Hluboko v horkých rudách

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Naposledy změněno: 2023-12-16 16:00

20. století bylo ve znamení triumfu člověka ve vzduchu a dobytí nejhlubších prohlubní Světového oceánu. Jen sen proniknout do srdce naší planety a poznat dosud skrytý život jejích útrob zůstává nedosažitelný. "Cesta do středu Země" slibuje, že bude extrémně obtížná a vzrušující, plná překvapení a neuvěřitelných objevů. První kroky na této cestě již byly učiněny – na světě bylo vyvrtáno několik desítek superhlubinných vrtů. Informace získané pomocí ultrahlubokého vrtání se ukázaly být natolik ohromující, že rozbily zavedené představy geologů o struktuře naší planety a poskytly nejbohatší materiály pro badatele v různých oblastech poznání.

Dotkněte se pláště

Pracovití Číňané ve 13. století kopali studny hluboké 1200 metrů. Evropané překonali čínský rekord v roce 1930 tím, že se naučili provrtat zemi vrtnými soupravami na vzdálenost 3 kilometrů. Koncem 50. let se vrty rozšiřovaly až na 7 kilometrů. Začala éra ultrahlubokého vrtání.

Jako většina globálních projektů, myšlenka vrtání horního pláště Země vznikla v 60. letech 20. století, na vrcholu vesmírných letů a víry v neomezené možnosti vědy a techniky. Američané si nemysleli nic menšího než projít celou zemskou kůru studnou a získat vzorky hornin svrchního pláště. Koncepce pláště tehdy (jako ostatně i nyní) vycházela pouze z nepřímých údajů - rychlosti šíření seismických vln v útrobách, jejíž změna byla interpretována jako hranice vrstev hornin různého stáří a složení. Vědci věřili, že zemská kůra je jako sendvič: mladé kameny nahoře, staré staré dole. Přesný obrázek o struktuře a složení vnějšího pláště a svrchního pláště Země by však mohly poskytnout pouze superhluboké vrty.

Projekt Mokhol

V roce 1958 se ve Spojených státech objevil program superhlubokého vrtání Mohol. Jde o jeden z nejodvážnějších a nejzáhadnějších projektů v poválečné Americe. Stejně jako mnoho jiných programů měl Mohol předběhnout SSSR ve vědeckém soupeření a vytvořit světový rekord v ultrahlubokém vrtání. Název projektu pochází ze slov „Mohorovicic“– to je jméno chorvatského vědce, který rozlišil rozhraní mezi zemskou kůrou a pláštěm – hranici Moho, a „hole“, což v angličtině znamená „studna“.. Tvůrci programu se rozhodli vrtat v oceánu, kde je podle geofyziků zemská kůra mnohem tenčí než na kontinentech. Bylo nutné spustit potrubí několik kilometrů do vody, překonat 5 kilometrů dna oceánu a dosáhnout horního pláště.

V dubnu 1961 u ostrova Guadeloupe v Karibském moři, kde vodní sloupec dosahuje 3,5 km, vyvrtali geologové pět vrtů, nejhlubší z nich vstoupil na dno v hloubce 183 metrů. Podle předběžných výpočtů v tomto místě pod usazenými horninami očekávali setkání s horní vrstvou zemské kůry – žulou. Ale jádro vyzdvižené zpod sedimentů obsahovalo čisté čediče – jakýsi antipod žul. Výsledek vrtání vědce odradil a zároveň inspiroval, začali připravovat novou fázi vrtání. Když však náklady na projekt přesáhly 100 milionů dolarů, americký Kongres financování zastavil. Mohol neodpověděl na žádnou z položených otázek, ale ukázal to hlavní - superhluboké vrtání v oceánu je možné.

