En el fons dels minerals calents

2024 Autora: Seth Attwood | [email protected]. Última modificació: 2023-12-16 16:00

El segle XX va estar marcat pel triomf de l'home a l'aire i la conquesta de les depressions més profundes de l'oceà mundial. Només el somni de penetrar al cor del nostre planeta i conèixer la vida fins ara oculta de les seves entranyes continua sent inassolible. "Viatge al centre de la Terra" promet ser extremadament difícil i emocionant, ple de moltes sorpreses i descobriments increïbles. Els primers passos en aquest camí ja s'han fet: s'han perforat diverses desenes de pous superprofunds al món. La informació obtinguda amb l'ajuda de la perforació ultraprofunda va resultar ser tan aclaparadora que va trencar les idees establertes dels geòlegs sobre l'estructura del nostre planeta i va proporcionar els materials més rics als investigadors de diversos camps del coneixement.

Toca el mantell

Els laboriosos xinesos del segle XIII van cavar pous de 1.200 metres de profunditat. Els europeus van batre el rècord xinès l'any 1930 aprenent a perforar la terra amb plataformes de perforació durant 3 quilòmetres. A finals de la dècada de 1950, els pous es van estendre fins a 7 quilòmetres. Va començar l'era de la perforació ultraprofunda.

Com la majoria de projectes globals, la idea de perforar la capa superior de la Terra es va originar als anys 60, a l'altura dels vols espacials i la creença en les possibilitats il·limitades de la ciència i la tecnologia. Els americans van concebre res menys que recórrer tota l'escorça terrestre amb un pou i obtenir mostres de les roques del mantell superior. Els conceptes del mantell aleshores (com, de fet, ara) es basaven només en dades indirectes: la velocitat de propagació de les ones sísmiques a les entranyes, el canvi en què es va interpretar com el límit de les capes de roques de diferents edats i composicions. Els científics creien que l'escorça terrestre és com un sandvitx: roques joves a la part superior, antigues a sota. Tanmateix, només la perforació superprofunda podria donar una imatge precisa de l'estructura i la composició de la carcassa exterior i el mantell superior de la Terra.

Projecte Mokhol

El 1958, el programa de perforació superprofunda de Mohol va aparèixer als Estats Units. Aquest és un dels projectes més agosarats i misteriosos de l'Amèrica de postguerra. Com molts altres programes, Mohol tenia la intenció de superar l'URSS en la rivalitat científica, establint un rècord mundial en perforació ultraprofunda. El nom del projecte prové de les paraules "Mohorovicic" - aquest és el nom del científic croat que va distingir la interfície entre l'escorça terrestre i el mantell - la frontera de Moho, i "forat", que significa "bé" en anglès.. Els creadors del programa van decidir perforar a l'oceà, on, segons els geofísics, l'escorça terrestre és molt més prima que als continents. Va ser necessari baixar les canonades uns quants quilòmetres a l'aigua, recórrer 5 quilòmetres del fons oceànic i arribar al mantell superior.

L'abril de 1961, davant de l'illa de Guadalupe, al mar Carib, on la columna d'aigua arriba als 3,5 km, els geòlegs van perforar cinc pous, el més profund d'ells va entrar al fons a 183 metres. Segons els càlculs preliminars, en aquest lloc, sota les roques sedimentàries, esperaven trobar la capa superior de l'escorça terrestre: el granit. Però el nucli aixecat sota els sediments contenia basalts purs, una mena d'antípoda de granits. El resultat de la perforació va desanimar i al mateix temps inspirar els científics, van començar a preparar una nova fase de perforació. Però quan el cost del projecte va superar els 100 milions de dòlars, el Congrés dels EUA va deixar de finançar. Mohol no va respondre a cap de les preguntes plantejades, però va demostrar que el més important és que la perforació súper profunda a l'oceà és possible.

