Sügaval kuumade maakide sees

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Viimati modifitseeritud: 2023-12-16 16:03

20. sajandit iseloomustas inimese võidukäik õhus ja maailmamere sügavaimate lohkude vallutamine. Ainult unistus tungida meie planeedi südamesse ja tunda selle sisikonna seni varjatud elu, jääb saavutamatuks. "Teekond Maa keskmesse" tõotab tulla äärmiselt raske ja põnev, tulvil palju üllatusi ja uskumatuid avastusi. Esimesed sammud sellel teel on juba astutud – maailmas on puuritud mitukümmend ülisügavat puurauku. Ülisügavate puurimiste abil saadud teave osutus sedavõrd ülekaalukaks, et purustas geoloogide väljakujunenud ettekujutused meie planeedi ehitusest ja pakkus erinevate teadmiste valdkondade teadlastele rikkalikumaid materjale.

Puudutage mantlit

Töökad hiinlased kaevasid 13. sajandil 1200 meetri sügavused kaevud. Eurooplased purustasid Hiina rekordi 1930. aastal, õppides puurplatvormidega maad läbistama 3 kilomeetrit. 1950. aastate lõpus ulatusid kaevud kuni 7 kilomeetrini. Algas ülisügava puurimise ajastu.

Nagu enamik globaalseid projekte, tekkis ka Maa ülemise kesta puurimise idee 1960. aastatel, kosmoselendude kõrgajal ning usust teaduse ja tehnoloogia piiramatutesse võimalustesse. Ameeriklased ei mõelnud vähemasti välja, kui läbivad kaevuga kogu maakoore ja võtavad proove ülemise vahevöö kivimitest. Vahevöö mõisted põhinesid siis (nagu ka praegu) ainult kaudsetel andmetel - seismiliste lainete levimiskiirusel soolestikus, mille muutust tõlgendati erineva vanuse ja koostisega kivimikihtide piirina. Teadlased uskusid, et maakoor on nagu võileib: peal noored kivid, all iidsed kivid. Täpse pildi Maa väliskesta ja ülemise vahevöö ehitusest ja koostisest sai aga anda vaid ülisügav puurimine.

Mokholi projekt

1958. aastal ilmus USA-s Moholi ülisügavpuurimise programm. See on üks julgemaid ja salapärasemaid projekte sõjajärgses Ameerikas. Nagu paljud teised programmid, oli Mohol eesmärk ületada NSV Liit teaduslikus rivaalitsemises, püstitades ülisügavpuurimise maailmarekordi. Projekti nimi tuleneb sõnadest "Mohorovicic" - see on Horvaatia teadlase nimi, kes eristas maakoore ja vahevöö liidest - Moho piiri, ja "hole", mis tähendab inglise keeles "kaevu".. Programmi loojad otsustasid puurida ookeani, kus geofüüsikute sõnul on maakoor palju õhem kui mandritel. Tuli lasta torud mitu kilomeetrit vette, läbida 5 kilomeetrit ookeanipõhja ja jõuda ülemisse vahevöösse.

1961. aasta aprillis puurisid geoloogid Kariibi meres Guadeloupe'i saare lähedal, kus veesammas ulatub 3,5 km kõrgusele, viis kaevu, millest sügavaim sisenes põhja 183 meetri sügavusel. Esialgsete arvutuste kohaselt võisid nad selles kohas settekivimite all kohtuda maakoore ülemise kihi – graniidiga. Kuid setete alt välja tõstetud südamik sisaldas puhtaid basalte – omamoodi graniidi antipoodi. Puurimise tulemus heidutas ja samal ajal inspireeris teadlasi ning nad hakkasid ette valmistama uut puurimisetappi. Kuid kui projekti maksumus ületas 100 miljonit dollarit, lõpetas USA Kongress rahastamise. Mohol ei vastanud ühelegi esitatud küsimusele, kuid see näitas peamist – supersügav puurimine ookeanis on võimalik.

