Ученые уже давно обратили внимание на поразительное сходство очертаний берегов Европы и Африки, с одной стороны, и Северной и Южной Америки – с другой.
Теперь большинство ученых считают, что этот и многие другие факты могут быть объяснены в рамках концепции тектоники литосферных плит. Сущность концепции состоит в том, что внешняя оболочка Земли толщиной около 100 км, которую называют литосферой, состоит из нескольких крупных плит, движущихся относительно друг друга. Все плиты лежат на нагретом пластичном слое – астеносфере, по которому и происходит скольжение самих литосферных плит.
Откуда же возникают силы, вызывающие движение плит? Считается, что эти силы появляются в результате конвективных движений расплавленного вещества верхней мантии Земли, простирающейся под литосферой на глубину до 1000 км. Более нагретая глубинная магма поднимается вверх, а холодные верхние слои опускаются вниз.
Теперь точно установлено, что Атлантический океан действительно расширяется, а Европа и Африка, ранее бывшие заодно с обеими Америками, теперь удаляются от них со скоростью несколько сантиметров в год.
В создании концепции тектоники литосферных плит важнейшую роль сыграло исследовательское бурение океанского дна и определение состава, возраста и остаточной намагниченности вынутых образцов пород. Сейчас осадочная толща пород пробурена вплоть до подстилающего твердого основания более чем в 600 точках океанского дна.
Многое в этом отношении дало международное научное сотрудничество с использованием американского судна для глубоководного бурения «Гломар Челленджер» водоизмещением 10 800 т. Установленное на судне оборудование позволяло бурить скважины глубиной от поверхности дна до 1000 м при глубине океана над скважиной до 6000 м.
Практически судне пробурило в Атлантическом океане рекордную скважину в толще донных пород глубиной 1740 м при глубине моря 3900 м. А наибольшая глубина океана, на которой проводилось бурение, равна 6243 м (в Индийском океане). Установленная на судне система динамической стабилизации позволяла проводить бурение при высоте волны до 5 м, ветре силой 8–9 баллов и течении до 1,5 узла (при этом горизонтальные перемещения судна составляют не более 6 % от глубины моря в точке бурения).
Советские ученые приняли участие во многих рейсах «Гломар Челленджер» и на основании данных, собранных там, достигли значительных успехов в области изучения прошлого и настоящего океанической земной коры.
Что же показало всестороннее изучение вынутых из скважин образцов пород? Оказалось, что при бурении не найдено пород более старых, чем примерно 200 млн. лет. А ведь возраст Земли – более 4 млрд. лет. Почему же дно океана выстелено такими сравнительно молодыми (в геологическом смысле) породами?
Объяснение дает концепция тектоники литосферных плит. Около 220 млн. лет назад все континенты составляли единый праматерик. Затем он распался, и началось расхождение материков. В результате за прошедшие миллионы лет земная кора под океаном полностью обновилась. В настоящее время Атлантический и Индийский океаны растут, а площадь Тихого океана уменьшается. Австралия движется на север со скоростью 6 см в год.
Эта гипотеза подтверждается анализом остаточной намагниченности извлеченных пород разного возраста. Дело в том, что в районе срединно-океанического хребта, где поступала и поступает из глубины жидкая лава, она застывала, и в ней фиксировалось направление магнитного поля Земли в момент застывания. Далее, из-за раздвигания земной коры эти породы оказывались на некотором расстоянии от оси хребта (оси раздвижения). А так как установлено, что в прошлом магнитное поле Земли неоднократно меняло знак, то за этой застывшей лавой появлялась у оси раздвижения позднее застывшая лава с обратным направлением намагничивания.
Окончательное доказательство правильности гипотезы о движении литосферных плит получено, по словам академика Л. М. Бреховских, при бурении морского дна в открытом океане на исследовательском судне «Гломар Челленджер». В вынутых колонках, достигавших иногда длины 500 м, ученые определили возраст осадков. Естественно, оказалось, что с углублением он увеличивается. На границе же со скальной породой он соответствует возрасту породы, определенному по аномалиям магнитного поля. Ученые получили равномерное увеличение возраста пород при удалении точки бурения от оси хребта, где образуется новая земная кора. Таким образом, было доказано, что не только скальные породы, но и прилегающие к ним осадки тем старше, чем дальше они расположены от оси хребта. Так было получено решающее доказательство существования процесса раздвижения плит и непрерывного образования земной коры под океаном.