El funeral s'ajorna

La perforació ultra profunda va permetre mirar les profunditats i comprendre com es comporten les roques a altes pressions i temperatures. La idea que les roques amb profunditat es fan més denses i la seva porositat disminueix, va resultar equivocada, així com el punt de vista sobre el subsòl sec. Això es va descobrir per primera vegada durant la perforació del superprofund de Kola, altres pous en estrats cristal·lins antics van confirmar el fet que a una profunditat de molts quilòmetres, les roques es trenquen per esquerdes i penetren per nombrosos porus, i les solucions aquoses es mouen lliurement sota la pressió de diversos centenars. atmosferes. Aquest descobriment és un dels assoliments més importants de la perforació ultraprofunda. Ens va obligar a tornar-nos al problema de l'enterrament de residus radioactius, que s'havien de col·locar en pous profunds, que semblaven totalment segurs. Tenint en compte la informació sobre l'estat del subsòl obtinguda en el curs de la perforació superprofunda, els projectes per a la creació d'aquests dipòsits ara semblen molt arriscats.

A la recerca de l'infern refredat

Des de llavors, el món ha caigut malalt amb la perforació ultraprofunda. Als Estats Units, s'estava preparant un nou programa d'estudi del fons oceànic (Deep Sea Drilling Project). El Glomar Challenger, construït específicament per a aquest projecte, va passar diversos anys a les aigües de diversos oceans i mars, perforant gairebé 800 pous al seu fons, arribant a una profunditat màxima de 760 m. A mitjans dels anys 80, els resultats de la perforació en alta mar van confirmar la teoria. de la tectònica de plaques. La geologia com a ciència va renéixer. Mentrestant, Rússia va seguir el seu camí. L'interès pel problema, despertat pels èxits dels Estats Units, va donar lloc al programa "Exploració de l'interior de la Terra i perforació superprofunda", però no a l'oceà, sinó al continent. Malgrat la seva història centenària, la perforació continental semblava ser un negoci completament nou. Al cap i a la fi, estàvem parlant de profunditats abans inabastables: més de 7 quilòmetres. El 1962, Nikita Khrusxov va aprovar aquest programa, tot i que es va guiar per motius polítics més que científics. No volia quedar-se enrere dels Estats Units.

El recentment creat laboratori de l'Institut de Tecnologia de Perforació estava dirigit pel famós treballador del petroli, el doctor en ciències tècniques Nikolai Timofeev. Se li va encarregar que corroborés la possibilitat de perforació superprofunda en roques cristal·lines: granits i gneis. La investigació va durar 4 anys, i el 1966 els experts van fer un veredicte: podeu perforar, i no necessàriament amb l'equip de demà, l'equip que ja hi ha és suficient. El principal problema és la calor a la profunditat. Segons els càlculs, a mesura que penetra a les roques que formen l'escorça terrestre, la temperatura hauria d'augmentar 1 grau cada 33 metres. Això vol dir que a una profunditat de 10 km s'ha d'esperar uns 300 ° С, i a 15 km - gairebé 500 ° С. Les eines i dispositius de perforació no suportaran aquest escalfament. Calia buscar un lloc on les entranyes no estiguessin tan calentes…

Es va trobar un lloc així: un antic escut cristal·lí de la península de Kola. Un informe elaborat a l'Institut de Física de la Terra deia: durant els milers de milions d'anys de la seva existència, l'escut de Kola s'ha refredat, la temperatura a una profunditat de 15 km no supera els 150 ° C. I els geofísics van preparar una secció aproximada de la península de Kola. Segons ells, els primers 7 quilòmetres són estrats de granit de la part superior de l'escorça terrestre, després comença la capa de basalt. Aleshores es va acceptar generalment la idea d'una estructura de dues capes de l'escorça terrestre. Però, com va resultar més tard, tant els físics com els geofísics estaven equivocats. El lloc de perforació es va escollir a l'extrem nord de la península de Kola, prop del llac Vilgiskoddeoayvinjärvi. En finès significa "Sota la muntanya del llop", encara que en aquell lloc no hi ha muntanyes ni llops. La perforació del pou, la profunditat de disseny del qual era de 15 quilòmetres, va començar el maig de 1970.