Matused lükatakse edasi

Ülisügav puurimine võimaldas vaadata sügavustesse ja mõista, kuidas kivimid kõrgel rõhul ja temperatuuril käituvad. Arvamus, et sügavusega kivimid muutuvad tihedamaks ja nende poorsus väheneb, osutus valeks, nagu ka seisukoht kuiva aluspinnase kohta. See avastati esmakordselt Koola ülisügavuse puurimisel, teised iidsete kristalsete kihtide kaevud kinnitasid tõsiasja, et paljude kilomeetrite sügavusel lõhuvad kivimid pragudest ja läbistavad arvukad poorid ning vesilahused liiguvad vabalt mitmesajalise rõhu all. atmosfäärid. See avastus on ülisügava puurimise üks olulisemaid saavutusi. See sundis meid taas pöörduma sügavatesse kaevudesse paigutatud radioaktiivsete jäätmete matmise probleemi poole, mis tundus täiesti ohutu. Arvestades ülisügavpuurimise käigus saadud teavet aluspõhja seisukorra kohta, näivad selliste hoidlate loomise projektid praegu väga riskantsed.

Jahenenud põrgu otsimisel

Sellest ajast peale on maailm haigestunud ülisügava puurimisega. Ameerika Ühendriikides valmistati ette uus programm ookeanipõhja uurimiseks (Deep Sea Drilling Project). Spetsiaalselt selle projekti jaoks ehitatud Glomar Challenger veetis mitu aastat erinevate ookeanide ja merede vetes, puurides nende põhja ligi 800 kaevu, mille maksimaalne sügavus oli 760 m. 1980. aastate keskpaigaks kinnitasid avamere puurimistulemused teooriat laamtektoonikast. Geoloogia kui teadus sündis uuesti. Vahepeal läks Venemaa oma teed. Huvi probleemi vastu, mida tekitas USA edu, andis tulemuseks programmi "Maa sisemuse uurimine ja ülisügavad puurimised", kuid mitte ookeanis, vaid mandril. Vaatamata sajanditepikkusele ajaloole tundus mandri puurimine täiesti uus äri. Ju me rääkisime varem kättesaamatutest sügavustest - rohkem kui 7 kilomeetrit. 1962. aastal kiitis Nikita Hruštšov selle programmi heaks, kuigi ta lähtus pigem poliitilistest kui teaduslikest motiividest. Ta ei tahtnud USA-st maha jääda.

Puurimistehnoloogia instituudis vastloodud laboratooriumi juhtis kuulus naftatööline, tehnikateaduste doktor Nikolai Timofejev. Talle tehti ülesandeks põhjendada ülisügavpuurimise võimalust kristalsetes kivimites – graniitides ja gneissides. Uurimine kestis 4 aastat ja 1966. aastal tegid eksperdid otsuse - puurida saab ja mitte ilmtingimata homse tehnikaga, piisab juba olemasolevast tehnikast. Peamine probleem on sügavuse kuumus. Arvutuste kohaselt peaks temperatuur maakoore moodustavatesse kivimitesse tungides tõusma iga 33 meetri järel 1 kraadi võrra. See tähendab, et 10 km sügavusel tuleks oodata umbes 300 ° С ja 15 km kõrgusel peaaegu 500 ° С. Puurimistööriistad ja -seadmed ei pea sellist kuumutamist vastu. Tuli otsida koht, kus sooled nii kuumad poleks…

Selline koht leiti – Koola poolsaare iidne kristalne kilp. Maa Füüsika Instituudis koostatud raportis seisis: Koola kilp on oma eksisteerimise miljardite aastate jooksul jahtunud, temperatuur 15 km sügavusel ei ületa 150 ° C. Ja geofüüsikud valmistasid ette ligikaudse lõigu Koola poolsaarest. Nende järgi on esimesed 7 kilomeetrit maakoore ülemise osa graniitkihid, seejärel algab basaldikiht. Siis võeti maakoore kahekihilise struktuuri idee üldiselt heaks. Kuid nagu hiljem selgus, eksisid nii füüsikud kui ka geofüüsikud. Puurimiskoht valiti Koola poolsaare põhjaotsas Vilgiskoddeoayvinjärvi järve lähedal. Soome keeles tähendab see "Hundimäe all", kuigi selles kohas pole mägesid ega hunte. Kaevu, mille projekteerimissügavus oli 15 kilomeetrit, puurimist alustati 1970. aasta mais.

