Au fond des minerais chauds

2024 Auteur: Seth Attwood | [email protected]. Dernière modifié: 2023-12-16 16:04

Le XXe siècle a été marqué par le triomphe de l'homme dans les airs et la conquête des plus profondes dépressions de l'océan mondial. Seul le rêve de pénétrer au cœur de notre planète et de connaître la vie jusque-là cachée de ses entrailles reste inaccessible. "Voyage au centre de la Terre" s'annonce extrêmement difficile et passionnant, semé de nombreuses surprises et d'incroyables découvertes. Les premiers pas sur cette voie ont déjà été franchis: plusieurs dizaines de puits très profonds ont été forés dans le monde. Les informations obtenues à l'aide de forages ultra-profonds se sont avérées si accablantes qu'elles ont brisé les idées établies des géologues sur la structure de notre planète et ont fourni les matériaux les plus riches aux chercheurs dans divers domaines de connaissances.

Toucher le manteau

Les Chinois industrieux au 13ème siècle ont creusé des puits de 1 200 mètres de profondeur. Les Européens ont battu le record chinois en 1930 en apprenant à percer la terre avec des appareils de forage sur 3 kilomètres. À la fin des années 1950, les puits s'étendaient jusqu'à 7 kilomètres. L'ère du forage ultra-profond a commencé.

Comme la plupart des projets mondiaux, l'idée de percer la coque supérieure de la Terre est née dans les années 1960, au plus fort des vols spatiaux et de la croyance dans les possibilités illimitées de la science et de la technologie. Les Américains ont conçu pas moins que de parcourir toute la croûte terrestre avec un puits et d'obtenir des échantillons des roches du manteau supérieur. Les concepts du manteau à l'époque (comme aujourd'hui en fait) n'étaient basés que sur des données indirectes - la vitesse de propagation des ondes sismiques dans les intestins, dont le changement était interprété comme la limite de couches de roches d'âges et de compositions différents. Les scientifiques pensaient que la croûte terrestre était comme un sandwich: de jeunes roches en haut, d'anciennes en bas. Cependant, seul un forage très profond pourrait donner une image précise de la structure et de la composition de la coquille externe et du manteau supérieur de la Terre.

Projet Mokhol

En 1958, le programme de forage ultra-profond Mohol est apparu aux États-Unis. C'est l'un des projets les plus audacieux et mystérieux de l'Amérique d'après-guerre. Comme beaucoup d'autres programmes, Mohol était destiné à dépasser l'URSS dans la rivalité scientifique, établissant un record du monde de forage ultra-profond. Le nom du projet vient des mots "Mohorovicic" - c'est le nom du scientifique croate qui a distingué l'interface entre la croûte terrestre et le manteau - la frontière de Moho, et "hole", qui signifie "bien" en anglais. Les créateurs du programme ont décidé de forer dans l'océan, où, selon les géophysiciens, la croûte terrestre est beaucoup plus fine que sur les continents. Il a fallu descendre les tuyaux de plusieurs kilomètres dans l'eau, parcourir 5 kilomètres du fond de l'océan et atteindre le manteau supérieur.

En avril 1961, au large de l'île de Guadeloupe dans la mer des Caraïbes, où la colonne d'eau atteint 3,5 km, des géologues ont foré cinq puits, le plus profond d'entre eux pénétrant dans le fond à 183 mètres. Selon des calculs préliminaires, à cet endroit, sous les roches sédimentaires, ils s'attendaient à rencontrer la couche supérieure de la croûte terrestre - le granit. Mais la carotte soulevée sous les sédiments contenait des basaltes purs - une sorte d'antipode des granites. Le résultat du forage découragé et en même temps inspiré les scientifiques, ils commencèrent à préparer une nouvelle phase de forage. Mais lorsque le coût du projet a dépassé les 100 millions de dollars, le Congrès américain a arrêté le financement. Mohol n'a répondu à aucune des questions posées, mais cela a montré l'essentiel - le forage très profond dans l'océan est possible.

