dati tačnu sliku strukture i sastava Zemljine vanjske ljuske i gornjeg omotača.

Projekat Mokhol

Godine 1958. u Sjedinjenim Državama pojavio se Mohol program superdubokog bušenja. Ovo je jedan od najodvažnijih i najmisterioznijih projekata u poslijeratnoj Americi. Kao i mnogi drugi programi, Mohol je trebao prestići SSSR u naučnom rivalstvu, postavljajući svjetski rekord u ultradubokom bušenju. Naziv projekta dolazi od riječi "Mohorovičić" - to je ime hrvatskog znanstvenika koji je razlikovao međusklop između zemljine kore i omotača - Mohoove granice, i "rupa", što na engleskom znači "bunar".. Kreatori programa odlučili su se za bušenje u okeanu, gdje je, prema geofizičarima, zemljina kora mnogo tanja nego na kontinentima. Bilo je potrebno cijevi spustiti nekoliko kilometara u vodu, prijeći 5 kilometara okeanskog dna i doći do gornjeg plašta.

U aprilu 1961. godine, kod ostrva Gvadalupe u Karipskom moru, gde vodeni stub doseže 3,5 km, geolozi su izbušili pet bušotina, od kojih je najdublja ušla u dno na 183 metra. Prema preliminarnim proračunima, na ovom mjestu, ispod sedimentnih stijena, očekivali su susret sa gornjim slojem zemljine kore - granitom. Ali jezgra podignuta ispod sedimenata sadržavala je čiste bazalte - neku vrstu antipoda granita. Rezultat bušenja obeshrabrio je i istovremeno inspirisao naučnike, počeli su da pripremaju novu fazu bušenja. Ali kada je cijena projekta premašila 100 miliona dolara, američki Kongres je prestao financirati. Mohol nije odgovorio ni na jedno od postavljenih pitanja, ali je pokazao ono glavno - superduboko bušenje u okeanu je moguće.

Sahrana je odgođena

Ultra-duboko bušenje omogućilo je da se pogleda u dubinu i shvati kako se stijene ponašaju pri visokim pritiscima i temperaturama. Ideja da stijene s dubinom postaju gušće i njihova poroznost se smanjuje, pokazala se pogrešnom, kao i gledište o suhom podzemlju. Ovo je prvi put otkriveno tokom bušenja superduboke Kola, druge bušotine u drevnim kristalnim slojevima potvrdile su činjenicu da su na dubini od više kilometara stijene razbijene pukotinama i probijene brojnim porama, a vodene otopine se slobodno kreću pod pritiskom od nekoliko stotina atmosfere. Ovo otkriće je jedno od najvažnijih dostignuća ultradubokog bušenja. To nas je natjeralo da se ponovo okrenemo problemu zakopavanja radioaktivnog otpada koji je trebao biti smješten u duboke bunare, što se činilo potpuno bezbednim. S obzirom na informacije o stanju podzemlja dobijene u toku superdubokog bušenja, projekti za stvaranje ovakvih odlagališta sada izgledaju vrlo rizično.

U potrazi za rashlađenim paklom

Od tada, svijet je obolio od ultra-dubokog bušenja. U Sjedinjenim Državama se pripremao novi program za proučavanje okeanskog dna (Deep Sea Drilling Project). Glomar Challenger, napravljen specijalno za ovaj projekat, proveo je nekoliko godina u vodama raznih okeana i mora, izbušivši skoro 800 bušotina na njihovom dnu, dostižući maksimalnu dubinu od 760 m. Do sredine 1980-ih, rezultati bušenja na moru potvrdili su teoriju tektonike ploča. Geologija kao nauka je ponovo rođena. U međuvremenu, Rusija je krenula svojim putem. Interes za problem, izazvan uspjesima Sjedinjenih Država, rezultirao je programom "Istraživanje unutrašnjosti Zemlje i superduboko bušenje", ali ne u okeanu, već na kontinentu. Unatoč svojoj stoljetnoj povijesti, kontinentalno bušenje je izgledalo kao potpuno nov posao. Na kraju krajeva, govorili smo o ranije nedostižnim dubinama - više od 7 kilometara. Nikita Hruščov je 1962. odobrio ovaj program, iako je bio vođen političkim, a ne naučnim motivima. Nije želio da zaostaje za Sjedinjenim Državama.