Tööriist allilma jaoks

Koola kaevu SG-3 puurimine ei nõudnud põhimõtteliselt uute seadmete ja hiiglaslike masinate loomist. Asusime tööle sellega, mis meil juba oli: Uralmash 4E agregaat tõstevõimega 200 tonni ja kergsulamist torud. Sel ajal oli väga vaja ebastandardseid tehnoloogilisi lahendusi. Tõepoolest, kõvades kristalsetes kivimites nii suure sügavusega ei puurinud keegi ja mis seal juhtuma hakkab, kujutasid nad ainult üldjoontes ette. Kogenud puurijad mõistsid aga, et ükskõik kui üksikasjalik projekt ka ei oleks, oleks päris kaev palju keerulisem. Viis aastat hiljem, kui SG-3 sügavus ületas tublisti 7 kilomeetrit, paigaldati uus Uralmash 15 000 puurseade, mis oli tol ajal üks moodsamaid. Võimas, töökindel, automaatse päästikmehhanismiga talub kuni 15 km pikkust torujuhet. Puurimisseade on muutunud täielikult mantliga 68 m kõrguseks torniks, mis talub Arktikas möllavaid tugevaid tuuli. Lähedusse on kasvanud minitehas, teaduslaborid ja südamikuhoidla.

Madala sügavusega puurimisel paigaldatakse pinnale mootor, mis pöörleb torujuhtme otsas oleva puuriga. Puur on rauast silinder, millel on teemant- või kõvasulamist hambad - natuke. See kroon hammustab kive ja lõikab neist välja õhukese samba – südamiku. Tööriista jahutamiseks ja kaevust väikese prahi eemaldamiseks pumbatakse sellesse puurimisvedelikku - vedelat savi, mis ringleb kogu aeg mööda puurauku nagu veri veresoontes. Mõne aja pärast tõstetakse torud pinnale, vabastatakse südamikust, võra vahetatakse ja sammas lastakse uuesti põhjaauku. Nii toimib tavaline puurimine.

Ja kui tünni pikkus on 10-12 kilomeetrit läbimõõduga 215 millimeetrit? Torude nöörist saab kõige peenem niit, mis kaevu langetatakse. Kuidas seda hallata? Kuidas näha, mis näos toimub? Seetõttu paigaldati Koola kaevule puurvarda põhja miniatuursed turbiinid, need käivitati surve all läbi torude pumbatud muda puurimisega. Turbiinid pöörasid karbiidiotsikut ja lõikasid südamikku. Kogu tehnoloogia oli hästi välja töötatud, juhtpuldi operaator nägi otsaku pöörlemist, teadis selle kiirust ja oskas protsessi juhtida.

Iga 8-10 meetri järel tuli üles tõsta mitmekilomeetrine torunöör. Laskumine ja tõus kestsid kokku 18 tundi.

Numbri "7" salakavalus

7 kilomeetrit - Koola ülisügavuse saatuslikuks märgiks. Selle taga algas ebakindlus, palju õnnetusi ja pidev võitlus kividega. Tünni ei saanud püsti hoida. Kui sõitsime esimest korda 12 km, kaldus kaev vertikaalist 21 ° võrra kõrvale. Kuigi puurijad olid juba õppinud puuraugu uskumatu kõverusega töötama, oli võimatu kaugemale minna. Kaevu pidi puurima alates 7 km märgist. Kõvade kivide sisse vertikaalse augu saamiseks vajate puurnööri väga kõva põhja, et see siseneks soolestikku nagu õli. Kuid tekib veel üks probleem - kaev laieneb järk-järgult, puur rippub selles, nagu klaasis, hakkavad puuraugu seinad kokku varisema ja võivad tööriista alla suruda. Selle probleemi lahendus osutus originaalseks - rakendati pendlitehnoloogiat. Puur kõigutas kaevus kunstlikult ja summutas tugevat vibratsiooni. Tänu sellele osutus pagasiruum vertikaalseks.

