Исследовательское судно Chikyu. Путешествие к центру Земли

Именно для этого было создано Chikyu — самое совершенное исследовательское судно в мире. Это не просто корабль, а гигантская буровая платформа, способная проникнуть туда, куда не доходило ни одно сверло. Его миссия — не только проникнуть к мантии, но и раскрыть секреты землетрясений, найти жизнь в кипящих недрах и расшифровать летопись климата, записанную в слоях океанского дна.

Конструкция и технология

Японское научное судно Chikyū («Земля») представляет собой уникальную плавучую лабораторию Его создание открыло новые возможности для изучения сейсмических процессов, глубинной биологии и строения планеты. Судно в высоту 130 метров с буровой вышкой, что сопоставимо с 43-этажным зданием. Его буровая колонна может проникать на  глубины 10 000 метров, что превышает высоту Эвереста.

Одна из его ключевых технологий — система динамического позиционирования. Она использует подруливающие устройства и GPS, чтобы удерживать судно точно над точкой бурения, даже в условиях сильных течений и волн. Без этой системы бурение на больших глубинах было бы невозможно

Изучение разлома Нанкай: в поисках ключей к землетрясениям

В рамках проекта Nankai Trough Seismogenic Zone Experiment Chikyū было задействовано для изучения разлома Нанкай. Разлом Нанкай — это одна из самых сейсмически активных зон субдукции в мире, где Филиппинская литосферная плита погружается под Евразийскую. Этот регион расположен к югу от Японии. Он известен своими мощными землетрясениями и цунами, которые неоднократно опустошали побережье страны.

Учёные пробурили несколько скважин в этом регионе, установив датчики непосредственно внутри разлома. Эти приборы фиксируют малейшие изменения давления и деформации пород, что позволяет отслеживать накопление напряжений перед землетрясением. В 2018 году Chikyū извлек образцы пород с глубины более 3000 метров ниже морского дна, обнаружив следы древних подземных толчков. Анализ таких данных помогает понять, как часто происходят катастрофические события и можно ли прогнозировать их заранее.

Разлом Нанкай — один из немногих в мире, где можно зафиксировать на ранней стадии следующее крупное землетрясение с высокой точностью. А данные с Chikyū помогает улучшить системы раннего предупреждения.

Открытие жизни в экстремальных условиях

Научное судно не только изучает землетрясения, но и совершает удивительные биологические открытия. Во время бурения в зоне Нанкайского желоба ученые обнаружили уникальные глубинные микроорганизмы, способные выживать в условиях, которые ранее считались абсолютно непригодными для жизни. Эти удивительные формы жизни были извлечены с глубины 2,5 км ниже морского дна, что с учетом толщи воды составляет 6-7 км от поверхности океана — в среде, куда не проникает солнечный свет, а давление и температура достигают экстремальных значений.

Процесс обнаружения этих микроорганизмов требовал особой тщательности и применения передовых технологий. Сначала проводилось бурение с использованием технологии Riser drilling (с буровой колонной) -– оно применяется для стабильного бурения на больших глубинах. Буровая колонна создаёт замкнутую систему циркуляции бурового раствора, что минимизирует загрязнение проб. Чтобы минимизировать контаминацию проб морской водой или буровым раствором, в процессе бурения использовались специальные трассирующие вещества, которые добавлялись в буровой раствор. Это позволяло отслеживать возможное загрязнение.

Извлеченные керны обрабатывались в ламинарных боксах или чистых комнатах на борту Chikyū, чтобы избежать контаминации микроорганизмами с поверхности или из окружающей среды. Для длительного хранения пробы замораживались при –80 °C или хранились в жидком азоте, чтобы сохранить ДНК и РНК микроорганизмов для последующего анализа. В лабораторных условиях образцы подвергались комплексному анализу: генетическое секвенирование позволило идентифицировать ДНК микроорганизмов; электронная микроскопия визуально подтвердила наличие живых клеток; геохимические анализы помогли понять химические реакции, поддерживающие жизнь в таких экстремальных условиях.

Обнаруженные микроорганизмы, относящиеся к археям и бактериям, представляют собой организмы, способные существовать в условиях, смертельных для большинства других форм жизни. Они выживают при температурах до 120°C и давлении, в сотни раз превышающем атмосферное, в полном отсутствии света и в почти полном отсутствии кислорода, а также в условиях очень высокой солёности. Вместо привычного фотосинтеза или использования органического вещества, эти микробы получают энергию через хемосинтез. Механизм хемосинтеза заключается в образовании органических соединений из неорганических за счёт энергии окислительно-восстановительных реакций. Микроорганизмы используют альтернативные источники энергии, такие как метан, сероводород или минералы. Подобные процессы ранее наблюдались в экосистемах гидротермальных источников, но никогда - на таких глубинах в земной коре.