Les funérailles sont reportées

Des forages ultra-profonds ont permis d'explorer les profondeurs et de comprendre le comportement des roches à hautes pressions et températures. L'idée que les roches avec la profondeur se densifient et que leur porosité diminue s'est avérée fausse, ainsi que le point de vue sur le sous-sol sec. Cela a été découvert pour la première fois lors du forage de la très grande profondeur de Kola, d'autres puits dans d'anciennes strates cristallines ont confirmé le fait qu'à une profondeur de plusieurs kilomètres, les roches sont brisées par des fissures et pénétrées par de nombreux pores, et les solutions aqueuses se déplacent librement sous une pression de plusieurs centaines atmosphères. Cette découverte est l'une des réalisations les plus importantes du forage ultra-profond. Cela nous a obligé à nous tourner à nouveau vers le problème de l'enfouissement des déchets radioactifs, qui étaient censés être placés dans des puits profonds, qui semblaient parfaitement sûrs. Compte tenu des informations sur l'état du sous-sol obtenues au cours des forages ultra-profonds, les projets de création de tels dépôts s'annoncent aujourd'hui très risqués.

A la recherche de l'enfer refroidi

Depuis lors, le monde est tombé malade avec le forage ultra-profond. Aux Etats-Unis, un nouveau programme d'étude des fonds marins (Deep Sea Drilling Project) est en préparation. Le Glomar Challenger, construit spécifiquement pour ce projet, a passé plusieurs années dans les eaux de divers océans et mers, forant près de 800 puits dans leur fond, atteignant une profondeur maximale de 760 m. Au milieu des années 1980, les résultats de forage offshore ont confirmé la théorie de la tectonique des plaques. La géologie en tant que science renaît. Pendant ce temps, la Russie a suivi son propre chemin. L'intérêt pour le problème, suscité par les succès des États-Unis, a abouti au programme « Exploration de l'intérieur de la Terre et forages superprofonds », mais pas dans l'océan, mais sur le continent. Malgré son histoire séculaire, le forage continental semblait être une entreprise complètement nouvelle. Après tout, nous parlions de profondeurs auparavant inaccessibles - plus de 7 kilomètres. En 1962, Nikita Khrouchtchev a approuvé ce programme, bien qu'il ait été guidé par des motifs politiques plutôt que scientifiques. Il ne voulait pas être à la traîne des États-Unis.

Le laboratoire nouvellement créé à l'Institut de technologie de forage était dirigé par le célèbre ouvrier pétrolier, le docteur en sciences techniques Nikolai Timofeev. Il a été chargé de justifier la possibilité de forage très profond dans les roches cristallines - granites et gneiss. Les recherches ont duré 4 ans, et en 1966 les experts ont rendu un verdict - on peut forer, et pas forcément avec le matériel de demain, le matériel qui est déjà là suffit. Le problème principal est la chaleur en profondeur. Selon les calculs, en pénétrant dans les roches qui composent la croûte terrestre, la température devrait augmenter de 1 degré tous les 33 mètres. Cela signifie qu'à une profondeur de 10 km, il faut s'attendre à environ 300 ° C et à 15 km - près de 500 ° C. Les outils et appareils de perçage ne résisteront pas à un tel chauffage. Il fallait chercher un endroit où les intestins n'étaient pas si chauds…

Un tel endroit a été trouvé - un ancien bouclier cristallin de la péninsule de Kola. Un rapport préparé à l'Institut de physique de la Terre disait: au cours des milliards d'années de son existence, le bouclier de Kola s'est refroidi, la température à une profondeur de 15 km ne dépasse pas 150 °C. Et les géophysiciens ont préparé une section approximative de la péninsule de Kola. Selon eux, les 7 premiers kilomètres sont des strates granitiques de la partie supérieure de la croûte terrestre, puis la couche de basalte commence. Ensuite, l'idée d'une structure à deux couches de la croûte terrestre a été généralement acceptée. Mais comme il s'est avéré plus tard, les physiciens et les géophysiciens avaient tort. Le site de forage a été choisi à l'extrémité nord de la péninsule de Kola, près du lac Vilgiskoddeoayvinjärvi. En finnois, cela signifie "Sous la montagne du loup", bien qu'il n'y ait ni montagnes ni loups à cet endroit. Le forage du puits, dont la profondeur nominale était de 15 kilomètres, a commencé en mai 1970.

