Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Исследование и разработка метода изучения отложений высокой консолидации на дне океана с использованием подводных обитаемых аппаратов

ВАК РФ 11.00.08, Океанология

Автореферат диссертации по теме "Исследование и разработка метода изучения отложений высокой консолидации на дне океана с использованием подводных обитаемых аппаратов"

АКАДЕМИЯ НАУК СССР ИНСТИТУТ ОКЕАНОЛОГИИ им. П.П.ШИРШОВА

На правах рукописи

РАКИТИН Игорь Яковлевич

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА МЕТОДА ИЗУЧЕНИЯ ОТЛОЖЕНИЙ ВЫСОКОЙ КОНСОЛИДАЦИИ НА ДНЕ ОКЕАНА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПОДВОДНЫХ ОБИТАЕМЫХ АППАРАТОВ

II.00.08 - океанология

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1991

Работа выполнена в Институте океанологии им.П.П.Ширшова АН СССР.

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Е.А.Контарь

Официальные оппоненты:

доктор технических наук Н.В.Вершинский кандидат технических наук С.Ю.Истошин

Ведущая организация: Всесоюзный научно-исследовательский институт "Южморгеология", Геленджик

Защита диссертации состоится в часов на заседании Специализированного совета

К 002.86.02 в Институте океанологии им. П.П.Ширшова АН СССР по адресу: 117218 Москва, ул.Красикова, к.23.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института океанологии им.П.П.Ширшова АН СССР.

Автореферат разослан ' ^^ ■

/

Ученый секретарь Специализирован совета, кандидат географических ;

С.Г.Панфилова

::.Актуальность проблемы.

К концу нынешнего столетия потребность технически развитых стран в минеральном сырье возрастет. Природные ресурсы на континентах ограничены. Освоение разведанных запасов все чаще связано с необходимостью разработки месторождений с низким процентным содержанием ценных металлов и минералов, нередко зале->к

гащих в слойных горно-геологических условиях.

Вместе с тем в морях и океанах сосредоточены значительные запасы полезных ископаемых, разработка цоторых затруднена из-за слабого развития технических средств глубоководных геологических исследований, в частности, техники пробоотбора донных твердых пород - единственного метода обеспечивающего получение фактического геологического материала,

С другой стороны, необходимость изучения отложений высокой консолидации на дне океана, возникает при решении фундаментальных научных проблем океанского- седиментогенеза и рудообразова-ния, проблем изучения истории Земли, тектоники и вулканизма.

До настоящего времени ученые и геологи используют в рейсах примитивные океанологические пробоотборники типа дночерпателей, грунтовых трубок и драг. Все они созданы на базе технической схемы одноразового взятия образца при спуске и подъеме пробоотборника на тросе судовой лебедки. Такие технические средства нз только отличаются низкой производительностью, но и не могут применяться при детальных исследованиях геологических полигонов поскольку пробоотбор осуществляется "вслепую".

Уровень геолого-геофизических исследований проводимых в последнее время неизмеримо вырос. У геологов появились новые средства изучения рельефа дна и недр: многоканальная сейсмо-акустическая аппаратура, локаторы бокового обзора, аппараты,

буксируемые за судном на небольшом расстоянии от поверхности раздала вода-осадок, различные приборы для отбора проб мягких донных осадков. Однако подлинным символом нового этапа в развитии морской геологии стали подводные обитаемые аппараты (ПОА), способные совершать на большую глубину погружения в автономном режиме, осуществлять визуальный контакт, выборочность ггробоот-бора ионных отложений в сочетании с другими видами измерений.

Однако отсутствие в оснащении ПОА надежных керюютбуриваю-щих устройств и других технических средств пробоогбора твердых горных пород снижают эффективность работы ПОА по сбору каменного материала.

Цэль и задачи работы.

Целью работы является теоретическое и экспериментальное обоснование метода изучения отложений высокой консолидации на дне океана с использованием новых технических средств разработанных и установленных на ПОА. Для достижения поставленной цели потребовалось:

- провести критический анализ существующих методов и технических средств для изучения отложений высокой консолидации;

- исследовать принципы построения технических среиств для получения проб консолидированных донных отложений методом вращательного бурения с борта ПОА; '

- исследовать и разработать специальный породоразрушашций инструмент;

- создать серию керкоогбуривающих систем для оснащения ПОА;

- разработать методику отбуривания ориентированных кернов твердых пород под водой;

исследовать возможность работы буровой системы в автоматиче-

ском режима;

- участвовать в создании автоматической буровой установки, экспериментально подтвердить ее работоспособность в океане.

Научная новизна состоит в следующем:

- На основе критического анализа существующих методов и технических средств выбраны основные условия эффективности технологических схем пробоотбора, соблюдение которых обеспечило создание эффективных технических средств для добычи каменного материала,

- Разработана .методика и проведены сравнительные исследования технологических схем изучения горных донных пород с использо--ванием керноотбуриващих систем на ПОА.

- На основании исследований существующего породоразрушагацего инструмента создан новый тонкостенный инструмент, работающий при незначительной осевой нагрузке, что весьма важно при относительно малой отрицательной плавучести ПОА в подводном положении.

