Nel profondo dei minerali caldi

2024 Autore: Seth Attwood | [email protected]. Ultima modifica: 2023-12-16 16:08

Il XX secolo è stato caratterizzato dal trionfo dell'uomo nell'aria e dalla conquista delle più profonde depressioni dell'Oceano Mondiale. Resta irraggiungibile solo il sogno di penetrare nel cuore del nostro pianeta e conoscere la vita finora nascosta delle sue viscere. "Viaggio al centro della Terra" promette di essere estremamente difficile ed emozionante, pieno di molte sorprese e scoperte incredibili. I primi passi su questo percorso sono già stati compiuti: nel mondo sono state perforate diverse dozzine di pozzi super profondi. Le informazioni ottenute con l'aiuto della perforazione ultra profonda si sono rivelate così travolgenti da mandare in frantumi le idee consolidate dei geologi sulla struttura del nostro pianeta e hanno fornito materiali più ricchi per i ricercatori in vari campi della conoscenza.

Tocca il mantello

Gli industriosi cinesi nel XIII secolo scavarono pozzi profondi 1.200 metri. Gli europei hanno battuto il record cinese nel 1930 imparando a perforare la terra con piattaforme di trivellazione per 3 chilometri. Alla fine degli anni '50, i pozzi si estendevano fino a 7 chilometri. Inizia l'era della perforazione ultra profonda.

Come la maggior parte dei progetti globali, l'idea di perforare il guscio superiore della Terra è nata negli anni '60, al culmine dei voli spaziali e della convinzione nelle possibilità illimitate della scienza e della tecnologia. Gli americani concepirono nientemeno che attraversare l'intera crosta terrestre con un pozzo e prelevare campioni delle rocce del mantello superiore. I concetti del mantello allora (come, in effetti, ora) erano basati solo su dati indiretti: la velocità di propagazione delle onde sismiche nelle viscere, il cui cambiamento era interpretato come il confine di strati di rocce di diverse età e composizioni. Gli scienziati credevano che la crosta terrestre fosse come un panino: rocce giovani sopra, rocce antiche sotto. Tuttavia, solo la perforazione super profonda potrebbe fornire un'immagine accurata della struttura e della composizione del guscio esterno e del mantello superiore della Terra.

Progetto Mokhol

Nel 1958, negli Stati Uniti apparve il programma di perforazione super profonda Mohol. Questo è uno dei progetti più audaci e misteriosi dell'America del dopoguerra. Come molti altri programmi, Mohol aveva lo scopo di superare l'URSS nella rivalità scientifica, stabilendo un record mondiale nella perforazione ultra profonda. Il nome del progetto deriva dalle parole "Mohorovicic" - questo è il nome dello scienziato croato che ha distinto l'interfaccia tra la crosta terrestre e il mantello - il confine di Moho, e "hole", che significa "pozzo" in inglese. I creatori del programma hanno deciso di perforare l'oceano, dove, secondo i geofisici, la crosta terrestre è molto più sottile rispetto ai continenti. È stato necessario calare i tubi nell'acqua di diversi chilometri, attraversare 5 chilometri di fondale oceanico e raggiungere il mantello superiore.

Nell'aprile del 1961, al largo dell'isola di Guadalupa nel Mar dei Caraibi, dove la colonna d'acqua raggiunge i 3,5 km, i geologi hanno perforato cinque pozzi, il più profondo dei quali è entrato nel fondo a 183 metri. Secondo calcoli preliminari, in questo luogo, sotto le rocce sedimentarie, si aspettava di incontrare lo strato superiore della crosta terrestre: il granito. Ma il nucleo sollevato da sotto i sedimenti conteneva basalti puri, una specie di antipode dei graniti. Il risultato della perforazione ha scoraggiato e allo stesso tempo ispirato gli scienziati, che hanno iniziato a preparare una nuova fase di perforazione. Ma quando il costo del progetto ha superato i 100 milioni di dollari, il Congresso degli Stati Uniti ha interrotto i finanziamenti. Mohol non ha risposto a nessuna delle domande poste, ma ha mostrato la cosa principale: la perforazione super profonda nell'oceano è possibile.

