С. Р. Веркулич, Л. М. Саватюгин, Н. М. Васильев, Б. Б. Кудряшов, Н. И. Барков, И. Н. Кузьмина. Технология экологически безопасного проникновения в подледниковое озеро Восток (Антарктида)

УДК 550.822 (99)

Введение

Открытие подледникового оз. Восток (центральный район Восточной Антарктиды (рис. 1, а, б) и формирование представлений о его основных параметрах стали возможны благодаря гляциологическим, микробиологическим, геофизическим и спутниковым радарным исследованиям, а также моделированию [Саламатин и др., 1998; Лукин и др., 2000; Ridley et al., 1993; Kapitsa et al., 1996; Siegert, Ridley, 1998; Jouzel et al., 1999; Karl et al., 1999; Priscu et al., 1999; Siegert et al., 2000]. Они позволили установить, что оз. Восток, расположенное под ледниковой толщей мощностью от 3700 до 4200 м, протягивается примерно на 280 км в субмеридиональном и на 60 км в субширотном направлениях, имеет глубину до 950 м и содержит донные осадки мощностью до 330 м. Предполагается, что озеро пресное, изолированное от окружающей среды на земной поверхности в течение миллионов лет, и поэтому оно может содержать уникальные микроорганизмы.

Рис. 1. Местоположение станции Восток (а), оз. Восток (б) и схематический разрез системы ледник-озеро в районе скважины 5Г-1, станция Восток (в)

Продолжение перечисленных исследований в ближайшие годы позволит уточнить плановые очертания и морфологические особенности озерной котловины, получить новые данные для более корректного моделирования характеристик системы ледник-озеро Восток и о наличии или отсутствии здесь каких-либо форм жизни. Однако результаты исследований не смогут достоверно и полно охарактеризовать особенности водной толщи озера (физические условия, химический и изотопный состав, биоту) и его донных осадков (генезис, состав, возраст). Для этого необходимо его прямое изучение (проникновение в озеро, измерение его параметров и отбор проб воды и донных осадков). Эта проблема встала перед международным научным сообществом практически с момента открытия оз. Восток.

Решение ее осложняется тем, что вскрытие и прямое изучение озера должны быть максимально экологически безопасными, т. е. необходимо сохранить все естественные характеристики этого уникального природного объекта, что требует применения новой, экологически чистой технологии работ (и соответствующего оборудования).

Министерство науки, промышленности и технологий Российской Федерации поддержало проект "Обоснование и разработка экологически чистой технологии для проникновения в подледниковое озеро Восток (Антарктида)", который выполняли сотрудники Арктического и антарктического научно-исследовательского института (ААНИИ) и Санкт-Петербургского государственного горного института (СПГГИ). Результаты, полученные в ходе работ по проекту в 1999-2000 гг., представлены в этой статье.

Технология проникновения в озеро Восток и его исследования

Прямое изучение подледникового оз. Восток, по нашему мнению, состоит из двух последовательных этапов: 1) проникновение и рекогносцировочное обследование; 2) детальное обследование и отбор проб воды и донных осадков. Технология реализации первого этапа описана в статье и включает решение задач экологически чистого вскрытия озера, измерения физических условий на границе лед-поверхность озера и отбора проб озерной воды в районе этой границы.

Место проникновения. Наиболее удобной точкой для проникновения в озеро, на наш взгляд, является скважина 5Г-1, пробуренная на ст. Восток (см. рис. 1, а, б, в). В 1998 г. глубина скважины достигла рекордной отметки 3623 м (забой), после чего скважина была законсервирована. Комплексные исследования отобранного здесь ледяного керна показали, что с глубины 3538 м и до забоя ледниковая толща сложена льдом не атмосферного происхождения, а конжеляционным льдом - продуктом длительного последовательного намерзания озерной воды на нижнюю поверхность ледника [Lipenkov, Barkov, 1998; Jouzel et al., 1999; Petit et al., 1999]. Учитывая, что намерзание происходит со скоростью 1,1±0,6 мм/год [Саламатин и др., 1998], можно утверждать, что непробуренную часть ледникового покрова от забоя скважины до границы лед-поверхность озера слагает конжеляционный лед. Эта граница находится на глубине 3750±30 м, т.е. всего на 130 м ниже забоя [Попков и др., 1999; Лукин и др., 2000]. Глубина озера в районе скважины 5Г-1 составляет около 670 м, а мощность донных осадков достигает 90 м (см. рис. 1, в).