- На основе экспериментальных данных, полученных при испытании созданного породоразрушашцего инструмента, был проведен корреляционный анализ, позволяющий прогнозировать работу и износ инструмента в зависимости от заданных параметров.

- Разработаны принципы построения узлов и систем бурового манипулятора.

Практическая ценность работы состоит в том, что создан новый метод детальных исследований отложений высокой консолидации дна океана на основе изучения проб полученных в результате "прицельного" отбуривания ориентированных в пространстве кернов с использованием ПОА.

Впервые в практике отечественной океанологии с помощью созданных буровых средств, установленных на ПОА, были получены представительные керны коренных и осадочных пород со дна океана.

Апробация работа.

Основные разделы работы докладывались автором на:

- Всесоюзном совещании по техническим средствам и методам изучения океана (Геленджик 1985 г.).

- Коллоквиуме Отдела техники придонных исследований ИОАН -1986 г.

- Всесоюзном совещании по техническим средствам и методам изучения океана (Геленджик 1987 г.).

- Всесоюзном совещании по техническим средствам и методам изучения океана (Геленджик 1988 г.).

- Коллоквиуме Отдела обитаемых подводных аппаратов Института океанологии (Варна НРБ).

- Пятом Всесоюзном совещании по робототехническим системам (Геленджик 1990 г.).

По теме диссертации получено 2 авторских свидетельства на изобретение, опубликованы статьи в журналах "сверхтвердые материалы", 1908 г., в сборнике Щецинского политехнического института (ГНР) 1988 г., в 2-х книгах ИОАН "Подводные технические средства исследования океана" 1988 г. и 1990 г., а также 5 тезисов.

Объем работы.

Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, общим объемом машинописных страниц; содержит У таблиц, 3О рисунков. Список литературы включает £~> наименований, в том числе иностранных источников.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

В первой главе дается обзор современных подводных технических средств и методов пробоотбора твердых пород дна океана.

Из проверенного анализа следует, что из всех рассмотренных подводных технических средств для исследования донных отложений высокой консолидации наиболее эффективными являются ПОА, предоставляющие возможность ученому-наблюдателю лично производить отбор образцов в интересующих точках, при ^том метод отбуривания кернов с последующим анализом на поверхности является основным методом исследования горных донных пород, позволяющим получить богатейшую научную информацию и гарантию принадлежности полученного образца к изучаемому массиву. В свою очередь для полноценного использования ПОА в этом направлении, необходимо оснастить последних эффективными техническими средствами пробоотбора.

Во второй глава рассматриваются принципы построения технических средств для отбуривания кернов в отложениях высокой консолидации.

В разделе 2.1 описано теоретическое исследование вопроса, которое показывает, что одной из основных проблем при проектировании буровых систем для ПОА, является слойность создания необходимого усилия на ось бурения ввиду малой отрицательной плавучести ПОА в подводном положении. (Для ПОА "Аргус" 80-100 кг).

Наименьшая алмазная буровая коронка if 36 выпускаемая промышленностью для нормальной проходки по твердым породам, с выходом керна диаметром 22 мм, требует создания усилия 2-5 кН, при частоте вращения 800 об/мин. В связи с этим указывается на необходимость создания нового породоразрушакщего инструмента.

работящего при незначительном усилии на ось бурения. Показаны пути исследований такого инструмента.

Проводились эксперименты направленные на увеличение скорости проходки за единицу времени за счет увеличения числа промывочных канавок на торце алмазной коронки, являющиеся дополни-, тельными режущими кромками.

Приводятся результаты экспериментов и графики - -- — из которых видно, что при равных условиях у сверл с 8 канавками на торце коронки, скорость проходки выше, чем у сверл с 4-мя канавками. При этом удельный торцевой износ у сверл с 8-ю канавками так же выше, что видно из приведенных в работе таблиц.

Для проведения дальнейшего анализа были смоделированы зависимости скорости минутной подачи сверла и степень его износа от различных факторов. В. результате анализа статистических данных эксперимента получен ряд корреляционных зависимостей скорости проходки и износа сверла от различных факторов.

Приведены результаты анализа по парным и многофакторным статистическим моделям.

По полученным уравнениям парной корреляционной зависимости можно осуществлять прогноз углубки сверла в породу в зависимости от частоты вращения, при постоянных факторах; количество промывочных канавок в алмазной матрице, расход промывочной жидкости, время бурения.

Приведенный анализ многофакторной корреляционной зависимости позволяет прогнозировать углубку сверча в породу от скорости вращения и осевого усил дня. Получен вид уравнения:

у = а0+аххх+а2зс2

у = -С ,859*0,0115X2+0,63X2

где у - углубка сверла, а0, а^, а^ - постоянные коэффициент, насчитанные на ЭВМ по статистическим данным.

Коэффициенты парной корреляции

К = 0.53; 0,92.

Показана зависимость удельного торцевого износа от числа промывочных канавок (х^) и глубины проходки (хОпределены коэффициенты множественной корреляции /С =1,0 (связь весьма высокая) и парше коэффициенты корреляции _ о.дзб-= -0,956 (связь обратная, т.е. при увеличении х, - у - уменьшается).