Это открытие имеет фундаментальное значение для науки. Оно не только расширяет представления о пределах жизни на Земле, но и дает новые аргументы в пользу возможности существования жизни на других планетах. Подледные океаны спутников Юпитера и Сатурна — Европы и Энцелада — могут содержать аналогичные экстремальные экосистемы. Кроме того, изучение этих микроорганизмов открывает перспективы для биотехнологий: их уникальные ферменты, устойчивые к экстремальным температурам и давлению, могут найти применение в промышленности, фармацевтике и экологии.

Попытки достичь мантии

Значение мантии для науки трудно переоценить — этот слой составляет около 84% объема Земли, однако до сих пор изучался лишь косвенными методами. Сейсмические волны, анализ вулканических пород и лабораторные эксперименты давали лишь отрывочные сведения. Прямой доступ к мантийному веществу позволит не только точно определить его химический и минеральный состав, но и глубже понять механизмы тектоники плит, природу землетрясений, тепловые процессы в недрах Земли. Особый интерес представляет проверка гипотез о возможной связи гидротермальных процессов на границе коры и мантии с происхождением жизни на нашей планете.

Прежде чем приступить к решающему этапу бурения, ученые провели серию подготовительных работ. В районе Nankai Trough у берегов Японии исследовались зоны субдукции, где одна тектоническая плита погружалась под другую. Не менее важным стал проект IODP Expedition 370, в ходе которого бурильные работы велись в зоне с аномально высоким тепловым потоком — температура здесь достигала 120°C уже на глубине 1,2 км. Эти предварительные исследования позволили отработать ключевые технологии: системы охлаждения, методы стабилизации скважин и методику отбора керновых проб.

Для решающего этапа бурения планируется выбрать район у Гавайских островов, где, по данным исследований, океаническая кора значительно тоньше — предположительно всего 5–6 км по сравнению с 30–50 км на континентах. Такая особенность может быть связана с расположенной под Гавайями горячей точкой, которая, вероятно, разогревает и истончает земную кору.

Этот район считается привлекательным благодаря своей тектонической стабильности, что теоретически снижает риски при проведении будущих работ. Однако ученые предполагают, что могут столкнуться с экстремальными условиями: на глубине около 6 км температура, по расчетам, может превышать 300°C, а при приближении к мантии — достигать 500°C. Пока эти оценки остаются гипотетическими, и реальные параметры станут известны только в процессе бурения, запланированного к 2030 году.

Для преодоления этих сложностей судно Chikyū оснащено уникальными техническими решениями. Буровые трубы изготовлены из специальных сверхпрочных сплавов, способных выдерживать колоссальные нагрузки. В качестве режущего инструмента применяются алмазные долота, устойчивые к высоким температурам и абразивным породам. Особого внимания заслуживает система динамического позиционирования, которая с помощью подруливающих устройств позволяет точно удерживать судно над точкой бурения даже при сильных океанских течениях. Для защиты чувствительного оборудования от перегрева разработаны специальные гидравлические системы охлаждения.

Но, несмотря на все технологические достижения, перед учеными стояли серьезные вызовы. Экстремальные температуры — первое и главное препятствие. Уже на глубине 6 км электроника и датчики работают на пределе своих возможностей из-за нагрева до 300°C. Не менее сложной проблемой является огромное давление, превышающее 1000 атмосфер на глубине 10 км. Это делает породы пластичными и приводит к самопроизвольному закрытию скважины. Риск обрушения стенок требует постоянного применения специальных укрепляющих растворов.

Достижение мантии станет переломным моментом в геологии, сравнимым по значению с выходом в космос. Прямой доступ к мантийному веществу позволит не только подтвердить или опровергнуть существующие теории о строении планеты, но и может привести к фундаментальным открытиям в области тектоники, вулканологии и даже исследований происхождения жизни.

Значение проекта

Одна из ключевых задач проекта — предупреждение природных катастроф, таких как землетрясения и цунами, которые ежегодно уносят тысячи жизней и наносят колоссальный экономический ущерб.

Chikyū также вносит вклад в развитие геоинженерии и поиск новых технологий для устойчивого будущего. Например, судно исследует газогидраты — кристаллические соединения метана и воды, которые могут стать важным источником энергии в будущем. Другое перспективное направление — изучение глубинных пород для безопасного захоронения углекислого газа, что способствует борьбе с изменением климата. Кроме того, данные о свойствах горных пород на больших глубинах могут привести к созданию новых сверхпрочных материалов.

Исследовательское судно Chikyū — это не просто научный проект, а ключевой инструмент для ответа на фундаментальные вопросы о планете. Он помогает человечеству лучше понимать и предупреждать природные катастрофы, искать новые формы жизни, разрабатывать технологии для устойчивого развития и осваивать ресурсы будущего. Этот проект наглядно демонстрирует, как сочетание фундаментальной науки и передовой инженерии открывает новые горизонты в исследовании Земли и Вселенной.

Материал подготовлен волонтёрской редакцией «Мира Кораблей»