Исследования подледникового озера Восток на пороге новых открытий

С.Б. Балясников (ААНИИ) В.Я. Липенков (ААНИИ)

Сейсмические измерения, проведенные Советской антарктической экспедицией в 1963-1964 гг., радиолокационные зондирования, выполненные британскими учеными в 1974-1975 гг., а также исследования рельефа поверхности ледникового покрова со спутника ERS-1 в 1993 г. привели к открытию огромного подледникового водоема в районе российской внутриконтинентальной станции Восток. Новый географический объект на карте Антарктиды получил название "озеро Восток".

Сравнимое по размерам с крупнейшим в Европе Ладожским озером, скрытое от глаз четырехкилометровой толщей антарктического льда озеро Восток резко выделяется своими грандиозными масштабами. Из более чем 145 подледниковых водоемов, обнаруженных к настоящему времени методом радиолокационного зондирования в Антарктиде, оно наиболее крупное. Возникновение, развитие и современный режим этого уникального водоема тесно связаны с геологическим строением, историей климата и оледенения шестого континента.

История возникновения озера Восток как водоема достоверно не установлена. Теоретически показано, что оно могло существовать в рифтовой депрессии задолго до начала оледенения Антарктиды около 30 млн. лет назад. Большинство исследователей, однако, склоняется к тому, что озеро возникло в результате донного таяния ледника во время или после образования континентального ледникового покрова в его современных масштабах (15 млн. лет назад). Благодаря своим значительным размерам (60 х 280 км, мощность водного слоя до 1200 м), озеро Восток занимает центральное место в подледниковой гидрологической системе Антарктиды, во многом определяющей форму и динамику антарктического ледникового покрова в условиях меняющегося климата планеты.

В настоящее время единственным источником экспериментальных данных о химическом, газовом и биологическом составе воды озера Восток является ледяной керн глубокой скважины 5Г, пробуренной на российской внутриконтинентальной станции Восток. Скважина расположена над южной глубоководной частью озера, где происходит намерзание озерной воды на подошву ледника. В ходе продолжающихся буровых работ на станции Восток было поднято 130 метров керна озерного льда. Верхние 70 м колонки этого керна содержат минеральные включения - носители уникальной информации о геологическом строении подледниковой среды, захваченные льдом в мелководном прибрежном бассейне, расположенном в 45 км вверх по течению ледника от скважины. При изучении ледяного керна с глубины 3310-3538 м, были получены данные, косвенно подтверждающие древний возраст (15-30 млн. лет) подледникового озера Восток.

С точки зрения биологов озеро Восток это, прежде всего, - уникальная водная экосистема, практически изолированная от земной атмосферы и поверхностной биосферы на протяжении миллионов лет. Тектоническая природа озера и его продолжительная изоляция предполагают возможность сохранения здесь реликтовых форм жизни и проявления еще не известных науке путей эволюционной адаптации микроорганизмов, изучение которых будет способствовать лучшему пониманию процессов развития жизни на нашей планете. Экстремальные условия подледникового водоема, характеризующиеся высоким давлением, отсутствием света, специфическим газовым составом воды и чрезвычайно низким содержанием биологического материала, делают его идеальной экспериментальной площадкой для отработки на Земле методов и технологий поиска следов жизни на покрытых льдом планетах и лунах Солнечной системы.

Несмотря на это, в ходе молекулярно-биологических исследований керна озерного льда все же удалось обнаружить и идентифицировать три вида термофильных бактерий (хемолитоавтотрофов), представляющих собой истинных водных обитателей подледникового водоема. Одна из этих бактерий (популяций) была ранее изучена в горячих источниках Японии. Она обитает при температурах выше 40-50°С в среде, насыщенной водородом и углекислым газом. Два других вида не были найдены в современных базах данных, но филогенетически связаны с бактериями, ассоциированными с гидротермальными условиями. Эти биологические находки указывают на существование современной (0-10 тыс. лет назад) гидротермальной циркуляции в осадках озера Восток.

Очевидно, что положительные результаты, достигнутые при изучении микробиоты озера Восток, содействовали бы продвижению амбициозных астробиологических проектов в рамках планируемых экспедиций на Марс и спутник Юпитера Европу.

Исключительный интерес мирового научного сообщества к исследованию озера Восток и других подледниковых систем нашел отражение в решении SCAR создать в своей структуре специальную научную программу Подледниковые озера Антарктиды (Subglacial Antarctic Lake Environments - SALE) и рекомендовать исследования подледниковой среды в качестве приоритетных для программ Международного полярного года в Антарктике 2007/08. В нашей стране комплексные исследования подледникового озера Восток проводятся в рамках специального проекта подпрограммы "Исследование и изучение Антарктики" ФЦП "Мировой океан". Значительная часть запланированных на 2007-2009 гг. работ непосредственным образом связана с реализацией национальной Научной программы МПГ. В работах по проекту участвуют 8 научно-исследовательских учреждений. Их деятельность, координируемая Арктическим и антарктическим научно-исследовательским институтом (ААНИИ) Росгидромета, охватывает все важнейшие технологические и научные аспекты изучения подледниковых озер Антарктиды, обозначенные международной программой SALE.