Получен вид уравнения:

у * 107,1 + 0,93 хх - 0,57 х2;

по данным уравнениям можно осуществлять прогноз величины удельного торцевого износа (в мм) алмазного инструмента от числа канавок Х2 и проходки Указаны пути повышения прочности рабочего слоя и улучшения режущей способности алмазного инструмента.

В главе приводится исследовательская работа, направленная на создание керкорвательного устройства.

Рассмотренные в первой главе установки для отбуривания кернов твердых пород под водой не имеют кернорвательных устройств, что приводит к большим затруднениям при извлечении отбуренного керна из скважины.

Эта проблема потребовала подробного изучения вопроса и проведения множества экспериментов.

В данной главе указаны также пути совершенствования буро-зого алмазного инструмента.

В разделе 2.2 излагается работа по функциональному синте-

зу керноотбуривакяцей системы для использования на ПОА,

Изрноотбуриваицая система была разработана и создана автором для использования на борту ПОА "Аргус", состоит из механической, гидравлической и электрической частей, и представляет собой буровой манипулятор (рис.1). Приводится описание составных частей установки и принцип действия.

На рис. 2 приводится схема возможности кинематики бурового манипулятора. В разделах главы приведены также схемы гидравлической и электрической частей бурового манипулятора.

Рассматриваются различные варианты возникновения аварийных ситуаций при бурении под водой с борта ПОА, что потребовало разработки системы экстренного отсоединения рабочего инструмента.

По тактико-техническим характеристикам (см.таблицу),созданная буровая установка для ПОА не имеет, на данном этапе, аналогов в мировой практике, что подтверждается авторским свидетельством.

" В разделе 2.3 главы 2 речь идет об исследовании структурной схемы размещения керноотбуривающего устройства на борту ПОА. Исследован опыт размещения керноотбуривамцих устройств на борту ПОА используемых за рубежом. Основным приемом является удержание керноотборника в захвате манипулятора посредством Т-образного кронштейна. Рассмотрены отрицательные стороны этого приема.

В нашем случае точка подвеса керноотбуривающего устройства на ПОА "Аргус" была выбрана с учетом различных факторов: возможности визуального наблюдения за процессом бурения и при движении ПОА, смещения центра тяжести ПОА при перекачки балласта в носовую цистерну, безопасности подводных работ и т.д.

Р:тс. I. манипулятор ПОЛ "Аргус"

Рис. 2. Возможности кинематики бурового манипулятора

Таблица

Техническая характеристика буровой установки ПОА "Аргус"

Высота буровой мачты Вес

Тип привода

Давление в гидросистеме Мах.момент на валу Мах. оборот Осевое усилие Глубина бурения Тип промывки шлама Промывочная жидкость Диаметр керна КЬлич.кернов за погружение Диапазон рабочих температур Глубина моря

1160 мы 16 кг гидравлич. 12 мПа

4 Км

120 рад/с 120+500 Н 180 мы обратная ¡забортная вода 21 мм

5

+100 + -60°С до б тысяч м

В разделе дается схема точки подвеса буровой системы и результаты испытаний в натурных условиях.

В разделе 2.4 излагаются результата исследования технологической схемы отбуривания кернов твердых пород.. Разработанная по результатам исследований технологическая схема отбуривания _ кернов была использована на практике и включает в себя: выбор объекта для бурения, требование к ПОА и его системам, вывод на цель и установку буровой мачты, отбуривание и отрыв керна, ориентировку образцов, предотвращение аварийных ситуаций. В разделе подробно рассмотрены все вышеперечисленные пункты ме~

тодики бурения под водой с борта ПОА.

В разделе 2,5 приводится материал по автоматизации процесса отбуривания кернов твердых пород под водой. Предпринимавшиеся в СССР попытки создания автоматических подводных буровых установок с питанием от погружного аккумулятора, практически не были доведены до стадии натурных испытаний. В связи с этим автор принял участие в разработке и создании автоматической буровой станции.

Совместно с Институтом "ШИИОкеангеология" (С.-Петербург) установка была создана и в 1989 году испытана в натурных условиях.

В ходе испытаний было произведено 28 спусков автоматически горизонтируемой рамы буровой установки, обеспечивающей постановку и удержание буровой установки на дне со сложным микрорельефом на склонах подводных гор. Угол наклона рамы при этом не превышал И0.

На раме был установлен автомат сбора данных, записывающий информацию от датчиков угла наклона и дифферента рамы, вертикальных ускорений, давления в гидросистеме и забортного давления, а также включающий блок процессора, подающий команды управления процессом бурения по заданному алгоритму. Установленная на раме гидроакустическая система передавала на борт информацию о расстоянии до дна и угле наклона рамы. Подводная видеосистема (камера и видеомагнитофон) обеспечила запись процессов постановки бура на дно, бурения скважины и отрыв от дна.

На раме была смонтирована буровая мачта с гидравлическим приводом и блоком гидрораспределителей, разработанная отделом техники придонных исследований ИОАН.

Гидросистема буровой мачты обеспечивает вращение алмазного

инструмента, плавную его подачу на забой через аккумулирующие пружины, обратный ход алмазного инструмента по окончании бурения, с отрывом керна от монолита.

