Hlboko v horúcich rudách

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Naposledy zmenené: 2023-12-16 16:15

20. storočie sa nieslo v znamení triumfu človeka vo vzduchu a dobytia najhlbších priehlbín Svetového oceánu. Len sen preniknúť do srdca našej planéty a spoznať doteraz skrytý život jej útrob zostáva nedosiahnuteľný. "Cesta do stredu Zeme" sľubuje, že bude mimoriadne náročná a vzrušujúca, plná prekvapení a neuveriteľných objavov. Prvé kroky na tejto ceste už boli urobené – na svete bolo vyvŕtaných niekoľko desiatok superhlbokých vrtov. Informácie získané pomocou ultrahlbokého vŕtania sa ukázali byť natoľko ohromujúce, že nabúrali zaužívané predstavy geológov o štruktúre našej planéty a poskytli najbohatšie materiály pre výskumníkov v rôznych oblastiach poznania.

Dotknite sa plášťa

Pracovití Číňania v 13. storočí kopali studne hlboké 1200 metrov. Európania prekonali čínsky rekord v roku 1930 tým, že sa naučili, ako preraziť zem vrtnými súpravami na vzdialenosť 3 kilometrov. Koncom 50. rokov 20. storočia sa vrty rozprestierali až na 7 kilometrov. Začala sa éra ultrahlbokého vŕtania.

Ako väčšina globálnych projektov, myšlienka vŕtania vrchného plášťa Zeme vznikla v šesťdesiatych rokoch minulého storočia, na vrchole vesmírnych letov a viery v neobmedzené možnosti vedy a techniky. Američania vymysleli nie menej ako prejsť celú zemskú kôru studňou a získať vzorky hornín horného plášťa. Koncepcie plášťa vtedy (ako vlastne aj teraz) boli založené len na nepriamych údajoch - rýchlosti šírenia seizmických vĺn v útrobách, ktorej zmena sa interpretovala ako hranica vrstiev hornín rôzneho veku a zloženia. Vedci verili, že zemská kôra je ako sendvič: na vrchu sú mladé skaly, pod nimi staré. Presný obraz o štruktúre a zložení vonkajšieho plášťa a vrchného plášťa Zeme by však mohli poskytnúť iba superhlboké vrty.

Projekt Mokhol

V roku 1958 sa v USA objavil program superhlbokého vŕtania Mohol. Ide o jeden z najodvážnejších a najzáhadnejších projektov v povojnovej Amerike. Rovnako ako mnohé iné programy, Mohol mal za cieľ predbehnúť ZSSR vo vedeckej rivalite a vytvoriť svetový rekord v ultrahlbokom vŕtaní. Názov projektu pochádza zo slov „Mohorovicic“– to je meno chorvátskeho vedca, ktorý rozlíšil rozhranie medzi zemskou kôrou a plášťom – hranicu Moho a „hole“, čo v angličtine znamená „studňa“.. Tvorcovia programu sa rozhodli vŕtať v oceáne, kde je podľa geofyzikov zemská kôra oveľa tenšia ako na kontinentoch. Potrubia bolo potrebné spustiť niekoľko kilometrov do vody, prejsť 5 kilometrov oceánskeho dna a dosiahnuť horný plášť.

V apríli 1961 pri ostrove Guadeloupe v Karibskom mori, kde vodný stĺpec dosahuje 3,5 km, vyvŕtali geológovia päť vrtov, z ktorých najhlbší vstúpil na dno v hĺbke 183 metrov. Podľa predbežných výpočtov na tomto mieste pod sedimentárnymi horninami očakávali stretnutie s vrchnou vrstvou zemskej kôry – žulou. Jadro vyzdvihnuté spod sedimentov však obsahovalo čisté bazalty – akýsi antipód granitov. Výsledok vŕtania vedcov odradil a zároveň inšpiroval, začali pripravovať novú fázu vŕtania. Keď však náklady na projekt presiahli 100 miliónov dolárov, Kongres USA zastavil financovanie. Mohol neodpovedal na žiadnu z položených otázok, ale ukázal to hlavné - superhlboké vŕtanie v oceáne je možné.

