Санкт-ПетербургПеременная облачность+8°C

Зачем российские учёные пробурили самую глубокую скважину в Антарктиде

Антарктида
Фото © Форпост Северо-Запад /

В январе исполняется 200 лет с момента открытия Антарктиды русскими моряками. Два века, которые минули с начала освоения шестого континента человеком, прошли под знаком острого соперничества государств, желавших закрепить за собой право собственности на эту занесённую снегом землю. Впрочем, можно вспомнить и примеры успешного сотрудничества, которые позволили, например, установить цикличность изменения климата на Земле. «Форпост» решил выяснить, каким образом учёным удалось это сделать, и действительно ли российская наука остаётся лидером в полярных исследованиях.

Кто открыл Антарктиду, и какие тайны она хранит

Русские корабли «Восток» и «Мирный» под предводительством Фаддея Беллинсгаузена и Михаила Лазарева приблизились к шельфовым льдам самого южного материка планеты 28 января 1820 года. Спустя несколько дней туда приплыли и иностранцы, что дало им основания оспаривать у нас пальму первенства. Впрочем, долгое время, вплоть до середины ХХ века выяснение того, чья же нога на самом деле первой ступила на льды Антарктиды, шло в вялотекущем режиме.

Всё изменилось в 1948 году, когда США инициировали работу по созданию международного правового режима управления этим регионом. Советский Союз к диалогу приглашен не был, но твёрдо заявил о том, что поделить континент без его участия не удастся. Для того чтобы продемонстрировать Западу свою решимость, СССР впоследствии открыл там около двадцати научных баз – так много не могла себе позволить ни одна другая держава.

Антарктида
Фото © Форпост Северо-Запад /

Некоторые из них действуют до сих пор. Например, станция «Восток», расположенная в одном из наиболее холодных мест на планете. В 1983 году там была зафиксирована рекордно низкая температура за всю историю метеонаблюдений – минус 89,2 °C. Даже летом, которое в южном полушарии приходится на декабрь-февраль, стрелка термометра в этом районе редко поднимается выше минус двадцати градусов.

Станция была основана в 1957 году, во время второй советской антарктической экспедиции. А через семь лет известный геоморфолог Андрей Капица, проводивший сейсмическое зондирование ледникового щита, предположил, что под ней находится огромное озеро. Эта теория была окончательно подтверждена в конце восьмидесятых, после чего российские, французские и американские специалисты начали совместное бурение скважины, которая должна была открыть тайны водоёма, миллионы лет изолированного от земной атмосферы (его поверхность находится на глубине 3769 метров).

Антарктида
Фото © Форпост Северо-Запад /

Любители фантастики всерьёз рассуждали о том, что там могут существовать неизвестные прежде виды животных. Однако учёных интересовало совсем другое - возможность узнать о том, какие события происходили на Земле сотни тысяч лет назад.

Ледниковый покров

Дело в том, что покров Антарктиды сложен из так называемого атмосферного льда, который образовался из твёрдых осадков - кристаллов снега, падающих в твёрдом виде с неба. В связи с постоянными отрицательными температурами они не тают, а значит, год за годом накапливаются, уплотняются в фирн, а затем превращаются в лёд, который постепенно растекается от центра материка к его краям.

Несложно понять, что лёд, лежащий на поверхности, - современный, а чем он ниже, тем старше. И если, к примеру, достать керн с глубины 3200 метров, то его возраст окажется от 400 до 430 тысяч лет. В лабораторных условиях можно детально изучить его газовый и изотопный состав и узнать, какие события происходили в момент его формирования в атмосфере Земли и к каким последствиям они привели.

Технология бурения

Антарктида
Фото © Форпост Северо-Запад /

Бурение скважин с целью изучить процессы, связанные с изменением климата, началось на станции «Восток» ещё в 1970 году. Всё необходимое для этого оборудование было создано учёными Ленинградского горного института (сейчас – Санкт-Петербургский горный университет) под руководством Бориса Кудряшова, который являлся автором теории бурения горных пород плавлением, а также теплового и механического разрушения льда. Строительство нынешней скважины 5Г (пятая глубокая), результатом которого должно было стать именно проникновение в озеро, стартовало в 1990-м.

«В Горном институте были созданы основы теории теплового и механического разрушения льда; методики расчёта технологических параметров бурения; обоснован выбор рецептуры незамерзающей заливочной жидкости, которая нужна для того, чтобы предотвратить сужение ствола скважины под воздействием горного давления и температуры. Здесь же были разработаны принципиально новые полуавтономные электротепловые и электромеханические буровые снаряды на грузонесущем кабеле, комплексы стационарного и передвижного бурового оборудования, системы контроля и автоматизированного управления процессом. Об эффективности и надёжности разработанных технологий можно судить по стабильности, с которой проходило бурение», - рассказал профессор Горного университета Николай Васильев, долгое время, вплоть до 2015 года возглавлявший буровые работы на станции «Восток».