Питание приводного электродвигателя маслонасоса НП-23 от аккумуляторнойбатареи напряжением 28В, емкостью 200 Ач, подготовленной ШИИокеанологией и ЛИИ. Система управления включением электродвигателя и гидрораспределителей обеспечивает: автоматическое включение электродвигателя привода насоса и гидрораспределителей по факту фиксации всех грех шор рамы, переключение гидрораспределителей на остановку вращения и подъем бура при достижении им крайнего нижнего положения или по истечении заданного времени; отключение электропитания от электродвигателя и гидрораспределителей при достижении буром крайнего верхнего' положения или по истечении заданного, времени.

В результате испытаний подводной буровой установки ГБ-0,5/ 4000 отбурен керн в натурных условиях при глубине моря до 1200 м в районе подводной горы Жозефин (36°41 N , 14°15 \/ ), что .' подтверждается видеозаписью. Записана информация о движении рамы при постановке на дно, а также информации о процессе бурения.

- Дальнейшая работа по усовершенствованию автоматической подводной буровой установки предусматривает применение телевизионной камеры для визуального наблюдения и управления, по мере необходимости, за процессом бурения.

Вывод по 2-й главе. На основании проведенных исследований создана керноотбуриващая система для оснащения П0А. Исследованы также схемы размещения системы на борту П0А, технологические схемы отбурявания кернов твердых пород, предложен метод ориентировки кернов, меры безопасности при работе пой водой. Получе-

ны теоретические и экспериментальные данные параметров режима бурения, которые были исследованы по методу парного корреляционного анализа, что позволило прогнозировать работу породораз-рушащего инструмента и степень его износа в зависимости от различных факторов. На основании этих исследований, создана серия уникальных тонкостенных алмазных буровых сверл, хорошо зарекомендовавших себя в дальнейшей практической работе по отбу-ряванию кернов в твердых донных породах У1-Х категорий по буримое ти.

Используя опыт проектирования керноотбуривашцих устройств - создана автоматическая буровая установка, успешные испытания которой подтверждают правильность теоретических исследований.

В третьей главе излагаются экспериментальные исследования Подводных гор с применением метода отбуривания кернов в отложениях высокой консолидации.

Метод впервые нашел свое применение в совместном 12-м рейсе НИС "Витязь" и 10-м рейсе нле "Рифт" (1986 г.).

Научная программа рейса была направлена на решение задач, сформулированных в проекту "Палеоокеаюлогия". Главная задача экспедиции состояла в изучении подводных гор в тектонически активных областях Тирренского моря.

После проведения геоморфологической и геомагнитных съемок НИС "Витязь" осуществлял последовательную геолокационную съемку всех четырех вершин северной части хребта Барони буксируемым аппаратом "Звук-Л". Это позволило построить карту рельефа вершинной части изучаемых гор. По результатам съемок были намечены маршрута для ПОА "Аргус", которые выполнялись ежедневно в дневное время суток. На ПОА "Аргус" была установлена керноотбури-

вающая система, позволяющая прицельно отбуривать нерны коренных пород. Перед началом погружений в присутствии комиссии были проведены испытания керноотбуриващей системы и аварийных устройств.

В первом погружении ПОА "Аргус" приступил к опробованию керноотборника, в результате был отбурен керн коренной породы.

В дальнейших погружениях ПОА "Аргус" с целью геолого-геоморфологического изучения выходов литофицированных пород северной вершины хребта Барони, использовалась методика, согласно описанию погружения ПОА "Аргус" 9/458, 19.II.86 г. ст. 270. НИС "Рифт": При достижении ПОА грунта на глубине 512 м запрашивались координаты с поверхности и следовали в точку отбора образцов, которая была намечена по результатам съемки района исследований геолокаторами бокового обзора. При визуальном осмотре места отбора с -ПОА "Аргус" выходы литофицированных пород представляют собою террасы, шириной около 10 м, разделенные практически вертикальными уступами переменной высоты, иногда осложненными нависающими органогенными корками черного цвета. В направлении 190° высота уступов росла от нескольких сантиметров до десяти и, видимо, более метров. Поверхность выбранной для бурения на глубине 487 м-терраса слабо присыпана осадком мощностью 2-4 см, ниже нее обнаружена черная поверхность. Генеральный уклон пологого участка склона в месте бурения составлял 5°-10° по азимуту 100°,а высота уступа около 1,5 м. Выбуренный керн был длиною около 3 см и имел коричневато-бурый цвет. Представлен он,видимо, осадочной породй, сложенной сцементированным ожелезненным известняком. Необходимо отметить, что координирование положения подводного обитаемого аппарата "Аргус" осуществлялось с НИС "Рифт". Процесс определения координат аппарата занимал около

30 мин,, что удачно сочеталось по времени с длительностью процесса бурения во всех точках опробования дна. Еще один выход коренных пород находился, согласно записям геолокаторов бокового обзора, на склоне холма на глубине 474 м. Выход представлял собою отдельно расположенные бугры и камни высотою до 1-3 м, частично покрытые кораллами. Генеральный уклон рельефа дна по азимуту 70° составлял около 15°. Мощность осадков в выбранном месте бурения составила 3-5 см. Ниже расположена массивная темная поверхность. Процесс бурения продолжался 15 минут. В результате получен керн величиной около 6 см, сложенный плотным сцементированным известняком светлого цвета, покрытый черной и бурой коркой.