Novostvorenu laboratoriju u Institutu za tehnologiju bušenja vodio je poznati naftaš, doktor tehničkih nauka Nikolaj Timofejev. Dobio je instrukcije da potkrijepi mogućnost superdubokog bušenja u kristalnim stijenama - granitima i gnajsima. Istraživanja su trajala 4 godine, a 1966. godine stručnjaci su doneli presudu - bušiti se može, i to ne nužno sa opremom sutrašnjice, dovoljno je opreme koja već postoji. Glavni problem je vrućina na dubini. Prema proračunima, kako prodire u stijene koje čine zemljinu koru, temperatura bi se trebala povećavati na svaka 33 metra za 1 stepen. To znači da na dubini od 10 km treba očekivati oko 300 ° C, a na 15 km - skoro 500 ° C. Alati i uređaji za bušenje neće izdržati takvo zagrijavanje. Trebalo je tražiti mjesto gdje crijeva nisu bila tako vruća …

Pronađeno je takvo mjesto - drevni kristalni štit poluostrva Kola. U izvještaju pripremljenom na Institutu za fiziku Zemlje piše: tokom milijardi godina svog postojanja, Kola štit se ohladio, temperatura na dubini od 15 km ne prelazi 150 ° C. A geofizičari su pripremili približni dio poluostrva Kola. Prema njima, prvih 7 kilometara su granitni slojevi gornjeg dijela zemljine kore, zatim počinje bazaltni sloj. Tada je općenito prihvaćena ideja o dvoslojnoj strukturi zemljine kore. Ali kako se kasnije pokazalo, i fizičari i geofizičari su pogriješili. Lokacija za bušenje odabrana je na sjevernom kraju poluotoka Kola u blizini jezera Vilgiskoddeoayvinjärvi. Na finskom to znači "Pod vučjom gorom", iako na tom mestu nema ni planina ni vukova. Bušenje bušotine, čija je projektna dubina bila 15 kilometara, počelo je u maju 1970. godine.

Alat za podzemni svijet

Bušenje bušotine Kola SG-3 nije zahtijevalo stvaranje fundamentalno novih uređaja i džinovskih mašina. Počeli smo da radimo sa onim što smo već imali: jedinicom Uralmaš 4E nosivosti 200 tona i cevima od lakih legura. Ono što je tada zaista bilo potrebno jesu nestandardna tehnološka rješenja. Zaista, u tvrdim kristalnim stijenama do tako velike dubine niko nije bušio, a šta će se tamo dogoditi, zamišljali su samo općenito. Iskusni bušači su, međutim, shvatili da bez obzira koliko detaljan projekat bio, prava bušotina bi bila mnogo složenija. Pet godina kasnije, kada je dubina bušotine SG-3 premašila 7 kilometara, postavljena je nova bušaća platforma Uralmaš 15.000, jedna od najmodernijih u to vrijeme. Snažan, pouzdan, sa automatskim okidačem, mogao je izdržati niz cijevi dužine do 15 km. Postrojenje za bušenje pretvorilo se u potpuno obloženu platformu visoku 68 m, prkosnu jakim vjetrovima koji bjesne na Arktiku. U blizini su izrasle mini-postrojenje, naučne laboratorije i skladište za jezgro.

Prilikom bušenja na male dubine, na površinu se ugrađuje motor koji rotira cijev s bušilicom na kraju. Bušilica je željezni cilindar sa zupcima od dijamanata ili tvrde legure - malo. Ova kruna zagriza kamenje i od njih izrezuje tanak stupac - jezgro. Da bi se alat ohladio i uklonio sitni otpad iz bušotine, u njega se pumpa tekućina za bušenje - tečna glina, koja cijelo vrijeme cirkulira duž bušotine, poput krvi u sudovima. Nakon nekog vremena, cijevi se podižu na površinu, oslobađaju jezgre, mijenja se kruna i stup se ponovo spušta u dno rupe. Ovako funkcionira konvencionalno bušenje.

A ako je dužina cijevi 10-12 kilometara s promjerom od 215 milimetara? Niz cijevi postaje najtanji konac koji se spušta u bunar. Kako to upravljati? Kako vidjeti šta se dešava na licu? Stoga su na bušotini Kola, na dnu bušaće kolone, postavljene minijaturne turbine, koje su pokrenute bušaćim isplakom koji se pumpa kroz cijevi pod pritiskom. Turbine su rotirale karbidno svrdlo i reznu jezgru. Cijela tehnologija je bila dobro razvijena, operater na kontrolnoj tabli je vidio rotaciju svrdla, znao njegovu brzinu i mogao je kontrolirati proces.

Svakih 8-10 metara trebalo je podići višekilometarski niz cijevi. Spuštanje i uspon trajali su ukupno 18 sati.

