Основой экспериментальных геологических исследований в океане является отбор проб грунта (осадков, отдельно лежащих образцов коренных пород, отбуривание кернов коренных пород) и изучение рельефа дна.

Образцы донных осадков и коренных пород обычно отбирают с научно-исследовательских судов. В последнее время для этой цели применяются подводные аппараты — обитаемые и необитаемые. Для отбора проб поверхностных слоев донных осадков традиционно используются дночерпатели. Дночерпатели представляют собой двухстворчатый грейферный механизм, створки которого внедряются в грунт силой собственной массы и инерционной силой падения дночерпателя на грунт. После заглубления в грунт створки начинают смыкаться под действием троса, который выбирается лебедкой. Створки плотно смыкаются, тем самым сохраняя взятую пробу осадков внутри дночерпателя. Для взятия проб донных осадков применяются дночерпатели малого размера и большие, объемом до 1 м3. Большие дночерпатели используются для взятия проб ненарушенных осадков.

В отдельных случаях на дночерпателе устанавливается фотокамера с импульсным осветителем. В момент взятия пробы происходит фотографирование поверхности дна. В последние годы были созданы автономные пробоотборники-дночерпатели, которые погружаются до дна, створки их ковшей внедряются в грунт и после их смыкания теряют грузы — балласт, создающий отрицательную плавучесть. При этом масса балластных грузов подбирается таким образом, чтобы она заметно превышала массу взятой пробы осадка [6]. После сбрасывания балласта пробоотборник приобретает положительную плавучесть, отрывается под ее действием от дна и всплывает на поверхность. Положительная плавучесть автономного дночерпателя создается специальным локом плавучести обычно сферической формы, изготовленного из синтактика и устанавливаемого в верхней части механизма. Автономный дночерпатель оборудован уголковым отражателем, который позволяет обнаружить его после всплытия на поверхность судовым радиолокатором. Иногда .устанавливается проблесковый огонь.

Известна конструкция автономного пробоотборника «АП-пассат», в котором смыкание створок происходит в результате удара о грунт штока-лидера, выключающего предохранительный замок, удерживающий створки в открытом состоянии и балласт. Автономные дночерпатели используются для взятия проб донных осадков с глубины до 6000 м. Площадь дна, с которой берется проба, составляет 0,3 м2 для дночерпателя типа АП-6000 и 0,15 м2 для дночерпателя типа «АП-пассат» и соответственно масса пробы до 60 кг для пробоотборника АП-6000 и 25 кг для «АП-пассат».

Рис. 1. Автономный дночерпатель.

При спуске и подъеме автономных дночерпателей часто наблюдаются отклонения их от вертикали, которые вызываются гидродинамической несимметрией и неустойчивостью, а также сносом течения. Отклонения автономных дночерпателей, вызываемые течениями, при большой глубине погружения достигают 1—2 км. Бороться с таким сносом можно лишь увеличением скорости по-сужения и всплытия. Скорость погружения дночерпателя за счет отрицательной плавучести груза и всплытия после его сбрасывания обычно не превышает 1 м/с.

Перспективными в этом случае оказываются газогенераторные поплавки. Они приобретают положительную плавучесть за счет вытеснения воды из специальной цистерны газом, который вырабатывается в газогенераторе. Такие поплавки обладают минимальными массогабаритными характеристиками и обеспечивают заметно большие скорости погружения и всплытия.

В качестве газовыделяющего вещества в поплавке может использоваться, например, активированный сплав на основе магния, который, взаимодействуя с морской водой, выделяет водород. При нормальных условиях 1 кг сплава дает 0,926 м3 водорода и 14 500 кДж тепла.

Автономные пробоотборники обеспечивают оперативное взятие проб грунта при движении судна по намеченному профилю, либо прямолинейному, либо по замкнутому многоугольнику. При этом необходимо рассчитать траекторию движения судна таким образом, чтобы после спуска последнего дночерпателя первый уже всплыл (в случае замкнутой траектории). В случае движения по прямолинейному профилю следует обеспечить приход судна обратным курсом к моменту всплытия первого дночерпателя. Метод использования автономных дночерпателей позволяет повысить оперативность взятия проб грунта.

Всплывающие дночерпатели вылавливаются на малом ходу судна с помощью специального устройства.

С появлением подводных аппаратов для взятия проб грунта начали использоваться специальные пробоотборники малых размеров, которые берутся манипуляторами и ими же внедряются в дно. Смыкание створок происходит либо под действием пружинного механизма, либо под действием привода схвата манипулятора, движение которого передается створкам ковшей дночерпателя.

Одним из самых ранних способов взятия проб донных осадков является драгирование. С помощью драги удается брать образцы коренных пород, либо лежащие на дне, либо отрываемые драгой при ее буксировке по дну. В настоящее время применяются в основном две конструкции драг — цилиндрическая и с жесткой рамой. Цилиндрические драги имеют небольшие размеры и способны захватить пробы донных осадков и отдельные образцы малых размеров. Драги с жесткой рамой имеют в кормовой части кошель из стальных звеньев и отличаются повышенной прочностью и размерами. Такими драгами удается взять крупные образцы.