Следующий выход литофицированных пород находился, согласно записям геолокаторов бокового обзора на вершине холма с глубиной 470 м и представлял собою ряд невысоких отдельно расположенных образований. При визуальном осмотре вершины оказалось, что она относительно выровненная с наличием отдельных бугров и камней высотою в первые метры. Величина осадков не превышает 2-3 см. Для б./рения был выбран бугор, В результате бурения отобран керн величиною 6 см, который оказался сложен цементированным известняком светлого цвета, покрытым с торца, как и в предыдущем случае, темноцветной коркой, видимо, железомарган-цевой порош.

Следующее место опробования выходов плотных пород было выбрано, согласно записям геолокаторов бокового обзора, на склоне холма на глубине 474 м. Здесь на записях видны две гряды, сходящиеся под углом около 90°. При рассмотрении этого объекта с подводного обитаемого аппарата, была видна небольшая

долина, расширяющаяся вниз по склону. В верхней части долины выходы плотных пород представляют собою "бараньи лбы" относительной высотою 1-2 м и протяженностью 7-10 м. Простирание "лбов" в выбранном месте бурения составило 45°. Процесс бурения занял 15 мин. длина выбуренного керна составила б см. После взятия керна было осуществлено повторное вхождение в скважину и пробурено еще 4 см керна. Керн по своей характеристике оказался аналогичным, полученным во 2 и 3 точках.

Таким образом, в настоящем погружении геологическое опробование выходов литофицированных пород проводилось на основе предварительного изучения структуры поверхности дна с помощью геолокаторов бокового обзора. Выявленные на записях геолокаторов области выходов визуально идентифицировались с борта ПОА "Аргус" и затем опробовались буровой установкой "Аргуса". Отобранные керны общей шиной около 25 см свидетельствуют, что на вераине и склонах высоты с отметкой 470 м литофицированныв порош представлены (или покрыты) плотными сцементированными из-ззстняками с наличием келезомарганцевой корки. Мощность не превышает нескольких сантиметров.

В разделе 3.2 третьей главы приводятся экспериментальные данные.

Основные геологические материалы в 12-м рейсе НМС "Витязь" и 10-м рейсе 1ШС "Рифт", получены в первую очередь в результате применения на ПОА "Аргус" нового технического средства для отбуривания кернов в твердых породах.

Далее приводится таблица описи кернов бурения осадочных и магматических пород гилученных на хребте Барони и горе Марсили в Тирренском море.

В таблице указаны: номера станций НИС "Рифт", погружений ПОА "Аргус", глубины точек бурения, их координаты, характеристики кернов, краткое геологическое описание, и фамилии геологов-наблюдателей, принимавших участие в погружении и бурении.

Из таблицы видно, что всего было 9 погружений ПОА "Аргус", в которых было получено 16 кернов коренных и осадочных пород, причем некоторые из них ориентированы в пространстве.

В главе отражены также экспериментальные данные полученные в 16-м рейсе НИС "Академик Мстислав Келрда". Район работ располагался в Азоро-Гибралгарской тектонической зоне в Восточной Атлантики и в Тирренском море. Исследования проводились с помощью ПОА "МИР".

Автором был подготовлен керноотборник, имеющий отличия в конструкции и технических данных от бурового манипулятора ПОА "Аргус".

В настоящем рейсе в двух погружениях ПОА "МИР" из коренных обнажений пиллоу-лав южного склона г.Вавилова отбурено три образца цеолитизированных базальтов в интервале глубин 1825-1535 метров. При этом один из них представляет собой ориентированный керн из скважины, пробуренной в верхней части,по-видимому, пустотелой лавовой трубы.

В одном из погружений ПОА "МИР" (М 1/17). были найдены коренные обнажения. Получен буровой керн из нижней части литифи-цированной осадочной толщи на глубине 320Э метров.

Приведена таблица опке«' семи кернов, полученных с помощью керноотборника установленного на ПОА "МИР" за четыре погружения.

Вывод по главе.

Применение керноотборника резко повысило эффективность использования подводного обитаемого аппарата. Появилась возможность прицельного отбуривания ориентированных образцов коренных пород. Эффект использования керноотборника на полигоне хребта Барони оказался еще большим и потому, что многократное драгирование Еершин и склонов не принесло ожидаемых образцов коренных пород. Из-за больших глубин исключалась возможность использования и водолазного колокола. С другой стороны новая возможность керноотбора повысила требования к наблюдателям-геологам, которые должны быть способны по внешнему виду наблюдаемых геологических объектов через иллюминатор ПОА определить те, которые относятся к коренным породам. Ранее такой задачи так остро не стояло. Подобное детальное геологическое опробование подводных гор выполнено геологами впервые.

В четвертой главе даны результаты глубоководных геологических исследований с применением керноотбуривающих средств на ПОА.

Исследование подводных гор хребта Барони (Тирренское

море (12-й рейс НИС "Витязь". 10-й рейс НИС "РИФТ".

1986 г.)