Скважина имеет диаметр не менее 137 мм. От поверхности ледника до глубины 2200 м она вертикальна, а ниже отклоняется в пределах 6-8°. В процессе бурения она заполнялась смесью авиационного керосина TS1 и фреона F141b, необходимой для компенсации горного давления и предотвращения сжатия ее ствола. В настоящее время заливочная жидкость наполняет скважину с глубины 95 м от поверхности ледника до забоя (см. рис. 1, в) и имеет объем около 60 м3 и среднюю плотность 928 кг/м³. Эти значения свидетельствуют о наличии здесь недокомпенсации горного давления величиной в ОД МПа, что в свою очередь ведет к уменьшению диаметра ствола скважины со скоростью около 0,1 мм/год.

Способ проникновения и исследования. Предлагаемый способ вскрытия и изучения оз. Восток основан на использовании двух физических условий существования системы ледниковый покров-озеро: 1) толща ледника над озером находится в плавучем состоянии, и давление в каждой точке на границе лед-вода соответствует весу столба льда (горному давлению) благодаря закрытому состоянию системы [Kapitsa et al., 1996]; 2) в районе скважины 5Г-1 (южная часть оз. Восток) в настоящее время происходит намерзание озерной воды на нижнюю поверхность ледника [Саламатин и др., 1998].

Исходя из первого условия мы считаем возможным уменьшить количество заливочной жидкости в скважине 5Г-1 и тем самым обеспечить здесь такую величину недокомпенсации горного давления, что давление воды озера будет превышать давление столба заливочной жидкости. Тогда при продолжении бурения скважины и касании забоем поверхности озера заливочная жидкость должна быть вытеснена озерной водой вверх по стволу скважины на высоту, соответствующую заданной величине недокомпенсации горного давления. При этом проникновение заливочной жидкости в озеро исключается, так как она гидрофобна и существенно легче воды. Сразу после достижения поверхности озера буровой снаряд извлекается из скважины.

Учитывая второе условие, мы считаем, что поднявшаяся по скважине озерная вода должна замерзнуть. В соответствии с предварительными расчетами, выполненными специалистами СПГГИ, время замерзания озерной воды может составить от суток до месяца. После этого здесь производится повторное бурение с отбором части льда, образовавшегося из приповерхностных слоев воды оз. Восток (по существу, отбор проб воды озера). Оставшаяся ниже забоя часть озерного льда будет служить естественной перегородкой, разделяющей ствол скважины и поверхность озера, что исключит вероятность какого-либо загрязнения озера из скважины 5Г-1.

Практическая реализация этого кажущегося простым способа затрудняется прежде всего наличием в скважине экологически опасной заливочной жидкости. Поэтому для максимального исключения риска загрязнить озеро при проникновении мы предполагаем создать особые условия в скважине и использовать специальное оборудование.

Необходимые условия и оборудование. Предваряя проникновение в озеро, планируется пробурить в скважине 5Г-1 дополнительно около 100 м с помощью колонкового электромеханического бурового снаряда КЭМС-132 (рис. 2). Учитывая проверенную надежность и высокую эффективность этого оборудования [Kudryashov et al., 1994; 2002], его использование представляется полностью безопасным в экологическом отношении, тем более, что между забоем скважины и поверхностью озера будет оставаться слой льда толщиной не менее 30 м. В результате этой операции будет отобрано около 100 м керна намерзшего озерного льда, содержащего уникальную информацию об эволюции озера. Кроме того, после бурения будет возможно проведение геофизических измерений в скважине в непосредственной близости от поверхности озера, что необходимо для уточнения глубины залегания границы лед-вода и, возможно, других характеристик озера.