Il funerale è rimandato

La perforazione ultra profonda ha permesso di guardare nelle profondità e capire come si comportano le rocce ad alte pressioni e temperature. L'idea che le rocce con la profondità diventino più dense e la loro porosità diminuisce, si è rivelata sbagliata, così come il punto di vista sul sottosuolo secco. Questo è stato scoperto per la prima volta durante la perforazione della Kola superdeep, altri pozzi in antichi strati cristallini hanno confermato il fatto che a una profondità di molti chilometri, le rocce sono rotte da fessure e penetrate da numerosi pori e le soluzioni acquose si muovono liberamente sotto la pressione di diverse centinaia atmosfere. Questa scoperta è uno dei risultati più importanti della perforazione ultra profonda. Ci ha costretto a tornare al problema dell'interramento dei rifiuti radioattivi, che avrebbero dovuto essere collocati in pozzi profondi, che sembravano del tutto sicuri. Considerando le informazioni sullo stato del sottosuolo ottenute nel corso della perforazione superprofonda, i progetti per la creazione di tali depositi appaiono ora molto rischiosi.

Alla ricerca dell'inferno refrigerato

Da allora, il mondo si è ammalato di perforazioni ultra profonde. Negli Stati Uniti era in preparazione un nuovo programma per lo studio dei fondali oceanici (Deep Sea Drilling Project). Il Glomar Challenger, costruito appositamente per questo progetto, ha trascorso diversi anni nelle acque di vari oceani e mari, perforando quasi 800 pozzi nel loro fondo, raggiungendo una profondità massima di 760 m. A metà degli anni '80, i risultati della perforazione offshore confermarono la teoria della tettonica delle placche. La geologia come scienza è rinata. Nel frattempo, la Russia è andata per la sua strada. L'interesse per il problema, suscitato dai successi degli Stati Uniti, ha portato al programma "Esplorazione dell'interno della Terra e perforazione super profonda", ma non nell'oceano, ma nel continente. Nonostante la sua storia secolare, la perforazione continentale sembrava essere un'attività completamente nuova. Dopotutto, stavamo parlando di profondità precedentemente irraggiungibili - più di 7 chilometri. Nel 1962, Nikita Krusciov approvò questo programma, sebbene fosse guidato da motivi politici piuttosto che scientifici. Non voleva restare indietro rispetto agli Stati Uniti.

Il laboratorio appena creato presso l'Istituto di tecnologia di perforazione era diretto dal famoso lavoratore petrolifero, il dottore in scienze tecniche Nikolai Timofeev. È stato incaricato di dimostrare la possibilità di perforazione super profonda in rocce cristalline - graniti e gneiss. La ricerca è durata 4 anni e nel 1966 gli esperti hanno emesso un verdetto: puoi perforare, e non necessariamente con l'attrezzatura di domani, l'attrezzatura che è già lì è sufficiente. Il problema principale è il calore in profondità. Secondo i calcoli, penetrando nelle rocce che compongono la crosta terrestre, la temperatura dovrebbe aumentare di 1 grado ogni 33 metri. Ciò significa che a una profondità di 10 km ci si dovrebbe aspettare circa 300 ° e a 15 km - quasi 500 ° С. Gli strumenti e i dispositivi di perforazione non resistono a tale riscaldamento. Era necessario cercare un posto dove le viscere non fossero così calde …

È stato trovato un posto del genere: un antico scudo cristallino della penisola di Kola. Un rapporto preparato presso l'Istituto di Fisica della Terra recita: nei miliardi di anni della sua esistenza, lo scudo di Kola si è raffreddato, la temperatura a una profondità di 15 km non supera i 150 ° C. E i geofisici hanno preparato una sezione approssimativa della penisola di Kola. Secondo loro, i primi 7 chilometri sono strati di granito della parte superiore della crosta terrestre, quindi inizia lo strato di basalto. Quindi l'idea di una struttura a due strati della crosta terrestre fu generalmente accettata. Ma come si è scoperto in seguito, sia i fisici che i geofisici si sbagliavano. Il sito di perforazione è stato scelto all'estremità settentrionale della penisola di Kola vicino al lago Vilgiskoddeoayvinjärvi. In finlandese significa "Sotto la montagna del lupo", sebbene non ci siano montagne o lupi in quel luogo. La perforazione del pozzo, la cui profondità di progetto era di 15 chilometri, iniziò nel maggio 1970.