Строительство скважины до глубины 2200 метров шло с применением технологии плавления льда, то есть термобуровым снарядом. Далее использовался механический способ, усовершенствованный учёными петербургского вуза. Лёд резался ножами, укрепленными на конце полой трубы. Она углублялась в ледник, а внутри неё оставался керн, который затем поднимался наверх.

Антарктида
Фото © Форпост Северо-Запад /

На фото: Термобуровой колонковый снаряд для проходки глубоких скважин во льду был разработан на кафедре бурения Санкт-Петербургского горного университета и изготовлен в экспериментально-производственных мастерских вуза. Сейчас находится на хранении в Горном музее

Вплоть до 1998 года отечественные специалисты работали в Антарктиде в сотрудничестве со своими французскими и американскими коллегами. Первые обеспечивали технологическую поддержку проекта, снабжая экспедиции необходимым вспомогательным оборудованием, а вторые брали на себя организацию доставки полярников на станцию «Восток». В условиях экономического кризиса девяностых, бушевавшего тогда в России, это было весьма своевременно и актуально.

Ближе к концу минувшего века иностранные партнёры перебрались на другие базы. Американцы, правда, продолжали оказывать услуги по транспортировке наших учёных, но делали это с «небольшой оговоркой»: по условиям договора россияне могли заниматься в Антарктиде лишь гляциологическими исследованиями, но не буровыми работами. Дело в том, что к тому времени из-за рубежа всё чаще начали звучать голоса тех, кто обвинял Россию в использовании «грязных» технологий, которые могут повредить уникальной экосистеме озера. В частности, в применении для создания незамерзающей жидкости керосина, фреона и этиленгликоля.

Эксперты до сих пор не могут с уверенностью ответить на вопрос о том, чего было больше в этих высказываниях – искренних переживаний за чистоту проекта или зависти к нашей науке, которая в очередной раз стремилась доказать своё превосходство. Ведь к концу девяностых стало окончательно ясно, что инновации, благодаря которым можно пробурить скважину такой глубины и получить пробы из реликтового водоёма, в ближайшие годы никто кроме россиян создать не сможет.

Как бы то ни было, в 1999 году бурение над самым большим подледниковым озером на планете было приостановлено приблизительно в 120 метрах от его предполагаемой поверхности. А в Горном университете начались работы над созданием заливочной жидкости нового типа, которые завершились к 2003 году.

Восток
Фото © Форпост Северо-Запад /

В 2015-м группа учёных Горного университета, а также Института Арктики и Антарктики была удостоена премии Правительства РФ в области науки и техники «за разработку теоретических основ экологически чистых технологий и технических средств бурения, а также их реализацию в условиях ледников Антарктиды». К тому моменту им удалось дважды проникнуть в озеро и получить заветные образцы древней воды.

Научные результаты и перспективы использования технологии

«Результаты изотопных и гляциологических исследований кернов антарктического льда имеют сугубо практическое значение. Например, нам удалось впервые установить цикличность изменения климата на Земле, проследить четыре ледниковых и межледниковых периода. Кроме того, на уровне научного открытия была доказана длительность анабиоза микроорганизмов более 200 тысяч лет. Впервые для центральной части Антарктиды получены данные о температурном режиме ледникового покрова, которые легли в основу математического моделирования процессов тепломассопереноса в леднике. А результаты бурения скважин как тепловым, так и механическим способами позволили нашей стране занять лидирующее положение в мире в области глубокого бурения льда», - говорит доцент Горного университета Андрей Дмитриев, входивший в состав 64-й Российской Антарктической экспедиции 2018/19 годов.

Антарктида
Фото © Форпост Северо-Запад / Данил Сербин

Перспективы использования технологии гораздо шире. Например, специалисты НАСА считают, что изучение кернов из Антарктиды – первый шаг к поиску следов жизни на Марсе, Плутоне, спутнике Юпитера Европе и других небесных телах, где также лежат ледники, под которыми скрываются водоёмы.

Существует и более приземлённая версия того, где могут быть использованы уникальные буровые установки и вспомогательное оборудование, которое проходит «проверку боем» в суровых условиях Антарктиды. Не секрет, что на другой стороне Земли, в недрах Заполярья по самым скромным оценкам лежит порядка 412 млрд баррелей нефтяного эквивалента. Львиную долю этих ресурсов делят между собой Россия, США и Дания, которым принадлежит более 88% богатств региона.

Бурение скважин в Арктике также сопряжено с работой в условиях вечной мерзлоты и неблагоприятного для людей климата. При этом эксперты однозначны в выводах - в ближайшие десятилетия основными драйверами развития нефтегазовой отрасли станут именно месторождения, расположенные на шельфе Северного Ледовитого океана или в прибрежной зоне рядом с ним. Это значит, что сохранение за нашей страной статуса лидера в области добычи углеводородов, во многом будет зависеть именно от наличия отечественных технологий, в частности, тех которые применяются сегодня на станции Восток.