ВОКРУГ ДРЕВНЕГО ОЗЕРА
Кандидат технических наук П. ТАЛАЛАЙ (Санкт-Петербургский государственный горный институт).
Во время антарктического полевого сезона 1974-1975 годов самолет военно-морских сил США, оснащенный станцией радиолокационного зондирования британского Института полярных исследований Скотта, принял четкие сигналы, отраженные от водной поверхности. Так к северу от советской станции "Восток" было обнаружено огромное подледниковое озеро.
Открытие имело долгую предысторию. В конце 1950-х годов прошлого века советский ученый Н. Н. Зубов первым показал, что под полярными наземными ледяными щитами может находиться слой воды, поскольку нижняя часть ледника подтаивает под воздействием теплового потока, поступающего из глубины земных недр. Его выводы подтвердил в 1961 году российский гляциолог, будущий член-корреспондент РАН И. А. Зотиков. Он провел теплофизические расчеты, показавшие, что в центральных областях Антарктиды подледниковое тепло из-за большой толщины льда наверх практически не поднимается, а постоянно расходуется на таяние у ложа ледника.
Развивая свою теорию, Зотиков рассчитал распределение температур в леднике под станцией "Восток". По его оценкам, температура у нижней границы ледника равна температуре плавления льда в этих условиях: под давлением примерно 30 МПа температура плавления опускается до -2,5°С. Талая вода в виде пленки как бы "выдавливается" в те места, где толщина ледника (а следовательно, и давление) меньше, и замерзает. А незамерзшая талая вода может скапливаться в углублениях подледникового ложа. Через два года после теоретических расчетов Зотикова ученые составили карту предполагаемых областей непрерывного таяния у ложа ледника в центральной части ледникового покрова Антарктиды. Из нее следовало, что станции "Восток", "Амундсен-Скотт" и "Берд" находятся в областях предполагаемого существования подледниковых озер.
Следующий шаг к открытию сделал советский полярный исследователь географ А. П. Капица. Под его руководством в 1959 и 1964 годах проводилось сейсмическое зондирование ледникового щита под станцией "Восток", позволившее определить толщину льда. Тогда ученые обнаружили, что помимо главного пика отражения сейсмических волн от дна ледника в приемном сигнале выявляется еще один побочный пик неизвестного происхождения. В то время его интерпретировали как отражение от нижней границы слоя осадочных пород под ледником. Сейчас мы знаем, что на самом деле это был сигнал со дна подледникового озера.
В 1968 году сотрудники Института полярных исследований Скотта (Великобритания), проводившие радиолокационную съемку ледниковой толщи Восточной Антарктиды, тоже получили сигналы, отраженные от очень гладкой поверхности. Именно такая форма сигнала возникает на границе "лед - вода". В 1969 году полярникам из американской военной Лаборатории научных и инженерных исследований полярных районов USA CRREL (US Army Cold Regions Research & Engineering Laboratory) на станции "Берд" удалось дойти электромеханическим снарядом до слоя воды на глубине 2164 метра. Но о существовании подледниковых озер научный мир узнал лишь после сезона 1974-1975 годов...
К настоящему времени в Антарктиде открыты 67 относительно небольших подледниковых водоемов и одно крупное озеро, над южной частью которого находится российская станция "Восток". Длина этого озера, получившего название "Восток", составляет 230 километров, а площадь - около 16 тыс. км2, чуть меньше Ладожского озера.
*
Станция "Восток" была основана 16 декабря 1957 года. С тех пор здесь действует круглогодичная научно-исследовательская база, сперва Советской, а сейчас Российской антарктической экспедиции. Десяток полярников сменяются каждый год во время короткого антарктичес кого лета. Полярники вполне справедливо называют станцию самым суровым местом на шестом континенте, приговаривая: "Кто на "Востоке" не бывал, тот Антарктиды не видал".