Strumento per gli inferi

La perforazione del pozzo Kola SG-3 non ha richiesto la creazione di dispositivi fondamentalmente nuovi e macchine giganti. Abbiamo iniziato a lavorare con ciò che già avevamo: l'unità Uralmash 4E con una capacità di sollevamento di 200 tonnellate e tubi in lega leggera. Quello che serviva davvero in quel momento erano soluzioni tecnologiche non standard. In effetti, in rocce cristalline dure a una profondità così grande, nessuno ha perforato e cosa sarebbe successo lì, immaginato solo in termini generali. I perforatori esperti, tuttavia, si sono resi conto che, per quanto dettagliato fosse il progetto, un vero pozzo sarebbe stato molto più complesso. Cinque anni dopo, quando la profondità del pozzo SG-3 superava i 7 chilometri, fu installata una nuova perforatrice Uralmash 15.000, una delle più moderne dell'epoca. Potente, affidabile, con un meccanismo di scatto automatico, poteva resistere a una serie di tubi lunghi fino a 15 km. L'impianto di perforazione si è trasformato in una torre di trivellazione completamente inguainata alta 68 m, che sfida i forti venti che infuriano nell'Artico. Nelle vicinanze sono cresciuti un mini-impianto, laboratori scientifici e un magazzino centrale.

Quando si esegue la perforazione a basse profondità, sulla superficie viene installato un motore che fa ruotare la stringa di tubi con un trapano all'estremità. Il trapano è un cilindro di ferro con denti diamantati o in lega dura - un po '. Questa corona morde le rocce e ne ritaglia una sottile colonna: un nucleo. Per raffreddare lo strumento e rimuovere piccoli detriti dal pozzo, viene pompato del fluido di perforazione: argilla liquida, che circola continuamente lungo il pozzo, come il sangue nei vasi. Dopo qualche tempo, i tubi vengono sollevati in superficie, liberati dal nucleo, la corona viene cambiata e la colonna viene nuovamente abbassata nel foro di fondo. Ecco come funziona la perforazione convenzionale.

E se la lunghezza della canna è di 10-12 chilometri con un diametro di 215 millimetri? La stringa di tubi diventa il filo più sottile che viene calato nel pozzo. Come gestirlo? Come vedere cosa sta succedendo in faccia? Pertanto, sul pozzo Kola, nella parte inferiore della colonna di perforazione, sono state installate turbine in miniatura, avviate perforando fanghi pompati attraverso tubi in pressione. Le turbine ruotavano una punta in carburo e tagliavano il nucleo. L'intera tecnologia era ben sviluppata, l'operatore sul pannello di controllo vedeva la rotazione della punta, conosceva la sua velocità e poteva controllare il processo.

Ogni 8-10 metri doveva essere sollevata una corda di tubi di più chilometri. La discesa e la salita hanno richiesto un totale di 18 ore.

L'insidia del numero "7"

7 chilometri - il segno per il fatale superdeep Kola. Dietro iniziava l'incertezza, molti incidenti e una continua lotta con le rocce. La canna non poteva essere tenuta in posizione verticale. Quando abbiamo percorso 12 km per la prima volta, il pozzo ha deviato dalla verticale di 21°. Sebbene i perforatori avessero già imparato a lavorare con l'incredibile curvatura del pozzo, era impossibile andare oltre. Il pozzo doveva essere perforato a partire dal 7 km. Per ottenere un foro verticale nelle rocce dure, è necessario un fondo molto duro della batteria di perforazione, in modo che entri nelle viscere come l'olio. Ma sorge un altro problema: il pozzo si sta gradualmente espandendo, il trapano penzola al suo interno, come in un bicchiere, le pareti del pozzo iniziano a crollare e possono premere sullo strumento. La soluzione a questo problema si è rivelata originale: è stata applicata la tecnologia del pendolo. Il trapano è stato fatto oscillare artificialmente nel pozzo e ha soppresso le forti vibrazioni. A causa di ciò, il tronco si è rivelato verticale.