Eina per a l'inframón

La perforació del pou de Kola SG-3 no va requerir la creació de dispositius i màquines gegants fonamentalment nous. Vam començar a treballar amb el que ja teníem: la unitat Uralmash 4E amb una capacitat d'elevació de 200 tones i tubs d'aliatge lleuger. El que realment es necessitava en aquell moment eren solucions tecnològiques no estàndard. De fet, a les roques cristal·lines dures a una profunditat tan gran, ningú va perforar, i el que hi passaria, només ho van imaginar en termes generals. Els perforadors experimentats, però, es van adonar que per molt detallat que fos el projecte, un pou real seria molt més complex. Cinc anys més tard, quan la profunditat del pou SG-3 va superar els 7 quilòmetres, es va instal·lar una nova plataforma de perforació Uralmash 15.000, una de les més modernes de l'època. Potent, fiable, amb un mecanisme de disparador automàtic, podia suportar una sèrie de canonades de fins a 15 km de llarg. La plataforma de perforació s'ha convertit en una torre de perforació totalment coberta de 68 m d'alçada, desafiant els forts vents que fan estralls a l'Àrtic. A prop han crescut una miniplanta, laboratoris científics i un magatzem bàsic.

Quan es perfora a poca profunditat, s'instal·la a la superfície un motor que fa girar la corda del tub amb un trepant al final. El trepant és un cilindre de ferro amb dents de diamant o aliatge dur, una mica. Aquesta corona mossega les roques i en retalla una prima columna: un nucli. Per refredar l'eina i eliminar petites restes del pou, s'hi bombeja fluid de perforació: argila líquida, que circula tot el temps pel forat, com la sang als vasos. Després d'un temps, les canonades s'eleven a la superfície, s'alliberen del nucli, es canvia la corona i la columna es torna a baixar al fons del forat. Així és com funciona la perforació convencional.

I si la longitud del canó és de 10-12 quilòmetres amb un diàmetre de 215 mil·límetres? La corda de canonades es converteix en el fil més prim que es baixa al pou. Com gestionar-ho? Com veure què passa a la cara? Per tant, al pou de Kola, a la part inferior de la sarda de perforació, es van instal·lar turbines en miniatura, que es van iniciar perforant fang bombejat a través de canonades a pressió. Les turbines feien girar una broca de carbur i tallaven el nucli. Tota la tecnologia estava ben desenvolupada, l'operador del tauler de control veia la rotació de la broca, coneixia la seva velocitat i podia controlar el procés.

Cada 8-10 metres s'havia d'aixecar una corda de tubs de diversos quilòmetres. La baixada i la pujada han durat un total de 18 hores.

La insidiosa del número "7"

7 quilòmetres: la marca de la mortal superprofunda de Kola. Darrere va començar la incertesa, molts accidents i una lluita contínua amb les roques. El canó no es podia mantenir dret. Quan vam recórrer 12 km per primera vegada, el pou es va desviar de la vertical 21 °. Tot i que els perforadors ja havien après a treballar amb la increïble curvatura del pou, era impossible anar més enllà. El pou s'havia de perforar des de la marca dels 7 km. Per aconseguir un forat vertical a les roques dures, cal un fons molt dur de la corda de perforació, perquè entri a les entranyes com l'oli. Però sorgeix un altre problema: el pou s'està expandint gradualment, el trepant hi penja, com en un got, les parets del pou comencen a col·lapsar-se i poden pressionar l'eina. La solució a aquest problema va resultar ser original: es va aplicar la tecnologia del pèndol. El trepant es va balancejar artificialment al pou i va suprimir les fortes vibracions. A causa d'això, el tronc va resultar ser vertical.