Outil pour le monde souterrain

Le forage du puits Kola SG-3 n'a pas nécessité la création de dispositifs fondamentalement nouveaux et de machines géantes. Nous avons commencé à travailler avec ce que nous avions déjà: l'unité Uralmash 4E d'une capacité de levage de 200 tonnes et des tuyaux en alliage léger. Ce qui était vraiment nécessaire à l'époque, c'était des solutions technologiques non standard. En effet, dans des roches cristallines dures à une si grande profondeur, personne ne forait, et ce qui se passerait là-bas, ils ne l'imaginaient qu'en termes généraux. Les foreurs expérimentés, cependant, se sont rendu compte que peu importe le degré de détail du projet, un vrai puits serait beaucoup plus complexe. Cinq ans plus tard, lorsque la profondeur du puits SG-3 dépassait 7 kilomètres, une nouvelle plate-forme de forage Uralmash 15 000 a été installée, l'une des plus modernes à l'époque. Puissant, fiable, doté d'un mécanisme de déclenchement automatique, il pouvait supporter un chapelet de tuyaux jusqu'à 15 km de long. La plate-forme de forage s'est transformée en un derrick entièrement gainé de 68 m de haut, défiant les vents violents qui font rage dans l'Arctique. Une mini-usine, des laboratoires scientifiques et un stockage de carottes se sont développés à proximité.

Lors du forage à de faibles profondeurs, un moteur qui fait tourner le train de tiges avec une perceuse à l'extrémité est installé sur la surface. La perceuse est un cylindre en fer avec des dents en diamant ou en alliage dur - un peu. Cette couronne mord dans les roches et en découpe une fine colonne - un noyau. Pour refroidir l'outil et éliminer les petits débris du puits, un fluide de forage y est pompé - de l'argile liquide, qui circule tout le temps le long du puits de forage, comme le sang dans les vaisseaux. Après un certain temps, les tuyaux sont remontés à la surface, libérés du noyau, la couronne est changée et la colonne est à nouveau descendue dans le trou de fond. C'est ainsi que fonctionne le forage conventionnel.

Et si la longueur du canon était de 10 à 12 kilomètres avec un diamètre de 215 millimètres ? Le chapelet de tuyaux devient le fil le plus fin qui soit descendu dans le puits. Comment le gérer ? Comment voir ce qui se passe en face ? Par conséquent, sur le puits de Kola, au bas du train de tiges, des turbines miniatures ont été installées, elles ont été démarrées par la boue de forage pompée à travers des tuyaux sous pression. Les turbines faisaient tourner un trépan en carbure et un noyau coupé. Toute la technologie était bien au point, l'opérateur sur le panneau de commande voyait la rotation de la mèche, connaissait sa vitesse et pouvait contrôler le processus.

Tous les 8 à 10 mètres, un train de tuyaux de plusieurs kilomètres devait être soulevé. La descente et la montée ont duré 18 heures au total.

L'insidiosité du chiffre "7"

7 kilomètres - la marque pour le fatal Kola superdeep. Derrière elle a commencé l'incertitude, de nombreux accidents et une lutte continue avec les rochers. Le canon ne pouvait pas être maintenu droit. Lorsque nous avons parcouru 12 km pour la première fois, le puits s'est écarté de la verticale de 21°. Bien que les foreurs aient déjà appris à travailler avec l'incroyable courbure du puits de forage, il était impossible d'aller plus loin. Le puits devait être foré à partir de la barre des 7 km. Pour obtenir un trou vertical dans les roches dures, vous avez besoin d'un fond très dur du train de tiges, afin qu'il pénètre dans les entrailles comme de l'huile. Mais un autre problème se pose - le puits s'étend progressivement, le foret y pend, comme dans un verre, les parois du puits de forage commencent à s'effondrer et peuvent appuyer sur l'outil. La solution à ce problème s'est avérée originale - la technologie du pendule a été appliquée. La foreuse a été artificiellement basculée dans le puits et a supprimé les fortes vibrations. Pour cette raison, le tronc s'est avéré être vertical.