Основная задача по сбору каменного материала, обычно воз-лагазпался на водолазов, била решена с применением керноотбу-ривающего средства на ПОА.

Проведенное впервые изучение магнитных характеристик серпентинитов, ориентированные керны которых были получены при бурении с ПОА "Аргус" с северной вершины (полигон II) показало,что их намагниченность существенно меньше, чем у серпентинитов хребта Горриндж. Можно полагать, что понижение магнитной восприим-

чивости и остаточной намагниченности серпентинитов хребта Барони произошло вследствие сложных и длительных процессов тектонической переработки и экзогенного выветривания в субаэральных условиях.

Проведенные исследования хребта Барони позволяют сделать следующие вывода. Подводные вершины северного района хребта имеют уступы, извилистая конфигурация которых говорит о том,что они прямо не связаны с разрывными нарушениями, а представляют собой чисто морфологические элементы рельефа.

Остальные формы рельефа выглядят как одиночные холмы высотою не более первых метров, которые выходят из-под осадочного чехла. Обычно они образуют незакономерные скопления, но иногда образуют вытянутые цепочки с линейной ориентировкой. Выделяются при этом два направления: северо-западное и восточно-северовосточное. Это направление простирания хорошо согласуется с положением трещин и жил в ориентированных кернах серпентинитов, отбуренных на выходах коренных пород этого района. По-видимому, это одно из главных направлений, связанное с деформацией серпен-тинитового массива. Аналогично простирается и разрыв, отчленяющий северный блок хребта Барони от остального хребта.

Путем бурения керноотборником ПОА "Аргус" была получена представительная коллекция образцов коренных пород. Среди них .преобладают серпентиниты. Выходы этих пород отличаются темной окраской среди более светлых карбонатных корок. Визуально эти породы темно-серого, чуть зеленоватого цвета иногда с буроватым оттенком. Все образцы пронизаны многочисленными жилками и трещинами из кальцита и зеленоцветного минерала. В двух образцах серпентинитов наблюдается интенсивная минерализация и они имет ?-! ;:•■>бурый цвет. Все отобранные образцы серпентинитов получены

на двух южных вершинах. На северной же вершине в сква5кинах были вскрыта лишь карбонатные корки, которые, по-видимому, толстым слоем перекрывают коренные породы.

Серпентиниты северной части хребта Барони, впервые обнаруженные в коренном залегании, представляют собой часть офиолито-вого разреза. Остальные породы офиолитовой ассоциации оказались не вскрытыми в сиу специфики их залегания на подводных горах хребта, покрытых слоем карбонатных корок.

К сожалению, по одним серпентинитам невозможно достаточно точно установить возраст данного комплекса. В тоже время органогенные известняки могут служить гия определения верхнего возрастного предела времени тектонического становления офиолитовой пластины. Предварительные заключения, сделанные по кокколитам, позволяют допустить, что офиолиты тектонически сформировались в предэоценовое время.

Таким образом.

В экспедиции 12 рейса НИС "Витязь" и 10 рейса НИС "Рифт" получены характеристики, образцы грунта и каменного материала, имелцие уникальный характер, благодаря комплексному применению новых технических средств подводных исследований и разработанных методик их использования.

Детальные комплексные исследования подводного хребта Барони и, прежде всего, изучение его с помощью подводного обитаемо- . го аппарата "Аргус" позволили получить принципиально новые данные о его геологическом строении. Впервые в отечественной практике было проведено прицельное детальное геологическое опробование с помощью керноотборника. При этом проводилось отбуривание ориентированных кернов коренных пород в различных точках полигона.

В результате этого было установлено наличие в северной части хребта массивных коренных пород офиолитового комплекса.

Получены сведения о тонкой пространственной структуре аномального магнитного поля над хребтом и намагниченности слагающих его пород.

Результаты проведенных комплексных исследований дают возможность существенно расширить область распространения на акватории Тирренского моря древних офиолитовых комплексов, которые ранее были выявлены на островах Эльба, Корсика и Чильди»

Детальные геолого-геоморфологические исследования подводной вулканической горы Марсили выявили разнообразные слеш и свидетельства недавней активной вулканической деятельности. Установлено вулканическое происхождение вершин северной части горы Марсили. Детальные исследования горы с помощью подводных аппаратов выявили наличие мощных гидротермальных проявлений в вершинной части.

Обнаружены и собраны образцы базальтов, подвергшихся сильной гидротермальной обработке.

Получены сведения о составе и магнитных характеристиках слагающих подводную гору пород извесгково-щелочного вулканического комплекса, а также о мощности и составе осадков у подножья горы.

С учетом новых и ранее полученных сведений предложена предварительная геодинамическая модель формирования субокеанской коры Тирренского моря в позднейшее время.

Исследование подводных гор Азоро-Риоралтарской тектонической зоны в Восточной Атлантике (1б-й рейс НИС "Академик Мстислав Келдыш"

Первоочередной геологической задачей экспедиции были иссле-

дования с помощью ГОА Мир основания хребта Горриндзк, где в отдельных тектонических уступах на глубинах от 3000 до 4000 метров и от 2500 до 3000 метров следовало ожидать выходы коренных пород. Выходы кореншх пород ''ьши найдены в одном из трех глубоководных погружений ГОА Мир (1/17). На глубине 3100 метров. Керноотборни-ком был отбурен керн из нижней части литифицированной осадочной толщи. Они обнаружены в интервале глубин 3200-2800 метров и перекрываются более молодыми, слаболитифицированными известняками.