L'accident més comú a qualsevol plataforma és la ruptura de la corda de la canonada. Normalment, intenten capturar les canonades de nou, però si això passa a grans profunditats, el problema es torna irrecuperable. És inútil buscar una eina en un sondeig de 10 quilòmetres, es va llançar un forat així i se'n va començar un de nou, una mica més alt. El trencament i la pèrdua de canonades a SG-3 es van produir moltes vegades. Com a resultat, a la seva part inferior, el pou sembla el sistema radicular d'una planta gegant. La ramificació del pou va molestar els perforadors, però va resultar ser una felicitat per als geòlegs, que inesperadament van obtenir una imatge tridimensional d'un impressionant segment d'antigues roques arqueanes que es van formar fa més de 2.500 milions d'anys.

El juny de 1990, SG-3 va assolir una profunditat de 12.262 m. El pou va començar a preparar-se per perforar fins a 14 km, i després es va produir un altre accident: a una cota de 8.550 m, es va trencar la cadena de canonades. La continuació de l'obra va requerir una llarga preparació, renovació d'equips i nous costos. El 1994, es va aturar la perforació del Kola Superdeep. Després de 3 anys, va entrar al Llibre Guinness dels Rècords i encara es manté insuperable. Ara el pou és un laboratori per a l'estudi de l'intestí profund.

Les entranyes secretes

L'SG-3 ha estat una instal·lació classificada des del principi. La zona fronterera, els dipòsits estratègics del districte i la prioritat científica en tenen la culpa. El primer estranger que va visitar el lloc de perforació va ser un dels líders de l'Acadèmia de Ciències de Txecoslovàquia. Més tard, el 1975, es va publicar a Pravda un article sobre Kola Superdeep signat pel ministre de Geologia Alexander Sidorenko. Encara no hi havia publicacions científiques sobre el pou de Kola, però alguna informació es va filtrar a l'estranger. Segons els rumors, el món va començar a aprendre més: s'està perforant el pou més profund a l'URSS.

Un vel de secretisme hauria penjat probablement sobre el pou fins a la mateixa "perestroika", si el Congrés Geològic Mundial no hagués tingut lloc el 1984 a Moscou. Es van preparar acuradament per a un esdeveniment tan important en el món científic; fins i tot es va construir un nou edifici per al Ministeri de Geologia - molts participants esperaven. Però els col·legues estrangers estaven interessats principalment en el superprofund de Kola! Els americans no creien gens que ho tinguéssim. La profunditat del pou en aquell moment havia arribat als 12.066 metres. Ja no tenia sentit amagar l'objecte. Una exposició dels èxits de la geologia russa esperava als participants del congrés a Moscou, un dels estands estava dedicat al pou SG-3. Els experts de tot el món van mirar desconcertats un capçal de trepant convencional amb dents de carbur desgastats. I amb això estan perforant el pou més profund del món? Increïble! Una gran delegació de geòlegs i periodistes va anar a l'assentament de Zapolyarny. Es va mostrar als visitants la plataforma en acció i es van retirar i desconnectar seccions de canonades de 33 metres. Al voltant hi havia munts exactament dels mateixos caps de perforació que el que hi havia a l'estand de Moscou.

Un conegut geòleg, l'acadèmic Vladimir Belousov va rebre la delegació de l'Acadèmia de Ciències. Durant una roda de premsa, se li va fer una pregunta de l'audiència:

- Què és el més important que ha mostrat el pou de Kola?

- Senyors! El més important, va demostrar que no sabem res sobre l'escorça continental, - va respondre el científic amb honestedat.

Sorpresa profunda

Per descomptat, sabien alguna cosa sobre l'escorça terrestre dels continents. El fet que els continents es compon de roques molt antigues, d'entre 1.500 i 3000 milions d'anys, no va ser refutat ni tan sols pel pou de Kola. Tanmateix, la secció geològica compilada a partir del nucli SG-3 va resultar ser exactament el contrari del que els científics havien imaginat anteriorment. Els primers 7 quilòmetres estaven formats per roques volcàniques i sedimentàries: tufs, basalts, bretxes, gresos, dolomies. Més profund es trobava l'anomenada secció Conrad, després de la qual la velocitat de les ones sísmiques a les roques va augmentar bruscament, que es va interpretar com el límit entre granits i basalts. Aquest tram es va aprovar fa molt de temps, però els basalts de la capa inferior de l'escorça terrestre no van aparèixer mai enlloc. Al contrari, van començar els granits i els gneis.

