Через льды в прошлое
Климат Земли меняется, и это неопровержимый факт. Будущий курс (направление), скорость и конечный эффект такого изменения не слишком очевидны. Климатологи, гляциологи и инженеры извлекают керны льда (мутная сердцевина в блоке льда) из пластов льда Арктики и Гренландии и из ледников, находящихся в полосе умеренного климата в попытке познать тайны прошлого и предугадать будущее.
Мэри Р. Альберт
Дартмутский колледж
Ганновер, штат Нью-Гэмпшир, США
Джеффри Харгривз
Геологическая Служба США
Денвер, штат Колорадо, США
«Нефтегазовое обозрение», том 25, №4
зима 2013/2014
Copyright © 2014 Schlumberger.
Благодарим за помощь в подготовке данной статьи
Джея Джонсона (Ice Drilling Design and Operations group,
Мэдисон, штат Висконсин, США),
А. Макгинн и Джули М. Пале (Национальный научный фонд США (NSF),
Американская антарктическая программа, Арлингтон,штат Вирджиния, США.
А также Марку Твиклеру, Институт исследований земли, океанов и космического пространства,
Нью-хэмпширский университет, Дарем, США.
Мэри Р. Альберт признает NSF поддержку в виде премии PLR-1327315.
1. Alley RB: The Two Mile Time Machine: Ice Cores, Abrupt Change, and Our Future. Princeton, New Jersey, USA: Princeton University Press, 2000.
2. Committee on Abrupt Climate Change, National Research Council: Abrupt Climate Change: Inevitable Surprises. Washington, DC: The National Academies Press, 2002.
Lüthi D, Le Floch M, Bereiter B, Blunier T, Barnola J-M, Siegenthaler U, Raynaud D, Jouzel J, Fischer H, Kawamura K and Stocker TF: “High-Resolution Carbon Dioxide Concentration Record 650,000–800,000 Years Before Present,” Nature 453, no. 7193 (May 15, 2008):
379–382.
Brook E: “Paleoclimate: Windows on the Greenhouse,”
Nature 453, no. 7193 (May 15, 2008): 291–292.
3. Langway CC Jr: “The History of Early Polar Ice Cores,” Cold Regions Science and Technology 52, no. 2 (January 2008): 101–117.
4. Dansgaard W: “The O18-Abundance in Fresh Water,” Geochimica et Cosmochimica Acta 6, no. 5–6 (December 1954): 241–260.
5. Langway CC Jr: “Willi Dansgaard (1922–2011),” Arctic 64, no. 3 (September 2011): 385–387.
6. Bentley CR, Koci BR, Augustin LJ-M, Bolsey RJ,
Green JA, Kyne JD, Lebar DA, Mason WP, Shturmakov AJ, Engelhardt HF, Harrison WD, Hecht MH and Zagorodnov V: “Ice Drilling and Coring,” in Bar-Cohen Y and Zacny K (eds): Drilling in Extreme Environments: Penetration and Sampling on Earth and Other Planets. Dramstadt, Germany: Wiley-VCH (August 2009): 221–308.
Климатологи должны оглянуться на сотни и тысячи лет назад, чтобы узнать, как менялись климатические условия Земли. Это поможет лучше понять процессы изменения климата и сделать дальнейшие прогнозы. Ледяной покров, где снег никогда не тает, а только накапливается за сотни тысяч лет толщиною в несколько километров, может служить архивом ключей к разгадке прошлого климата.
Хотя наука, изучающая климат по кернам льда появилась меньше 70 лет назад, климатологи делали несколько удивительных открытий. 1 Благодаря гляциологии (наука о ледниках) стало известно, что климат может резко измениться менее, чем за 10 лет, и что количество углекислого газа [CO2] составе атмосферы стало больше, чем его было 800 000 лет назад.2
Первые буровые установки для извлечения кернов льда в научных целях были разработаны корпусом инженеров армии США в 1950-х годах. Эти сверла, разработанные по моделям для геологического бурения, были использованы для бурения ледников промежуточной глубины и более глубоких и в Гренландии и в Антарктиде.3 Когда армия США создала Camp Century в Гренландии в 1960-х годах, армейские инженеры построили новый электромеханический бур для извлечения первого глубинного, сплошного керна на коренную породу; для этого Честер Лэнгвей младший, ответственный за научный анализ кернов, сформировал международную команду, включающую американских, датских и швейцарских ученых для проведения целого ряда измерений на керне. Гляциология быстро развивалась во многих странах, и даже сегодня международные, междисциплинарные начинания остаются отличительной чертой науки о ледниках.