Во внутриконтинентальных районах Антарктиды не может выжить ни одно живое существо, кроме человека. Ходят легенды, что несколько раз над станцией появлялись поморники, хотя в это не верится: кратчайшее расстояние от станции "Восток" до берега - 1260 километров, а высота над уровнем моря - около 3,5 километра. В первые экспедиции еще брали собак, как это принято на зимовках в Арктике. Ни одна не выжила.
Станция "Восток" - полюс холода Земли. Среднегодовая температура воздуха в этом районе Антарктиды равна -55°С, а в июле 1983 года была отмечена самая низкая температура на Земле: -89,2°С. Круглосуточная полярная ночь длится почти четыре месяца - с 24 апреля по 20 августа. Атмосферное давление в норме составляет всего 460 мм рт. ст., как на вершине Эльбруса, а влажность воздуха ниже, чем в Сахаре. И последнее, в течение почти восьми месяцев, с марта по октябрь, "восточники" отрезаны от всего остального мира, словно жители недоступной планеты. Чтобы ни случилось на станции, в этот период они рассчитывают только на свои собственные силы да на советы с Большой земли.
Тем не менее более 40 лет на станции проводятся систематические (правда, с небольшими перерывами) наблюдения по аэрометеорологии, геофизике, гляциологии.
*
Попытки проникновения в глубину антарктического ледникового покрова предпринимались на станции "Восток" еще в 1950-е годы, но достичь особых успехов тогда не удалось: Конструкции первых термобуров, протаивающих ледяной покров, оказались недолговечными и вмерзали в лед после прохождения пятидесяти метров. На станции "Восток" исследователи столкнулись с множеством проблем. Во-первых, крайне неблагоприятное географическое положение (удаленность от баз снабжения, сложность транспортировки бурового оборудования и т.д.); во-вторых, исключительно низкая температура разбуриваемого льда; в-третьих, динамические особенности свойств ледяного покрова, заставляющие ледник "течь", подобно аморфным телам.
Специально для Антарктиды советские ученые и инженеры сконструировали ряд оригинальных термобуровых устройств. Первый термобуровой снаряд, разработанный в Ленинградском (сейчас - Санкт-Петербургском) горном институте совместно с Арктическим и антарктическим НИИ, один из его изобретателей профессор Б. Б. Кудряшов назвал гибридом электроплитки с пылесосом, по скольку снаряд представлял собой нагревательный элемент в виде кольца, прикрепленного к торцу трубы. Талая вода подхватывалась потоком воздуха, создаваемым в трубе обычным вакуумным насосом, как в пылесосе. С помощью этого устройства в 1972 году полярникам удалось пройти в глубь ледника до отметки 952 метра (скважина № 1).
С развитием техники теплового бурения глубина скважин на станции "Восток" постепенно увеличивалась: 2202 метра в 1985 году (скважина 3Г-2), 2546 метров в 1989 году (скважина 4Г-2), 2755 метров в 1993 году (скважина 5Г-1). И, наконец, сменив тепловой снаряд на более производительный электромеханический, на скважине 5Г-1 в 1998 году полярникам удалось достичь глубины 3623 метра. Так глубоко в Антарктиде не опускался еще никто. Бурение остановили приблизительно в 130 метрах от поверхности подледникового озера, опасаясь загрязнить уникальную водную экосистему.
*
На глубине 3538 метров самая глубокая антарктическая скважина прошла через слои так называемого конжеляционного льда, образовавшегося в результате намерзания воды на нижнюю поверхность ледника. В этих слоях ученые обнаружили минеральные включения со дна озера "Восток". Они характерны для древнего докембрийского (от 570 млн до 3,5 млрд лет назад) периода: иллит, хлорит, кварц, монацит, апатит, циркон и плагиоклаз. Возникает интригующий вопрос: а могла ли в водах озера сохраниться докембрийская жизнь?