Podmuklost broja "7"

7 kilometara - oznaka za superdubinu Kola fatalna. Iza njega je počela neizvjesnost, mnoge nezgode i neprekidna borba sa kamenjem. Cijev se nije mogla držati uspravno. Kada smo prvi put putovali 12 km, bunar je odstupio od vertikale za 21°. Iako su bušači već naučili da rade sa neverovatnom zakrivljenošću bušotine, nije bilo moguće ići dalje. Bušotina je trebala biti izbušena od 7 km. Da biste napravili vertikalnu rupu u tvrdim stijenama, potrebno vam je vrlo tvrdo dno bušaće žice, tako da ulazi u crijeva poput ulja. Ali javlja se još jedan problem - bunar se postupno širi, bušilica visi u njemu, kao u staklu, zidovi bušotine počinju da se urušavaju i mogu pritisnuti alat. Rješenje ovog problema pokazalo se originalnim - primijenjena je tehnologija klatna. Bušilica je umjetno ljuljana u bušotini i potiskivala jake vibracije. Zbog toga se pokazalo da je deblo okomito.

Najčešća nesreća na bilo kojoj platformi je prekid cijevi. Obično pokušavaju ponovo uhvatiti cijevi, ali ako se to dogodi na velikim dubinama, tada problem postaje nepopravljiv. Beskorisno je tražiti alat u bušotini od 10 kilometara, takva je bušotina bačena i pokrenuta je nova, malo više. Punjenje i gubitak cijevi na SG-3 desili su se mnogo puta. Kao rezultat toga, u svom donjem dijelu bunar izgleda kao korijenski sistem džinovske biljke. Grananje bunara uznemirilo je bušaće, ali se pokazalo srećom za geologe, koji su neočekivano dobili trodimenzionalnu sliku impresivnog segmenta drevnih arhejskih stijena nastalih prije više od 2,5 milijarde godina.

U junu 1990. godine SG-3 je dostigao dubinu od 12.262 m. Bušotina je počela da se priprema za bušenje do 14 km, a onda se ponovo dogodila nesreća - na koti od 8.550 m, pukao je cijev. Nastavak radova zahtijevao je dugu pripremu, obnovu opreme i nove troškove. 1994. obustavljeno je bušenje Kola Superdeep. Nakon 3 godine ušla je u Ginisovu knjigu rekorda i još uvijek ostaje neprevaziđena. Sada je bunar laboratorija za proučavanje dubokih crijeva.

Tajna crijeva

SG-3 je od početka bio poverljivi objekat. Za to je kriv granični pojas, strateška ležišta u okrugu i naučni prioritet. Prvi stranac koji je posjetio mjesto bušenja bio je jedan od čelnika Akademije nauka Čehoslovačke. Kasnije, 1975. godine, u Pravdi je objavljen članak o Kola Superdeep koji je potpisao ministar geologije Aleksandar Sidorenko. Još uvijek nije bilo naučnih publikacija o bunaru Kola, ali su neke informacije procurile u inostranstvo. Prema glasinama, svijet je počeo da uči više - u SSSR-u se buši najdublja bušotina.

Veo tajne bi vjerovatno visio nad bunarom sve do same "perestrojke", da se 1984. godine u Moskvi nije dogodio Svjetski geološki kongres. Pažljivo su se pripremali za ovako veliki događaj u naučnom svetu, čak je izgrađena i nova zgrada za Ministarstvo geologije - mnogi učesnici su očekivali. Ali strane kolege su se prvenstveno zanimale za superdubinu Kola! Amerikanci uopće nisu vjerovali da mi to imamo. Dubina bunara do tada je dostigla 12.066 metara. Više nije imalo smisla skrivati predmet. Učesnike kongresa u Moskvi je čekala izložba dostignuća ruske geologije, jedan od štandova bio je posvećen bušotini SG-3. Stručnjaci iz cijelog svijeta su zbunjeno gledali na konvencionalnu glavu bušilice sa istrošenim zubima od karbida. I sa ovim buše najdublju bušotinu na svijetu? Nevjerovatno! Velika delegacija geologa i novinara otišla je u naselje Zapolarny. Posjetiocima je prikazana platforma u akciji, a dijelovi cijevi od 33 metra su uklonjeni i otkačeni. Svuda okolo su bile hrpe potpuno istih glava za bušenje kao i ona koja je bila na štandu u Moskvi.