Исключительная важность исследования дна океана для решения проблем, связанных с историей образования и развития Земли, а также ее внутреннего строения, побудила АН СССР поставить вопрос о строительстве советского судна для глубоководного бурения в океане. Правительство СССР приняло решение о постройке такого судна для Института океанологии АН СССР и вводе его в строй в середине 90-х гг.
Глубоководное исследовательское бурение океанского дна имеет конкретной целью изучение структуры и истории развития океанской земной коры, истории отложения донных осадков, процессов формирования рудных, нерудных и горючих полезных ископаемых на дне океана. Отсюда и состав научного комплекса, устанавливаемого на судне.
Новое судно будет в состоянии проводить буровые работы при глубине океана в точке бурения 6000 м, а максимальная глубина скважины может быть 1500 м. При этом будет обеспечиваться непрерывный отбор керна (то есть столба слоев пород по диаметру и глубине скважины) и исследование его на борту судна.
Проектом в перспективе предусмотрена при применении бурильной колонны из легкосплавных труб повышенной прочности работа бурильного оборудования с бурильной колонной длиной до 11000 м. А это значит, что при глубине океана в точке бурения 6000 м глубина самой скважины будет около 4000 м и более.
Предусматривается, что образцы добытого керна будут обрабатываться, изучаться и храниться прямо на судне. Намеченная к установке на судне аппаратура обеспечит проведение геофизической съемки района бурения, который предполагается выбирать заранее по результатам исследований со специализированных геофизических судов.
Детальное исследование керна различными методами – геофизическими, геохимическими и палеонтологическими – даст ученым возможность уверенно судить о составе, свойствах и возрасте залегающих пород, уточнить информацию о структуре залегания осадков и подстилающих пород, предварительно разведанных геофизическими методами. Все эти сведения имеют неоценимое значение для развития науки о внешней коре Земли, о строении и истории образования океанического дна.
Но как обеспечить удержание бурового судна в заданной точке над скважиной при выполнении буровых работ? Ведь ветер, волны, течения все время стараются сместить судно от устья скважины. А большое смещение может привести к недопустимому изгибу и обрыву бурильной колонны.
Конструкторы разработали оригинальную систему удержания судна в точке бурения. Для этого на нем разместят пять водометных подруливающих устройств (ПУ) – три в носовой оконечности и два в кормовой. Управлять их работой будет система динамической стабилизации.
Каждое ПУ представляет собой Т-образный канал в корпусе судна, в вертикальной части которого устанавливается винт регулируемого шага с электродвигателем мощностью 1400 кВт для забора воды из-под киля судна и создания упора за счет выброса воды через один из горизонтальных отростков за борт.
Теперь познакомимся с назначением каждой составляющей сложной системы динамической стабилизации. При подготовке к бурению на грунте в выбранном районе у места будущей скважины установят три гидроакустических маяка-ответчика на расстоянии не более 4000 м друг от друга.
На судне будет находиться гидроакустическая система «Сухона», предназначенная для измерения времени распространения акустических сигналов от маяков до судовых гидроакустических антенн. Затем ЭВМ системы «Сухона» пересчитает время прохождения сигналов в наклонные дальности. При этом будет учитываться заданный оператором профиль вертикального распределения скорости звука в воде, измеренный заранее специальной аппаратурой. Полученная информация о наклонных дальностях передается в автоматизированный высокоточный навигационный комплекс «Поиск» для отображения на индикаторе и дальнейшей обработки.
Судовые гидроакустические антенны установят в специальных звукоизолированных от судовых помещений выгородках в междудонном пространстве в вершинах квадрата со стороной 20 м, а центр квадрата будет совпадать с осью ствола бурильной установки.
В комплексе «Поиск» будут вырабатываться данные о географических координатах гидроакустических маяков-ответчиков и самого судна, а затем эти данные будут переданы в систему управления техническими средствами динамической стабилизации (СУ ТС ДС) «Сельвинит».