При анализе поднятых образцов в породах щелочной серии были обнаружены ксенолиты поликристаллических пород, по-видимому, континентального облика размером от долей сантиметров до 5 ил. Ксенолиты имеют четкие контакты с вмещающими базальтами, что свидетельствует о захвате их расплавом в более холодной зоне,по сравнению с зоной магмообразования. Из этого может следовать важнейший вывод, что поскольку возраст щелочных базальтов оценивается в 60-67 миллионов лет, то, следовательно, континентальная кора оказалась под океанической в период до 70 миллионов лет назад. -

Наряду с другими мнениями, например, д.г.-м.н. Казьмина В Г. видящего здесь зону .контакта океанической и континентальной коры, есть серьезные основания предполагать на хребте Горриндж существование надвиговых структур. Так, по-видимому, логичнее объяснить появление ксенолитов континентального облика в вулканитах щелочной серии на вершине горы Ормонд. Косвенным подтверждением покровно-надвигового строения хребта Горриндж может служить также и обнаружение яшмовшшой породы, отбуренной кер-ноотборником в погружении ГОА Мир 1/17, Такого типа породы встречаются в самых верхах офиолитовой серии, в то время как на горе Ормонд непосредственно над ними найдены коренные выходы

габроидов (экспедиция СИАГОР).

Геологические исследования были продолжены экспедицией на подводной горе "Мир".

На северном склоне горы Мир образцы были отобраны ГОА L'up через каждые 100 метров глубины, а также отбурены три керна из коренного залегания на глубине 3188 и 2985 метров. Данные бурения и опробования с помощью манипулятора показывают, что весь склон и северная часть вершины на обследованном участке сложены нацело измененными и брекчированными эффузивными породами, первичную природу которых можно установить лишь специальными лабораторными исследованиями. По всей вероятности, это продукты потока, сформировавшегося в результате прямого контакта горячей, частично расплавленной породы с морской водой при субаэральном или подводном извержении. -

Изучение магнитных характеристик базальтов, отобранных на горе Вавилова, показало высокую магнитную стабильность. Измеренные значения величины остаточной намагниченности (3 + 5 A/M) близки к расчетным. Значительный интерес представляют результаты измерений м оттных параметров для ориентированного керна, отбуренного в погружении ГОА Мир 4/20 на глубине 1825 и из области отрицательных значений аномального магнитного поля. Магнитное наклонение вектора остаточной намагниченности для керна оказалось равным -5°, что полностью соответствует представлениям об отрицательной магнитной полярности этой части вулканического массива.

Сопоставление результатов геомагнитного изучения горы Вавилова с данными геохронологии изверженных и осадочных пород в районе горы с данными глубоководного бурения, показывают, что гора Вавилова представляет собой вулкан, сформировавшийся вдоль

трещин растяжения, развитие которого шло в несколько этапов.Формирование основной вулканической постройки, коренные выходы которой занимают нижнюю часть склонов, происходило в эпоху обратной магнитной полярности Матуяма в позднем плиоцене, в то время как вершина горы, связанная с последними излияниями, образовалась в эпоху прямой магнитной полярности Брюнес (не ранее 0,8 млн.лет).

Геотермические измерения в Тирренском море производились у подножья подводных гор Вавилова, Марсили и Маньяги на примыкающих участках Тирренской глубоководной котловины. При выборе коэффициентов теплопроводности и температуропроводности осадочных слоев и их мощности использовались материалы глубоководного бурения в районе изучаемых гор. В целом тепловой поток в изученной части Тирренской котловины, примыкающей к подводным горам, характеризуется высокими значениями плотности и большой дисперсией.

Анализ геотермических профилей показал, что при высоких значениях теплового потока, наблюдается закономерное их увеличение с запада на восток. Так у горы Маньяги значения теплового

О р

потока составляют 200 мВт/м , у горы Вавилова - 280 мВт/м ,а у

?

горы Марсили - 350 мВт/м при среднеквадратическом отклонении 60 мЗт/м^. Это коррелирует с уменьшением возраста коры в указанном направлении по данным глубоководного бурения.

3 результате проведанных исследований подводных гор Тирренского моря получены данные, позволяющие в ряде отношений'по новому представить ис.иршо развития центральной котловины и самих подводных гор.

Судя по наблюдавшимся в погружениях проявлениям тектоники, плотности покрывающих осадков и характеру изменений базальтов,

самая молодая из гор - Марсили, старше ее гора Вавилова и еще старше подводная гора Маньяги. Эти выводы согласуются с данными, полученными ранее при глубоководном бурения. По этим данным возраст горы Маньяги оценивается 5,8 млн.лет, Вавилова в 3,6 млн. лет, а Марсили в 1,9 млн.лет. Далее, глубже всех залегает гора Маньяги - минимальная отметка 1460 метров, затем идет гора Вавилова - минимальная отметка 746 метров и затем гора Марсили - ми-• нимальная отметка 505 метров. На всех подводных горах вдоль их основания переход к выровненной поверхности абиссали происходит по сбросу. Создается впечатление, что погребенная осадками нижняя часть склона вместе с прилегающей абиссалью опустилась по отношению к самой горе в сравнительно недавнее время.