Kõige tavalisem õnnetus mis tahes seadmel on torujuhtme katkemine. Tavaliselt püütakse torusid uuesti kinni püüda, kuid kui see juhtub suurel sügavusel, muutub probleem lahendamatuks. 10-kilomeetrisest puurkaevust on tööriista otsimine mõttetu, selline puurauk visati ja hakati uut, veidi kõrgemat. Toru purunemine ja kadu SG-3 juures juhtus mitu korda. Selle tulemusena näeb kaev selle alumises osas välja nagu hiiglasliku taime juurestik. Kaevu hargnemine häiris puurijaid, kuid osutus õnneks geoloogidele, kes said ootamatult kolmemõõtmelise pildi rohkem kui 2,5 miljardi aasta eest tekkinud iidsetest arheaaegsetest kivimitest.

1990. aasta juunis jõudis SG-3 sügavusele 12 262 m. Kaevu hakati ette valmistama kuni 14 km puurimiseks ja siis juhtus uuesti õnnetus – 8550 m kõrgusel katkes torujuhe. Tööde jätkamine nõudis pikka ettevalmistust, seadmete uuendamist ja uusi kulutusi. 1994. aastal lõpetati Koola supersügavuse puurimine. 3 aasta pärast astus ta Guinnessi rekordite raamatusse ja on endiselt ületamatu. Nüüd on kaev sügavate soolte uurimise labor.

Salajased sooled

SG-3 on algusest peale olnud salastatud rajatis. Süüdi on piiritsoon, rajooni strateegilised maardlad ja teaduslik prioriteet. Esimene välismaalane, kes puurimiskohta külastas, oli üks Tšehhoslovakkia Teaduste Akadeemia juhte. Hiljem, 1975. aastal, ilmus Pravdas artikkel Koola supersügavuse kohta, millele oli alla kirjutanud geoloogiaminister Aleksandr Sidorenko. Koola kaevu kohta teaduspublikatsioone endiselt ei ilmunud, kuid osa infot lekkis välismaale. Kuulduste kohaselt hakkas maailm rohkem õppima - NSV Liidus puuritakse sügavaimat kaevu.

Tõenäoliselt oleks kaevu kohal kuni päris "perestroikani" rippunud saladuseloor, kui 1984. aastal Moskvas poleks toimunud Maailma Geoloogiakongressi. Niisuguseks teadusmaailma suursündmuseks valmistuti hoolega, geoloogiaministeeriumile ehitati isegi uus hoone – osalejaid ootas palju. Väliskolleege aga huvitas eelkõige Koola supersügav! Ameeriklased ei uskunud üldse, et see meil on. Kaevu sügavus oli selleks ajaks ulatunud 12 066 meetrini. Objekti peita polnud enam mõtet. Moskvas ootas kongressil osalejaid Venemaa geoloogia saavutuste näitus, üks stend oli pühendatud SG-3 kaevule. Eksperdid üle kogu maailma vaatasid hämmeldunult tavalist kulunud karbiidhammastega puuripead. Ja sellega nad puurivad maailma sügavaima kaevu? Uskumatu! Zapolyarnõi asulasse läks suur delegatsioon geolooge ja ajakirjanikke. Külastajatele näidati platvormi töös ning eemaldati ja ühendati lahti 33-meetrised toruosad. Ümberringi olid hunnikutes täpselt samasugused puuripead, mis Moskvas stendil seisis.

Teaduste Akadeemia delegatsiooni võttis vastu tuntud geoloog, akadeemik Vladimir Belousov. Pressikonverentsil esitati talle publikult küsimus:

- Mis on kõige olulisem asi, mida Koola kaev on näidanud?

- Härrased! Kõige tähtsam on see, et see näitas, et me ei tea mandri maakoorest midagi, - vastas teadlane ausalt.

Sügav üllatus

Muidugi teadsid nad midagi mandrite maapõuest. Isegi Koola kaev ei lükanud ümber tõsiasja, et mandrid koosnevad väga iidsetest kivimitest, mille vanus on 1,5–3 miljardit aastat. SG-3 tuuma põhjal koostatud geoloogiline läbilõige osutus aga täpselt vastupidiseks sellele, mida teadlased varem ette kujutasid. Esimesed 7 kilomeetrit moodustasid vulkaanilised ja settekivimid: tuffid, basaltid, bretšad, liivakivid, dolomiidid. Sügavamal asus nn Conradi lõik, mille järel tõusis järsult seismiliste lainete kiirus kivimites, mida tõlgendati graniidi ja basaltide vahelise piirina. See lõik sai ammu läbitud, aga maakoore alumise kihi basaltid ei ilmunud kunagi kuskile. Vastupidi, algasid graniidid ja gneissid.

