Через Гренландський льодовиковий щит

Відомий вікінг Ерік Рудий назвав цю землю в Xв. зеленої, але переважає тут все ж білий колір. За площею заледеніння Гренландія займає друге місце в світі після Антарктиди, і тому так значна роль острова як полігону для фундаментального дослідження льодовиків, в тому числі їх глибокого буріння. Гляціологи, вивчаючи проби з глибоких горизонтів, судять про морфології та динаміці льодовика, мікробіологи - про стародавню життя, тисячоліттями скутою в льоду. Але найбільш важливий, мабуть, палеокліматичні аспект досліджень. Накопичуючи повітряні включення часів свого формування, глибинні крижані шари зберігають унікальну інформацію про атмосферу минулого. За ізотопного складу льоду в безперервних його колонках, отриманих в Антарктиді і Гренландії, виявлені сліди мінімум чотирьох циклів глобальних потеплень і похолодань за останні 400 тис. років [1]. Все це - наукові результати. Але глибоке буріння в льодах може мати і практичне значення - для пошуку корисних копалин, прихованих льодовиками.

Гренландія - найбільший острів світу, площа якого складає 2.18 млнкм2. Він розташований між Північним Льодовитим океаном і північною частиною Атлантики. В адміністративно-політичному відношенні Гренландія - частина Королівства Данії, географічно ж відноситься до Північної Америки. В результаті загального похолодання 3-2млн років тому острів став покриватися потужним шаром льоду, поступово зайняли всю його поверхню. При подальшому потеплінні початок деградації заледеніння, і в даний час льоди займають 1.83млнкм2, або майже 85% території острова.

Головне джерело акумуляції снігу в Гренландському льодовиковому щиті - тверді атмосферні опади: сніг, снігова крупа, град. У центральних районах ніколи не буває танення, і шари снігу, що накопичуються рік за роком, занурюються на все більшу глибину, де під дією вищерозміщених ущільнюються і перетворюються на зернистий лід - Фірн. Зі збільшенням глибини під впливом зростаючого тиску відбувається повне змикання його повітряних пір, і Фірн стає крижаною породою.

У центральній частині Гренландського щита сніжно-фірновая товща поширюється на глибину до 75-77М, нижче, на багато сотень метрів, - лід. Середня його товщина - 1790м, максимальна - 3416м. Якби лід розтанув Гренландії, то рівень Світового океану підвищився на 7.5м.

Поверхня льодовикового щита полого підвищується від берегів у глиб острова, досягаючи в центральній частині висоти 3.3км над ур.м. Під центральною частиною льодовикового щита розташована велика рівнина, облямована зі східного та західного боків поясом гірських ланцюгів. Причому 20% загальної площі ложа льодовикового покриву знаходиться нижче рівня моря.

У надрах Гренландії, на територіях, вільних від льоду, виявлені значні запаси графіту, кам'яного вугілля, свинцево-цинковим і залізної руд (велике родовище останньої частково сховано льодовиком), мінералів, багатих хромом, молібденом, ураном.

У прибережних районах Гренландії люди жили принаймні протягом останнього тисячоліття, але історія дослідження льодовикового покриву порівняно коротка. Його серйозне вивчення розпочалося лише в кінці XIX ст. Першим, хто переконався в тому, що це суцільний покрив, був М. Норденшельд, що пройшов у 1870р. в глиб острова на 50км, а в 1883г. - На 117км.

У 1888р. Ф. Нансен і О. Свердруп перетнули на лижах південну частину Гренландії, а чотирма роками пізніше Р. Пірі - північну. У наступні роки він неодноразово здійснював експедиції по льодовикового покриву, а в 1900р. першим досяг північного узбережжя. У початку ХХ ст. в маршрутних дослідженнях льодовикового щита накопичувалися відомості про географію острова і поведінці льодовика. У 1929-1931 рр.. Німецька геофізик А. Вегенер організував два стаціонарні станції приблизно на 71 ° пн.ш. - Одну в центрі льодовикового щита, іншу на західному узбережжі. За допомогою сейсмічних приладів вперше була визначена товщина льодовика, організовані регулярні вимірювання накопичення снігу, вивчено будову сніжно-фірновой зони.