Разработкой технологий и средств кернового бурения льда и экологически безопасного проникновения в подледниковые водоемы занимаются специалисты Санкт-Петербургского государственного горного института (СПГГИ) в сотрудничестве с ААНИИ. Полярная морская геологоразведочная экспедиция (ПМГРЭ) проводит в составе Российской антарктической экспедиции наземные дистанционные исследования озера средствами сейсмического зондирования и радиолокационного профилирования. Изучением минеральных включений донных осадков озера, захваченных озерным льдом, занимаются ученые Всероссийского научно-исследовательского института геологии и минеральных ресурсов Мирового океана (ВНИИОкеангеология) и Всероссийского научно-исследовательского геологического института. Газовые и изотопные анализы образцов озерного льда осуществляют специалисты ААНИИ. Институт микробиологии и Петербургский институт ядерной физики РАН проводят биологические исследования ледяных кернов методами молекулярной биологии и классической микробиологии.

В исследованиях ледяного керна принимают участие французские ученые из Лаборатории гляциологии и геофизики окружающей среды (г. Гренобль). Они предоставляют для совместных работ сертифицированные особо чистые помещения для предбиологической подготовки образцов льда, осуществляют химический контроль остаточного загрязнения биологических проб и участвуют в газовых и изотопных анализах ледяных кернов.

Полученные в ходе полевых и лабораторных исследований данные обобщаются и согласовываются между собой в процессе создания математических моделей, описывающих динамику ледникового покрова (Казанский государственный университет), циркуляцию подледникового озера, его газовый и изотопный режимы (ААНИИ), а также при создании геологических моделей происхождения озера Восток (ВНИИОкеангеология, ПМГРЭ).

За прошедшие годы российскими исследователями озера Восток был получен целый ряд выдающихся результатов, которые получили международное признание и утвердили лидирующее положение отечественной науки в изучении этого уникального природного объекта. К таким достижениям, в первую очередь, относятся:

  • самая глубокая в мире скважина в ледниковом покрове, которая вошла в слои льда озера Восток, впервые открыв доступ к исследованию подледниковой среды;
  • база геофизических данных, послужившая основой для детального картографирования границ озера, коренного рельефа, мощности водного слоя и толщины перекрывающего озера ледника;
  • новые методы и протоколы очистки и обеззараживания для последующего исследования образцов льда с ультранизким содержанием микробных клеток;
  • обнаружение во льду озера Восток ДНК теплолюбивых бактерий (хемолитоавтотрофных мезотермофилов), обитающих в разломах земной коры под озером;
  • первые оценки газового состава озера Восток, свидетельствующие о высоких концентрациях кислорода в озерной воде;
  • определение минерального состава и возраста пород коренного ложа Центральной Антарктиды по результатам исследований минеральных включений в озерном льду;
  • создание технологи экологически безопасного проникновения в озеро Восток.
  • Бурение глубокой скважины 5Г, возобновленное после восьмилетнего перерыва в декабре 2005 г., было продолжено в сезонный и зимовочный периоды 52 РАЭ. Глубина скважины на сегодняшний день составляет 3668 м. До контакта ледника с озерной водой осталось пройти около 90 м.


Буровые работы на больших глубинах осложняются крупнокристаллической структурой и относительно высокой (близкой к точке плавления) температурой льда. При бурении ледника электромеханическим снарядом эти особенности ледяной породы приводят к резкому замедлению проходки скважины и затрудненному отрыву керна. В результате уменьшается производительность буровых работ и увеличивается частота потенциально аварийных ситуаций. Одна из таких ситуаций привела в январе 2007 г. к обрыву грузонесущего кабеля и потере бурового снаряда на глубине 3658 м. На извлечение снаряда из скважины и ремонтно-восстановительные работы ушло несколько месяцев.

Бурение ледника сопровождается геофизическими исследованиями в скважине и проведением экспресс-анализа физических и структурных характеристик вновь полученного керна, что позволяет оперативно контролировать состояние ствола скважины и следить за изменением свойств льда по мере приближения к контакту с подледниковой водой. При отсутствии признаков более высокого залегания нижней поверхности ледника (ее оценочная глубина 3760±15 м) проходку скважины электромеханическим снарядом КЭМС-132 планируется остановить на отметке 3720 м. Бурение оставшихся 40 м толщи озерного льда планируется завершить бескерновым тепловым снарядом ТБПО-132, который был разработан в СПГГИ для осуществления проникновения в подледниковое озеро.