Pohřeb se odkládá

Ultrahluboké vrtání umožnilo nahlédnout do hlubin a pochopit, jak se horniny chovají při vysokých tlacích a teplotách. Představa, že horniny s hloubkou hustnou a jejich pórovitost se snižuje, se ukázala jako mylná, stejně jako pohled na suché podloží. To bylo poprvé objeveno při vrtání superhlubiny Kola, další vrty ve starověkých krystalických vrstvách potvrdily skutečnost, že v hloubce mnoha kilometrů jsou horniny rozbity trhlinami a proniknuty četnými póry a vodné roztoky se volně pohybují pod tlakem několika stovek atmosféry. Tento objev je jedním z nejdůležitějších úspěchů ultrahlubokého vrtání. Přinutilo nás to znovu se obrátit k problému zahrabávání radioaktivního odpadu, který měl být umístěn v hlubokých vrtech, které se zdály zcela bezpečné. Vzhledem k informacím o stavu podloží získaných při superhlubinných vrtech vypadají projekty na vytvoření takových úložišť nyní velmi riskantně.

Při hledání vychlazeného pekla

Od té doby svět onemocněl ultrahlubokým vrtáním. Ve Spojených státech se připravoval nový program pro studium oceánského dna (Deep Sea Drilling Project). Glomar Challenger, postavený speciálně pro tento projekt, strávil několik let ve vodách různých oceánů a moří, na jejich dně vyvrtal téměř 800 vrtů, které dosáhly maximální hloubky 760 m. V polovině 80. let výsledky vrtů na moři potvrdily teorii deskové tektoniky. Geologie jako věda byla znovuzrozena. Mezitím Rusko šlo svou vlastní cestou. Zájem o problém, vyvolaný úspěchy Spojených států, vyústil v program „Průzkum nitra Země a superhlubinné vrtání“, nikoli však v oceánu, ale na kontinentu. Navzdory staleté historii se zdálo, že kontinentální vrtání je zcela nový byznys. Vždyť jsme mluvili o dříve nedosažitelných hloubkách – více než 7 kilometrů. V roce 1962 Nikita Chruščov tento program schválil, i když se řídil spíše politickými než vědeckými motivy. Nechtěl zaostávat za Spojenými státy.

Nově vytvořenou laboratoř na Ústavu technologie vrtání vedl slavný ropný dělník, doktor technických věd Nikolaj Timofeev. Byl instruován, aby zdůvodnil možnost superhlubinných vrtů v krystalických horninách - žuly a ruly. Výzkum trval 4 roky a v roce 1966 vynesli odborníci verdikt – vrtat se dá, a ne nutně s vybavením zítřka, stačí vybavení, které už je. Hlavním problémem je teplo v hloubce. Podle výpočtů by se při pronikání do hornin, které tvoří zemskou kůru, měla každých 33 metrů zvýšit teplota o 1 stupeň. To znamená, že v hloubce 10 km by se mělo očekávat asi 300 ° С a v 15 km - téměř 500 ° С. Vrtací nástroje a přístroje takové zahřívání nevydrží. Bylo nutné hledat místo, kde by útroby nebyly tak horké …

Takové místo bylo nalezeno - starověký krystalický štít poloostrova Kola. Zpráva zpracovaná v Ústavu fyziky Země zněla: za miliardy let své existence se Kolský štít ochladil, teplota v hloubce 15 km nepřesahuje 150 °C. A geofyzici připravili přibližný řez poloostrovem Kola. Prvních 7 kilometrů jsou podle nich žulové vrstvy svrchní části zemské kůry, poté začíná čedičová vrstva. Poté byla obecně přijímána myšlenka dvouvrstvé struktury zemské kůry. Jak se ale později ukázalo, mýlili se fyzici i geofyzici. Místo vrtání bylo vybráno na severním konci poloostrova Kola poblíž jezera Vilgiskoddeoayvinjärvi. Ve finštině to znamená „Pod Vlčí horou“, ačkoli na tom místě nejsou žádné hory ani vlci. Vrtání vrtu, jehož projektovaná hloubka byla 15 kilometrů, začalo v květnu 1970.