Bo час другої світової війни, після окупації Данії, Гренландія виявилася відрізаною від метрополії, і в 1941р. США встановили військовий протекторат над цією територією, зобов'язавшись залишити острів після закінчення війни. Однак цього не сталося: у 1951р. було укладено датсько-американська угода "Про оборону Гренландії", і американські війська перебувають на території острова до цих пір.

У післявоєнні роки найбільша увага тут приділялася будівництву аеродромів на льоду, пристрою стаціонарних та сезонних баз і таборів, прокладанні трас і т.д. У зв'язку зі складністю і дорожнечею ці роботи велися не тільки ослабленою війною Данією, але і Францією, Великою Британією та США.

Великі наукові результати принесла Французька полярна експедиція під керівництвом П.-Е.Віктора. У 1948-1951 рр.. її загони кілька разів перетинали льодовик. Сейсмічні роботи дозволили створити досить детальну карту рельєфу підстильного льодовик ложа. Французькі полярники виявилися першими, хто витягнув глибинні проби льоду. У районі сезонних таборів "Кемп VI" і "Сентраль" (західна і центральна частина Гренландії) за допомогою серійного геологорозвідувального бурового обладнання пробурено дві свердловини глибиною 126 і 150м.

У 1954р. в Данії створено Арктичний інститут, який займається головним чином координацією науково-дослідних робіт в Гренландії, а через два роки засновано Міжнародну Гренландська експедиція, яка об'єднала вчених Данії, Франції, Швейцарії, Австрії і ФРН. Її силами в 1959р. був заснований гляціологіческій стаціонар "Ярл-Жозе" на східному схилі льодовикового щита, проведена його тріангуляція, радіолокаційне зондування льодовикової товщі і т.д.

Глибоке буріння

Всього в Гренландії пробурено шість глибоких свердловин, перший - в районі колишньої військової бази Кемп Сенчури в північній частині острова. Кілька років тому були розсекречені і стали надбанням широкої громадськості подробиці цікавого проекту [2]. Наприкінці 50-х років Пентагон розробив грандіозну програму будівництва мережі багатокілометрових тунелів в товщі льодовикового покриву Гренландії, за яким повинні були курсувати поїзди з балістичними ракетами. Таким чином, їх виявлення і знищення для країн-учасниць Варшавського Договору було нереальним завданням.

У 1959р. була побудована база, всі приміщення якої перебували під сніговим покривом. Тут розміщувався гарнізон (250 військовослужбовців), а електроенергією базу забезпечував невеликий атомний реактор.

В цей же час американські фахівці Б. Хансен та Х. Уєда з Лабораторії наукових та інженерних досліджень полярних районів армії США в Хановере (US Army Cold Regions Research and Engineering Laboratory - CRREL) вперше запропонували використовувати електротермобур для буріння свердловин під льоду [3]. Цей пристрій мало кільцевої нагрівач потужністю 3.5-4.0 кВт. Тала вода відсмоктувати по трубках в водозбірний бак за допомогою вакуумного насоса. Буровий снаряд довжиною 10.5м і масою близько 400 кг спускали в свердловину на грузонесущих кабелі за допомогою лебідки з гідравлічним приводом і вежі висотою 31м.

У 1960-1961 рр.. в районі бази Кемп Сенчури цим снарядом пробурена "суха" свердловина глибиною 186м, а потім, після деяких удосконалень електротермобура, - ще дві: глибиною 238м (1962) і 264м (1963).