La secció del pou de Kola va refutar el model de dues capes de l'escorça terrestre i va demostrar que les seccions sísmiques de les entranyes no són els límits de capes de roques de composició diferent. Més aviat, indiquen un canvi en les propietats de la pedra amb la profunditat. A alta pressió i temperatura, les propietats de les roques, aparentment, poden canviar dràsticament, de manera que els granits en les seves característiques físiques esdevenen semblants als basalts, i viceversa. Però el "basalt" aixecat a la superfície des d'una profunditat de 12 quilòmetres es va convertir immediatament en granit, tot i que va experimentar un greu atac de "malaltia del caisson" al llarg del camí: el nucli es va esmicolar i es va desintegrar en plaques planes. Com més avançava el pou, les mostres de menys qualitat van caure en mans dels científics.

La profunditat contenia moltes sorpreses. Abans, era natural pensar que amb l'augment de la distància de la superfície de la terra, amb l'augment de la pressió, les roques es tornen més monolítices, amb un petit nombre d'esquerdes i porus. SG-3 va convèncer els científics del contrari. A partir de 9 quilòmetres, els estrats van resultar ser molt porosos i literalment plens d'esquerdes per les quals circulaven solucions aquoses. Més tard, aquest fet va ser confirmat per altres pous superprofunds dels continents. Va resultar ser molt més calent a la profunditat del que s'esperava: fins a 80 °! A la marca dels 7 km, la temperatura del fons del forat era de 120 ° С, als 12 km ja havia arribat als 230 ° С. A les mostres del pou de Kola, els científics van descobrir la mineralització d'or. Les inclusions de metalls preciosos es van trobar a les roques antigues a una profunditat de 9, 5-10, 5 km. No obstant això, la concentració d'or era massa baixa per reclamar un dipòsit: una mitjana de 37,7 mg per tona de roca, però suficient per esperar-se en altres llocs similars.

Pel camí rus

La demostració del pou de Kola l'any 1984 va causar una profunda impressió a la comunitat mundial. Molts països han començat a preparar projectes de perforació científica als continents. Aquest programa també es va aprovar a Alemanya a finals dels anys vuitanta. El pou ultraprofund KTB Hauptborung es va perforar entre 1990 i 1994, segons el pla, se suposava que havia d'arribar a una profunditat de 12 km, però a causa d'unes temperatures imprevisiblement altes, només va ser possible arribar a la marca dels 9,1 km. A causa de l'obertura de dades sobre perforació i treball científic, bona tecnologia i documentació, el pou ultraprofund KTV segueix sent un dels més famosos del món.

La ubicació per perforar aquest pou va ser escollida al sud-est de Baviera, sobre les restes d'una antiga serralada, l'edat de la qual s'estima en 300 milions d'anys. Els geòlegs creien que en algun lloc aquí hi ha una zona d'unió de dues plaques, que abans eren les costes de l'oceà. Segons els científics, amb el temps, la part alta de les muntanyes s'ha desgastat, deixant al descobert les restes de l'antiga escorça oceànica. Encara més profund, a deu quilòmetres de la superfície, els geofísics van descobrir un cos gran amb una conductivitat elèctrica anormalment alta. També esperaven aclarir-ne la naturalesa amb l'ajuda d'un pou. Però el principal repte era arribar a una profunditat de 10 km per tal d'adquirir experiència en perforació ultraprofunda. Després d'estudiar els materials del Kola SG-3, els perforadors alemanys van decidir perforar primer un pou de prova de 4 km de profunditat per tenir una idea més precisa de les condicions de treball al subsòl, provar la tècnica i prendre un nucli. Al final del treball pilot, gran part dels equips de perforació i científics s'han hagut de modificar i s'ha hagut de tornar a crear alguna cosa.