Nástroj pro podsvětí

Vrtání vrtu Kola SG-3 nevyžadovalo vytvoření zásadně nových zařízení a obřích strojů. Začali jsme pracovat s tím, co jsme již měli: jednotkou Uralmash 4E s nosností 200 tun a trubkami z lehkých slitin. To, co bylo v té době opravdu potřeba, byla nestandardní technologická řešení. V tvrdých krystalických horninách do tak velké hloubky totiž nikdo nevrtal a co by se tam stalo, si představovali jen obecně. Zkušení vrtaři si však uvědomili, že bez ohledu na to, jak podrobný je projekt, skutečná studna bude mnohem složitější. O pět let později, když hloubka vrtu SG-3 přesáhla 7 kilometrů, byla instalována nová vrtná souprava Uralmash 15 000, jedna z nejmodernějších v té době. Výkonná, spolehlivá, s automatickým spoušťovým mechanismem, snesla šňůru trubek dlouhou až 15 km. Vrtná souprava se proměnila v plně opláštěný vrtný jeřáb vysoký 68 m, odolný vůči silným větrům zuřícím v Arktidě. Nedaleko vyrostla mini továrna, vědecké laboratoře a sklad jádra.

Při vrtání do malých hloubek je na povrchu instalován motor, který roztáčí trubkovou kolonu s vrtákem na konci. Vrták je železný válec s diamantovými zuby nebo zuby z tvrdé slitiny - bit. Tato koruna se zakusuje do skal a vysekává z nich tenký sloupek – jádro. Pro ochlazení nástroje a odstranění malých nečistot z vrtu se do něj čerpá vrtná kapalina - tekutý jíl, který neustále cirkuluje podél vrtu, jako krev v cévách. Po nějaké době jsou trubky zvednuty na povrch, uvolněny z jádra, koruna je vyměněna a sloup je opět spuštěn do spodního vrtu. Takto funguje konvenční vrtání.

A pokud je délka hlavně 10-12 kilometrů o průměru 215 milimetrů? Řetězec trubek se stává nejtenčím závitem, který je spuštěn do studny. Jak to zvládnout? Jak vidět, co se děje ve tváři? Proto byly na studnu Kola, na dně vrtné kolony, instalovány miniaturní turbíny, které byly spuštěny vrtáním bahna čerpaného potrubím pod tlakem. Turbíny otáčely karbidovou korunkou a řezaly jádro. Celá technologie byla dobře propracovaná, operátor na ovládacím panelu viděl rotaci vrtáku, znal jeho rychlost a mohl proces řídit.

Každých 8-10 metrů se musel zvednout mnohakilometrový potrubní řetězec. Sestup a výstup trvaly celkem 18 hodin.

Zákeřnost čísla "7"

7 kilometrů - značka pro superhlubinu Kola fatální. Začala za tím nejistota, mnoho nehod a neustálý boj s kameny. Hlaveň se nedala udržet ve svislé poloze. Když jsme poprvé jeli 12 km, vrt se odchýlil od svislice o 21°. Vrtaři se sice už naučili pracovat s neuvěřitelným zakřivením vrtu, ale dál už jít nešlo. Studna měla být vrtána od hranice 7 km. Chcete-li získat svislou díru v tvrdých kamenech, potřebujete velmi tvrdé dno vrtací kolony, aby se dostala do útrob jako olej. Vyvstává ale další problém - studna se postupně rozšiřuje, vrták v ní visí jako ve skle, stěny vrtu se začnou hroutit a mohou tlačit na nástroj. Řešení tohoto problému se ukázalo jako originální - byla použita kyvadlová technologie. Vrták byl ve studni uměle rozkýván a tlumil silné vibrace. Díky tomu se kmen ukázal jako vertikální.