Pohreb sa odkladá

Ultra hlboké vŕtanie umožnilo nahliadnuť do hlbín a pochopiť, ako sa horniny správajú pri vysokých tlakoch a teplotách. Názor, že horniny s hĺbkou hustnú a ich pórovitosť klesá, sa ukázal ako mylný, rovnako ako názor na suché podložie. Prvýkrát to bolo objavené počas vŕtania superhlbín Kola, ďalšie vrty v starovekých kryštalických vrstvách potvrdili skutočnosť, že v hĺbke mnohých kilometrov sú horniny rozbité trhlinami a preniknuté početnými pórmi a vodné roztoky sa voľne pohybujú pod tlakom niekoľkých stoviek atmosfér. Tento objav je jedným z najdôležitejších úspechov ultrahlbokého vŕtania. Prinútilo nás to opäť sa obrátiť na problém zakopania rádioaktívneho odpadu, ktorý sa mal ukladať do hlbokých vrtov, ktoré sa zdali úplne bezpečné. Vzhľadom na informácie o stave podložia získané pri superhĺbkových vrtoch vyzerajú v súčasnosti projekty na vytváranie takýchto úložísk veľmi riskantne.

Pri hľadaní vychladeného pekla

Odvtedy svet ochorel na ultra hlboké vrty. V Spojených štátoch amerických sa pripravoval nový program na štúdium dna oceánov (Deep Sea Drilling Project). Glomar Challenger, postavený špeciálne pre tento projekt, strávil niekoľko rokov vo vodách rôznych oceánov a morí, pričom na ich dne vyvŕtal takmer 800 vrtov, ktoré dosiahli maximálnu hĺbku 760 m. Do polovice 80. rokov 20. storočia výsledky vrtov na mori potvrdili teóriu platňovej tektoniky. Geológia ako veda bola znovuzrodená. Medzitým sa Rusko vydalo vlastnou cestou. Záujem o problém, ktorý vzbudili úspechy Spojených štátov amerických, vyústil do programu „Skúmanie vnútra Zeme a superhlboké vrty“, nie však v oceáne, ale na kontinente. Napriek stáročnej histórii sa kontinentálne vŕtanie zdalo byť úplne novým biznisom. Veď sme hovorili o predtým nedosiahnuteľných hĺbkach – viac ako 7 kilometrov. V roku 1962 Nikita Chruščov schválil tento program, hoci sa riadil skôr politickými ako vedeckými motívmi. Nechcel zaostávať za Spojenými štátmi.

Novovytvorené laboratórium na Ústave technológie vŕtania viedol slávny ropný pracovník, doktor technických vied Nikolaj Timofeev. Dostal pokyn zdôvodniť možnosť superhlbokých vrtov v kryštalických horninách – granitoch a rulách. Výskum trval 4 roky a v roku 1966 odborníci vyniesli verdikt – vŕtať sa dá, a nie nevyhnutne s vybavením zajtrajška, stačí aj vybavenie, ktoré už existuje. Hlavným problémom je teplo v hĺbke. Podľa výpočtov by pri preniknutí do hornín, ktoré tvoria zemskú kôru, mala narásť teplota každých 33 metrov o 1 stupeň. To znamená, že v hĺbke 10 km by sa malo očakávať asi 300 ° С a v 15 km - takmer 500 ° С. Vŕtacie nástroje a zariadenia takéto zahrievanie nevydržia. Bolo potrebné hľadať miesto, kde črevá neboli také horúce …

Takéto miesto sa našlo - staroveký kryštalický štít polostrova Kola. Správa vypracovaná na Ústave fyziky Zeme znela: za miliardy rokov svojej existencie sa Kolský štít ochladil, teplota v hĺbke 15 km nepresahuje 150 °C. A geofyzici pripravili približný rez polostrovom Kola. Prvých 7 kilometrov sú podľa nich žulové vrstvy vrchnej časti zemskej kôry, potom začína čadičová vrstva. Potom bola všeobecne akceptovaná myšlienka dvojvrstvovej štruktúry zemskej kôry. No ako sa neskôr ukázalo, fyzici aj geofyzici sa mýlili. Miesto vŕtania bolo vybrané na severnom konci polostrova Kola v blízkosti jazera Vilgiskoddeoayvinjärvi. Vo fínčine to znamená „Pod vlčími horami“, hoci na tom mieste nie sú žiadne hory ani vlci. Vŕtanie studne, ktorej projektovaná hĺbka bola 15 kilometrov, sa začalo v máji 1970.