Ученые считают: жизнь в подледниковом озере существует с высокой степенью вероятности. Они нашли, что концентрация воздуха в тающем ледниковом льду составляет примерно 113 мг/л. Газовые пузырьки на поверхности ледника по мере движения вглубь превращаются в кристаллические включения. Достигнув поверхности озера, эти кристаллики воздуха снова тают и переходят в озерную воду, насыщая ее атмосферными газами. За счет давления, создаваемого толщей льда, концентрация кислорода и азота в подледниковой воде должна быть даже выше, чем в обычной.
А если есть воздух, то может поддерживаться жизнь. Возможно, она присутствует в озере в самых простейших формах, которые могут существовать без процесса фотосинтеза. Хотелось бы думать, что эти организмы сохранились со времен образования ледникового покрова и были миллионы лет отрезаны от внешнего мира. Но не исключено, что жизнь принесена в озеро с поверхности ледника.
Пока буровой снаряд самого озера не достиг, но молекулярно-биологические исследования керна озерного льда позволили обнаружить три вида бактерий, живущих в реликтовом водоеме. Они относятся к умеренным термофилам, т. е. к организмам, чья жизнедеятельность происходит при температуре 40-55°С, гибельной для большинства живых существ. По-видимому, найденные бактерии живут в горячих источниках на дне озера.
*
Научный мир ждет новых открытий от исследования проб озерной воды. Но оказалось, что по сложности этот проект соизмерим с первым полетом человека в космос или высадкой его на Луну. Почему же нельзя использовать уже пробуренную скважину 5Г-1, ведь от ее забоя до поверхности озера осталось всего 130 метров? Дело, оказывается, в том, что сама возможность вскрытия реликтового подледникового озера вышла из плоскости простого технического решения в плоскость политическую, где во главу угла ставятся не принципы исследований, закрепленные международным Договором об Антарктике, а амбиции научной и политической бюрократии некоторых стран.
К настоящему времени Договор об Антарктике подписали 45 государств, 27 из которых носят статус консультативной стороны, что дает им право принимать участие в решениях, определяющих любые вопросы деятельности в регионе. Хотя ряд государств выдвинул территориальные претензии, в период действия договора эти претензии де-факто заморожены, а континент свободен для исследовательской деятельности всех участников договора.
Бурение скважины 5Г-1 остановили в 1998 году по инициативе Международного научного комитета по антарктическим исследованиям SCAR (Scientific Council for Antarctic Research) из-за опасности нарушения экологии уникального, реликтового озера. Так что же угрожает его безопасности?
Как известно, ледники под действием силы тяжести находятся в напряженном состоянии. Лед на стенках скважины деформируется, и стенки становятся неустойчивыми. Ствол скважины сужается, что в конечном счете приводит к авариям - затяжкам и прихватам бурового инструмента. Для укрепления стенок скважину наполняют специальной жидкостью, обеспечивающей компенсацию давления ледяной толщи. Так, скважину 5Г-1 в процессе бурения заполняли смесью авиационного топлива ТС-1 с дихлорфторэтаном. Выбор компонентов промывочной жидкости неслучаен. Смесь не теряет текучести при крайне низких температурах (до -60°С), а плотность ее равна плотности льда (около 920 кг/м3). Но, к сожалению, для живых организмов смесь очень токсична.
Согласившись с мнением научного сообщества, российские ученые начали разрабатывать особую технологию экологически чистого вскрытия подледникового водоема. Так по инициативе Министерства природных ресурсов и Росгидромета России в рамках Федеральной целевой программы "Мировой океан", стартовал проект № 7 по исследованию подледникового озера "Восток".
Работы по созданию новой экологически чистой технологии выполнялись в основном сотрудника ми Горного института и Арктического и антарктического НИИ в Санкт-Петербурге. Достичь поверхности озера "Восток" и извлечь образцы подледниковой воды предполагается в три этапа.
Сперва скважину 5Г-1 углубят дополнительно на 100 метров с помощью колонкового электромеханического снаряда, использовавшегося здесь ранее. Это оборудование уже доказало свою безопасность, эффективность и надежность.
