Разработка теоретических основ экологически чистых

Разработка теоретических основ экологически чистых технологий
и технических средств бурения и реализация их в условиях ледников
Антарктиды с целью определения закономерностей изменения
палеоклимата и биосферы Земли
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования «Национальный
минерально-сырьевой университет «Горный»
№
Фамилии, имена и отчества авторов, ученые степени и звания,
п/п
должности по основному месту работы
1. Васильев Николай Иванович, доктор технических наук, старший
научный сотрудник, заведующий кафедрой бурения скважин ФГБОУ ВПО
«Национальный
минерально-сырьевой
университет
«Горный»
-
руководитель работы
2. Дмитриев Андрей Николаевич, кандидат технических наук, доцент
кафедры бурения скважин ФГБОУ ВПО «Национальный минеральносырьевой университет «Горный»
3. Загривный Эдуард Анатольевич, доктор технических наук, профессор,
профессор кафедры электротехники, электроэнергетики, электромеханики
ФГБОУ ВПО «Национальный минерально-сырьевой университет «Горный»
4. Соловьев Георгий Никифорович, кандидат технических наук, старший
научный сотрудник, ведущий инженер кафедры бурения скважин ФГБОУ
ВПО «Национальный минерально-сырьевой университет «Горный»
5. Данилов Александр Иванович, кандидат физико-математических наук,
заместитель директора по научной работе ФГБУ «Арктический и
антарктический научно-исследовательский институт»
6. Липенков Владимир Яковлевич, кандидат географических наук,
заведующий лабораторией изменений климата и окружающей среды отдела
географии полярных стран ФГБУ «Арктический и антарктический научноисследовательский институт»
7. Лукин Валерий Владимирович, заместитель директора ФГБУ
«Арктический и антарктический научно-исследовательский институт» –
начальник Российской антарктической экспедиции
8. Саватюгин Лев Михайлович, доктор географических наук, главный
научный сотрудник отдела географии полярных стран ФГБУ «Арктический
и антарктический научно-исследовательский институт»
1
Изучение палеоклимата Земли и уникального подледникового озера
Восток, является приоритетным направлением российских исследований в
первой половине 21 века в Антарктиде, и представляет собой сложную
многогранную проблему, впервые вставшую перед мировым сообществом.
Успешное выполнение научно-исследовательских работ в этом направлении
требует решения ряда научных и технических задач и в первую очередь
создания системы комплексного изучения ледяных кернов при сверхглубоком
бурении ледникового покрова в условиях Центральной Антарктиды.
В выдвигаемой работе приведены результаты, полученные авторами в
период с 1991 по 2012 г. Практическая реализация которых на российской
станции Восток в Антарктиде начата в 1994 г.
Работа выполнена в рамках приоритетного направления развития науки,
технологий и техники в Российской Федерации, утвержденных президентом
Российской Федерации – «Рациональное природопользование», и соответствует
следующим технологиям из «Перечня критических технологий Российской
Федерации» — «Технологии мониторинга и прогнозирования состояния
окружающей
среды,
«Технология
поиска,
предотвращения
разведки,
и
ликвидации
разработки
ее
загрязнения»,
месторождений
полезных
ископаемых и их добыча». Основные научные исследования выполнялись в
соответствии с Федеральной целевой программой
«Мировой океан»,
подпрограмма «Изучение и исследование Антарктики».
Целью данной работы является установление закономерностей изменения
палеоклимата и биосферы Земли по данным экологически чистого бурения
ледников Антарктиды и проникновение в подледниковое озеро Восток,
обеспечившее возможность исследования уникального реликтового озера
Восток, что значительно повышает роль России в одном из важнейших
направлений
науки
о
Земле
–
исследовании
в
области
изучения
палеоклиматических изменений.
Концепция работы и ее отличие от ранее выполненных работ
заключается
в
системном
и
комплексном
подходе
к
решению
экспериментально-теоретических, фундаментальных и прикладных задач,
2
направленных
на
установление
закономерностей
палеоклиматических
изменений Земли и проникновение в реликтовое подледниковое озеро Восток.
Работа представлена в виде описания общим объемом 89 стр.,
включающего 4 раздела и заключение.
Первый раздел посвящен анализу
структурных, физических и геохимических
характеристик
ледниковой
толщи Антарктиды, определяющих ее
реологические свойства и являющихся
индикаторами
прошлых
изменений
климата и источниками информации о
гидрологическом и газовом режимах
подледникового озера Восток. Сформулированы требования к технологии и
техническим
Рис. 1. Слои с разными реологическими свойствами
льда в разрезе ледникового покрова в районе
станции Восток. Профиль скорости движения льда
V (м год-1 относительно поверхности), показанный
в правой части рисунка, построен по данным
геофизических исследований глубокой скважины
средствам
кернового
бурения скважин в ледниковом покрове
и определены основные технологические и экологические риски, связанные
с проникновением в подледниковое
озеро Восток. Выявлены особенности послойного течения ледникового покрова
Антарктиды (рис. 1).