Рис. 2. Схема предполагаемого состояния скважины 5Г-1 перед проникновением в оз. Восток

Следующей операцией является доставка на забой скважины с помощью специальных контейнеров новой, гидрофобной, экологически безопасной жидкости (кремнийорганическои), которая тяжелее заливочной жидкости и легче воды. Она создаст буферный слой мощностью до 100 м, он разделит забой скважины и ранее использовавшуюся заливочную жидкость (см. рис. 2).

Последней операцией, предваряющей проникновение в озеро, будет извлечение из скважины расчетного количества смеси авиационного керосина и фреона. Это создаст условия, когда давление в скважине (Р_скв) будет на заданную величину меньше, чем давление в озере (Р_оз).

Бурение последних 30 м льда до поверхности озера предполагается выполнить термобуровым снарядом ТБПО-132 (рис. 3), который разработан и изготавливается в ААНИИ и СПГГИ с использованием предшествующего опыта термобурения ледников Арктики и Антарктиды [Кудряшов и др., 1991]. Этот снаряд, имеющий длину около 6-7 м и максимальный внешний диаметр 132 мм, включает следующие основные элементы: нагревательный узел, состоящий из пилотного термодолота длиной 1-2 м (7) и кольцевой опорной термокоронки (2); пакер (5), датчики давления (4,5, 6), клапан (7), насос (8) с электродвигателем (9), электронный блок (10), электроотсек (77), датчик нагрузки на забой (72), кабельный замок (13) для подсоединения грузонесущего кабеля (14) с подвижной втулкой (75) и пружиной (76), а также контактный датчик (77), состоящий из штока (18), чувствительных элементов (79, 20) и пружины (27). Управление снарядом и бурением осуществляется оператором с поверхности, который использует контрольную панель с показаниями датчиков и всей необходимой информации о характеристиках и состоянии бурового процесса и оборудования.

Рис. 3. Термобуровой снаряд ТБПО-132 (пояснения см. в тексте)

План работ по проникновению в озеро и его исследованию. Термобурение примерно 30 м льда, разделяющих забой скважины 5Г-1 и поверхность озера, после проведения предварительных операций будет выполнено снарядом ТБПО-132 за одну операцию, без промежуточных подъемов снаряда на поверхность и отбора ледяных кернов. Скорость проходки составит около 4 м/час. Благодаря устройству снаряда в процессе бурения будут создаваться три скважины; передовая узкая скважина (с помощью пилотного термодолота), сменяющая ее скважина с формой усеченного конуса (форма опорной термокоронки) и затем основная скважина диаметром 132 мм. В ходе бурения стенки снаряда будут очищаться образуемой талой водой от остатков заливочной и кремнийорганической жидкостей; при этом талая вода создаст дополнительный буферный слой, разделяющий кремнийорганическую жидкость и забой скважины (рис. 4, а).

Рис. 4. Схема проникновения в подледниковое оз. Восток: а - момент вскрытия озера термобуровым снарядом ТБПО-132; б - подъем термобурового снаряда и впуск озерной воды в скважину

В момент касания наконечника пилотного термодолота поверхности озера (см. рис. 4, а) шток снаряда ТБПО-132 потеряет упор в ледяной забой скважины и будет выдвинут вниз пружиной. На это немедленно отреагируют чувствительные элементы и контактный датчик, которые передадут соответствующий сигнал на контрольную панель управления. При получении

такого сигнала произойдут автоматическое срабатывание пакера (перекрытие ствола скважины), остановка нагревания снаряда, процесса бурения и, следовательно, движения снаряда вниз. Таким образом, в момент касания снарядом поверхности озера будет обеспечена мгновенная изоляция озера от ствола скважины.

Последующие операции будут зависеть от показаний датчиков давления, контактного датчика и чувствительных элементов, позволяющих оценить разницу между давлением в скважине (Р_скв) и в озере (Р_оз). Если окажется меньше Р_оз на ранее заданную величину недокомпенсации горного давления (что наиболее вероятно), пакер выключится (т. е. произойдет разблокировка ствола скважины) и одновременно произойдет подъем снаряда. Эти действия позволят озерной воде устремиться в скважину и заполнить ее снизу на необходимую высоту (40-50 м, см. рис. 4, б). Высота внедрения озерной воды в скважину определяется величиной недокомпенсации горного давления и может легко регулироваться добавкой или изъятием из скважины требуемого количества заливочной жидкости.