L'accident le plus courant sur n'importe quelle plate-forme est la rupture d'un train de tiges. Habituellement, ils essaient à nouveau de capturer les tuyaux, mais si cela se produit à de grandes profondeurs, le problème devient irrécupérable. Inutile de chercher un outil dans un forage de 10 kilomètres, un tel forage a été lancé et un nouveau a été commencé, un peu plus haut. Des ruptures de canalisations et des pertes à SG-3 se sont produites à plusieurs reprises. En conséquence, dans sa partie inférieure, le puits ressemble au système racinaire d'une plante géante. La ramification du puits a bouleversé les foreurs, mais s'est avérée être un bonheur pour les géologues, qui ont obtenu de manière inattendue une image en trois dimensions d'un segment impressionnant d'anciennes roches archéennes qui s'est formée il y a plus de 2,5 milliards d'années.

En juin 1990, SG-3 a atteint une profondeur de 12 262 m. Le puits a commencé à être préparé pour le forage jusqu'à 14 km, puis un accident s'est de nouveau produit - à une altitude de 8 550 m, le train de tiges s'est rompu. La poursuite des travaux a nécessité une longue préparation, le renouvellement du matériel et de nouveaux coûts. En 1994, le forage du Kola Superdeep a été arrêté. Après 3 ans, elle est entrée dans le livre Guinness des records et reste toujours inégalée. Aujourd'hui, le puits est un laboratoire pour l'étude des intestins profonds.

Entrailles secrètes

Le SG-3 est une installation classée depuis le début. La zone frontalière, les gisements stratégiques du district et la priorité scientifique sont en cause. Le premier étranger à visiter le site de forage était l'un des dirigeants de l'Académie des sciences de Tchécoslovaquie. Plus tard, en 1975, un article sur le Kola Superdeep a été publié dans la Pravda signé par le ministre de la Géologie Alexander Sidorenko. Il n'y avait toujours pas de publications scientifiques sur le puits de Kola, mais certaines informations ont fuité à l'étranger. Selon les rumeurs, le monde a commencé à en savoir plus - le puits le plus profond est en cours de forage en URSS.

Un voile de secret aurait probablement plané sur le puits jusqu'à la très "perestroïka", si le Congrès géologique mondial n'avait pas eu lieu en 1984 à Moscou. Ils se sont soigneusement préparés à un événement aussi majeur dans le monde scientifique; un nouveau bâtiment a même été construit pour le ministère de la Géologie - de nombreux participants étaient attendus. Mais les collègues étrangers étaient principalement intéressés par le Kola superdeep ! Les Américains ne croyaient pas du tout que nous l'avions. La profondeur du puits avait alors atteint 12 066 mètres. Ca n'avait plus de sens de cacher l'objet. Une exposition des réalisations de la géologie russe attendait les participants au congrès à Moscou, l'un des stands était dédié au puits SG-3. Les experts du monde entier ont regardé avec stupéfaction une tête de forage conventionnelle avec des dents en carbure usées. Et avec ça, ils forent le puits le plus profond du monde ? Incroyable! Une importante délégation de géologues et de journalistes s'est rendue à la colonie de Zapolyarny. Les visiteurs ont vu la plate-forme en action et des sections de tuyaux de 33 mètres ont été retirées et déconnectées. Tout autour se trouvaient des tas d'exactement les mêmes têtes de forage que celle qui se trouvait sur le stand à Moscou.

Géologue de renom, l'académicien Vladimir Belousov a reçu la délégation de l'Académie des sciences. Lors d'une conférence de presse, une question du public lui a été posée:

- Quelle est la chose la plus importante que le puits de Kola a montrée ?

- Messieurs! Plus important encore, cela a montré que nous ne savons rien de la croûte continentale, - le scientifique a répondu honnêtement.

profonde surprise

Bien sûr, ils savaient quelque chose sur la croûte terrestre des continents. Le fait que les continents soient composés de roches très anciennes, âgées de 1,5 à 3 milliards d'années, n'a pas été réfuté même par le puits de Kola. Or, la coupe géologique compilée à partir de la carotte SG-3 s'est avérée être exactement le contraire de ce que les scientifiques avaient imaginé plus tôt. Les 7 premiers kilomètres étaient composés de roches volcaniques et sédimentaires: tufs, basaltes, brèches, grès, dolomies. Plus profondément se trouvait la section dite de Conrad, après laquelle la vitesse des ondes sismiques dans les roches a fortement augmenté, ce qui a été interprété comme la limite entre les granites et les basaltes. Cette section a été dépassée il y a longtemps, mais les basaltes de la couche inférieure de la croûte terrestre ne sont jamais apparus nulle part. Au contraire, des granites et des gneiss ont commencé.