Оскільки через постійного руху льодовика свердловина при бурінні звужується, паралельно в тій же лабораторії розроблялося пристрій за допомогою якого її можна заливати "низькотемпературної" промивної рідиною (сумішшю дизельного палива DF-A з тріхлоретіленом). Такий снаряд був схожий на розроблений раніше, але замість вакуумного насоса всередині водозбірного бака розміщувався гідравлічний насос.

У 1964р. за допомогою нового пристрою поглибили свердловину з 264 до 535 м. Однак до кінця відпрацювати технологію не вдалося: тала вода частково залишалася в свердловині і перетворювалася на шугообразную масу, що заважала буріння. Не допомагало і збільшення потужності електронагрівальних елементів - вони швидко перегоряли. Тому згодом зусилля були зосереджені на розробці не електротермічних, а електромеханічних пристроїв.

У 1965р. вдалося модернізувати електробур конструкції нашого колишнього співвітчизника А. Арутюнова. Основна особливість буріння цим снарядом довжиною 26.5м і масою 1100 кг полягала в тому, що утворюється в свердловині шлам розчиняли в циркулюючому розчині етиленгликоля - утворювався розчин рівноважної концентрації, не замерзає при температурі навколишнього льоду. Тому перед кожним рейсом бак снаряда заповнювався концентрованим розчином цієї речовини. Влітку 1965 і 1966 рр.. на базі Кемп Сенчури свердловина, пройдена раніше термобуром до позначки 535м, була заглиблена новим снарядом до 1391м.

На початку 80-х років в рамках Міжнародного проекту з дослідження льодовикового покриву Гренландії-1 (Greenland Ice Sheet Program - GISP-1), організованого Національним науковим фондом США за участю Данії, Франції, ФРН, Швейцарії, на станції "Дай-3" була пробурено свердловину глибиною 2037.6 м. За допомогою оригінального електромеханічного снаряда ISTUK (у перекладі з данського розшифровка цієї абревіатури читається: снаряд для глибокого буріння), розробленого в Університеті Копенгагена, вдалося пройти через всю льодовикову товщу. Маса цього пристрою склала близько 180 кг, довжина - 11.5м; діаметр буріння - 129.6мм [4].

При цьому шлам разом з промивної рідиною всмоктується з прямокутним трубок, закріпленим на зовнішньої поверхні колонкової труби, у внутрішню порожнину поршневих насосів, що виконують одночасно роль шламосборніков. Були вирішені тут і проблеми енергозабезпечення: акумуляторний модуль, поміщений в герметичний відсік снаряда, складався з 55 нікель-кадмієвих елементів і працював безвідмовно. Новим було і те, що робота всіх систем і агрегатів снаряда приводилася в дію і контролювалася за допомогою комп'ютера [4].

У 90-х роках був успішно завершений Проект колонкового буріння (Greenland Ice Program - GRIP), організований Європейським науковим фондом за участю Данії, Франції, ФРН, Швейцарії, Бельгії, Великобританії, Ісландії та Італії, а також проект GISP-2. Оскільки точки буріння знаходилися на куполі льодовикового щита - Саміті - в 30 км один від одного, в районі максимальної потужності льодовика, а робота на них почалася майже одночасно, до певної міри вона стала змаганням між вченими Старого та Нового Світу.

У результаті європейський GRIP був закінчений у 1992р. на глибині 3029 м, а "американський" GISP-2 - в 1993р. на глибині 3053м. Ця свердловина і на сьогоднішній день - найглибша в льодах Північного півкулі, до того ж тут останні 1.55м було пробурено по подледніковим гірських порід.

У проекті GRIP була використана удосконалена конструкція снаряда ISTUK [5], а в проекті GISP-2 - електромеханічний снаряд PICO-5.2'', розроблений в Університеті Фербенкса (Аляска, США) [6] на базі сконструйованого раніше для буріння "сухих" неглибоких свердловин. До складу снаряди були введені насосний вузол і шламосборнік з перфорованим фільтром. Для буріння по подледніковим гірських порід використовувався стандартний геологорозвідувальний колонкові набір. Наземний бурової комплекс снаряда РICO-5.2''забезпечений оригінальній каруселлю, що дозволяє легко і швидко проводити складання та розбирання бурового снаряда на окремі вузли і частини.