L'incidente più comune su qualsiasi rig è la rottura della corda del tubo. Di solito, cercano di catturare nuovamente i tubi, ma se ciò accade a grandi profondità, il problema diventa irrecuperabile. È inutile cercare uno strumento in un pozzo di 10 chilometri; un tale pozzo è stato lanciato e ne è stato avviato uno nuovo, un po' più in alto. La rottura e la perdita del tubo all'SG-3 si sono verificate molte volte. Di conseguenza, nella sua parte inferiore, il pozzo sembra l'apparato radicale di una pianta gigante. La ramificazione del pozzo ha sconvolto i perforatori, ma si è rivelata una gioia per i geologi, che hanno inaspettatamente ottenuto un'immagine tridimensionale di un impressionante segmento di antiche rocce Archeane che si sono formate più di 2,5 miliardi di anni fa.

Nel giugno 1990, l'SG-3 ha raggiunto una profondità di 12.262 m, il pozzo ha iniziato a essere preparato per la perforazione fino a 14 km, quindi si è verificato di nuovo un incidente: a un'altitudine di 8.550 m, la corda del tubo si è interrotta. Il proseguimento dei lavori ha richiesto una lunga preparazione, rinnovo delle attrezzature e nuovi costi. Nel 1994, la perforazione del Kola Superdeep fu interrotta. Dopo 3 anni, è entrata nel Guinness dei primati e rimane ancora insuperata. Ora il pozzo è un laboratorio per lo studio delle viscere profonde.

viscere segrete

L'SG-3 è stato una struttura classificata sin dall'inizio. La colpa è della zona di confine, dei giacimenti strategici nel distretto e della priorità scientifica. Il primo straniero a visitare il sito di perforazione è stato uno dei leader dell'Accademia delle scienze della Cecoslovacchia. Più tardi, nel 1975, un articolo sulla Kola Superdeep fu pubblicato sulla Pravda firmato dal ministro della Geologia Alexander Sidorenko. Non c'erano ancora pubblicazioni scientifiche sul pozzo Kola, ma alcune informazioni sono trapelate all'estero. Secondo le indiscrezioni, il mondo ha iniziato a saperne di più: il pozzo più profondo viene perforato nell'URSS.

Probabilmente un velo di segretezza sarebbe rimasto sul pozzo fino alla vera e propria "perestrojka", se il Congresso Geologico Mondiale non si fosse svolto nel 1984 a Mosca. Si sono preparati con cura per un evento così importante nel mondo scientifico; è stato persino costruito un nuovo edificio per il Ministero della Geologia - molti partecipanti si aspettavano. Ma i colleghi stranieri erano principalmente interessati al Kola superdeep! Gli americani non credevano affatto che ce l'avessimo. La profondità del pozzo a quel tempo aveva raggiunto i 12.066 metri. Non aveva più senso nascondere l'oggetto. Una mostra di risultati della geologia russa attendeva i partecipanti al congresso a Mosca, uno degli stand era dedicato al pozzo SG-3. Gli esperti di tutto il mondo hanno guardato sbalorditi una testa di perforazione convenzionale con denti in metallo duro usurati. E con questo stanno perforando il pozzo più profondo del mondo? Incredibile! Una folta delegazione di geologi e giornalisti si è recata all'insediamento di Zapolyarny. Ai visitatori è stato mostrato l'impianto in azione e le sezioni di tubo di 33 metri sono state rimosse e scollegate. Tutt'intorno c'erano mucchi di teste di perforazione identiche a quella che era allo stand a Mosca.

Un noto geologo, l'accademico Vladimir Belousov ha ricevuto la delegazione dell'Accademia delle scienze. Durante una conferenza stampa, gli è stata posta una domanda dal pubblico:

- Qual è la cosa più importante che ha mostrato il pozzo Kola?

- Gentiluomini! Soprattutto, ha dimostrato che non sappiamo nulla della crosta continentale, - lo scienziato ha risposto onestamente.

profonda sorpresa

Certo, sapevano qualcosa sulla crosta terrestre dei continenti. Il fatto che i continenti siano composti da rocce molto antiche, di età compresa tra 1,5 e 3 miliardi di anni, non è stato confutato nemmeno dal pozzo Kola. Tuttavia, la sezione geologica compilata sulla base del nucleo SG-3 si è rivelata esattamente l'opposto di quanto gli scienziati avevano immaginato in precedenza. I primi 7 chilometri erano composti da rocce vulcaniche e sedimentarie: tufi, basalti, brecce, arenarie, dolomiti. Più in profondità si trovava la cosiddetta sezione di Conrad, dopo la quale la velocità delle onde sismiche nelle rocce aumentò bruscamente, che fu interpretata come il confine tra graniti e basalti. Questa sezione è stata superata molto tempo fa, ma i basalti dello strato inferiore della crosta terrestre non sono mai apparsi da nessuna parte. Al contrario, iniziarono i graniti e gli gneiss.

