Duboko u vrućim rudama

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Zadnja promjena: 2023-12-16 16:06

20. stoljeće je obilježeno trijumfom čovjeka u zraku i osvajanjem najdubljih depresija Svjetskog oceana. Neostvariv ostaje samo san o prodiranju u srce našeg planeta i spoznavanju dotada skrivenog života njegovih utroba. "Putovanje u središte Zemlje" obećava da će biti iznimno teško i uzbudljivo, ispunjeno puno iznenađenja i nevjerojatnih otkrića. Prvi koraci na tom putu već su napravljeni – u svijetu je izbušeno nekoliko desetaka superdubokih bušotina. Podaci dobiveni uz pomoć ultra-dubokog bušenja pokazali su se toliko neodoljivima da su razbili uvriježene ideje geologa o strukturi našeg planeta i pružili najbogatiji materijal za istraživače u različitim područjima znanja.

Dodirnite plašt

Vredni Kinezi u 13. stoljeću kopali su bunare duboke 1200 metara. Europljani su 1930. godine oborili kineski rekord naučivši kako probiti zemlju bušaćim uređajima u dužini od 3 kilometra. Krajem 1950-ih bunari su se protezali i do 7 kilometara. Počelo je doba ultra-dubokog bušenja.

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

Projekt Mokhol

Godine 1958. u Sjedinjenim Državama pojavio se Mohol program superdubokog bušenja. Ovo je jedan od najodvažnijih i najtajnovitijih projekata u poslijeratnoj Americi. Poput mnogih drugih programa, Mohol je trebao prestići SSSR u znanstvenom rivalstvu, postavljajući svjetski rekord u ultradubokom bušenju. Naziv projekta dolazi od riječi "Mohorovičić" - to je ime hrvatskog znanstvenika koji je razlikovao sučelje između zemljine kore i plašta - granice Mohoa, i "rupa", što na engleskom znači "bunar".. Kreatori programa odlučili su se za bušenje u oceanu, gdje je, prema riječima geofizičara, zemljina kora mnogo tanja nego na kontinentima. Bilo je potrebno spustiti cijevi nekoliko kilometara u vodu, prijeći 5 kilometara oceanskog dna i doći do gornjeg plašta.

U travnju 1961., kod otoka Guadeloupe u Karipskom moru, gdje vodeni stup 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 s gornjim slojem zemljine kore - granitom. Ali jezgra podignuta ispod sedimenata sadržavala je čiste bazalte - svojevrsni antipod granita. Rezultat bušenja obeshrabrio je, a ujedno i nadahnuo znanstvenike, počeli su pripremati novu fazu bušenja. Ali kada je trošak projekta premašio 100 milijuna dolara, američki Kongres je prestao financirati. Mohol nije odgovorio ni na jedno od postavljenih pitanja, ali je pokazao ono glavno - superduboko bušenje u oceanu je moguće.

Sprovod se odgađa

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 stajalište o suhom podzemlju. To je prvi put otkriveno tijekom bušenja superdubine Kole, 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 slobodno se kreću pod pritiskom od nekoliko stotina atmosfere. Ovo otkriće jedno je od najvažnijih dostignuća ultradubokog bušenja. To nas je natjeralo da se ponovno okrenemo problemu zakopavanja radioaktivnog otpada koji je trebao biti smješten u duboke bunare, što se činilo potpuno sigurnim. S obzirom na informacije o stanju podzemlja dobivene tijekom superdubokog bušenja, projekti za stvaranje takvih odlagališta sada izgledaju vrlo rizično.