Як промивної рідини американці використовували n-Бутилацетат - ефір оцтової кислоти, що відноситься до класу високотоксичних сполук (гранично допустима концентрація парів у повітрі робочих приміщень складає всього 200мг/м3) [7]. Незважаючи на організовану в буровому комплексі вентиляцію, максимальна концентрація парів n-бутилацетата більш ніж у 5 разів перевищує граничне значення. За словами буровиків, які працювали при проходки свердловини в респіраторах, після робочого дня виникали головний біль, нудота, запаморочення. Крім того, n-Бутилацетат - агресивний розчинник. Після трирічної роботи в свердловині, залитої цією речовиною, змащення полімерної броні грузонесущих кабелю виявилася зруйнованою. Єдина перевага, якою володіє цей хімічний реагент, - його відносна дешевизна.

Різноманітні дослідження крижаного керна глибоких свердловин, пробурених на Саміті, дозволили реконструювати клімат Землі за останні сотні тисяч років, уточнити причини утворення крижаних щитів, датувати великі вулканічні виверження, лісові пожежі; визначити рівень антропогенного забруднення і т.д.

Однак, незважаючи на відпрацьовану методику ізотопного аналізу льоду, результати досліджень кернів, витягнутих з двох свердловин на Саміті з глибин понад 300 м, істотно відрізняються, зокрема і для теплого періоду історії Землі, що мав місце приблизно 120 тис. років тому. Точна реконструкція кліматичних змін того часу особливо важлива, тому що їх рахують можливим аналогом сучасних тенденцій.

З метою отримання більш достовірної інформації про клімат того періоду в 1996р. було розпочато Проект колонкового буріння Північної Гренландії (North Greenland Ice Project - NGRIP), основними виконавцями якого стали Данія та Німеччина. Серед учасників - Бельгія, Франція, Ісландія, Японія, Швейцарія, Швеція та США. Для буріння вибраний полігон, де, згідно радарним дослідженням, давні річні шари мають велику потужність, ніж на Саміті.

Для проходки свердловини датські і французькі фахівці підготували новий снаряд, який в конструктивному відношенні являє собою синтез попередніх електромеханічних пристроїв. Верхня невращающаяся частина - ударник, розпірною пристрій і електроотсек -- запозичені від снаряда ISTUK.

Буріння почалося в 1996р. У 1997р. зупинено через аварію. У 1998 р. закладена нова свердловина - в 25м від гирла першою. Траншея, таких же розмірів, що і попередня, була сполучена проходами зі старою буровій і кернохраніліщем.

У 1999 та 2000 років. автор статті брав участь у цьому проекті в якості наукового співробітника та в протягом декількох місяців займався бурінням, приготуванням промивної рідини, ліквідацією ускладнень та аварій, консервацією бурового комплексу.

Як потрапити до Гренландії

Шлях довжиною в 3234км (по прямій) між Санкт-Петербургом і базою NGRIP - це всього 9 годин польоту. Перша пересадка в Копенгагені, друга в Кангерлюссаке (що в перекладі з ескімоського означає "Великий фьорд").

Це селище на західному березі Гренландії, в 50 км на північ від Полярного кола, знаходиться у підстави найдовшого Фіорду (180км) з тією ж назвою. До кінця 70-х років Кангерлюссак називався по-датски Сандрі Стремфьорд. У 1979р., коли колишня колонія стала самоврядною частиною Королівства Данії, за рішенням її нового парламенту майже всі датські топоніми були замінені ескімоським.

Кангерлюссак побудований в 1942р. американцями і до початку 90-х зберігав функцію військової авіабази. Після розпаду СРСР вона втратила актуальність і була ліквідована. Всі будівлі, злітно-посадкова смуга і метеостанція безоплатно передані Данії. Тепер Кангерлюссак - основні міжнародні ворота Гренландії, тут здійснюють посадку літаки з Данії, Канади та Ісландії, а потім вертольоти розвозять численних туристів по острову.