La section du puits de Kola a réfuté le modèle à deux couches de la croûte terrestre et a montré que les sections sismiques dans les intestins ne sont pas les limites de couches de roches de composition différente. Au contraire, ils indiquent un changement dans les propriétés de la pierre avec la profondeur. À haute pression et température, les propriétés des roches, apparemment, peuvent changer considérablement, de sorte que les caractéristiques physiques des granites deviennent similaires aux basaltes, et vice versa. Mais le "basalte" remonté à la surface à une profondeur de 12 kilomètres est immédiatement devenu du granit, bien qu'il ait subi une grave attaque de "maladie des caissons" en cours de route - le noyau s'est effondré et s'est désintégré en plaques plates. Plus le puits avançait, moins les échantillons de qualité tombaient entre les mains des scientifiques.

La profondeur contenait de nombreuses surprises. Auparavant, il était naturel de penser qu'avec l'augmentation de la distance de la surface de la terre, avec l'augmentation de la pression, les roches deviennent plus monolithiques, avec un petit nombre de fissures et de pores. SG-3 a convaincu les scientifiques du contraire. A partir de 9 kilomètres, les strates se sont révélées très poreuses et littéralement bourrées de fissures le long desquelles circulaient des solutions aqueuses. Plus tard, ce fait a été confirmé par d'autres puits très profonds sur les continents. Il s'est avéré qu'il faisait bien plus chaud en profondeur que prévu: jusqu'à 80° ! A la marque des 7 km, la température du fond était de 120 ° C, à 12 km elle avait déjà atteint les 230 ° C. Dans les échantillons du puits de Kola, les scientifiques ont découvert une minéralisation aurifère. Des inclusions de métaux précieux ont été trouvées dans des roches anciennes à une profondeur de 9, 5 à 10, 5 km. Cependant, la concentration d'or était trop faible pour revendiquer un gisement - une moyenne de 37,7 mg par tonne de roche, mais suffisante pour être attendue dans d'autres endroits similaires.

Sur la piste russe

La démonstration du puits de Kola en 1984 a profondément marqué la communauté mondiale. De nombreux pays ont commencé à préparer des projets de forage scientifique sur les continents. Un tel programme a également été approuvé en Allemagne à la fin des années 1980. Le puits ultra-profond KTB Hauptborung a été foré de 1990 à 1994, selon le plan, il était censé atteindre une profondeur de 12 km, mais en raison de températures élevées imprévisibles, il n'a été possible d'atteindre que la barre des 9,1 km. En raison de l'ouverture des données sur le forage et les travaux scientifiques, de la bonne technologie et de la documentation, le puits ultra-profond KTV reste l'un des plus célèbres au monde.

L'emplacement du forage de ce puits a été choisi dans le sud-est de la Bavière, sur les vestiges d'une ancienne chaîne de montagnes, dont l'âge est estimé à 300 millions d'années. Les géologues croyaient qu'il y avait quelque part ici une zone de jonction de deux plaques, qui étaient autrefois les rives de l'océan. Selon les scientifiques, au fil du temps, la partie supérieure des montagnes s'est usée, exposant les vestiges de l'ancienne croûte océanique. Encore plus profondément, à dix kilomètres de la surface, les géophysiciens ont découvert un grand corps avec une conductivité électrique anormalement élevée. Ils espéraient aussi clarifier sa nature à l'aide d'un puits. Mais le principal défi était d'atteindre une profondeur de 10 km afin d'acquérir de l'expérience dans le forage ultra-profond. Après avoir étudié les matériaux du Kola SG-3, les foreurs allemands ont décidé de forer dans un premier temps un puits d'essai à 4 km de profondeur afin d'avoir une idée plus précise des conditions de travail dans le sous-sol, tester la technique et prélever une carotte. À la fin du travail pilote, une grande partie du matériel de forage et de l'équipement scientifique a dû être modifié et quelque chose a dû être recréé.