U potrazi za rashlađenim paklom

Od tada je svijet obolio od ultra-dubokog bušenja. U SAD-u se pripremao novi program za proučavanje oceanskog dna (Deep Sea Drilling Project). Glomar Challenger, izgrađen posebno za ovaj projekt, proveo je nekoliko godina u vodama raznih oceana i mora, izbušivši gotovo 800 bušotina na njihovom dnu, dosegnuvši maksimalnu dubinu od 760 m. Sredinom 1980-ih, rezultati bušenja na moru potvrdili su teoriju tektonike ploča. Geologija kao znanost ponovno se rodila. U međuvremenu, Rusija je krenula svojim putem. Zanimanje za problem, potaknuto uspjesima Sjedinjenih Država, rezultiralo je programom "Istraživanje unutrašnjosti Zemlje i superdeep drilling", ali ne u oceanu, već na kontinentu. Unatoč stoljetnoj povijesti, kontinentalno bušenje činilo se kao potpuno nov posao. Uostalom, govorili smo o dosad nedostižnim dubinama - više od 7 kilometara. Nikita Hruščov je 1962. odobrio ovaj program, iako je bio vođen političkim, a ne znanstvenim motivima. Nije želio zaostajati za Sjedinjenim Državama.

Novostvoreni laboratorij na Institutu za tehnologiju bušenja vodio je poznati naftni radnik, doktor tehničkih znanosti Nikolaj Timofejev. Naloženo mu je da potkrijepi mogućnost superdubokog bušenja u kristalnim stijenama – granitima i gnajsima. Istraživanja su trajala 4 godine, a 1966. godine stručnjaci su donijeli presudu - bušiti se može, i to ne nužno s 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 svaka 33 metra za 1 stupanj. To znači da na dubini od 10 km treba očekivati oko 300 ° C, a na 15 km - gotovo 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 poluotoka Kola. Izvješće pripremljeno na Institutu za fiziku Zemlje glasilo je: tijekom milijardi godina svog postojanja štit Kola se ohladio, temperatura na dubini od 15 km ne prelazi 150 ° C. I geofizičari su pripremili približni dio poluotoka Kola. Prema njima, prvih 7 kilometara su granitni slojevi gornjeg dijela zemljine kore, zatim počinje bazaltni sloj. Tada je ideja o dvoslojnoj strukturi zemljine kore bila općenito prihvaćena. No, kako se kasnije pokazalo, i fizičari i geofizičari su bili u krivu. Mjesto za bušenje odabrano je na sjevernom kraju poluotoka Kola u blizini jezera Vilgiskoddeoayvinjärvi. Na finskom to znači "Pod vučjom gorom", iako na tom mjestu nema planina ni vukova. Bušenje bušotine, čija je projektna dubina bila 15 kilometara, počelo je u svibnju 1970. godine.

Alat za podzemni svijet

Bušenje bušotine Kola SG-3 nije zahtijevalo stvaranje temeljno novih uređaja i divovskih strojeva. Počeli smo raditi s onim što smo već imali: jedinicom Uralmash 4E nosivosti 200 tona i cijevima od lakih legura. Ono što je u to vrijeme bilo stvarno potrebno jesu nestandardna tehnološka rješenja. Doista, u tvrdim kristalnim stijenama do tako velike dubine nitko nije bušio, a što će se tamo dogoditi, zamišljali su samo općenito. Iskusni bušači, međutim, shvatili su da, koliko god da je projekt detaljan, prava bušotina bi bila puno složenija. Pet godina kasnije, kada je dubina bušotine SG-3 premašila 7 kilometara, postavljena je nova bušaća platforma Uralmash 15.000, jedna od najmodernijih u to vrijeme. Snažan, pouzdan, s automatskim okidačem, mogao je izdržati niz cijevi dug i 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 izrasli mini-postrojenje, znanstveni laboratoriji i skladište jezgre.

Kod bušenja na male dubine na površinu se ugrađuje motor koji rotira cijevni niz sa svrdlom na kraju. Bušilica je željezni cilindar s dijamantnim ili zubima od tvrde legure - malo. Ova kruna zagrize u stijene i od njih izrezuje tanak stupac - jezgru. Za hlađenje alata i uklanjanje sitnih krhotina iz bušotine, u njega se pumpa tekućina za bušenje - tekuća glina, koja cijelo vrijeme cirkulira duž bušotine, poput krvi u žilama. Nakon nekog vremena, cijevi se podižu na površinu, oslobađaju jezgre, mijenja se kruna i stup se ponovno spušta u dno rupe. Ovako funkcionira konvencionalno bušenje.