Датский ученый Вилли Данзгаард выполнил работу, результатом которой стало международное сотрудничество по анализу ледяного керна из Camp Century. Данзгаард сделал открытие в 1950-м, которое сегодня позволяет экспертам расшифровывать информацию, запечатленную в этих древних памятниках. Данзгаард разработал приборы, позволяющие быстро измерить сезонные колебания климатических условий в течение коротких интервалов времени путем измерения вариации стабильных изотопов кислорода коэффициентов, таких как 18O/16O в кернах льда.
Эту технику Данзгаард применял для анализа ледника длиной 1, 390 м (4,560 футов), восстановленного в Camp Century в 1966 (рис. Справа). 4 Множество ученых со всего мира с тех пор проводили анализ химических элементов на кернах льда, чтобы считать информацию о климатических и погодных условиях через пыль, результаты вулканической активности, скорость накопления снега, как естественного, так и антропогенного характера, множество химических индикаторов в ледовых щитах. 5
В данной статье описывается процесс бурения Арктических и Антарктических ледовых щитов и ледников в тропических климатических условиях, способы, применяемые для извлечения кернов льда в целостности, также способы их хранения и исследования. В историю случаев включают результаты попыток извлечения кернов из Эемского межледникового периода в Гренландии, Западно-Антарктического Ледового щита (WAIS) и ледяной массив Гласиар Кельккайя (the Quelccaya ice cap) в Перу.
Конструкция установки для бурения льда.
Поскольку ученые стремились приобрести образцы льда из больших глубин в толще ледниковых покровов Гренландии и Антарктиды, приходилось развивать оборудование для решения задач в данной уникальной среде.6 Одна из самых последних итераций в развитии ледовых буровых установок является электромеханический бур глубинного отбора керна (DISC). Такой бур (DISC drill) с возможностью направленного бурения был спроектирован и построен компанией the Ice Drilling Design and Operations (IDDO) в Центре космической науки и техники в Университете в Мадисоне, штат Висконсин, США. Он был создан для извлечения кернов из глубины ледника путем внедрения, помимо других особенностей, существуют следующие возможности:
· извлекать керны льда с глубины до 4000 м (13000 футов)
· захватывать керны диаметром более 98 мм (3,9 дюйма)
· поддерживать угол наклона скважины 5° или меньше
· собирать повторяющиеся керны путем направленного бурения
· замерять и записывать уровень глубины, скорость вращения сверла, крутящий момент, нагрузку на долото, температура жидкости и ускорение стержня керноотборника до 10 раз за секунду.
Конструкторы также стремились уменьшить общую продолжительность проекта разработки за счет оптимизации баланса между временем срабатывания и скоростью бурения с отбором керна; в более поздних разработках перемещение бура в скважину и из неё стало значительным вкладом в общую продолжительность проекта, нежели выбуривание керна со дна. Буровая установка DISC способна выбуривать керны длиннее, чем раньше при использовании более старых моделей, таким образом достигается максимальная глубина за меньшее количество спуско-подъемных операций.
Буровая установка DISC состоит из бурового зонда, бурового каната, буровой вышки, лебёдки, поверхностный источник питания и системы управления. Модульный буровой зонд включает в себя узел режущей головки, основной ствол, экранная секция, двигатель насосной секции и приборный отсек. Узел режущей головки обладает четырьмя сменными резцами и основной ствол для защиты захваченного сердечника (см. выше). Режущая головка, которая разрезает кольцеобразную коронку льда, получая сердцевину, имеет четыре защелкивающих механизмов, или собачек, которые фиксируют керн льда в его конечном положении, не давая ему выскользнуть из нижней части ствола при поднятии на поверхность. Узел режущей головки также содержит ограничители в виде кнопок, или башмаков, расположенных на нижней поверхности режущей головки. Кнопки служат для ограничения проникновения резцов путем фиксации высоты фрезы.