Delegaciju Akademije nauka primio je poznati geolog, akademik Vladimir Belousov. Tokom konferencije za novinare, postavljeno mu je pitanje iz publike:

- Šta je najvažnije što je Kolski bunar pokazao?

- Gospodo! Ono što je najvažnije, pokazalo je da ne znamo ništa o kontinentalnoj kori - iskreno je odgovorio naučnik.

Duboko iznenađenje

Naravno, znali su nešto o zemljinoj kori kontinenata. Činjenicu da su kontinenti sastavljeni od veoma drevnih stena, starih od 1,5 do 3 milijarde godina, nije opovrgao ni bunar Kola. Međutim, geološki presjek sastavljen na osnovu jezgre SG-3 pokazao se upravo suprotnim od onoga što su naučnici ranije zamislili. Prvih 7 kilometara bilo je sastavljeno od vulkanskih i sedimentnih stijena: tufova, bazalta, breča, pješčenjaka, dolomita. Dublje je ležao takozvani Conradov odsjek, nakon čega je naglo porasla brzina seizmičkih valova u stijenama, što se tumačilo kao granica između granita i bazalta. Ova dionica je davno prošla, ali se bazalti donjeg sloja zemljine kore nikada nigdje nisu pojavili. Naprotiv, počeli su graniti i gnajsovi.

Presjek Kolskog bunara opovrgnuo je dvoslojni model zemljine kore i pokazao da seizmički presjeci u utrobi nisu granice slojeva stijena različitog sastava. Umjesto toga, oni ukazuju na promjenu svojstava kamena s dubinom. Pri visokom pritisku i temperaturi, svojstva stijena se, očigledno, mogu dramatično promijeniti, tako da graniti po svojim fizičkim karakteristikama postaju slični bazaltima, i obrnuto. Ali "bazalt" podignut na površinu sa dubine od 12 kilometara odmah je postao granit, iako je usput doživio jak napad "kesonske bolesti" - jezgro se srušilo i raspalo u ravne ploče. Što je bunar dalje išao, to su manje kvalitetni uzorci padali u ruke naučnika.

Dubina je sadržavala mnoga iznenađenja. Ranije je bilo prirodno misliti da s povećanjem udaljenosti od površine zemlje, s povećanjem pritiska, stijene postaju monolitnije, s malim brojem pukotina i pora. SG-3 je uvjerio naučnike u suprotno. Počevši od 9 kilometara, slojevi su se pokazali vrlo poroznim i doslovno natrpanim pukotinama duž kojih su kružile vodene otopine. Kasnije su ovu činjenicu potvrdile i druge superduboke bušotine na kontinentima. Ispostavilo se da je na dubini mnogo toplije nego što se očekivalo: za čak 80°! Na oznaci od 7 km, temperatura u dnu rupe bila je 120 ° C, na 12 km je već dostigla 230 ° C. U uzorcima bunara Kola naučnici su otkrili mineralizaciju zlata. Inkluzije plemenitih metala pronađene su u drevnim stijenama na dubini od 9,5-10,5 km. Međutim, koncentracija zlata bila je preniska da bi se tražilo ležište - u prosjeku 37,7 mg po toni stijene, ali dovoljno da se očekuje na drugim sličnim mjestima.

Na ruskom tragu

Demonstracija bunara Kola 1984. godine ostavila je dubok utisak na svetsku zajednicu. Mnoge zemlje su počele da pripremaju projekte naučnog bušenja na kontinentima. Takav program je također odobren u Njemačkoj krajem 1980-ih. Ultraduboka bušotina KTB Hauptborung bušena je od 1990. do 1994. godine, prema planu je trebala doseći dubinu od 12 km, ali je zbog nepredvidivo visokih temperatura bilo moguće doći samo do 9,1 km. Zbog otvorenosti podataka o bušenju i naučnom radu, dobre tehnologije i dokumentacije, ultraduboka bušotina KTV-a ostaje jedna od najpoznatijih u svijetu.

Lokacija za bušenje ove bušotine odabrana je na jugoistoku Bavarske, na ostacima drevnog planinskog lanca, čija se starost procjenjuje na 300 miliona godina. Geolozi su vjerovali da negdje ovdje postoji zona spajanja dvije ploče, koje su nekada bile obale okeana. Prema naučnicima, vremenom se gornji dio planina istrošio, otkrivajući ostatke drevne okeanske kore. Još dublje, deset kilometara od površine, geofizičari su otkrili veliko tijelo nenormalno visoke električne provodljivosti. Također su se nadali da će razjasniti njegovu prirodu uz pomoć bunara. Ali glavni izazov bio je doseći dubinu od 10 km kako bi se steklo iskustvo u ultra-dubokom bušenju. Nakon što su proučili materijale Kola SG-3, njemački bušači su odlučili da prvo izbuše probnu bušotinu dubine 4 km kako bi dobili precizniju predstavu o uslovima rada u podzemlju, testirali tehniku i uzeli jezgro. Na kraju pilotskog rada, veliki dio opreme za bušenje i nauku je morao biti izmijenjen, a nešto je trebalo ponovo kreirati.