A ako je duljina cijevi 10-12 kilometara s promjerom od 215 milimetara? Niz cijevi postaje najtanja nit koja se spušta u bunar. Kako to upravljati? Kako vidjeti što se događa na licu? Stoga su na bušotini Kola, na dnu bušaće kolone, postavljene minijaturne turbine, pokrenute su bušaćim isplakom koji se pumpa kroz cijevi pod pritiskom. Turbine su rotirale karbidno svrdlo i reznu jezgru. Cijela tehnologija bila je dobro razvijena, operater na kontrolnoj ploči vidio je rotaciju svrdla, znao njegovu brzinu i mogao 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 Kolu kobna. Iza njega je počela neizvjesnost, mnoge nezgode i neprekidna borba sa kamenjem. Cijev se nije mogla držati uspravno. Kad smo prvi put putovali 12 km, bunar je odstupio od vertikale za 21°. Iako su bušači već naučili raditi s nevjerojatnom zakrivljenošću bušotine, bilo je nemoguće ići dalje. Bušotina je trebala biti izbušena od 7 km. Da biste napravili okomitu rupu u tvrdim stijenama, potrebno vam je vrlo tvrdo dno bušaće žice, kako bi ušla u utrobu poput ulja. Ali javlja se još jedan problem - bušotina se postupno širi, bušilica visi u njoj, kao u staklu, zidovi bušotine počinju se urušavati i mogu pritisnuti alat. Rješenje ovog problema pokazalo se originalnim - primijenjena je tehnologija njihala. Bušilica se umjetno ljuljala 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 ponovno 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 dogodili su se mnogo puta. Kao rezultat toga, u svom donjem dijelu bunar izgleda kao korijenski sustav divovske biljke. Grananje bušotine uznemirilo je bušaće, ali se pokazalo srećom za geologe, koji su neočekivano dobili trodimenzionalnu sliku impresivnog segmenta drevnih arhejskih stijena koje su nastale prije više od 2,5 milijarde godina.

U lipnju 1990. SG-3 je dosegao dubinu od 12.262 m. Bušotina se počela pripremati za bušenje do 14 km, a onda se opet dogodila nesreća - na koti od 8.550 m pukao je cijevni niz. Nastavak radova zahtijevao je dugu pripremu, obnovu opreme i nove troškove. 1994. obustavljeno je bušenje Kola Superdeep. Nakon 3 godine ušla je u Guinnessovu knjigu rekorda i još uvijek ostaje nenadmašna. Sada je bunar laboratorij za proučavanje dubokih crijeva.

Tajna crijeva

SG-3 je od početka povjerljivi objekt. Za to je kriv granični pojas, strateška ležišta u okrugu i znanstveni prioritet. Prvi stranac koji je posjetio mjesto bušenja bio je jedan od čelnika Akademije znanosti Čehoslovačke. Kasnije, 1975., u Pravdi je objavljen članak o Kola Superdeep s potpisom ministra geologije Aleksandra Sidorenka. Još uvijek nije bilo znanstvenih publikacija o bušotini Kola, ali su neke informacije procurile u inozemstvo. Prema glasinama, svijet je počeo učiti više - u SSSR-u se buši najdublja bušotina.