Чтобы предотвратить проникновение токсичной жидкости в подледниковое озеро, призабойную часть скважины предполагается заполнить экологически безопасной кремнийорганической жидкостью класса полиметилсилоксановых соединений, которая создаст примерно стометровый буферный промежуточный слой между забоем и ранее использовавшейся жидкостью. Кремнийорганические жидкости гидрофобны, т.е. нерастворимы в воде. Для людей и животных они безвредны.
Бурение последних 30 метров до выхода в озеро будет проводиться при помощи специально разработанного термобурового снаряда ТБПО-132 без его подъема на поверхность. Снаряд создаст еще один буферный слой из талой воды ниже слоя гидрофобной кремнийорганической жидкости. При достижении пилот-скважиной поверхности озера система датчиков подаст мгновенный сигнал на поверхность. В результате автоматически включится пакер - устройство, изолирующее призабойную зону от остальной части скважины, отключится электропитание тепловой коронки и буровой снаряд остановится.
В соответствии с показаниями датчиков, размещенных в буровом снаряде, будет произведена оценка соотношения давления внутри скважины (гидростатического давления столба жидкости) Рг и давления воды в озере Ро. В зависимости от этого соотношения возможны три варианта развития событий.
Наиболее вероятный и желаемый сценарий - когда гидростатическое давление столба жидкости окажется меньше давления воды в озере (Рг < Ро). В этом случае под действием разницы давлений озерная вода будет стремиться попасть в скважину, но прямой проход окажется перекрытым опорной термокоронкой бурового снаряда. Вода попадет в скважину, и, когда будет снят пакер, буровой снаряд поднимется на поверхность. Здесь возможно одно маленькое "но": если усилие, возникшее под действием разницы давлений, будет настолько высоким, что превысит вес бурового снаряда (за вычетом архимедовой выталкивающей силы), то вода может проникнуть в скважину сразу в момент вскрытия озера. Но экологической угрозы такое развитие событий не несет, поскольку токсичная скважинная жидкость не попадет в воды озера.
Если же гидростатическое давление столба жидкости окажется равным давлению воды в озере (Рг = Ро), то озерная вода поднимется в скважину при подъеме бурового снаряда. При этом объем поступающей в скважину воды будет примерно равен объему извлекаемого грузонесущего кабеля и объему самого бурового снаряда при поднятии его на поверхность.
Случай, когда гидростатическое давление столба жидкости меньше давления воды в озере (Рг > Ро), может возникнуть из-за ошибки в оценке давлений. Тогда при выходе пилот-скважины в озеро на буровой снаряд будет действовать усилие, прижимающее опорную термокоронку к забою, что позволит изолировать озеро от скважины. Пакер обеспечит дополнительную изоляцию. Далее предполагает ся откачать часть жидкости из скважины с тем, чтобы события развивались по первому варианту, когда гидростатическое давление столба жидкости меньше давления воды в озере. Затем снаряд поднимут на поверхность, и озерная вода поступит в скважину.
Таким образом, термобуровой снаряд будет выполнять функцию клапана, разобщая озеро и скважину в момент выхода пилот-скважины в подледниковый водоем. Во всех трех вариантах жидкость из скважины не должна попасть в озеро, а наоборот - озерная вода должна подняться в скважину. При этом высота подъема озерной воды легко регулируется откачкой или добавлением промывочной жидкости с поверхности. В конечном счете предполагается, что скважинное давление будет меньше озерного на 0,3-0,4 МПа, и это обеспечит подъем озерной воды на 30-40 метров.
После подъема на поверхность термобурового снаряда ТБПО-132 работы прекратятся до замерзания поступившей в скважину подледниковой воды. На это уйдет примерно месяц. После этого начнется заключительный этап - извлечение на поверхность замерзшей озерной воды колонковым электромеханическим снарядом КЭМС-135. Бурение будет остановлено, не доходя 10-15 метров до поверхности подледникового озера. Оставшаяся перемычка обеспечит полную изоляцию ствола скважины от подледникового озера.
