Ледники высоких широт и вершинных частей гор являются основными источниками палеоклиматической информации. Большинство ледников состоят из атмосферного льда, который образовался из кристаллов падающего снега. Из-за постоянных минусовых температур слои выпавшего снега не тают и с годами уплотняются, превращаясь в лед.
Очевидно, что поверхностный лед – современный, а на глубине он старше. Возраст льда на глубине 3200 метров, например, составляет 400-430 тысяч лет.
Уникальными природными архивами палеоклиматических данных являются отложения атмосферного льда ледниковых щитов Антарктиды и Гренландии. Керны древнего льда, извлекаемые при колонковом бурении глубоких скважин, содержат наиболее полную информацию о колебаниях температуры воздуха, газового состава атмосферы, степени ее запыленности в периоды от десятков до сотен тысяч лет.
Как известно, Антарктида – самый высокий континент Земли. Средняя высота поверхности материка над уровнем моря составляет более 2000 м, а в центре континента достигает 4000 м. Антарктический ледяной щит имеет толщину несколько километров и содержит 90% всех льдов суши.
Международной договор об Антарктиде, устанавливающий демилитаризацию континента свободного от ядерного оружия и использование его в исключительно мирных целях был заключен 1 декабря 1959 года в Вашингтоне. Договор вступил в силу 23 июня 1961 года после его подписания 13 государствами – первоначальными участниками.
Советский Союз открыл в Антарктиде около двадцати научных станций. Некоторый из них работают до сих пор.
Станция «Восток» была основана в 1957 году во время второй советской антарктической экспедиции. С 1970 года на станции ведется бурение глубоких исследовательских скважин.
Бурение льда производят тепловым или механическим способом. При термическом бурении лед на забое скважины плавится нагреваемой коронкой, а при механическом бурении лед разрушается резцами коронки.
Советский географ и геоморфолог Андрей Петрович Капица, проводивший сейсмические зондирования ледникового щита предположил, что под станцией, на глубине находится огромное озеро. Через время гипотеза ученого полностью подтвердилась.
По результатам сейсмики мощность ледникового покрова над глубинным водоемом, названным «озеро Восток», составляет 3760±20 метров, мощность слоя воды оценивается в 680 метров, мощность донных осадков – от 90 до 300 метров. Размеры озера: 220×70 км.
С целью палеоклиматических исследований с проникновением в подледное озеро в 1990 году на станции «Восток» было начато бурение глубокой скважины № 5Г.
Бурение глубокой скважины 5Г началось 20 февраля 1990 года в период работы 35-й Советской антарктической экспедиции (САЭ) термическим способом снарядами типа ТЭЛГА и ТЭЗС.
ТЭЛГА-14 – это термоэлектробур Ленинградского горного института (ЛГИ) и НИИ Арктики и Антарктики (ААНИИ). Первые испытания этой конструкции проводились на станции Мирный 14-ой САЭ.
ТЭЛГА-14 представляет собой цилиндрический буровой инструмент длиной 8 метров и весом 200 кг, который подвешивается на грузонесущем кабель-тросе. Бурение льда осуществляется контактным плавлением. Сначала производится электронагрев плавильной кольцевой коронки. В процессе таяния льда вода попадает в кольцевую канавку коронки. Вакуумный турбокомпрессор, работая как эжектор, подобно бытовому пылесосу, создает разрежение в водосборном баке. Таким образом талая вода засасывается с забоя скважины и поступает по водоподъемным трубкам в водосборный бак. А воздух выносится из водосборного бака в затрубное пространство.
По мере погружения термобура керноприемная труба заполняется ледовым керном. Проходку прекращают и термобур отрывают от забоя. При этом ножи кернорвателя, врезаясь в керн отрезают его.
Термобуровой снаряд поднимают и вытаскивают из скважины. Извлекают керн и освобождают от воды водосборный бак.
Также о термическом бурении горных пород можно почитать статью «Термическое бурение».
Бурение скважины 5Г происходило поэтапно.
Сначала до глубины 120 метров скважина была пробурена термобуровым снарядом ТЭЛГА-14М.
Далее проходку продолжили более мощным термобуром ТБЗС-152. Добурились до глубины 2502 метра и начали очередной подъем снаряда. На глубине 2250 метров термобур застрял в скважине. При попытках его извлечения кабель был оторван от заделки в термобуре.