Vjerojatno bi veo tajne visio nad bunarom sve do same "perestrojke", da se 1984. godine u Moskvi nije dogodio Svjetski geološki kongres. Pomno su se pripremali za tako veliki događaj u znanstvenom svijetu, čak je izgrađena i nova zgrada za Ministarstvo geologije - mnogi su sudionici očekivali. No, strane kolege prvenstveno su se zanimali za superdubinu Kola! Amerikanci uopće nisu vjerovali da mi to imamo. Dubina bunara do tada je dosegla 12.066 metara. Više nije imalo smisla skrivati predmet. Sudionike kongresa u Moskvi je čekala izložba dostignuća ruske geologije, a jedan od štandova bio je posvećen bušotini SG-3. Stručnjaci iz cijelog svijeta zbunjeno su gledali konvencionalnu glavu bušilice s istrošenim zubima od karbida. I ovime buše najdublju bušotinu na svijetu? Nevjerojatan! Velika delegacija geologa i novinara otišla je u naselje Zapolarny. Posjetiteljima je prikazana platforma u akciji, a dijelovi cijevi od 33 metra su uklonjeni i odspojeni. Posvuda su bile hrpe potpuno istih glava za bušenje kao i ona koja je bila na štandu u Moskvi.

Izaslanstvo Akademije znanosti primio je poznati geolog, akademik Vladimir Belousov. Tijekom press konferencije postavljeno mu je pitanje iz publike:

- Što je najvažnije što je bunar Kola pokazao?

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

Duboko iznenađenje

Naravno, znali su ponešto o zemljinoj kori kontinenata. Činjenicu da su kontinenti sastavljeni od vrlo drevnih stijena, starih od 1,5 do 3 milijarde godina, nije opovrgao ni bunar Kola. Međutim, geološki presjek sastavljen na temelju jezgre SG-3 pokazao se upravo suprotnim od onoga što su znanstvenici ranije zamišljali. 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. Ovaj dio je prošao davno, ali bazalti donjeg sloja zemljine kore nikada se nigdje nisu pojavili. Naprotiv, počeli su graniti i gnajsovi.

Presjek bušotine Kola 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 tlaku i temperaturi svojstva stijena se, očito, mogu dramatično promijeniti, tako da graniti po svojim fizičkim karakteristikama postaju slični bazaltima, i obrnuto. Ali "bazalt" podignut na površinu s 12 kilometara dubine odmah je postao granit, iako je usput doživio jak napad "kesonske bolesti" - jezgra se raspala i raspala u ravne ploče. Što je bunar dalje išao, to su manje kvalitetni uzorci padali u ruke znanstvenicima.

Dubina je sadržavala mnoga iznenađenja. Prije 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 znanstvenike u suprotno. Počevši od 9 kilometara, slojevi su se pokazali vrlo poroznim i doslovno natrpanim pukotinama duž kojih su kružile vodene otopine. Kasnije su tu činjenicu potvrdile i druge superduboke bušotine na kontinentima. Ispostavilo se da je na dubini mnogo toplije od očekivanog: za čak 80°! Na oznaci od 7 km, temperatura u dnu rupe bila je 120 ° C, na 12 km je već dosegla 230 ° C. U uzorcima bunara Kola znanstvenici 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 za traženje depozita - u prosjeku 37,7 mg po toni stijene, ali dovoljno za očekivati na drugim sličnim mjestima.

Na ruskom tragu

Demonstracija bunara Kola 1984. godine ostavila je dubok dojam na svjetsku zajednicu. Mnoge zemlje počele su pripremati znanstvene projekte bušenja na kontinentima. Takav program odobren je i 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 se zbog nepredvidivo visokih temperatura moglo doći samo do granice od 9,1 km. Zbog otvorenosti podataka o bušenju i znanstvenom radu, dobre tehnologije i dokumentacije, ultraduboka KTV bušotina ostaje jedna od najpoznatijih u svijetu.