Glavni - superduboki - bunar KTV Hauptborung postavljen je samo dvjesto metara od prvog. Za radove je podignut toranj od 83 metra i stvorena bušaća platforma nosivosti 800 tona, najmoćnija u to vrijeme. Mnoge operacije bušenja su automatizirane, prvenstveno mehanizam za spuštanje i vraćanje cijevnog niza. Samonavođeni vertikalni sistem bušenja omogućio je izradu gotovo vertikalne rupe. Teoretski, s takvom opremom bilo je moguće bušiti do dubine od 12 kilometara. Ali stvarnost se, kao i uvijek, pokazala komplikovanijom, a planovi naučnika se nisu ostvarili.

Problemi na KTV bušotini počeli su nakon dubine od 7 km, ponavljajući veći dio sudbine Kola Superdeep. U početku se smatra da je zbog visoke temperature došlo do kvara vertikalnog sistema bušenja i da je rupa otišla ukoso. Na kraju radova dno je odstupilo od vertikale za 300 m. Zatim su počele komplikovanije nezgode - prekid bušaće kolone. Kao i na Koli, trebalo je bušiti nova okna. Određene poteškoće izazvalo je sužavanje bušotine - na vrhu je njen prečnik bio 71 cm, na dnu - 16,5 cm. Beskrajne nezgode i visoka temperatura u dnu bušotine –270°C primorali su bušače da prestanu sa radom nedaleko od željenog cilja.

Ne može se reći da su naučni rezultati KTV Hauptborunga pogodili maštu naučnika. Na dubini su uglavnom taloženi amfiboliti i gnajsi, drevne metamorfne stijene. Zona konvergencije okeana i ostaci okeanske kore nisu nigdje pronađeni. Možda su na drugom mjestu, ovdje je mali kristalni masiv, uzdignut na visinu od 10 km. Nalazište grafita otkriveno je kilometar od površine.

Godine 1996. KTV bunar, koji je njemački budžet koštao 338 miliona dolara, došao je pod pokroviteljstvo Naučnog centra za geologiju u Potsdamu, pretvoren je u laboratoriju za osmatranje dubokog podzemlja i turističko odredište.

Najdublji bunari na svetu

1. Aralsor SG-1, Kaspijska nizina, 1962-1971, dubina - 6,8 km. Potražite naftu i gas.

2. Biikzhal SG-2, Kaspijska nizina, 1962-1971, dubina - 6,2 km. Potražite naftu i gas.

3. Kola SG-3, 1970-1994, dubina - 12.262 m Projektna dubina - 15 km.

4. Saatlinskaya, Azerbejdžan, 1977-1990, dubina - 8 324 m. Projektovana dubina - 11 km.

5. Kolvinskaya, oblast Arkhangelsk, 1961, dubina - 7057 m.

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

3 km. Projektovana dubina je 7 km. Traži zlato.

7. Timan-Pechora SG-5, severoistok Rusije, 1984-1993, dubina - 6.904 m, projektovana dubina - 7 km.

8. Tjumenj SG-6, Zapadni Sibir, 1987-1996, dubina - 7502 m Projektovana dubina - 8 km. Potražite naftu i gas.

9. Novo-Elkhovskaya, Tatarstan, 1988, dubina - 5881 m.

10. Vorotilovska bušotina, oblast Volge, 1989-1992, dubina - 5374 m Potraga za dijamantima, proučavanje astrobleme Pučež-Katunskaja.

11. Krivoy Rog SG-8, Ukrajina, 1984-1993, dubina - 5 382 m Projektovana dubina - 12 km. Potražite ferruginske kvarcite.

Ural SG-4, Srednji Ural. Položen 1985. Projektna dubina - 15 000 m Trenutna dubina - 6 100 m Potraga za rudama bakra, proučavanje strukture Urala. En-Yakhtinskaya SG-7, Zapadni Sibir. Projektna dubina - 7.500 m Trenutna dubina - 6.900 m Potraga za naftom i plinom.