Koola läbilõige lükkas hästi ümber maakoore kahekihilise mudeli ja näitas, et soolestikus olevad seismilised lõigud ei ole erineva koostisega kivimite kihtide piirid. Pigem viitavad need kivi omaduste muutumisele sügavusega. Kõrgel rõhul ja temperatuuril võivad kivimite omadused ilmselt dramaatiliselt muutuda, nii et graniidid muutuvad oma füüsikaliste omaduste poolest sarnaseks basaltidega ja vastupidi. Kuid 12 kilomeetri sügavuselt pinnale tõstetud “basalt” muutus kohe graniidiks, ehkki koges sellel teel tõsist “kessonihaiguse” rünnakut - südamik murenes ja lagunes lamedaks naastuks. Mida kaev edasi, seda vähem kvaliteetseid proove teadlaste kätte sattus.

Sügavus sisaldas palju üllatusi. Varem oli loomulik arvata, et maapinnast kaugenedes ja rõhu suurenedes muutuvad kivimid monoliitsemaks, väheste pragude ja pooridega. SG-3 veenis teadlasi vastupidises. Alates 9 kilomeetrist osutusid kihid väga poorseks ja sõna otseses mõttes täis pragusid, mida mööda vesilahused ringlesid. Hiljem kinnitasid seda tõsiasja ka teised supersügavad kaevud mandritel. Sügavuses osutus oodatust palju palavamaks: koguni 80 ° võrra! 7 km märgil oli põhjaaugu temperatuur 120 ° С, 12 km kõrgusel oli see jõudnud juba 230 ° С. Koola kaevu proovides avastasid teadlased kulla mineralisatsiooni. Väärismetalli kandmisi leiti iidsetest kivimitest 9, 5-10, 5 km sügavuselt. Kulla kontsentratsioon oli aga maardla nõudmiseks liiga madal – keskmiselt 37,7 mg kivimitonni kohta, kuid piisav, et seda teistes sarnastes kohtades oodata.

Vene rajal

Koola kaevu demonstratsioon 1984. aastal avaldas maailma üldsusele sügavat muljet. Paljud riigid on alustanud mandritel teaduspuurimisprojektide ettevalmistamist. Selline programm kiideti 1980. aastate lõpus heaks ka Saksamaal. Ülisügav puurkaev KTB Hauptborung puuriti aastatel 1990-1994, plaani järgi pidi see jõudma 12 km sügavusele, kuid ettearvamatult kõrgete temperatuuride tõttu õnnestus saada vaid 9,1 km märgini. Tänu puurimis- ja teadustöö andmete avalikkusele, heale tehnikale ja dokumentatsioonile on KTV ülisügav kaev jätkuvalt üks tuntumaid maailmas.

Selle kaevu puurimise koht valiti Baierimaa kaguosas, iidse mäeaheliku jäänustel, mille vanuseks hinnatakse 300 miljonit aastat. Geoloogid uskusid, et kusagil siin on kahe laama, mis kunagi olid ookeani kaldad, ühinemisvöönd. Teadlaste hinnangul on mägede ülemine osa aja jooksul kulunud, paljastades iidse ookeanilise maakoore jäänused. Veelgi sügavamal, kümne kilomeetri kaugusel maapinnast, avastasid geofüüsikud suure ebaharilikult kõrge elektrijuhtivusega keha. Selle olemust loodeti ka kaevu abil selgeks teha. Kuid peamine väljakutse oli jõuda 10 km sügavusele, et saada kogemusi ülisügaval puurimisel. Olles uurinud Kola SG-3 materjale, otsustasid Saksa puurijad esmalt puurida 4 km sügavuse proovikaevu, et saada täpsem ülevaade aluspinnase töötingimustest, katsetada tehnikat ja võtta südamik. Piloottöö lõppedes tuli suurt osa puurimis- ja teadusseadmetest ümber teha ning midagi tuli uuesti luua.