Le puits principal - super profond - KTV Hauptborung a été posé à seulement deux cents mètres du premier. Pour les travaux, une tour de 83 mètres a été érigée et une plate-forme de forage d'une capacité de levage de 800 tonnes, la plus puissante à l'époque, a été créée. De nombreuses opérations de forage ont été automatisées, principalement le mécanisme d'abaissement et de récupération du train de tiges. Le système de perçage vertical autoguidé a permis de faire un trou presque vertical. Théoriquement, avec un tel équipement, il était possible de forer à une profondeur de 12 kilomètres. Mais la réalité, comme toujours, s'est avérée plus compliquée et les plans des scientifiques ne se sont pas réalisés.

Les problèmes au puits KTV ont commencé après une profondeur de 7 km, répétant une grande partie du sort du Kola Superdeep. Au début, on pense qu'en raison de la température élevée, le système de forage vertical est tombé en panne et le trou est devenu oblique. À la fin des travaux, le fond s'est écarté de la verticale de 300 m. Ensuite, des accidents plus compliqués ont commencé - une rupture du train de tiges. Tout comme sur Kola, de nouveaux puits ont dû être percés. Certaines difficultés ont été causées par le rétrécissement du puits - en haut son diamètre était de 71 cm, en bas - 16,5 cm. Des accidents sans fin et une température de fond élevée -270 ° C ont forcé les foreurs à arrêter de travailler non loin de l'objectif chéri.

On ne peut pas dire que les résultats scientifiques de KTV Hauptborung ont frappé l'imagination des scientifiques. En profondeur, des amphibolites et des gneiss, anciennes roches métamorphiques, se sont principalement déposés. La zone de convergence de l'océan et les restes de la croûte océanique n'ont été retrouvés nulle part. Peut-être sont-ils à un autre endroit, voici un petit massif cristallin, renversé à une hauteur de 10 km. Un gisement de graphite a été découvert à un kilomètre de la surface.

En 1996, le puits KTV, qui a coûté au budget allemand 338 millions de dollars, est placé sous le patronage du Centre scientifique de géologie de Potsdam, il est transformé en laboratoire d'observation des sous-sols profonds et en destination touristique.

Les puits les plus profonds du monde

1. Aralsor SG-1, plaine caspienne, 1962-1971, profondeur - 6, 8 km. Recherche de pétrole et de gaz.

2. Biikzhal SG-2, plaine caspienne, 1962-1971, profondeur - 6, 2 km. Recherche de pétrole et de gaz.

3. Kola SG-3, 1970-1994, profondeur - 12 262 m. Profondeur de conception - 15 km.

4. Saatlinskaya, Azerbaïdjan, 1977-1990, profondeur - 8 324 m. Profondeur de conception - 11 km.

5. Kolvinskaya, région d'Arkhangelsk, 1961, profondeur - 7 057 m.

6. Muruntau SG-10, Ouzbékistan, 1984, profondeur -

3 km. La profondeur de conception est de 7 km. Rechercher de l'or.

7. Timan-Pechora SG-5, nord-est de la Russie, 1984-1993, profondeur - 6 904 m, profondeur de conception - 7 km.

8. Tioumen SG-6, Sibérie occidentale, 1987-1996, profondeur - 7 502 m. Profondeur de conception - 8 km. Recherche de pétrole et de gaz.

9. Novo-Elkhovskaya, Tatarstan, 1988, profondeur - 5 881 m.

10. Puits Vorotilovskaya, région de la Volga, 1989-1992, profondeur - 5 374 m. Recherche de diamants, étude de l'astrobleme Puchezh-Katunskaya.

11. Krivoï Rog SG-8, Ukraine, 1984-1993, profondeur - 5 382 m. Profondeur de conception - 12 km. Recherche de quartzites ferrugineux.

Oural SG-4, Oural moyen. Mis en place en 1985. Profondeur de conception - 15 000 m Profondeur actuelle - 6 100 m Recherche de minerais de cuivre, étude de la structure de l'Oural. En-Yakhtinskaya SG-7, Sibérie occidentale. Profondeur de conception - 7 500 m Profondeur actuelle - 6 900 m Recherche de pétrole et de gaz.