La sezione della Kola confutava bene il modello a due strati della crosta terrestre e mostrava che le sezioni sismiche nelle viscere non sono i confini di strati di rocce di diversa composizione. Piuttosto, indicano un cambiamento nelle proprietà della pietra con la profondità. Ad alta pressione e temperatura, le proprietà delle rocce, apparentemente, possono cambiare drasticamente, così che i graniti nelle loro caratteristiche fisiche diventano simili ai basalti e viceversa. Ma il "basalto" sollevato in superficie da una profondità di 12 chilometri è diventato immediatamente granito, sebbene abbia subito un grave attacco di "malattia dei cassoni" lungo la strada: il nucleo si è sbriciolato e si è disintegrato in placche piatte. Più il pozzo andava avanti, meno campioni di qualità cadevano nelle mani degli scienziati.

La profondità ha riservato molte sorprese. In precedenza, era naturale pensare che con l'aumentare della distanza dalla superficie terrestre, con l'aumentare della pressione, le rocce diventassero più monolitiche, con un numero ridotto di crepe e pori. SG-3 ha convinto gli scienziati del contrario. A partire da 9 chilometri, gli strati si sono rivelati molto porosi e letteralmente stipati di crepe lungo le quali circolavano soluzioni acquose. Successivamente, questo fatto è stato confermato da altri pozzi super profondi nei continenti. In profondità si è rivelato molto più caldo del previsto: di ben 80°! Al km 7, la temperatura del fondo era di 120 ° С, a 12 km aveva già raggiunto i 230 °. Nei campioni del pozzo Kola, gli scienziati hanno scoperto la mineralizzazione dell'oro. Inclusioni di metalli preziosi sono state trovate in rocce antiche a una profondità di 9, 5-10, 5 km. Tuttavia, la concentrazione di oro era troppo bassa per richiedere un deposito - una media di 37,7 mg per tonnellata di roccia, ma sufficiente per essere previsto in altri luoghi simili.

Sulle tracce russe

La dimostrazione del pozzo Kola nel 1984 ha fatto una profonda impressione sulla comunità mondiale. Molti paesi hanno iniziato a preparare progetti di perforazione scientifica nei continenti. Tale programma è stato approvato anche in Germania alla fine degli anni '80. Il pozzo ultra profondo KTB Hauptborung è stato perforato dal 1990 al 1994, secondo il piano, avrebbe dovuto raggiungere una profondità di 12 km, ma a causa delle temperature imprevedibilmente elevate è stato possibile raggiungere solo il segno di 9,1 km. A causa dell'apertura dei dati sulla perforazione e sul lavoro scientifico, sulla buona tecnologia e documentazione, il pozzo ultra profondo KTV rimane uno dei più famosi al mondo.

Il luogo per la perforazione di questo pozzo è stato scelto nel sud-est della Baviera, sui resti di un'antica catena montuosa, la cui età è stimata in 300 milioni di anni. I geologi credevano che da qualche parte qui ci fosse una zona di unione di due placche, che un tempo erano le rive dell'oceano. Secondo gli scienziati, nel tempo, la parte superiore delle montagne si è consumata, esponendo i resti dell'antica crosta oceanica. Ancora più in profondità, a dieci chilometri dalla superficie, i geofisici hanno scoperto un grande corpo con una conduttività elettrica anormalmente elevata. Speravano anche di chiarire la sua natura con l'aiuto di un pozzo. Ma la sfida principale era raggiungere una profondità di 10 km per acquisire esperienza nella perforazione ultra profonda. Dopo aver studiato i materiali della Kola SG-3, i perforatori tedeschi hanno deciso di perforare prima un pozzo di prova a 4 km di profondità per avere un'idea più accurata delle condizioni di lavoro nel sottosuolo, testare la tecnica e prendere un nucleo. Alla fine del lavoro pilota, gran parte dell'attrezzatura scientifica e di perforazione doveva essere modificata e qualcosa doveva essere ricreato.