Nejčastější nehodou na jakékoli plošině je prasknutí struny potrubí. Obvykle se snaží znovu zachytit potrubí, ale pokud se to stane ve velkých hloubkách, pak se problém stane neodstranitelným. V 10kilometrovém vrtu je zbytečné hledat nástroj, takový vrt se nahodil a začal se nový, o něco výš. Rozbití a ztráta potrubí na SG-3 se stalo mnohokrát. Výsledkem je, že studna ve své spodní části vypadá jako kořenový systém obří rostliny. Větvení studny rozrušilo vrtače, ale ukázalo se, že bylo štěstím pro geology, kteří nečekaně získali trojrozměrný obrázek působivého segmentu starověkých archejských hornin, které se vytvořily před více než 2,5 miliardami let.

V červnu 1990 dosáhl SG-3 hloubky 12 262 m. Vrt se začal připravovat k vrtání až do 14 km a pak opět došlo k havárii - v kótě 8 550 m se přetrhla trubní šňůra. Pokračování prací si vyžádalo dlouhou přípravu, obnovu zařízení a nové náklady. V roce 1994 bylo vrtání Kola Superdeep zastaveno. Po 3 letech se zapsala do Guinessovy knihy rekordů a stále zůstává nepřekonána. Nyní je studna laboratoří pro studium hlubokých střev.

Tajná střeva

SG-3 byl od počátku klasifikovaným zařízením. Na vině je hraniční pásmo, strategická ložiska v okrese a vědecká priorita. Prvním cizincem, který místo vrtů navštívil, byl jeden z vedoucích představitelů Akademie věd Československa. Později, v roce 1975, vyšel v Pravdě článek o Kola Superdeep podepsaný ministrem geologie Alexandrem Sidorenkem. O kolské studni stále nebyly žádné vědecké publikace, ale některé informace unikaly do zahraničí. Podle pověstí se svět začal učit více - nejhlubší vrt se vrtá v SSSR.

Rouška tajemství by nad studnou pravděpodobně visela až do samotné „perestrojky“, kdyby se v roce 1984 v Moskvě nekonal Světový geologický kongres. Na tak významnou událost ve vědeckém světě se pečlivě připravovali, dokonce byla postavena nová budova pro ministerstvo geologie - mnoho účastníků očekávalo. Zahraniční kolegy ale primárně zajímala superhlubina Kola! Američané vůbec nevěřili, že na to máme. Hloubka vrtu do té doby dosáhla 12 066 metrů. Už nemělo smysl předmět skrývat. V Moskvě na účastníky kongresu čekala výstava úspěchů ruské geologie, jeden ze stánků byl věnován vrtu SG-3. Odborníci z celého světa se zmateně dívali na konvenční vrtací hlavu s opotřebovanými karbidovými zuby. A tímto vrtají nejhlubší studnu na světě? Neuvěřitelný! Do osady Zapolyarny se vydala početná delegace geologů a novinářů. Návštěvníkům byla ukázána plošina v akci a byly odstraněny a odpojeny 33metrové části potrubí. Všude kolem byly hromady přesně stejných vrtacích hlav jako ta, která byla na stánku v Moskvě.

Delegaci z Akademie věd přijal známý geolog, akademik Vladimir Belousov. Během tiskové konference mu byla položena otázka z publika:

- Co nejdůležitějšího ukázala studna Kola?

- Pánové! A co je nejdůležitější, ukázalo se, že o kontinentální kůře nic nevíme, - upřímně odpověděl vědec.

Hluboké překvapení

Samozřejmě věděli něco o zemské kůře kontinentů. Skutečnost, že kontinenty jsou složeny z velmi prastarých hornin, stáří od 1,5 do 3 miliard let, nevyvrátila ani studna Kola. Geologická část sestavená na základě jádra SG-3 však dopadla přesně opačně, než si vědci dříve představovali. Prvních 7 kilometrů tvořily vulkanické a sedimentární horniny: tufy, čediče, brekcie, pískovce, dolomity. Hlouběji ležel tzv. Conradův úsek, po kterém se prudce zvýšila rychlost seismických vln v horninách, což bylo interpretováno jako hranice mezi žulami a čediči. Tento úsek byl již dávno projetý, ale čediče spodní vrstvy zemské kůry se nikdy nikde neobjevily. Naopak začaly žuly a ruly.