Nástroj pre podsvetie

Vŕtanie studne Kola SG-3 si nevyžadovalo vytvorenie zásadne nových zariadení a obrovských strojov. Začali sme pracovať s tým, čo sme už mali: jednotkou Uralmash 4E s nosnosťou 200 ton a rúrami z ľahkých zliatin. To, čo bolo v tom čase skutočne potrebné, boli neštandardné technologické riešenia. Naozaj, v tvrdých kryštalických horninách do takej veľkej hĺbky nikto nevŕtal a čo by sa tam stalo, si predstavovali len všeobecne. Skúsení vŕtači si však uvedomili, že bez ohľadu na to, aký podrobný bol projekt, skutočná studňa by bola oveľa zložitejšia. O päť rokov neskôr, keď hĺbka vrtu SG-3 presiahla 7 kilometrov, bola inštalovaná nová vrtná súprava Uralmash 15 000, jedna z najmodernejších v tej dobe. Výkonná, spoľahlivá, s automatickým spúšťovým mechanizmom, znesie šnúru rúrok dlhú až 15 km. Vrtná súprava sa zmenila na plne opláštený vrtný most vysoký 68 m, odolný voči silnému vetru zúriacemu v Arktíde. Neďaleko vyrástla minizávod, vedecké laboratóriá a jadrové úložisko.

Pri vŕtaní do malých hĺbok je na povrchu inštalovaný motor, ktorý roztáča potrubnú kolónu s vrtákom na konci. Vŕtačka je železný valec s diamantovými zubami alebo zubami z tvrdej zliatiny - bit. Táto koruna sa zahryzáva do skál a vykrajuje z nich tenký stĺpik – jadro. Na ochladenie nástroja a odstránenie malých nečistôt z vrtu sa do neho čerpá vrtná kvapalina - tekutá hlina, ktorá neustále cirkuluje pozdĺž vrtu, ako krv v cievach. Po určitom čase sa rúry zdvihnú na povrch, uvoľnia sa z jadra, vymení sa koruna a stĺp sa opäť spustí do spodného otvoru. Takto funguje konvenčné vŕtanie.

A ak je dĺžka hlavne 10-12 kilometrov s priemerom 215 milimetrov? Reťazec rúrok sa stáva najtenším závitom, ktorý sa spúšťa do studne. Ako to zvládnuť? Ako vidieť, čo sa deje na tvári? Preto boli na studni Kola, na dne vrtnej kolóny, nainštalované miniatúrne turbíny, ktoré sa spúšťali vŕtaním bahna čerpaného potrubím pod tlakom. Turbíny otáčali karbidovým vrtákom a rezali jadro. Celá technológia bola dobre vyvinutá, operátor na ovládacom paneli videl rotáciu korunky, poznal jej rýchlosť a mohol proces riadiť.

Každých 8-10 metrov bolo treba nadvihnúť niekoľkokilometrový potrubný reťazec. Zostup a výstup trval spolu 18 hodín.

Zákernosť čísla "7"

7 kilometrov - značka pre superhlbokú Kola fatálna. Začala sa za tým neistota, množstvo nehôd a neustály boj so skalami. Hlaveň sa nedala držať vo zvislej polohe. Keď sme prvýkrát prešli 12 km, vrt sa odchýlil od vertikály o 21°. Hoci sa vŕtači už naučili pracovať s neskutočným zakrivením vrtu, ďalej sa už ísť nedalo. Studňa mala byť vŕtaná od hranice 7 km. Ak chcete získať zvislú dieru v tvrdých kameňoch, potrebujete veľmi tvrdé dno vrtnej kolóny, aby sa dostala do útrob ako olej. Ale vzniká ďalší problém - studňa sa postupne rozširuje, vrták v nej visí, ako v pohári, steny vrtu sa začnú rúcať a môžu tlačiť na nástroj. Riešenie tohto problému sa ukázalo ako originálne - bola použitá kyvadlová technológia. Vrták bol v studni umelo rozkývaný a potláčal silné vibrácie. Z tohto dôvodu sa kmeň ukázal ako vertikálny.