*
Для многих стран разработка российскими специалистами столь технологически сложного проекта проникновения в озеро "Восток" в условиях глубокого кризиса российской науки стала полной неожиданностью. Они недооценили накопленный российскими учеными опыт, владение передовыми технологическими методами и наличие развитой экспедиционной инфраструктуры в Антарктике.
Российский проект стал одной из главных тем обсуждения на XXVI Консультативном совещании по Договору об Антарктике - главном форуме международного антарктического сообщества, проходившем с 9 по 20 июня 2003 года в Мадриде. Несмотря на жест-кое противодействие некоторых делегаций, российская сторона убедила международное сообщество, что новый проект строго следует всем требованиям Протокола об охране окружающей среды Антарктики. С учетом рекомендаций, вынесенных на совещание, проект проникновения в водный слой озера "Восток" наконец получил возможность перейти в фазу практической реализации.
К сожалению, получение международного одобрения не ослабило противодействия некоторых (особенно американских) научных кругов. Так, летом 2004 года в США без участия российских ученых проходила научная конференция по проблемам исследования озера "Восток", на которой наш проект был подвергнут резкой и, как нам кажется, необоснованной критике. "Я критикую этот план, потому что он не очень хорошо разработан. Выглядит так, как будто они просто хотят быть первыми", - заявил микробиолог из Университета штата Монтана Дж. Приску.
Вполне вероятно, что подобные высказывания связаны не столько с научной экспертизой проекта, сколько с борьбой за лидерство в области изучения подледниковых озер. Ведь в самой Америке ни НАСА, ни Национальный научный фонд США с некоторых пор не выделяют денег на подготовку к бурению. Политика двойных стандартов, как оказалась, имеет место не только в политике, но и в науке. Так, на вышеупомянутой конференции не прозвучало ни единого слова критики в адрес уже реализованного европейского проекта NGRIP (North Greenland Ice-core project) вскрытия подледникового озера в северной Гренландии, где 17 июля 2003 года на глубине 3085 метров скважина вышла в подледниковые водные отложения (см. "Наука и жизнь" № 8, 2004 г.). Подледниковая вода тогда поднялась в скважину примерно на 45 метров, контактируя при этом с токсичной промывочной жидкостью.
Кстати, дальнейшее развитие событий в Гренландии проходило по сценарию, разработанному нами для озера "Восток". Поднявшаяся в скважину подледниковая вода замерзла, и в летний сезон 2004 года датские ученые при повторном бурении извлекли на поверхность примерно 50 кг замороженных образцов подледниковой воды.
Любые споры в науке можно решить эмпирическим путем. И Россия медленно, но верно идет по пути достижения поверхности подледникового озера "Восток". Так, во время недавно закончившегося антарктического летнего сезона 2004-2005 годов специалисты Горного института измерили диаметр скважины 5Г-1 и гидростатическое давление промывочной жидкости. Предварительные данные показали: ствол скважины устойчив, и его можно свободно пройти для отбора проб из реликтового озера. Возможно, недавно наступившее антарктическое лето наконец удовлетворит любопытство мирового научного сообщества, ожидающего от российского эксперимента интересных открытий.
*
11 ноября 2005 года из Санкт-Петербурга на судне "Академик Федоров" стартовала 51-я российская антарктическая экспедиция. В декабре к ней присоединяются специалисты из Горного института, которые продолжат бурение сверхглубокой скважины 5Г-1. К окончанию полевого сезона в феврале 2006 года до поверхности реликтового озера останется пройти всего 80 метров...