Úsek vrtu Kola vyvrátil dvouvrstvý model zemské kůry a ukázal, že seismické řezy v útrobách nejsou hranicemi vrstev hornin různého složení. Spíše naznačují změnu vlastností kamene s hloubkou. Při vysokém tlaku a teplotě se vlastnosti hornin zjevně mohou dramaticky změnit, takže žuly se ve svých fyzikálních vlastnostech podobají čedičům a naopak. Ale „čedič“vytažený na povrch z 12kilometrové hloubky se okamžitě stal žulou, i když cestou zažil těžký záchvat „kesonové nemoci“– jádro se rozpadalo a rozpadalo na ploché plaky. Čím dále studna šla, tím méně kvalitní vzorky se dostávaly do rukou vědců.

Hloubka obsahovala mnoho překvapení. Dříve bylo přirozené se domnívat, že s rostoucí vzdáleností od povrchu země, s rostoucím tlakem, se horniny stávají monolitičtějšími, s malým počtem trhlin a pórů. SG-3 přesvědčila vědce o opaku. Počínaje 9 kilometry se vrstvy ukázaly jako velmi porézní a doslova napěchované trhlinami, podél kterých cirkulovaly vodné roztoky. Později tuto skutečnost potvrdily další superhluboké vrty na kontinentech. Ukázalo se, že v hloubce je mnohem teplejší, než se očekávalo: až o 80 °! Na značce 7 km byla teplota dna 120 ° С, na 12 km již dosáhla 230 ° С. Ve vzorcích studny Kola vědci objevili mineralizaci zlata. Inkluze drahých kovů byly nalezeny ve starověkých horninách v hloubce 9, 5-10, 5 km. Koncentrace zlata však byla příliš nízká na to, aby si mohla nárokovat ložisko – v průměru 37,7 mg na tunu horniny, ale dostačující na to, aby se dalo očekávat na jiných podobných místech.

Po ruské stopě

Ukázka studny Kola v roce 1984 udělala hluboký dojem na světové společenství. Mnoho zemí začalo připravovat projekty vědeckých vrtů na kontinentech. Takový program byl koncem 80. let schválen také v Německu. Ultrahluboký vrt KTB Hauptborung byl vrtán v letech 1990 až 1994, podle plánu měl dosáhnout hloubky 12 km, ale kvůli nepředvídatelně vysokým teplotám se podařilo dostat jen na hranici 9,1 km. Díky otevřenosti údajů o vrtání a vědecké práci, dobré technologii a dokumentaci zůstává ultrahluboký vrt KTV jedním z nejznámějších na světě.

Místo pro vrtání této studny bylo vybráno na jihovýchodě Bavorska, na zbytcích starověkého pohoří, jehož stáří se odhaduje na 300 milionů let. Geologové věřili, že někde tady je zóna spojení dvou desek, které byly kdysi břehy oceánu. Podle vědců se v průběhu času horní část hor opotřebovala a odkryly se tak zbytky starověké oceánské kůry. Ještě hlouběji, deset kilometrů od povrchu, geofyzici objevili velké těleso s abnormálně vysokou elektrickou vodivostí. Doufali také, že objasní jeho povahu pomocí studny. Ale hlavní výzvou bylo dosáhnout hloubky 10 km, abyste získali zkušenosti s ultrahlubokým vrtáním. Po prostudování materiálů Kola SG-3 se němečtí vrtaři rozhodli nejprve vyvrtat zkušební vrt o hloubce 4 km, aby získali přesnější představu o pracovních podmínkách v podloží, otestovali techniku a vzali jádro. Na konci pilotních prací musela být velká část vrtného a vědeckého vybavení změněna a něco muselo být znovu vytvořeno.