При драгировании на больших глубинах после достижения драгой дна судно движется на малом ходу намеченным марш-мощно ЭТ0М непрерывно контролируется профиль дна с по-

И драги, и дночерпатели способны взять лишь верхний слой садков, углубляясь на первые десятки сантиметров. Для взятия колонок грунта используются грунтовые трубки. Существует несколько типов грунтовых трубок, основные из них — это гравитационные, поршневые и вибропоршневые. По автономности они могут быть разделены на привязные и автономные.

Гравитационная грунтовая трубка внедряется в осадок на дне за счет кинетической энергии свободного падения. Она представляет собой трубу, обычно из нержавеющей стали, подвешенную на тросе. В нижней части трубы установлена специальная ударная головка, внутри которой находится многолепестковый клапан, предотвращающий выпадание взятой пробы осадка. В верхней части трубки устанавливаются чугунные цилиндрические грузы, придающие большую массу и обеспечивающие большую кинетическую энергию. Иногда грузы делают подвижными: после касания трубкой грунта и удара о него грузы срываются и падают вдоль трубки, ударяясь о специальный упор и вгоняя ударом трубку глубже в грунт.

Грунтовые гравитационные трубки используются разной длины в зависимости от стоящей задачи и плотности грунта, пробы которого предстоит взять. Секции труб соединяются винтовыми муфтами. Наибольший размер грунтовой трубки достигает 25 м.

Обычно в практике геологических исследований применяются грунтовые ударные трубки длиной 6—8 м и диаметром от 50 до 127 мм. Они позволяют проникнуть в осадок на глубину до 4 м. После подъема на поверхность трубка укладывается горизонтально, с нее снимается головка и гидравлическим ручным насосом проба осадка выдавливается из трубы. При этом происходит неизбежная деформация колонки грунта, что весьма нежелательно. В последние годы стали использоваться специальные разъемные пеналы, вкладываемые внутрь грунтовой трубки. Пенал вынимается из трубы после подъема ее на палубу, затем он разъединяется на две половинки, и взятая проба осадка остается неразрушенной и недеформированной.

Исключительно важным оказывается как можно более глубокое внедрение ударной трубки в грунт. Этому в известной мере препятствует трос, с которым связана трубка, который притормаживает ее падение. Поэтому существует конструкция ударной грунтовой трубки с грузом-разведчиком, подвешиваемым параллельно на тросе ниже трубки на несколько метров. Трос соединен с коромыслом, которое освобождает трубку от основного троса при касании грузом-разведчиком грунта. Освобожденная трубка с высоты нескольких метров свободно падает до дна и, получая дополнительную энергию свободного падения, внедряется в донную поверхность на большую глубину. Затем трубка выдергивается основным тросом и лебедкой поднимается на судно. Для определения расстояния грунтовой трубки до дна иногда используют акустический датчик, сигнал которого прослеживается на эхограмме.

Поршневая трубка препятствует сжатию осадков и дает возможность получить более длинные колонки, по сравнению с колонками, получаемыми гравитационной трубкой. Эта трубка имеет поршень в своем основании, который находится в свободном состоянии, когда трубка входит в осадок. Трубка движется внутри осадка, а поршень остается на поверхности, создавая эффект всасывания внутри трубки, что увеличивает глубину проникновения ее в осадки. Однако, если трубка оказывается незаполненной, полученные осадки могут быть нарушены избыточным всасыванием, когда трубку вытаскивают из осадков.

Использование поршня, отпускаемого при выдергивании трубки, может частично разрешить эту проблему.

Для того чтобы получить ненарушенные образцы самого верхнего слоя осадка, созданы различные боксовые пробоотборники. Они мягко входят в осадки под действием собственной массы или под действием специального привода. Они проникают обычно на глубину не более полуметра, после чего бокс снизу закрывается вращающейся заслонкой.

Тросовая связь грунтовой трубки с судном мешает оперативности взятия проб донных осадков. Поэтому в последние годы появились автономные грунтовые трубки по типу автономных дно-черпателей. Такая грунтовая трубка имеет груз-балласт, придающий ей отрицательную плавучесть, который по достижении дна сбрасывается. Имея после потери балласта положительную плавучесть за счет блока плавучести, трубка со взятой пробой осадка всплывает на поверхность. Конечно, высота колонки грунта, взятого автономной трубкой, уступает пробам, которые берутся ударными грунтовыми трубками. Поэтому автономные грунтовые трубки используются в тех случаях, когда необходимо провести предварительные исследования района дна и притом на больших площадях и в короткое время.

Методика работы с автономными грунтовыми трубками на выбранном профиле аналогична приведенной выше методике работы с автономными дночерпателями.