У декількох десятках дво-і триповерхових будинків постійно проживають трохи більше 300 чоловік, зайнятих у основному обслуговуванням аеропорту. Одне з будівель називається ласкаво KISS (Kangerlussuaq International Science Support center). У ньому знаходиться штаб-квартира проекту NGRIP, в якій у польовий сезон знаходяться два оператори, що керують доставкою на льодовик людей і вантажів.

До самої бази залишається 951км і переліт не обходиться без американців, по суті справи, монополістів в області великих полярних перевезень. Літаки 109-ї Тактичною повітряної групи ВПС США "Геркулес" здійснюють посадку і зліт на колесах або лижах. При максимальному радіусі польоту близько 3800 км вони здатні перевезти 6 т вантажу. Для порівняння скажу, що літак "Твін відтер", широко поширений у закордонній Арктиці, має радіус польоту 556км, а вантажопідйомність 1.9 т. Кожні два-три тижні на станцію прибуває літак зі зміною наукового і обслуговуючого персоналу, паливом, продуктами, поштою.

База NGRIP

База NGRIP - сезонна; починає працювати на початку-середині травня, коли температура повітря підвищується до -30 ° С, а закривається в середині серпня, коли з-за штормового вітру погода стає нельотну.

Середньорічна температура в цій точці -32 ° С і круглий рік тримається нижче нуля. Правда, в погожі липневі дні температ?? ра повітря може прогрітися до позначки, що фізики позначають 0 ° С.

Низька температура не найголовніша напасти. Тут, як і у всіх гірських районах, люди від нестачі кисню страждають гірської хворобою - гіпоксією. Низький атмосферний тиск (500мм рт. Ст. Замість звичних 760) в перші дні перебування на станції викликає нудоту, блювоту, носові кровотечі. Потім організм звикає, але все ж таки ящик вагою 20 кг здається двухпудовим, а десятихвилинна волейбольна розминка - Трехсетним матчемј

Ось і база NGRIP. Дуже добре укочена трикілометрова злітно-посадкова смуга, а в 250-300м від неї розташоване селище з куполоподібних наметів. Головна, з дерев'яним кістяком, діаметром близько 11 і висотою 7м, поділена на два поверхи. Внизу - кухня, їдальня, душова, туалет, умивальних; нагорі - кілька комп'ютерних станцій для загального користування, факс, офіс начальника станції і п'ять двоярусних ліжок.

Недалеко від головної височіють ще кілька наметів: жиле приміщення на 10 чоловік; майстерня з верстатом, токарних і свердлувальним верстатами; має вигляд церковної голови "костел" Люхта, склад-холодильник, зібраний механіком Пітером Люхтом. Трохи далі гараж і кілька інших житлових приміщень. Куполоподібна форма наметів - не випадкова, саме вона дозволяє уникнути сильних заметів у зимовий час. Але все ж початок кожного сезону починається з розчищення території.

На станції може розміститися 41 полярник, звичайна ж норма - 32 людини. У 1999 та 2000 років. на станції працювало в середньому по 28-30 чоловік: начальник станції, буровики (6-7), механік, кухар, помічники начальника станції (4), пакувальники керна (3), група дослідження фізичних властивостей льоду (3), групи ізотопного (3) та хімічного (5-6) аналізів. Національний склад такий: датчани (6-8), німці (5-6), швейцарці (3), ісландці (3-4), французи (2), японці (3) та по одному полярники з Бельгії, Швеції, США, Росії. Офіційний, а також неофіційний мову проекту - англійська (на ньому складаються щоденні, щотижневі та сезонні звіти, ведеться ділове листування і радіопереговори).