Najčastejšou nehodou na akejkoľvek plošine je prasknutie potrubného reťazca. Zvyčajne sa pokúšajú znova zachytiť potrubia, ale ak sa to stane vo veľkých hĺbkach, potom sa problém stane neodstrániteľným. V 10-kilometrovom vrte je zbytočné hľadať nástroj, takýto vrt sa nahodil a začal sa nový, o niečo vyššie. Zlomenie a strata potrubia na SG-3 sa vyskytli mnohokrát. Výsledkom je, že studňa vo svojej spodnej časti vyzerá ako koreňový systém obrovskej rastliny. Rozvetvenie vrtu rozrušilo vrtákov, no ukázalo sa šťastím pre geológov, ktorí nečakane získali trojrozmerný obraz impozantného segmentu starovekých archejských hornín, ktoré vznikli pred viac ako 2,5 miliardami rokov.

V júni 1990 dosiahol SG-3 hĺbku 12 262 m. Vrt sa začal pripravovať na vŕtanie až do 14 km a potom opäť došlo k nešťastiu - v nadmorskej výške 8 550 m sa odtrhla potrubná kolóna. Pokračovanie prác si vyžiadalo dlhú prípravu, obnovu zariadení a nové náklady. V roku 1994 bolo vŕtanie Kola Superdeep zastavené. Po 3 rokoch sa zapísala do Guinessovej knihy rekordov a stále zostáva neprekonaná. Teraz je studňa laboratóriom na štúdium hlbokých čriev.

Tajné črevá

SG-3 bol od začiatku klasifikovaným zariadením. Na vine je hraničné pásmo, strategické ložiská v okrese a vedecká priorita. Prvým cudzincom, ktorý miesto vrtov navštívil, bol jeden z vedúcich predstaviteľov Akadémie vied Československa. Neskôr, v roku 1975, vyšiel v Pravde článok o Kolskej superhlbine podpísaný ministrom geológie Alexandrom Sidorenkom. O studni Kola stále neexistovali žiadne vedecké publikácie, no nejaké informácie unikli do zahraničia. Podľa povestí sa svet začal učiť viac - najhlbší vrt sa vŕta v ZSSR.

Závoj tajomstva by nad studňou visel zrejme až do samotnej „perestrojky“, keby sa Svetový geologický kongres nekonal v roku 1984 v Moskve. Na takú veľkú udalosť vo vedeckom svete sa starostlivo pripravovali, dokonca bola postavená nová budova pre ministerstvo geológie - mnohí účastníci očakávali. Zahraničných kolegov ale v prvom rade zaujímal superdeep Kola! Američania vôbec neverili, že na to máme. Hĺbka vrtu v tom čase dosiahla 12 066 metrov. Už nemalo zmysel predmet skrývať. V Moskve na účastníkov kongresu čakala výstava úspechov ruskej geológie, jeden zo stánkov bol venovaný vrtu SG-3. Odborníci na celom svete zmätene pozerali na bežnú vŕtaciu hlavu s opotrebovanými karbidovými zubami. A týmto vŕtajú najhlbší vrt na svete? Neuveriteľné! Do osady Zapolyarny sa vybrala početná delegácia geológov a novinárov. Návštevníkom bola ukázaná súprava v akcii a 33-metrové časti potrubia boli odstránené a odpojené. Všade naokolo boli hromady presne rovnakých vrtných hláv ako tá, ktorá bola na stojane v Moskve.

Delegáciu z Akadémie vied prijal známy geológ akademik Vladimír Belousov. Počas tlačovej konferencie dostal od publika otázku:

- Čo je najdôležitejšie, čo ukázala studňa Kola?

- Páni! A čo je najdôležitejšie, ukázalo sa, že o kontinentálnej kôre nič nevieme, - úprimne odpovedal vedec.

Hlboké prekvapenie

Samozrejme, že vedeli niečo o zemskej kôre kontinentov. Fakt, že kontinenty sú zložené z veľmi starých hornín, starých od 1,5 do 3 miliárd rokov, nevyvrátila ani studňa Kola. Geologický rez zostavený na základe jadra SG-3 sa však ukázal byť presným opakom toho, čo si vedci predstavovali skôr. Prvých 7 kilometrov tvorili vulkanické a sedimentárne horniny: tufy, bazalty, brekcie, pieskovce, dolomity. Hlbšie ležal takzvaný Conradov úsek, po ktorom sa prudko zvýšila rýchlosť seizmických vĺn v horninách, čo sa interpretovalo ako hranica medzi žulami a bazaltmi. Tento úsek bol prejdený už dávno, ale bazalty spodnej vrstvy zemskej kôry sa nikdy nikde neobjavili. Naopak, začali sa žuly a ruly.