Предложенная специалистами СПГГИ и ААНИИ технология первого проникновения в озеро Восток достаточно проста и сводит к минимуму риск загрязнения уникального водоема. Она заключается в заборе подледниковой воды в буровую скважину путем создания отрицательной разности давлений буровой жидкости и озерной воды. Давление заливочной жидкости в момент достижения снарядом нижней поверхности ледника устанавливается на 5-7 атмосфер ниже давления воды в озере. Это приводит к подъему воды в скважине на высоту 50-70 м от поверхности озера. После ее замерзания осуществляется повторное бурение скважины с отбором керна замерзшей озерной воды до отметки 15-20 м от поверхности озера.

Испытание рабочего макета теплового снаряда ТБПО-132 в глубокой скважине 5Г планируется провести в сезонный период 53 РАЭ (2007/08 г.). В этот и последующий полевые сезоны на станции Восток будет также продолжено бурение ледника с целью получения керна более "молодого" озерного льда и углубления скважины. Проникновение в озеро Восток планируется осуществить в сезонный период 55 РАЭ, после достижения скважиной необходимой глубины и замены бурового кабеля.

Что нового может дать изучение воды, замерзшей в скважине, по сравнению с результатами, полученными в ходе исследования озерного льда?

Содержание газовых, химических и биологических примесей в озерном льду на несколько порядков ниже, чем в воде озера. Это объясняется выталкиванием примесей в процессе медленного (миллиметры в год) нарастания льда на подошву ледника и его последующей (в течение тысяч лет) перекристаллизацией, приводящей к образованию очень крупных кристаллических индивидов с практически идеальной кристаллической решеткой. Исключительная чистота озерного льда, образовавшегося в глубоководной части озера, и большие неопределенности в оценках значений разделительных коэффициентов существенно снижают информативность исследований и затрудняют интерпретацию полученных данных.

Кристаллизация воды в скважине - значительно более быстрый процесс. Как показывают расчеты, вода, поднявшаяся в скважину, замерзнет в течение 1-30 дней, в зависимости от расстояния от поверхности озера. Образовавшийся лед будет иметь неоднородную, радиально-лучевую структуру, соответствующую отводу тепла через стенки скважины, с максимальной концентрацией примесей вдоль оси скважины. При этом осредненные по достаточно большому объему характеристики состава льда должны отражать состав озерной воды, из которой он образовался. Пригодность керна замерзшей в скважине подледниковой воды для биологических исследований была экспериментально продемонстрирована специалистами Петербургского института ядерной физики РАН, которые принимали участие в изучении такого керна, поднятого из скважины в Гренландии.

Таким образом, реализация проекта проникновения в озеро Восток поможет дать ответы на целый ряд фундаментальных вопросов, стоящих перед исследователями подледниковой среды, и, в первую очередь, на центральный вопрос о существовании жизни в воде озера.

Исследования подледникового озера Восток находятся на переднем крае мировой науки и привлекают к себе растущее внимание широкой общественности и СМИ как у нас в стране, так и за рубежом. Поэтому, помимо решения фундаментальных задач антарктической геологии, палеоклиматологии, гляциологии и биологии, данный проект имеет важную социальную составляющую, оказывая позитивное влияние на развитие общества, образование и воспитание молодежи, повышение престижа отечественной науки и государства в целом. Первое проникновения в озеро Восток следует рассматривать как логическое продолжение, промежуточный, но яркий и значительный в научном плане этап проводимых российскими учеными комплексных исследований этого уникального подледникового водоема. Новые данные, которые будут получены в ходе продолжающихся исследований озерного льда, подготовки и проведения проникновения в озеро, будут использованы для детального планирования последующих шагов по изучению озера Восток. Впереди - захватывающие воображение перспективы прямых измерений основных физических, химических и биологических характеристик водной толщи, отбор и исследование концентрированных проб воды и образцов донных осадков с помощью специальных глубоководных аппаратов, спускаемых в озеро на кабеле через скважину в ледниковом покрове.

Перейти к содержанию № 2(24) 2008

 

№ 2(24), 2008
Освоение океана и шельфа

Подледниковое озеро Восток расположено в районе научной и логистической деятельности Российской антарктической экспедиции (береговая линия озера показана по данным ПМГРЭ)

Подледниковое озеро Восток расположено в районе научной и логистической деятельности Российской антарктической экспедиции (береговая линия озера показана по данным ПМГРЭ)

Крупное минеральное включение в керне озерного льда с глубины 3608 м

Крупное минеральное включение в керне озерного льда с глубины 3608 м

Буровая вышка на станции Восток Текущая глубина скважины – 3668 м

Буровая вышка на станции Восток Текущая глубина скважины – 3668 м

Внешний вид и схематический разрез рабочего макета теплового снаряда ТБПО-132

Внешний вид и схематический разрез рабочего макета теплового снаряда ТБПО-132