Юрий Иванов - На суше и на море. 1974. Выпуск 14

Во время Международного геофизического года (который начался в 1955 г.) советская и американская антарктические экспедиции решили провести глубокое бурение в Антарктиде и Гренландии. Задача казалась простой. Ведь бурили же и самые твердые породы на тысячи метров вглубь. А тут просто лед! Надо взять обычное буровое оборудование и лишь заменить легко замерзающий глинистый раствор для промывки скважины чем-нибудь морозостойким, например керосином или просто воздухом. В Гренландию, а затем и в Антарктиду были завезены отличные буровые станки, тысячи метров буровых штанг и обсадных труб, тонны керосина. И тут оказалось, что бурить лед обычным вращательным бурением значительно труднее, чем даже твердые породы. Из-за большой текучести лед затягивал скважину и зажимал буровой инструмент. Лишь 360 м удалось пройти советским буровикам и гляциологам в Антарктиде у края ледяного щита вблизи поселка Мирный, где толщина льда была около 600 м. Только 411 и 308 м прошли американцы в центральных областях Гренландии и Антарктиды вблизи станций Кемп Сенчури и Бэрд, хотя толщина льда там была соответственно более 1000 и 2000 м. Выяснилось, что бурение на глубину более 400 м надо вести, заполнив предварительно скважину незамерзающей жидкостью с плотностью, близкой к плотности льда.

Таким требованиям удовлетворяет, скажем, смесь трихлорэтилена с дизельным топливом.

В скважины были опущены чувствительные датчики и измерена температура. Во всех случаях в верхних слоях толщи льда она оставалась неизменной или даже слегка понижалась, и лишь в нижней части скважины намечался переход к области, где температура, по-видимому, растет по мере приближения к ложу.

Полученные факты уже никого не удивили. К этому времени было теоретически доказано, что температура и должна быть почти неизменной в верхних слоях льда благодаря захоронению холодных слоев вновь выпавшим снегом, то есть из-за движения льда от верхней поверхности к ложу. Такое движение возможно в связи с тем, что нижние слои под действием веса вышележащих растекаются и расстояние между годовыми слоями льда уменьшается. В тонких горных ледниках эффект такого движения, «выхолаживающего» верхние слои, мал, однако он чрезвычайно важен, когда толщина льда достигает тысячи и более метров.

Расчеты показали также, что, несмотря на эффект «выхолаживания», у нижней поверхности толстых слоев льда в центральных областях Антарктиды температура может быть весьма высокой, равной температуре таяния льда. При этом у нижней поверхности ледяного щита идет, по-видимому, непрерывное таяние льда. Образующаяся вода выдавливается в виде более пли менее тонкой пленки или ручьев к периферии и стекает в море.

В результате бурения были получены образцы льда (керны) с разных глубин. Исследование их структуры и плотности показало, что в верхних слоях имеются различия между зимним и летним снегом, а следовательно, возможно выделить годовые слои, определить количество накопившегося за год снега. Однако такое различие можно проследить лишь до глубин не более 100 м. Для анализа кернов с больших глубин старые, классические методы, основанные на исследовании лишь структуры и плотности, оказались недостаточными. Стало ясно также, что для четкого суждения о процессах, происходящих в ледниковом покрове, необходимо бурить лед до его ложа.

Было предложено использовать возникшую еще в прошлом веке простую идею термического бурения, то есть протаивання льда нагретой головкой, опускающейся в лед под действием собственного веса. Интересно, что этот метод применили одновременно независимо друг от друга многие экспедиции. Уже в 1958 г. на станциях Восток, Лазарев, Мирный работали простые самодельные нагреватели, которыми успешно бурили ледниковый покров. Талая вода уходила в поры снежной или фирновой толщи, и скважина оказывалась сухой, а стенки ее сцементированными. Но, как правило, такой бур достигал глубины лишь 50 м. По-видимому, ниже вода оставалась в скважине, и нагреватель работал, как кипятильник, образуя вокруг большую каверну, но не продвигаясь вниз. Надо было оснастить термобур системой откачки воды. Над нагревателем установили контейнер. Но бур пришлось поднимать наверх каждый раз, как контейнер наполнялся водой, обычно после проходки нескольких метров. Нагревательная головка бура имела форму кольца, чтобы в середине, по оси бура, оставался нетронутый столб льда — керн. Этот драгоценный керн также поднимался на поверхность при извлечении из скважины воды.

Этот способ бурения не требовал буровых штанг, так как головка бура соединялась с поверхностью лишь тонким гибким кабелем, по которому подводилась необходимая для нагрева электроэнергия. Впоследствии более удобным оказался бур не с тепловой головкой, а с насадкой для механического разрушения льда с помощью электроэнергии.

Буры такой конструкции представляли собой внушительные сооружения. Ведь надо было быстро сматывать и разматывать тысячи метров армированною электрокабеля, осторожно поднимать и опускать буровой снаряд, извлекать воду и кори. В установку входила маленькая электростанция, буровая вышка высотой более 20 ж, различные автоматические системы. Для отработки технологии такого бурения одна из лабораторий США затратила более десяти лет. В 1966 г. усилиями этой лаборатории был пройден на всю глубину ледяной покров Гренландии в районе станции Кемп Сенчури. Толщина льда в центре ледяного щита составляла 1375 ж.

На графике показано изменение температуры в этой скважине. У ложа она оказалась равной минус 13°, что значительно ниже температуры таяния льда при данном давлении (около минус 1°).

Успешное завершение буровых работ в Гренландии позволило перейти к более глубокому бурению и в Антарктиде. В декабре 1968 г. на глубине 2164 ж от поверхности бур достиг ложа ледника в центральной части ледяного купола Западной Антарктиды близ станции Бэрд. В тот момент, когда бур достиг коренных пород, в скважину пошла вода. Столб ее поднялся на 50.м. Таким образом, было наконец доказано, что в центральных частях Антарктиды (по крайней мере в некоторых местах) температура у ложа равна температуре таяния. Однако мощных линз воды у ложа, по-видимому, нет. Распределение температуры по толщине льда вблизи станции Бэрд показано на том же графике.