Il pozzo principale - super profondo - KTV Hauptborung è stato posato a soli duecento metri dal primo. Per l'opera fu eretta una torre di 83 metri e fu realizzata una perforatrice con una capacità di sollevamento di 800 tonnellate, la più potente dell'epoca. Molte operazioni di perforazione sono state automatizzate, in primis il meccanismo per l'abbassamento e il recupero della stringa di tubi. Il sistema di perforazione verticale autoguidato ha permesso di realizzare un foro quasi verticale. In teoria, con tale attrezzatura, era possibile perforare a una profondità di 12 chilometri. Ma la realtà, come sempre, si è rivelata più complicata e i piani degli scienziati non si sono avverati.

I problemi al KTV sono iniziati bene dopo una profondità di 7 km, ripetendo gran parte del destino della Kola Superdeep. Inizialmente, si ritiene che a causa dell'alta temperatura, il sistema di perforazione verticale si sia rotto e il foro sia andato obliquamente. Alla fine del lavoro, il fondo ha deviato dalla verticale di 300 m, quindi sono iniziati incidenti più complicati: un'interruzione della batteria di perforazione. Proprio come su Kola, è stato necessario perforare nuovi pozzi. Alcune difficoltà sono state causate dal restringimento del pozzo - nella parte superiore il suo diametro era di 71 cm, nella parte inferiore - 16,5 cm Incidenti infiniti e alta temperatura del pozzo di fondo -270 ° C hanno costretto i perforatori a smettere di lavorare non lontano dall'obiettivo desiderato.

Non si può dire che i risultati scientifici di KTV Hauptborung abbiano colpito l'immaginazione degli scienziati. In profondità si depositavano principalmente anfiboliti e gneiss, antiche rocce metamorfiche. La zona di convergenza dell'oceano ei resti della crosta oceanica non sono stati trovati da nessuna parte. Forse sono in un altro luogo, ecco un piccolo massiccio cristallino, capovolto ad un'altezza di 10 km. A un chilometro dalla superficie è stato scoperto un deposito di grafite.

Nel 1996, il pozzo KTV, costato al budget tedesco 338 milioni di dollari, è passato sotto il patrocinio del Centro scientifico di geologia di Potsdam, è stato trasformato in un laboratorio per l'osservazione del sottosuolo profondo e in una destinazione turistica.

I pozzi più profondi del mondo

1. Aralsor SG-1, pianura del Caspio, 1962-1971, profondità - 6, 8 km. Cerca petrolio e gas.

2. Biikzhal SG-2, pianura del Caspio, 1962-1971, profondità - 6, 2 km. Cerca petrolio e gas.

3. Kola SG-3, 1970-1994, profondità - 12.262 m Profondità di progetto - 15 km.

4. Saatlinskaya, Azerbaigian, 1977-1990, profondità - 8 324 m Profondità di progetto - 11 km.

5. Kolvinskaya, regione di Arkhangelsk, 1961, profondità - 7.057 m.

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

3 chilometri. La profondità di progetto è di 7 km. Cerca l'oro.

7. Timan-Pechora SG-5, nord-est della Russia, 1984-1993, profondità - 6.904 m, profondità di progetto - 7 km.

8. Tyumen SG-6, Siberia occidentale, 1987-1996, profondità - 7.502 m Profondità di progetto - 8 km. Cerca petrolio e gas.

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

10. Pozzo Vorotilovskaya, regione del Volga, 1989-1992, profondità - 5.374 m Ricerca di diamanti, studio dell'astroblema Puchezh-Katunskaya.

11. Krivoy Rog SG-8, Ucraina, 1984-1993, profondità - 5 382 m Profondità di progetto - 12 km. Ricerca di quarziti ferruginose.

Ural SG-4, Urali medi. Stabilito nel 1985. Profondità di progetto - 15.000 m Profondità attuale - 6.100 m Ricerca di minerali di rame, studio della struttura degli Urali. En-Yakhtinskaya SG-7, Siberia occidentale. Profondità di progetto - 7.500 m Profondità attuale - 6.900 m Ricerca di petrolio e gas.