После этой аварии на глубине 2200 метров было выполнено отклонение и начато забуривание нового ствола скважины 5Г-1 термобуровым снарядом ТБЗС-132. На глубине 2755 метров бурение термобуром ТБЗС-132 было закончено.
Перед переходом на механическое бурение при глубине 2755 метров в скважину на глубину 120 метров была спущена обсадная колонна из пластиковых труб внутренним диаметром 165 мм.
Проект установки обсадной колонны был разработан и произведен совместно с французской лабораторией гляциологии и геофизики окружающей среды (LGGE). Для изоляции скважины от снежно-фирнового слоя нижние три метра обсадной колонны были вморожены в лед.
Эти работы проводились в 1992 году 38-ой Российской антарктической экспедицией (РАЭ).
Затем в 1995 году во время работы 40-ой РАЭ через обсадную колонну бурение продолжили колонковым электромеханическим буровым снарядом КЭМС-135 и без серьезных осложнений довели скважину до глубины 3109 метров.
Электробур типа КЭМС, как и термобур подвешивается на кабель-тросе. Буровая коронка с резцами вращается электродвигателем. Ледовый керн заполняет колонковую трубу. Выбуренные кусочки льда – ледовый шлам с помощью вакуумного турбокомпрессора затягивается в шламосборник.
Далее в сезонные периоды 41-ой, 42-ой и 43-ей РАЭ (1995/96, 1996/97, 1997/98 годы) в скважине 5Г-1 был пройден интервал от 3109 метров до 3632 метров.
После сезонных работ в 1998 году бурение скважины было приостановлено на восемь лет и возобновлено лишь в сезоне 51-ой РАЭ в январе 2005 года. Тогда скважина достигла отметки 3650 метров.
Несмотря на значительную паузу, деформаций ствола и стенок выявлено не было, так как на время консервации скважина была заполнена жидкостью, которая скомпенсировала горное давление льда.
При продолжении буровых работ в 52-ой РАЭ из-за допущенных ошибок на глубине 3666 метров произошла авария и снаряд КЭМС-135 остался на забое.
В январе 2009 года в сезоне 54-ой РАЭ после неудачных попыток извлечения заклиненного электробура, на глубине 3600 метров было выполнено отклонение от аварийного ствола 5Г-1 и начата проходка нового ствола 5Г-2.
В сезон 55-ой РАЭ скважина 5Г-2 достигла глубины 3650 метров.
В сезон 56-ой РАЭ - 3720 метров.
А 5 февраля 2012 года в период 57-ой РАЭ было впервые вскрыто подледное озеро Восток на глубине 3769.3 метра. Вода хлынула в скважину и поднялась до глубины 3200 метров.
После замерзания заполнившей скважину воды в сезоне 58-ой РАЭ в декабре 2012 – январе 2013 года с глубины 3200 метров было начато разбуривание замерзшего ствола 5Г-2.
На глубине 3424 метра было выполнено отклонение и начато бурение нового ствола 5Г-3, которое завершилось в январе 2015 года повторным вскрытием озера Восток.
Оборудование буровой установки для глубокой скважины 5Г было разработано Ленинградским горным институтом (ЛГИ) и НИИ Арктики и Антарктики (ААНИИ).
На устье скважины была установлена буровая вышка высотой 15 метров, оборудованная роликовой системой под кабель-трос. Спуск и подъем буровых снарядов производился лебедкой.
Важным достижением проекта бурения на станции «Восток» стала реконструкция климата и газового состава атмосферы во время древнего межледникового периода, который переживала наша планета 410 тысяч лет назад и который хорошо известен палеоклиматологам как «морская изотопная стадия 11».
Исследования керна со станции «Восток» подтвердили предположение, что мы живем в достаточно уникальное с точки зрения истории глобальных климатических изменений – теплое время одной из межледниковых фаз, наступающих на Земле через каждые сто тысяч лет.
Ученые Петербургского института ядерной физики (ПИЯФ) так оценили вскрытие и доступ к исследованиям озера Восток: «Подледное озеро Восток может рассматриваться как единственный экстремально чистый водоем на Земле, способный послужить уникальной испытательной площадкой для поиска трудноуловимых следов жизни на ледяных телах, таких, как юпитерианская луна Европа.»
Первые микроорганизмы, которые могли принадлежать к озерной экосистеме, были найдены еще в 1999 году. Тогда скважина 5Г на глубине 3538 метров впервые вошла в слой льда из замерзшей озерной воды. NASA выпустило специальное заявление, где подчеркивалось сходство озера Восток и океана Европы.