Peamine – ülisügav – kaev KTV Hauptborung rajati esimesest vaid kahesaja meetri kaugusel. Tööks püstitati 83-meetrine torn ja toona võimsaim 800-tonnise tõstevõimega puurseade. Paljud puurimistoimingud on automatiseeritud, peamiselt torujuhtme langetamise ja taastamise mehhanism. Isejuhitav vertikaalne puurimissüsteem võimaldas teha peaaegu vertikaalse augu. Teoreetiliselt oli sellise seadmega võimalik puurida 12 kilomeetri sügavusele. Kuid tegelikkus, nagu alati, osutus keerulisemaks ja teadlaste plaanid ei täitunud.

Probleemid KTV kaevu juures said alguse pärast 7 km sügavust, kordades suures osas Koola supersügavuse saatust. Algul arvatakse, et kõrge temperatuuri tõttu läks vertikaalne puurimissüsteem katki ja auk läks viltu. Töö lõppedes kaldus põhi vertikaalist kõrvale 300 m. Seejärel algasid keerulisemad õnnetused - puurnööri purunemine. Nii nagu Kolal, tuli puurida uued võllid. Teatud raskusi tekitas kaevu ahenemine - ülaosas oli selle läbimõõt 71 cm, all - 16,5 cm. Lõputud õnnetused ja kõrge põhjaaugu temperatuur –270 ° C sundisid puurijad oma töö lõpetama, mitte kaugel hinnalisest eesmärgist.

Ei saa öelda, et KTV Hauptborungi teaduslikud tulemused oleks teadlaste kujutlusvõimet rabanud. Sügavusse ladestusid peamiselt amfiboliidid ja gneissid, iidsed moondekivimid. Ookeani lähenemisvööndit ja ookeanilise maakoore jäänuseid pole kusagilt leitud. Võib-olla on nad teises kohas, siin on väike kristalne massiiv, mis on üles pööratud 10 km kõrgusele. Maapinnast kilomeetri kaugusel avastati grafiidimaardla.

1996. aastal läks Saksamaa eelarvele 338 miljonit dollarit maksma läinud KTV kaev Potsdami geoloogia teaduskeskuse patrooniks, sellest tehti sügava maapõue vaatlemise labor ja turismisihtkoht.

Maailma sügavaimad kaevud

1. Aralsor SG-1, Kaspia madalik, 1962-1971, sügavus - 6, 8 km. Otsige naftat ja gaasi.

2. Biikzhal SG-2, Kaspia madalik, 1962-1971, sügavus - 6, 2 km. Otsige naftat ja gaasi.

3. Kola SG-3, 1970-1994, sügavus - 12 262 m Projekteerimissügavus - 15 km.

4. Saatlinskaja, Aserbaidžaan, 1977-1990, sügavus - 8 324 m Projekteerimissügavus - 11 km.

5. Kolvinskaja, Arhangelski oblast, 1961, sügavus - 7057 m.

6. Muruntau SG-10, Usbekistan, 1984, sügavus -

3 km. Projekteerimissügavus on 7 km. Otsige kulda.

7. Timan-Petšora SG-5, Kirde-Venemaa, 1984-1993, sügavus - 6904 m, projekteeritud sügavus - 7 km.

8. Tjumen SG-6, Lääne-Siber, 1987-1996, sügavus - 7502 m Projekteerimissügavus - 8 km. Otsige naftat ja gaasi.

9. Novo-Elhovskaja, Tatarstan, 1988, sügavus - 5881 m.

10. Vorotilovskaja kaev, Volga piirkond, 1989-1992, sügavus - 5374 m. Teemantide otsimine, Putšež-Katunskaja astrobleemi uurimine.

11. Krivoy Rog SG-8, Ukraina, 1984-1993, sügavus - 5 382 m Projekteerimissügavus - 12 km. Otsige raudkvartsiite.

Uural SG-4, Kesk-Uural. Pandi maha 1985. aastal. Projekteerimissügavus - 15 000 m Praegune sügavus - 6 100 m Vasemaagide otsimine, Uurali ehituse uurimine. En-Yakhtinskaya SG-7, Lääne-Siber. Projekteerimissügavus - 7500 m Praegune sügavus - 6 900 m Nafta ja gaasi otsimine.