Úsek vrtu Kola vyvrátil dvojvrstvový model zemskej kôry a ukázal, že seizmické rezy v útrobách nie sú hranicami vrstiev hornín rôzneho zloženia. Svedčia skôr o zmene vlastností kameňa s hĺbkou. Pri vysokom tlaku a teplote sa vlastnosti hornín zjavne môžu dramaticky zmeniť, takže žuly sa vo svojich fyzikálnych vlastnostiach podobajú čadičom a naopak. Ale „čadič“zdvihnutý na povrch z 12-kilometrovej hĺbky sa okamžite zmenil na žulu, hoci cestou zažil ťažký záchvat „kesónovej choroby“- jadro sa rozpadlo a rozpadlo na ploché plaky. Čím ďalej bola studňa, tým menej kvalitné vzorky sa dostali do rúk vedcov.

Hĺbka obsahovala mnoho prekvapení. Predtým bolo prirodzené myslieť si, že so zväčšujúcou sa vzdialenosťou od povrchu zeme, so zvyšujúcim sa tlakom, sa horniny stávajú monolitickejšími, s malým počtom trhlín a pórov. SG-3 presvedčila vedcov o opaku. Od 9 kilometrov sa ukázalo, že vrstvy sú veľmi pórovité a doslova preplnené prasklinami, pozdĺž ktorých cirkulujú vodné roztoky. Neskôr túto skutočnosť potvrdili ďalšie superhlboké vrty na kontinentoch. Ukázalo sa, že v hĺbke je oveľa teplejšie, ako sa očakávalo: až o 80 °! Na 7 km bola teplota dna 120 ° С, na 12 km už dosiahla 230 ° С. Vo vzorkách studne Kola vedci objavili mineralizáciu zlata. Inklúzie drahých kovov sa našli v starovekých horninách v hĺbke 9, 5-10, 5 km. Koncentrácia zlata však bola príliš nízka na to, aby si vyžiadala ložisko – v priemere 37,7 mg na tonu horniny, ale dostatočná na to, aby sa dala očakávať na iných podobných miestach.

Po ruskej stope

Ukážka studne Kola v roku 1984 urobila hlboký dojem na svetové spoločenstvo. Mnohé krajiny začali pripravovať projekty vedeckých vrtov na kontinentoch. Takýto program schválili koncom 80. rokov aj v Nemecku. Ultrahlboký vrt KTB Hauptborung bol vŕtaný v rokoch 1990 až 1994, podľa plánu mal dosiahnuť hĺbku 12 km, no pre nepredvídateľne vysoké teploty sa podarilo dostať len po hranicu 9,1 km. Vďaka otvorenosti údajov o vŕtaní a vedeckej práci, dobrej technológii a dokumentácii zostáva ultrahlboký vrt KTV jedným z najznámejších na svete.

Miesto na vŕtanie tejto studne bolo vybrané na juhovýchode Bavorska, na pozostatkoch starovekého pohoria, ktorého vek sa odhaduje na 300 miliónov rokov. Geológovia verili, že niekde tu je zóna spojenia dvoch dosiek, ktoré boli kedysi brehmi oceánu. Podľa vedcov sa horná časť hôr časom opotrebovala a odkryli sa tak zvyšky pradávnej oceánskej kôry. Ešte hlbšie, desať kilometrov od povrchu, objavili geofyzici veľké teleso s abnormálne vysokou elektrickou vodivosťou. Dúfali aj v objasnenie jeho podstaty pomocou studne. Hlavnou výzvou však bolo dosiahnuť hĺbku 10 km, aby ste získali skúsenosti s ultra hlbokým vŕtaním. Po preštudovaní materiálov Kola SG-3 sa nemeckí vrtáci rozhodli najskôr vyvŕtať skúšobný vrt do hĺbky 4 km, aby získali presnejšiu predstavu o pracovných podmienkach v podloží, otestovali techniku a odobrali jadro. Na konci pilotných prác sa musela zmeniť veľká časť vrtného a vedeckého vybavenia a niečo sa muselo znovu vytvoriť.