Второй раздел посвящен обоснованию
концепции
экологически
безопасного проникновения в подледниковое озеро Восток, рассмотрена
методика обеспечения устойчивости
стенок
Рис. 2. Блок нагревателей устройства для вскрытия
подледникового озера Восток
существующих
термобарических
скважины
подледникового
условиях,
разработки технических средств (рис. 2).
3
при
озера
приведены
вскрытии
Восток
в
конструкторские
В третьем разделе рассмотрено ожидаемое воздействие на
объекты окружающей среды, которое
включает
прямое
воздействие
и
риски загрязнения, влияние используемой заливочной жидкости на
окружающую
структуры
среду,
ледника
изменение
по
стволу
скважины 5Г ниже глубины 3650 м,
Рис. 3. Извлечение керна льда подледникового озера
Восток из бурового снаряда, поднятого с глубины
3720 м (станция Восток, февраль 2011 г.).
нарушение
естественной границы
«подошва ледника-поверхность озера» в точке бурения скважины, потерю
бурового оборудования в скважине и возможное проникновение заливочной
жидкости в озеро, возможное косвенное или второстепенное воздействие,
воздействие на окружающую среду результатов предлагаемой деятельности
после ее прекращения (рис. 3).
В четвертом разделе рассмотрены вопросы, связанные с изучением
полученных ледяных кернов и проб замерзшей подледниковой воды для
количественных реконструкций прошлых изменений климата и окружающей
среды
и проведения комплексных исследований уникального природного
объекта – подледникового озера Восток.
Приводятся данные о научной и социальной значимости исследований
прошлых изменений климата и подледникового озера Восток, которые стали
возможными благодаря комплексному исследованию ледяных кернов при
сверхглубоком бурении ледникового покрова в условиях Центральной
Антарктиды (рис. 4).
Решение
поставленных
задач
стало
возможным
в
результате
теоретического обобщения и углубления фундаментальных знаний о сложных
геомеханических процессах в ледовом массиве, создания экологически
безопасной технологии проникновения в подледниковые водоемы и разработки
оригинальных комплексных технологий исследования керна льда.
4
0.5
Температура
δD (‰)
-420
1
-440
-460
Концентрация
пыли (p.p.m.)
0
Атм. пыль
а
б
1.5
-480
240
в
CH4 (p.p.b.v.)
CO2 (p.p.m.v.)
280
СО2
700
200
CH4
600
160
500
400
г
инсоляция
е
5.5
7.5
-50
ж
-100
Мощность ледникового покрова
400
300
200
100
0
Уровень моря (м)
0
Уровень моря
9.3
50
0
-50
-100
-150
-200
11.3
Мощность ледника (м)
д
Возраст (тыс. лет)
Рис. 4. Палеоклиматические ряды, реконструированные по результатам изучения ледяного керна со станции
Восток, сопоставленные со сводной изотопной кривой, характеризующей колебания уровня Мирового океана и
кривой июньской инсоляции на 65° с.ш.:
a - объемная концентрация микрочастиц атмосферного аэрозоля во льду (10-9 см3 ⋅ г-1); б - изотопный состав
льда, δD (‰). Изменение δD по глубине (возрасту) льда пропорциональны колебаниям температуры на верхней
границе слоя инверсии в районе выпадения осадков; в - объемная концентрация двуокиси углерода CO2 в
атмосферном воздухе (ppmv); г - объемная концентрация метана CH4 в атмосферном воздухе (ppbv); д инсоляция в середине июня, рассчитанная для параллели 65° с.ш. (условные единицы, шкала не показана); е сводная изотопная кривая по морским колонкам, пересчитанная в изменения уровня Мирового океана
относительно его современного состояния; ж - изменение мощности Антарктического ледникового покрова
относительно его современного уровня.
О высоком научном уровне работы объективно свидетельствует бурение
скважины 5Г с отбором керна на станции Восток в Антарктиде, вскрывшей на
глубине 3769,3 м подледниковое озеро Восток, что позволило установить
закономерности
изменения
палеоклимата
Земли
и
приступить
к изучению реликтового подледникового озера Восток. Скважина 5Г в
настоящее время является самой глубокой в мире, на 500 метров превышая
достигнутые зарубежными специалистами глубины.
За указанный период членами авторского коллектива и под их научным
руководством защищено 12 диссертаций, в том числе 5 докторских. Получено
16 патентов, опубликовано 3 монографии и более 150 научных статей.
Достигнутые результаты открывают перед российскими учеными
широкие перспективы проведения комплексных исследований подледникового
озера Восток с целью получения новых данных о глобальных изменениях
природной среды планеты.
5