Крім поверхневих споруд база NGRIP включає величезний комплекс підземних або, точніше, -- підсніжних споруд; бурове приміщення у вигляді траншеї розмірами 23ґ5ґ5 м3, перекритою на рівні денної поверхні фанерними щитами; кернохраніліще, науково-дослідна лабораторія - теж величезна траншея. Всі вони з'єднуються проходами і мають тільки один спільний вихід (до речі, порушуючи протипожежної безпеки!).

У польовому сезоні 1999. буріння йшло в дві зміни, у третьому - нічну - обслуговувалося обладнання, а свердловина очищалася від шламу за допомогою спеціального фільтра. До кінця сезону була досягнута глибина 1751.47м при середній проходці 30.1м/сут (це найвищий показник глибокого буріння свердловин в льодах). Але в сезоні 2000р., Незважаючи на цілодобове буріння, на глибині понад 2500 м швидкість знизилася до 20.3м/сут з-за різкої зміни реологічних властивостей льоду (перш за все в результаті підвищення його температури).

Кінець польового сезону відрізнявся особливою драматичністю. На глибині 2932 м снаряд застряг на забої свердловини. З поверхні в неї було залито 160 л технічного етиленгліколей, але це не дало результатів. Як з'ясувалося пізніше, у міру опускання на глибину він розбавляти водою. Тоді чистий етиленгліколь заморозили у вигляді невеликих шайб (температура замерзання -12.6 ° С) і спустили в свердловину, температура в якій плавно підвищувалася з -32 ° С на поверхні до -8 ° С на вибої. Після закидання всього 6 кг цього замороженого реагенту натяг кабелю ослаб, і снаряд був благополучно витягнули на поверхню.

Але на цьому "пригоди" 2000р. не скінчилися. Щоб продовжити буріння, треба було витягти етиленгліколь зі свердловини, так як він перетворився на тістоподібну масу і налипає на поверхню снаряда. Для цього використовували спеціальну трубу-Желонки, але і та застрягла в свердловині. У свердловину знову довелося закидати заморожений етиленгліколь і через кілька днів Желонки вдалося підняти наверх.

У новому сезоні, який розпочався у травні 2001р., належить очистити свердловину від етиленгліколей і продовжити буріння до подледнікових гірських порід. Згідно радарним дослідженням, до них залишилося всього 150м.

Але найбільш несподіваним моментом в роботі NGRIP були навіть не ці неполадки з бурінням, а те, що шари теплого періоду, яких чекали на глибинах близько 2800м, так і не з'явилися, оскільки потужність річних шарів виявилася більше розрахункової. Виходить, що лід того періоду знаходиться під ложем льодовикового покриву, чого бути не може. Можливо, в ті часи тут льодовика не було взагалі, а саме заледеніння являло собою не льодовиковий щит, як вважали раніше, а групу льодовикових куполів. Уточнити це дозволять подальші дослідження.

Література

1. Dahl-Jensen D., Mosegaard K., Gundestrup N. et al.// Science. 1998. V.282. P.268-271.

2. Rasmussen L.T.// Suluk. 1999. № 3. Р.32-39.

3. Ueda H.T., Garfield D.E. Drilling through the Greenland ice sheet// CRREL Spec. Rep. 126. Hanover, 1968.

4. Gundestrup N.S., Johnsen S.J., Reeh N. ISTUK: a Deep Ice Core Drill System// CRREL Spec. Rep. 84-34. Hanover, 1984. P.7-19.

5. Johnsen S.J., Gundestrup N.S., Hansеn S.B. et al.// Mem. of National Inst. of Polar Research. 1994. № 49. P.9-23.

6. Kelley J.J., Stanford K., Koci B. et al.// Mem. of National Inst. of Polar Research. 1994. ? 49. P.24-40.

7. Чистяков В.К., Талалай П.Г. Екологічні проблеми буріння в Антарктиді// Рос. наука: грані творчості на межі століть: Зб. науч.-попул. статей. М., 2000. С.397-404.