Подписи к иллюстрациям
Илл. 1. Современное представление о топографии озера "Восток" было в значительной степени уточнено в 1998-2003 годах при помощи сейсмического зондирования и радиолокационного профилирования, проведенных прямо с поверхности ледника. Выяснилось, что восточный берег подледникового озера достаточно ровный и выдержан в субмеридиональном направлении вдоль 107о в. д. Западный берег сильно изрезан, а в его юго-западной части имеется бухта округлой формы, вдающаяся в сушу на расстояние примерно 10 километров. В северо-западной части, на расстоянии около 170 километров от станции "Восток", обнаружена целая система бухт и мысов. Еще севернее расположен полуостров L-образной формы с размерами около 30x15 километров, а сам северный берег имеет округлую форму. На южном берегу тоже найдены небольшая бухта и мыс, выступающий в озеро на 6 километров. (По материалам Л. М. Саватюгина.)
Илл. 2. Схема самой глубокой скважины во льдах Антарктиды - 5Г-1, пробуренной на станции "Восток" сотрудниками Санкт-Петербургского государственного горного института. Бурение остановлено в 1998 году на глубине 3623 метра приблизительно в 130 метрах от поверхности подледникового озера "Восток".
Илл. 3. Вскрытие подледникового озера "Восток" предполагается выполнить в три этапа: углубление скважины 5Г-1 на 100 метров и заполнение ее кремнийорганической жидкостью (I); бурение последних 30 метров при помощи термобурового снаряда, оценка соотношения давления внутри скважины Рг и давления воды в озере Ро (II); бурение и извлечение на поверхность замерзшей озерной воды колонковым электромеханическим снарядом (III).
Илл. 4. Схема термобурового снаряда ТБПО-132, предназначенного для вскрытия подледникового озера: 1 - пилотное термодолото; 2 - опорная термокоронка; 3 - пакер; 4, 5 и 6 - датчики давления; 7 - клапан; 8 - насос; 9 - электродвигатель; 10 - электронный блок; 11 - электроотсек; 12 - датчик осевой нагрузки на забой скважины; 13 - кабельный замок; 14 - кабель; 15 - подвижная втулка; 16 - пружина; 17 - датчик контакта с подледниковой водой; 18 - шток; 19 и 20 - сенсоры; 21 - пружина.
Илл. 5. Российская антарктическая станция "Восток" с борта самолета. До ближайшей итало-французской станции "Купол Конкордия" ("Dome Concorde") - около 650 километров, до российской станции "Мирный" на берегу моря Дейвиса - 1410 километров. Снимок сделан в 1995 году во время 39-й Российской антарктической экспедиции.
Илл. 6. На станции "Восток" начиная с 1975 года в общей сложности отобрано более 3000 проб; в 89 случаях в них обнаружены микроорганизмы, среди которых имеются представители различных таксонометрических групп: прокариоты - неспорообразующие и спорообразующие бактерии и актиномицеты; эукариоты - дрожжи и мицелиальные грибы. На фотографии: микроорганизмы, обнаруженные в антарктическом льду на глубине 2395 метров (увеличение x 14 000).
Илл. 7. В 1996-2002 годах НАСА финансировало проект по разработке технических средств проникновения в подледниковые озера. Долгосрочная цель этих работ направлена на исследование Европы, второго по величине спутника Юпитера, полностью покрытого толщей льда, под которым, как предполагается, находится достаточно теплая вода, а может, существует и жизнь. Один из вариантов полуавтономного устройства для отбора проб из подледниковых водоемов и проведения фото- и видеосъемки изображен на рисунке (по материалам журнала "Space").
Илл. 8. Из-за постоянных метелей буровой комплекс на станции "Восток" в сезон 2004-2005 годов оказался почти полностью погребенным под снегом. О том, что под снегом находятся буровые здания, можно догадаться только по вышкам, которые видны над поверхностью ледяного щита. Во время работы 49-й Российской антарктической экспедиции ее сотрудник геофизик А. Н. Марков (на переднем плане) исследовал состояние скважин.
Читайте в любое время