При работах на шельфе используются вибропоршневые грунтовые трубки. Они заглубляются в донный осадок иод действием вибрационного механизма, который устанавливается в верхней части конструкции. Наибольшее распространение получила вибрационная грунтовая трубка Института океанологии АН СССР типа ВПГТ-60. Она представляет собой рамную конструкцию с опорой значительной площади. На вертикальных направляющих установлена скользящая траверса с электромеханическим вибрационным механизмом. С вибрационным механизмом соединена грунтовая трубка, которая вибрацией забивается в грунт. После окончания Цикла внедрения в грунт конструкция поднимается на поверхность, и взятая проба грунта извлекается. Такие вибрационные 1Руоки могут использоваться до глубины 200 м на плотных песчаных грунтах. Ими удается взять пробы высотой до 4,5 м, а на рыхлых грунтах — до 30 м.

Для взятия проб твердых уплотненных осадков используются также буровые пробоотборники. Они имеют дистанционное управление и автономный гидравлический привод. Такой пробоотборник монтируется на рамной конструкции, которая опускается на дно с судна. Питание электромотора и управление бурением осуществляются по кабель-тросу. Такие пробоотборники могут отбурить колонку высотой до нескольких метров и способны работать на глубинах несколько сот метров.

Рис. 2. Вибропоршневая трубка.
1 — колонковая труба; 2 — вибратор; 3 — каретка; 4 — направляющие трубы; 5 — основание; 6 — поршень; 7 — наконечник; 8 — клапан.

С развитием технических средств подводных исследований пробоотборники стали использоваться акванавтами и устанавливаться на подводных аппаратах. Для взятия проб осадков используются портативные грунтовые трубки, внедряемые в осадок либо руками акванавта, либо манипулятором подводного аппарата. Для взятия проб грунта используются также и механические пробоотборники с приводом, которые устанавливаются на подводном аппарате и способны взять ненарушенную пробу грунта высотой несколько десятков сантиметров. Набор таких пробоотборников имеет кассету сменных трубок, что позволяет взять несколько проб грунта за одно погружение подводного аппарата.

Исключительную ценность имеют пробы коренных пород, взятые с больших глубин океана в районах дна со сложным рельефом. Использование драг для этой цели дает, как правило, эпизодический успех и не позволяет выполнить эту операцию целенаправленно в конкретном участке дна. Для этой цели в последние

годы используются донные буровые установки, опускаемые с судна, и керноотборники, устанавливаемые на подводных аппаратах. Наиболее удачной является конструкция донной буровой установки, разработанной в США. Установка обеспечивает взятие нескольких кернов диаметром 76,2 мм и длиной 1,52 м. Керно-отборник установлен на платформе размерами в плане 4×3 м й высотой около 5 м. Установка имеет четыре откидывающихся донных упора, придающих ей необходимую стабильность положения в процессе бурения. Керноотборник снабжен кассетой буровых колонн длиной по 1,5 м. Бурение происходит гидроприводом, на что тратится около 20 кВт электроэнергии. Масса донного керно-отборника 9 т.

Рис. 3. Донный керноотборник.
1 — опорная плита; 2 — откидные упоры; 3 — бурильные трубы; 4 — вращатель; 5 — захват; 6 — лебедки; 7 — кернодержатели.

Керноотборники малых размеров устанавливаются также на подводных аппаратах. Ими удается, используя запас отрицательной плавучести аппарата, отбуривать керны диаметром 25 мм к длиной в зависимости от твердости пород от нескольких сантиметров до нескольких десятков сантиметров. Такие керноотборники имеют кассету сменного инструмента и за одно погружение способны отбурить до десятка кернов.

Получили развитие также средства для глубоководного бурения дна океана на глубинах до 6000 м с проникновением в дно на глубину до 3000 м. Данные такого бурения отличаются исключительной уникальностью, а получаемые материалы позволяют судить о глобальных процессах в недрах Земли под дном океана.

Для глубоководного бурения дна океана используется научно-исследовательское судно США «Гломар Челленджер». Его водоизмещение около 11 тыс. т. В центральной части судна смонтированы буровая вышка и оборудование для проведения бурения. Судно удерживается над точкой бурения с помощью системы динамического позиционирования, используя для этого информацию от донных акустических маяков. Для уменьшения бортовой качки используется система пассивного успокоения качки. Все это позволяет проводить бурение дна и в штормовую погоду при волнении до 6 баллов.

У устья скважины устанавливается гидроакустический маяк, который дает информацию о ее местоположении. Поэтому буровое судно может прекратить бурение и уйти с места работ, а затем вернуться и продолжить бурение. Все это стало возможным после создания системы повторного ввода бурового инструмента в устье скважины. Над скважиной установлен превентор с конусным входом диаметром 5 м. Местоположение конуса определяется сканирующим сонаром, находящимся на конце буровой колонны. По периметру превентора на равных расстояниях установлены три акустических рефлектора, которые облучаются акустическими импульсами, излучаемыми буровой колонной. Все это позволяет знать достаточно точно относительное положение буровой колонны и превентора. Для совмещения бурового инструмента с превенто-ром используются водометные движители, установленные на буровой колонне. Положение превентора и бурового инструмента отображается на видеомониторе. По этому изображению и осуществляются их совмещение и ввод бурового инструмента в превентор.

«Гломар Челленджер» (по состоянию на 1984 г.) пробурил более тысячи скважин в различных районах Мирового океана.