Mjesto za bušenje ove bušotine odabrano je na jugoistoku Bavarske, na ostacima drevnog planinskog lanca, čija se starost procjenjuje na 300 milijuna godina. Geolozi su vjerovali da negdje ovdje postoji zona spajanja dviju ploča, koje su nekada bile obale oceana. Prema znanstvenicima, s vremenom se gornji dio planina istrošio, otkrivajući ostatke drevne oceanske kore. Još dublje, deset kilometara od površine, geofizičari su otkrili veliko tijelo nenormalno visoke električne vodljivosti. Također su se nadali da će razjasniti njegovu prirodu uz pomoć bunara. No, glavni izazov bio je doseći dubinu od 10 km kako bi se steklo iskustvo u ultradubokom bušenju. Nakon proučavanja materijala Kola SG-3, njemački bušači odlučili su prvo izbušiti probnu bušotinu dubine 4 km kako bi dobili točniju predodžbu o uvjetima rada u podzemlju, testirali tehniku i uzeli jezgru. Na kraju probnog rada, velik dio bušaće i znanstvene opreme morao je biti izmijenjen, a nešto se moralo ponovno stvoriti.

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. Samovođeni vertikalni sustav bušenja omogućio je izradu gotovo okomite rupe. Teoretski, s takvom opremom bilo je moguće bušiti do dubine od 12 kilometara. No, stvarnost se, kao i uvijek, pokazala kompliciranijom, a planovi znanstvenika nisu se ostvarili.

Problemi na KTV bušotini počeli su nakon dubine od 7 km, ponovivši veći dio sudbine Kola Superdeep. U početku se vjeruje da se zbog visoke temperature pokvario vertikalni sustav bušenja i da je rupa otišla ukoso. Na kraju radova dno je odstupilo od vertikale za 300 m. Zatim su počele kompliciranije nezgode - prekid bušaće kolone. Kao i na Kolu, trebalo je bušiti nova okna. Određene poteškoće izazvalo je sužavanje bušotine - na vrhu je njezin promjer bio 71 cm, na dnu - 16,5 cm. Beskrajne nesreće i visoka temperatura u dnu bušotine –270 ° C prisilile su bušače da prestanu s radom nedaleko od željenog cilja.

Ne može se reći da su znanstveni rezultati KTV Hauptborunga pogodili maštu znanstvenika. Na dubini su se uglavnom taložili amfiboliti i gnajsi, drevne metamorfne stijene. Zona konvergencije oceana i ostaci oceanske 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 bušotina, koja je njemački proračun koštala 338 milijuna dolara, došla je pod pokroviteljstvo Znanstvenog centra za geologiju u Potsdamu, pretvorena je u laboratorij za promatranje dubokog podzemlja i turističko odredište.

Najdublji bunari na svijetu

1. Aralsor SG-1, Kaspijska nizina, 1962-1971, dubina - 6, 8 km. Potraga za naftom i plinom.

2. Biikzhal SG-2, Kaspijska nizina, 1962-1971, dubina - 6, 2 km. Potraga za naftom i plinom.

3. Kola SG-3, 1970-1994, dubina - 12 262 m. Projektna dubina - 15 km.

4. Saatlinskaya, Azerbajdžan, 1977-1990, dubina - 8 324 m. Dubina projekta - 11 km.

5. Kolvinskaya, regija Arkhangelsk, 1961., dubina - 7.057 m.

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

3 km. Projektna dubina je 7 km. Potraga za zlatom.

7. Timan-Pechora SG-5, sjeveroistok Rusije, 1984-1993, dubina - 6904 m, projektna dubina - 7 km.

8. Tyumen SG-6, Zapadni Sibir, 1987.-1996., dubina - 7.502 m. Projektna dubina - 8 km. Potraga za naftom i plinom.

9. Novo-Elkhovskaya, Tatarstan, 1988., dubina - 5.881 m.

10. Vorotilovskaya bušotina, Volga regija, 1989-1992, dubina - 5374 m. Potraga za dijamantima, proučavanje astrobleme Puchezh-Katunskaya.

11. Krivoy Rog SG-8, Ukrajina, 1984-1993, dubina - 5 382 m. Projektna dubina - 12 km. Potraga za željeznim kvarcitima.

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