Насосный агрегат (мотопомпа) на зонде DISC содержит два двигателя и буровой гидронасос, который может работать при температуре до –50°C [–58°F] и давлении до 40 МПа [5800 фунтов на квадратный дюйм]. Один двигатель приводит в действие насос, другой керновую трубу (основной ствол) и режущую головку. Ледяные крошки собираются в фильтровом отсеке, состоящем из корпуса, изготовленного из тех же труб,что и основной ствол с виброситами в центре. Промывочная жидкость переносит кусочки льда, образовавшиеся во время бурения в затрубье колонкового бура к фильтровому отсеку, и затем переносит их на поверхность вместе с керном.(см. след. стр., сверху). Буровой зонд состоит из отделения противодействующего момента, приборного отсека и двигательного узла для управления двигателем, сбора данных, управления электропитанием и связи. Система включает в себя два двигателя, которые работают автономно и управляются посредством системы регулирования тока по замкнутому циклу. Поскольку моментный двигатель в этих системах пропорционален току, вращающий момент регулируется путем координации мощности на двигатели.
Датчики внутри зонда измеряют температуру электронной аппаратуры, бурового раствора, электродвигателя, двигателя насоса и гидравлического двигателя. Поскольку приборный отсек должен оставаться защищенным от давления, датчики контролируют давление между двумя резервными пломбами и каждой торцевой крышке в блоке.
Верхняя часть зонда включает кабель механических, электрических и волоконно-оптических окончаний. Вращающиеся соединения позволяют буровому зонду вращаться относительно кабеля. Кабель физически поддерживает бур, подает питание на него и обеспечивает связь между зондом и поверхностью. Буровая установка DISC включает в себя центральный провод, волоконная-оптические кабели, медные провода и внешнюю обертку из оцинкованной стальной проволоки для обеспечения механической прочности, чтобы поднимать и опускать зонд. (след.стр.,внизу)11
В отличие от механизмов нефтяных и газовых буровых установок, ось барабана буровой установки DISC проходит параллельно буровому кабелю, таким же образом, как она проходит через устройство для намотки каната к башне. При такой конфигурации лебёдка должна быть расположена у основания башни, в результате чего получается меньше занимаемой площади, чем в случае, если бы кабель проходил перпендикулярно от лебёдки к башне.
При конфигурации вращения лебедки и башни, как только бур находится на поверхности, его устанавливают и затем колонковый бур отсоединяют от зонда. Далее рабочие поднимают бур и поворачивают его на 180°, чтобы протолкнуть керн из верхней части трубы на площадку для дальнейшего анализа. Как правило, вырезанные керны льда сокращают в длину с 3,5 м [12 футов] до 1м [3 футов]; затем керны помещают в морозильную камеру для дальнейшей транспортировки к камерам архивного хранения в исследовательском центре.
Буровую установку DISC испытывали в полях Гренландии и поэтому конструкторы внесли необходимые изменения еще до начала эксплуатации командой буровиков установки в Антарктиде.
Также как и в нефтяной области, буровые растворы при бурении льда выполняют сразу несколько функций; помимо того, что раствор переносит ледяные крошки в фильтровой отсек, он создает гидростатическое давление, которое препятствует смятию скважины. Ледяные же буровые скважины не находятся под большим давлением внутри земли, но лед может растаять и стечь в скважину из-за вертикального давления на стенки скважины. Вертикальное, или гляциостатическое давление связано с перегрузкой веса на лед; сдвигающее же давление вызвано скользящим движением льда по скале.