Случай, когда Р_скв будет превышать Р_оз, маловероятен, однако полностью не исключается. Подобная ситуация возможна из-за неправильных расчетов величины недокомпенсации горного давления в скважине, что в свою очередь может быть следствием недостаточного знания физических условий на границе ледник-поверхность озера. При возникновении такой ситуации избыточное давление в скважине должно плотно прижать конусообразную опорную коронку к забою одновременно с касанием наконечником пилотного термодолота поверхности озера (см. рис. 4, а) Вместе с действием пакера и немедленной остановкой процесса бурения это будет гарантировать надежную изоляцию ствола скважины от озера. Затем, основываясь на показаниях датчиков, из скважины будет изъято избыточное количество заливочной жидкости, что создаст условия, когда Рскв будет меньше Роэ, и, следовательно, возникнет возможность впуска озерной воды в скважину (см. выше, рис. 4, б).

Предполагается, что внедрившаяся в скважину озерная вода замерзнет в течение нескольких месяцев благодаря особенностям физических и термических условий на границе лед-вода в южном районе озера [Саламатин и др., 1998]. Факт ее замерзания и, таким образом, блокировки нижних 40-50 м скважины льдом должен быть подтвержден повторными геофизическими исследованиями в скважине. После получения такого подтверждения планируется провести повторное бурение образовавшегося конжеляционного льда (около 30 м) с помощью снаряда КЭМС-135. В ходе бурения будут отобраны ледяные керны, которые представляют собой не что иное, как пробы воды из поверхностных слоев подледникового оз. Восток. Остановка бурения в 10-15 м от границы лед-вода позволит сохранить ледяную перемычку между новым забоем скважины и озером, которая будет предохранять озеро от загрязнения.

Заключение

Реализация предлагаемой технологии будет, на наш взгляд, содействовать прогрессу в следующих направлениях изучения оз. Восток:

- реконструкция истории озера, а также выявление механизма образования и свойств льда глубже 3623 м (при отборе и исследованиях 100 м керна конжеляционного льда перед проникновением);

- определение термических и физических условий на границе лед-поверхность озера (при подходе к поверхности озера и его вскрытии в результате работы измерительных датчиков снаряда ТБПО-132);

- определение химического и изотопного состава, а также других параметров поверхностного слоя озера (при отборе и исследованиях льда, образовавшегося в скважине в результате внедрения и замерзания озерной воды);

- поиск микроорганизмов или следов их существования в озере (при отборе и исследованиях льда, образовавшегося в скважине в результате внедрения и замерзания озерной воды);

- опробование методик, получение опыта и сведений, необходимых для разработки технологии и выполнения второго этапа прямых исследований оз. Восток, - детального изучения его водной толщи (отбор проб воды) и донных осадков (бурение, отбор колонок).

Применение предлагаемой нами технологии является сравнительно простой задачей в техническом и логистическом отношениях. Новый снаряд ТБПО-132 разработан на основе применявшегося ранее термобурового оборудования, что повышает уверенность в надежной работе его основных элементов. Технические новшества, введенные в конструкцию снаряда с целью обеспечить экологическую безопасность при проникновении в озеро (пилотное термодолото, система датчиков, пакер и др.), отличаются простотой в изготовлении и эффективностью в работе.

Расположение скважины 5Г-1 в районе действующей ст. Восток значительно облегчает задачу поддержки работ (доставка и вывоз участников работ, доставка топлива, оборудования, связь и т. д.). Кроме того, в настоящее время на станции находится буровой комплекс, который применялся здесь при глубоком бурении и может быть использован при проникновении в озеро.