Hlavná - superhlboká - studňa KTV Hauptborung bola položená len dvesto metrov od prvej. Pre prácu bola postavená 83-metrová veža a bola vytvorená vrtná súprava s nosnosťou 800 ton, v tom čase najvýkonnejšia. Mnohé vŕtacie operácie boli automatizované, predovšetkým mechanizmus na spúšťanie a vyzdvihnutie kolóny rúr. Samonavádzací systém vertikálneho vŕtania umožnil vytvoriť takmer zvislý otvor. Teoreticky s takýmto vybavením bolo možné vŕtať do hĺbky 12 kilometrov. Realita sa ale ako vždy ukázala komplikovanejšia a plány vedcov sa nenaplnili.

Problémy pri studni KTV sa začali po hĺbke 7 km, čím sa opakoval osud Kola Superdeep. Najprv sa predpokladá, že v dôsledku vysokej teploty sa pokazil vertikálny systém vŕtania a otvor išiel šikmo. Na konci prác sa dno odchýlilo od kolmice o 300 m.. Potom sa začali komplikovanejšie havárie - prasknutie vrtnej kolóny. Podobne ako na Kole bolo treba vyvŕtať nové šachty. Určité ťažkosti spôsobilo zúženie studne - hore mala priemer 71 cm, dole 16,5 cm Nekonečné nehody a vysoká teplota dna – 270 °C prinútili vrtákov prestať pracovať neďaleko vytúženého cieľa.

Nedá sa povedať, že by vedecké výsledky KTV Hauptborung zasiahli predstavivosť vedcov. V hĺbke sa ukladali najmä amfibolity a ruly, prastaré metamorfované horniny. Zóna konvergencie oceánu a zvyšky oceánskej kôry neboli nikde nájdené. Možno sú na inom mieste, tu je malý kryštalický masív, vyvrátený do výšky 10 km. Kilometer od povrchu bolo objavené ložisko grafitu.

V roku 1996 sa vrt KTV, ktorý stál nemecký rozpočet 338 miliónov dolárov, dostal pod patronát Vedeckého centra pre geológiu v Postupime, zmenil sa na laboratórium na pozorovanie hlbokého podložia a turistický cieľ.

Najhlbšie studne na svete

1. Aralsor SG-1, Kaspická nížina, 1962-1971, hĺbka - 6, 8 km. Hľadajte ropu a plyn.

2. Biikzhal SG-2, Kaspická nížina, 1962-1971, hĺbka - 6, 2 km. Hľadajte ropu a plyn.

3. Kola SG-3, 1970-1994, hĺbka - 12 262 m. Návrhová hĺbka - 15 km.

4. Saatlinskaya, Azerbajdžan, 1977-1990, hĺbka - 8 324 m Projektovaná hĺbka - 11 km.

5. Kolvinskaja, oblasť Archangelsk, 1961, hĺbka - 7 057 m.

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

3 km. Návrhová hĺbka je 7 km. Hľadajte zlato.

7. Timan-Pechora SG-5, Severovýchod Ruska, 1984-1993, hĺbka - 6 904 m, návrhová hĺbka - 7 km.

8. Ťumeň SG-6, Západná Sibír, 1987-1996, hĺbka - 7 502 m Návrhová hĺbka - 8 km. Hľadajte ropu a plyn.

9. Novo-Elkhovskaya, Tatarstan, 1988, hĺbka - 5 881 m.

10. Vorotilovská studňa, región Volga, 1989-1992, hĺbka - 5 374 m. Hľadanie diamantov, štúdium astroblému Puchezh-Katunskaya.

11. Krivoj Rog SG-8, Ukrajina, 1984-1993, hĺbka - 5 382 m. Návrhová hĺbka - 12 km. Hľadajte železité kremence.

Ural SG-4, Stredný Ural. Položená v roku 1985. Návrhová hĺbka - 15 000 m Aktuálna hĺbka - 6 100 m Hľadanie medených rúd, štúdium štruktúry Uralu. En-Yakhtinskaya SG-7, Západná Sibír. Návrhová hĺbka - 7 500 m Aktuálna hĺbka - 6 900 m Vyhľadávanie ropy a plynu.