Но это еще не все. Непрерывное обеспечение СУ ТС ДС информацией о смещении судна от заданной точки в промежутках между коррекциями от комплекса «Поиск» производит специальный гироинерциальный комплекс «Скиф», где интегрируются ускорения судна в трех координатных плоскостях при его перемещении от заданной точки бурения.
СУ ТС ДС на основе полученной от «Поиска» и «Скифа» информации об отклонении координат и курса судна от заданных оператором, а также с учетом данных о скорости и направлении ветра формирует и выдает управляющие сигналы в локальные системы управления главными двигателями с винтами регулируемого шага и водометными ПУ. Принцип работы системы динамической стабилизации бурового судна состоит в активном противодействии (при помощи работы в нужном направлении винтов главных двигателей и водометных ПУ) возмущающим воздействиям на судно ветра, течения и волн.
Система должна обеспечить удержание судна над скважиной во время операции бурения при глубинах океана до 6000 м с отклонением от заданной точки не более 3 % от глубины (что в два раза более точно, чем на «Гломар Челленджер»). Она определит и будет автоматически удерживать значение курса судна, при котором минимизируется расход мощности на компенсацию внешних возмущений.
Помимо буровой установки, на судне будет размещен комплекс научных лабораторий для обработки, изучения и хранения добытого керна. При подъеме на поверхность керн в первую очередь распиливается на камнерезных станках в продольном направлении. Таким образом получают его коллекционную и рабочую части. Коллекционная часть упаковывается в ящики и помещается в зернохранилище. А рабочую часть ученые начинают изучать.
Оки в первую очередь фотографируют образцы, измеряют их плотность и влажность, проводят отбор газов и петрографическое описание (при этом уточняется структура, условия залегания и минералогический состав).
Очень важно точно определить акустические свойства образцов керна, скорость распространения звуковых колебаний в нем. Это крайне необходимо для того, чтобы по известным акустическим характеристикам образцов керна определить характер осадочных и подстилающих слоев по скорости прохождения акустических волн, характеру их преломления и отражения при сейсмических исследованиях.
Из образцов керна изготавливают шлифы для микроскопического изучения структуры. Определяются механические свойства образцов. Особо важно изучение образцов керна в судовой палеонтологической лаборатории. Там исследуется видовой состав остатков живых организмов и определяется время их проживания, то есть определяется время образования осадочного слоя, откуда взят образец керна. Так же много важной информации дает определение характера намагничивания образца. Многое проясняется при этом из истории подстилающих слоев. Ведь базальтовые породы сохраняют ту магнитную ориентацию, которую они получили во время выхода из земных недр расплавленной массы и ее застывания.
Конечно, все эти исследования предусматривается проводить прямо на буровом судне в судовых лабораториях во время экспедиционного рейса.
Ученые, разрабатывая методику научных исследований на борту бурового судна, предусматривают установку там комплекса аппаратуры и оборудования для выполнения геофизических исследований непосредственно в скважинах, что во много раз увеличит точность и информативность применяемых геофизических методов за счет исключения искажающего влияния слоев грунта, пройденных буром.
Даже из приведенного краткого описания видно, что будет построено действительно уникальное специализированное НИС, в конструкции и оснащении которого наглядно проявятся все достижения науки и техники в нашей стране за последние годы.
Как раскрывают тайны полярных шапок земли
Рассказывая об исследованиях океана, о советских НИС, работающих там, необходимо хотя бы вкратце упомянуть о тех из них, которые специально предназначены для исследования полярных стран. Традиционен интерес советской науки к изучению полярных шапок нашей планеты. Уже первое советское НИС – легендарный «Персей» – предназначалось именно для изучения северных окраинных морей, освоение которых было исключительно важно для развития народного хозяйства страны.
На протяжении многих лет советские научные экспедиции в северные моря отправлялись на ледоколах и транспортных судах ледового плавания, не предназначенных непосредственно для научных исследований. В 50-х гг. в связи с началом советских антарктических экспедиций были построены и оборудованы специальные научно-экспедиционные суда.
Главным назначением этих судов была доставка людей и грузов на береговые научно-исследовательские станции в Антарктиде.
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28