Густота бурового раствора максимально приближена к плотности льда, который бурят; раньше бурильщики использовали н-бутилацетат в качестве бурового раствора. Но это вызвало проблемы со здоровьем у рабочих, так в центральных районах Западной Антарктиды руководители проекта на сайте The WAIS Devide сделали выбор в пользу смеси, в составе которой три части изопарафина K на одну часть гидрохлорфторуглерода. Гидравлические системы для дальнейшей обработки заготовок льда содержат бак с измерительными приборами, клапанами, насосами и центрифугой для восстановления для утилизации ледяных осколков из фильтрового отсека перед тем, как раствор вернется в исходное положение.
Компания Long Range Science Plan в США запустила начало разработки новой технологии бурения льда, которая стала результатом планирования научного сообщества, организованная Ice Drilling Program Office (IDPO).
Рис.2 Первый керн Camp Century. Результаты анализа керна льда показали, что информация о климатических условия прошлого можно получить из ледяных кернов. На графике показано количество, в промиле (0 / 00), в которой отношение стабильных изотопов кислорода 18O/16O (d18O) изменяется в зависимости от глубины и возраста по длине 1390-метрового керна льда. Низкое значение d18O (синий оттенок) связано с низкими температурами, в то время как высокие значение (фиолетовый оттенок) с высокими температурами. Большое отклонение значения d18O от нормы на глубине 1,100 м связано с разницей последнего ледникового периода от текущего межледникового периода. Также установлены различные прошлые климатические явления (от 2 до 5). Эти результаты показывают, что керновое бурение и кислородно-изотопный метод являются заслуживающими внимания способами реконструкции информации о климатических условиях в прошлом. (Адаптировано из “The History of Danish Ice Core Science”, Копенгагенский университет, Центр льда и климата, Институт Нильса Бора,https://www.iceandclimate.nbi.ku.dk/about_centre/history/ (от 5 июня 2013).]
рис. 3 Режущая головка для кернов. Резец создает кольцеобразный зазор между льдом и зондом. По мере перемещения инструмента вниз, он захватывает керн льда по длине для извлечения на поверхность. Используя эту систему, бурильщики достигли глубины около 3800 м [12,500 футов] и смогли извлечь керн диаметром 12.2 см [4.8 в.] и длиной 4 м (13 футов). Вращающийся основной ствол состоит из ряда механически соединенных труб; покрытие ствола может быть изготовлено из стекловолокна, что позволяет не задевать раздробленные керны льда. Защелкивающий механизм (собачки) проворачиваются внутрь и обрезают керн при поднятии бура, фиксирует керн внутри стабилизатора и клетки (на рисунке), тогда как режущий инструмент подводится к поверхности. Башмаки это маленькие кнопки на нижней поверхности режущей головки, которые ограничивают проникновение лезвий. Расстояние по вертикали между нижней поверхностью башмака и кончиком режущей кромки устанавливает шаг, или скорость проникновения, сверла. (адаптировано из Mason и др, ссылка 8.)
рис. 4 Фильтровой отсек. В фильтром отсеке задерживаются кусочки льда из бурового раствора, полученные в результате действия режущих инструментов. В этом отсеке также есть отделение, в котором собирают и хранят осколки льда для транспортировки на поверхность. Фильтровой отсек разработан с максимальной площадью самого фильтра и минимальным перепадом давления. Для скоростной и просто очистки во время буровых работ был специально разработан модульный сменный картридж для буровой установки DISC. Ее фильтр и конструкция ствола имеют модульную структуру, поэтому картриджей может быть любое число. Обратные клапаны контролируют направление потока бурового раствора. Узел обратного клапана подключен к фильтровому отсеку под фильтрами и удерживается на месте с помощью подпружиненного стопорного кольца. Узел обратного клапана удерживает вес фильтровых картриджей, которые находятся над ним и имеет множество двойных клапанов доводчиков для того, чтобы скапливающийся глинистый буровой раствор с отходами попадал в фильтровой картридж, где фильтруются кусочки, и в итоге собираются в фильтровой жидкости; отфильтрованный раствор сливается в скважину. Концентрическая массив из 12 отверстий позволяет одностороннему потоку стекать в виде прозрачной очищенной жидкости, не задевая фильтры, протекая в противоположном направлении от них через бур, пока инструмент не работает в скважине. (приведено в соответствии с Mason et al, ссылка 8.)