Hlavní – superhluboká – studna KTV Hauptborung byla položena jen dvě stě metrů od první. Pro práci byla postavena 83metrová věž a byla vytvořena v té době nejvýkonnější vrtná souprava s nosností 800 tun. Mnoho vrtacích operací bylo automatizováno, především mechanismus pro spouštění a vytahování potrubí. Samonaváděcí systém vertikálního vrtání umožnil vytvořit téměř svislý otvor. Teoreticky bylo s takovým zařízením možné vrtat do hloubky 12 kilometrů. Realita se ale jako vždy ukázala složitější a plány vědců se nenaplnily.

Problémy u vrtu KTV začaly po hloubce 7 km a opakovaly mnohé z osudu Kola Superdeep. Nejprve se má za to, že vlivem vysoké teploty se vertikální vrtný systém porouchal a otvor šel šikmo. Na konci prací se dno odchýlilo od svislice o 300 m. Poté začaly komplikovanější havárie - prasknutí vrtné kolony. Stejně jako na Kole se musely vyvrtat nové šachty. Určité potíže způsobilo zúžení studny - nahoře její průměr 71 cm, dole - 16,5 cm Nekonečné nehody a vysoká teplota na dně –270 °C donutily vrtáky přestat pracovat nedaleko vytouženého cíle.

Nelze říci, že by vědecké výsledky KTV Hauptborung zasáhly představivost vědců. V hloubce se ukládaly především amfibolity a ruly, staré metamorfované horniny. Zóna konvergence oceánu a zbytky oceánské kůry nebyly nikde nalezeny. Možná jsou na jiném místě, tady je malý krystalický masiv, vyvrácený do výšky 10 km. Kilometr od povrchu bylo objeveno ložisko grafitu.

V roce 1996 se vrt KTV, který stál německý rozpočet 338 milionů dolarů, dostal pod patronát Vědeckého centra pro geologii v Postupimi, proměnil se v laboratoř pro pozorování hlubokého podloží a turistický cíl.

Nejhlubší studny na světě

1. Aralsor SG-1, Kaspická nížina, 1962-1971, hloubka - 6, 8 km. Hledání ropy a plynu.

2. Biikzhal SG-2, Kaspická nížina, 1962-1971, hloubka - 6, 2 km. Hledání ropy a plynu.

3. Kola SG-3, 1970-1994, hloubka - 12 262 m. Návrhová hloubka - 15 km.

4. Saatlinskaya, Ázerbájdžán, 1977-1990, hloubka - 8 324 m. Návrhová hloubka - 11 km.

5. Kolvinskaja, Archangelská oblast, 1961, hloubka - 7 057 m.

6. Muruntau SG-10, Uzbekistán, 1984, hloubka -

3 km. Návrhová hloubka je 7 km. Hledej zlato.

7. Timan-Pechora SG-5, Severovýchod Ruska, 1984-1993, hloubka - 6 904 m, návrhová hloubka - 7 km.

8. Ťumeň SG-6, Západní Sibiř, 1987-1996, hloubka - 7 502 m. Návrhová hloubka - 8 km. Hledání ropy a plynu.

9. Novo-Elkhovskaya, Tatarstán, 1988, hloubka - 5 881 m.

10. Vorotilovská studna, Povolží, 1989-1992, hloubka - 5 374 m. Hledání diamantů, studium astroblému Puchezh-Katunskaya.

11. Krivoj Rog SG-8, Ukrajina, 1984-1993, hloubka - 5 382 m. Návrhová hloubka - 12 km. Hledejte železité křemence.

Ural SG-4, Střední Ural. Založena v roce 1985. Návrhová hloubka - 15 000 m. Současná hloubka - 6 100 m. Hledání měděných rud, studium struktury Uralu. En-Yakhtinskaya SG-7, západní Sibiř. Návrhová hloubka - 7 500 m. Současná hloubka - 6 900 m. Vyhledávání ropy a plynu.