Вскрытый и изученный в экспедиции новый механизм возникновения и развития подводных гор центральной котловины Тирренского моря позволяет квалифицировать совокупность происходящих reo динамических процессов как особый тип спредшга-мигрирующий импульсивный спрединг. ■

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные результаты работы состоят в следующем:

1. Разработан метод детальных геологических исследований отложений высокой консолидации подводных гор Мирового океана. Показано, что в сравнении с традиционными методами-пробоотбора скальных пород с .целью их дальнейшего изучения применение разработанных на уровне изобретений'технических средств.позволяет существенно повысить эффективность и детальность изучения горных районов морского дна.

2. Предложен и обоснован функциональный синтез керноотбу-ривахщей установки, на основе которого создана серия керноот-

буриващих систем для отбора кернов в породах любой твердости.

3. Разработана и опробована серия специального алмазного тонкостенного породоразрушающего инструмента, работающего при незначительных осевых нагрузках. Определены параметры и режимы бурения под водой с борта ПОА.

4. Исследованы возможные аварийные ситуации при бурении под водой. Разработана и создана система экстренного отсоединения бурового инструмента.

5. Разработана и испытана методика отбуривания ориентированных кернов с борта ПОА.

6. Исследована возможность работы керноотбуривающей системы в автоматическом режиме. Создана автоматическая буровая установка. Экспериментально подтверждена ее работоспособность в океане.

7. Результаты научных и геологических исследований, выполненных в 12-м рейсе НИС "Витязь", 10-м рейсе НИС "Рифт" (Средиземное море), 16-м рейсе НИС "Академик Мстислав Келдыш" (Атлантика) и научном рейсе 1/15-1202 "Персей-Ц" (Северное море, Атлантика) , показали высокую эффективность предложенного метода.

В качестве конечного практического результата выполненной работы представлены уникальные керны коренных и осадочных донных пород,различных по степени твердости, добытых в интервале морских глубин от 650 до 4000 метров,анализ и изучение которых предоставили богатейшую научную информацию,на основании которой были подтверждены или представлены по-новому теории развития центральной котловины подводных гор Тирренского моря и Азоро-Гибралтарской дуги.

Основное содержание диссертации опубликовано в работах:

1. Гарбуз Е.И., Ястребов B.C., Ракитин И.Я. и др. Устройство для отбора проб прочных пород со дна водоемов. - A.C. Ii 4074118/ 2-26 (062521) от 21.06.86.

2. Ракитин И.Я., Ястребов B.C., Смирнов A.B. Подводный керноот-борник. - A.C. 1458757 от 15.02.89 г. 31-2в (123933), 1987.

3. Ракитин И.Я., Голуб Г.Ф., Сергиенко Е.А. Алмазное бурение монолитных горных пород с подводного обитаемого аппарата "Аргус". - Журнал "Сверхтвердые материалы", изд. "Наукова думка", г.Киев, 1988, с. 62-65.

4. Ракитин И.Я. Гидравлический буровой манипулятор подводного аппарата. - Польский сборник, 1фцинский политехнический институт, 1988.

5. Ракитин И.Я., Смирнов А.В, Дуровой манипулятор подводного аппарата. - Сборник ИОАН. В кн. "Техника освоения океана", 1987.

6. ЗарецкиЙ A.B., Вельтищев В.В., Ракитин И.Я. и др. Подводный телеуправляемый аппарат "Манта-1500М". - Всесоюзное совещание по' техническим средствам и методам изучения океана, 1987.

7. Ракитин И.Я., Смирнов A.B. Ц/ровой гидравлический манипулятор для подводных геологических исследований. - Всесоюзное совещание по техническим средствам и методам изучения океана, 1985.

8. Ракитин И.Я. Методика отбора кернов твердых пород подводным буровым манипулятором. - Всесоюзное совещание по техническим средствам и методам изучения океана, 1987.

9. Ракитин И.Я. Подводный керноотборник ГОА "Мир". - Тезисы к Всесоюзному совещанию по техническим средствам и методам изучения океана, 1989.

10. Ракитин И.Я., Шеремет H.A., Смирнов A.B. О возможности кратковременной посадки на грунт подводного буксируемого аппарата

для отбуривания образцов коренных пород. - Тезисы к Всесоюзному совещанию по техническим средствам и методам изучения океана,

1989, с. 163.

11. Ракитин И.Я. Подводная автоматическая буровая установка ГБУ-0,5/4000. - В кн. "Техника освоения океана','1990,с. 149-150.

12. Ракитин И.Я. Робот-автомат для подводных исследований. -- 5-е Всесоюзное совещание по робототехническим системам,

1990.

60x90 V'6 Подписано к печати 28.12.1991 г.

Печ.л.1,8. Тираж 100. Заказ С 64.

Институт океанологии им.П.П.Ширшова Академии наук СССР Москва, ул.Красикова, дои 23.