Предлагаемая технология проникновения в оз. Восток безопасна в экологическом отношении, что подтверждается в целом положительным заключением Государственной экологической экспертизы, проведенной по проекту. Во-первых, эта технология предполагает использовать физические особенности состояния среды на границе лед-поверхность озера, которые должны обеспечить движение озерной воды в скважину в момент вскрытия озера. Во-вторых, она предполагает кратковременный (вероятнее всего, мгновенный) контакт головной части бурового оборудования с озером. В-третьих, обеспечивает дополнительную защиту озера от контакта со стволом скважины благодаря использованию пакера и особенной формы нагреваемой передней части снаряда (пилотное термодолото, конусообразная коронка), а также благодаря возможности постоянного контроля за условиями на забое и управлению процессом бурения.

Таким образом, реализация данной технологии представляется наиболее простым в техническом отношении, экономичным и быстрым способом решения проблемы экологически безопасного вскрытия и рекогносцировочного обследования подледникового озера Восток.

Литература

Кудряшов Б. Б., Чистяков В. К.,Литвиненко B. C. Бурение скважин в условиях изменения агрегатного состояния горных пород. Л.: Недра, 1991. 193 с.

Лукин В. В., Масолов В. Н., Миронов А. В. и др. Результаты геофизических исследований под-ледникового озера Восток (Антарктида) в 1995-1997 гг.//Пробл. Арктики и Антарктики. 2000. Вып. 72. С. 237-248.

Попков A. M., Веркулич С. Р., Масолов В. Н., Лукин В. В. Сейсмический разрез в районе станции Восток (Антарктида) - результаты исследований 1997 г.//Материалы гляциол. исслед. 1999. Вып. 86. С. 152-159.

Саламатин А. Н., Вострецов Р. Н., Пети Ж. Р. и др. Геофизические и палеоклиматические приложения составного температурного профиля из глубокой скважины на станции Восток (Антарктида)//Там же. 1998. Вып. 85. С. 233-240.

Jouzel J., Petit J. R., Souchez R., Barkov N. I. et al. More than 200 m of lake ice above sub-glacial Lake Vostok, Antarctica//Science. 1999. Vol. 286. P. 2138-2140.

Kapitsa A., Ridley J. K., Robin G. De Q. et al. Large deep freshwater lake beneath the ice of central East Antarctica//Nature. 1996. Vol. 381; N 6584. P. 684-686.

Karl D. M., Bird D. F., Bjorkmann K. et al. Microorganisms in the accreted ice of Lake Vostok, Antarctica//Science. 1999. Vol. 286. P. 2144-2147.

Kudryashov B. B., Vasiliev N. I., Talalay P. G. KEMS-112 electromechanical ice core drill//Mem. Nat. Inst. Polar Res. 1994. Vol. 49. Spec. Iss. P. 138-152.

Kudryashov B. B., Vasiliev N. I., Vostretsov R.N. et al. Deep ice coring at Vostok Station (East Antarctica) with electromechanical drill designed at St. Petersburg Mining Institute//Ibid. 2002. Vol. 56. P. 230-244.

Lipenkov V. Ya., Barkov N. I. Internal structure of the Antarctic ice sheet as revealed by deep core drilling at Vostok Station//Lake Vostok study: Scientific objectives and technological requirements: Abstracts of the International workshop (March 24-26, 1998, St Petersburg). St. Petersburg, 1998. P. 31-35.

Petit J. R., Jouzel J., Raynaud D. et al. Climate and atmospheric history of the past 420,000 years from the Vostok ice core, Antarctica//Nature. 1999. Vol. 399. P. 429-436.

Priscu J. C., Adams E. E., Lyons W. B. et al. Geomicrobiology of sub-glacial ice above Lake Vostok, Antarctica//Science. 1999. Vol. 286. P. 2141-2144.

Ridley J. K., Cudlip W., Laxon W. Identification of subglacial lakes using ERS-1 radar altimeter//J. Glaciol. 1993. Vol. 39, N 133. P. 625-634.

Siegert M. J., Ridley J. K. An analysis of the surface and sub-surface topography of the Vostok Station sub-glacial lake, central East Antarctica//J. Geophys. Res. 1998. Vol. 103. P. 10195-10207.

Siegert M. J., Kwok R., Mayer C, Hubbard В. Water exchange between the sub-glacial Lake Vostok and the overlying ice sheet//Nature. 2000. Vol. 403. P. 643-646.