El pou principal, superprofund, KTV Hauptborung es va col·locar a només dos-cents metres del primer. Per a l'obra es va aixecar una torre de 83 metres i es va crear una plataforma de perforació amb una capacitat d'elevació de 800 tones, la més potent de l'època. S'han automatitzat moltes operacions de perforació, principalment el mecanisme de baixada i recuperació de la corda de canonada. El sistema de perforació vertical autoguiada va permetre fer un forat gairebé vertical. Teòricament, amb aquest equip, era possible perforar a una profunditat de 12 quilòmetres. Però la realitat, com sempre, va resultar més complicada i els plans dels científics no es van fer realitat.

Els problemes al pou de KTV van començar després d'una profunditat de 7 km, repetint gran part del destí del Kola Superdeep. Al principi, es creu que a causa de l'alta temperatura, el sistema de perforació vertical es va trencar i el forat va anar obliquament. Al final de l'obra, la part inferior es va desviar de la vertical en 300 m. Aleshores, van començar accidents més complicats: una ruptura a la corda de perforació. Igual que a Kola, es van haver de perforar nous eixos. Algunes dificultats van ser causades per l'estrenyiment del pou: a la part superior el seu diàmetre era de 71 cm, a la part inferior - 16,5 cm. Els accidents interminables i l'elevada temperatura del fons del pou -270 ° C van obligar els perforadors a deixar de treballar no lluny de l'objectiu estimat.

No es pot dir que els resultats científics de KTV Hauptborung van impactar la imaginació dels científics. A la profunditat, es van dipositar principalment amfibolites i gneis, antigues roques metamòrfiques. La zona de convergència de l'oceà i les restes de l'escorça oceànica no s'han trobat enlloc. Potser són en un altre lloc, aquí hi ha un petit massís cristal·lí, capgirat a una alçada de 10 km. Es va descobrir un dipòsit de grafit a un quilòmetre de la superfície.

L'any 1996, el pou KTV, que va costar al pressupost alemany 338 milions de dòlars, va passar sota el patrocini del Centre Científic de Geologia de Potsdam, es va convertir en un laboratori d'observació del subsòl profund i una destinació turística.

Els pous més profunds del món

1. Aralsor SG-1, terra baixa del Caspi, 1962-1971, profunditat - 6, 8 km. Recerca de petroli i gas.

2. Biikzhal SG-2, terra baixa del Caspi, 1962-1971, profunditat - 6, 2 km. Recerca de petroli i gas.

3. Kola SG-3, 1970-1994, profunditat - 12.262 m. Profunditat de disseny - 15 km.

4. Saatlinskaya, Azerbaidjan, 1977-1990, profunditat - 8 324 m. Profunditat de disseny - 11 km.

5. Kolvinskaya, regió d'Arkhangelsk, 1961, profunditat - 7.057 m.

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

3 km. La profunditat de disseny és de 7 km. Busca or.

7. Timan-Pechora SG-5, nord-est de Rússia, 1984-1993, profunditat - 6.904 m, profunditat de disseny - 7 km.

8. Tyumen SG-6, Sibèria occidental, 1987-1996, profunditat - 7.502 m. Profunditat de disseny - 8 km. Recerca de petroli i gas.

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

10. Pou Vorotilovskaya, regió del Volga, 1989-1992, profunditat - 5.374 m. Cerca de diamants, estudi de l'astroblema Puchezh-Katunskaya.

11. Krivoy Rog SG-8, Ucraïna, 1984-1993, profunditat - 5 382 m. Profunditat de disseny - 12 km. Cerca de quarsites ferruginoses.

Ural SG-4, Urals mitjans. Creat l'any 1985. Profunditat de disseny - 15.000 m Profunditat actual - 6.100 m Recerca de minerals de coure, estudi de l'estructura dels Urals. En-Yakhtinskaya SG-7, Sibèria occidental. Profunditat de disseny - 7.500 m Profunditat actual - 6.900 m Cerca de petroli i gas.