Отбор керна из осадочных пород и бурение скважин

Отбор керна из осадочных пород и бурение скважин в научных целях, как правило, ограничиваются морским дном и несколькими метрами поверхности. Исключением из этого правила является Программа комплексного бурения в океане (IODP), в рамках которой скважины, выполненные для морских геофизических исследований в региональном масштабе, имеют километровую глубину. Следующие методы и оборудование обычно используются Geoscience Australia во время рутинных программ отбора проб морского дна.

Отбор керна и вращательное бурение

Морские отложения сильно различаются по размеру зерен, минералогии, составу и твердости, и для извлечения полезных образцов требуется широкий спектр устройств для отбора керна и отбора проб.

Гравитационный буровой станок

Гравитационный пробоотборник предназначен для использования в районах с мягкими, неуплотненными отложениями. Это инструмент общего назначения, который позволяет проникать на морское дно благодаря своему весу. Гравитационный пробоотборник Geoscience Australia представляет собой стальную колонковую камеру весом в одну тонну, внутри которой находится внутренняя оболочка из ПВХ. Устройство опускается на заданную высоту над морским дном с помощью троса, а затем отправляется в свободное падение. Полученный сердечник помещается во внутреннюю втулку и удерживается на месте с помощью устройства для улавливания сердечника. Затем наматывается проволочный трос, внутренняя втулка извлекается из корпуса сердечника и сердечник обрабатывается. С помощью системы Geoscience Australia можно получить гравитационные керны длиной до 12 метров, но на практике глубина извлечения обычно не превышает шести метров.

Пробоотборник поршня

Поршневой пробоотборник является разновидностью гравитационного и используется для исследования мягких, неуплотненных отложений. Поршневой пробоотборник Geoscience Australia имеет такой же вес и длину, как и гравитационный, и опускается с помощью троса таким же образом. Однако у него есть спусковое устройство, которое ударяется о морское дно раньше, чем бочка с керном, и освобождает пробоотборник, позволяя ему свободно падать. Когда бочка опускается в осадочные породы, специальный внутренний поршень создает вакуум и помогает втянуть керн в бочку. Такое всасывание уменьшает уплотнение образца во внутреннем отсеке. С помощью системы Geoscience Australia можно отбирать поршневые керны длиной до 12 метров, и, как правило, процесс отбора занимает больше времени, чем при использовании гравитационного пробоотборника.

Вибродробилка

Вибробурение - это метод отбора проб керна из более твердых, неуплотненных отложений. Он особенно хорошо работает в отложениях с относительно высоким содержанием песка. Вибробур устанавливается в колонне, которая опускается на морское дно перед подачей трехфазной электроэнергии. Он заключается в погружении тонкостенной колонковой трубки в осадок с помощью электронного устройства, приводящего в действие головку, которая заставляет колонковую трубку вибрировать. Это достигается за счет создания стоячей волны вдоль колонны, которая разжижает осадок за пределами колонны, но оставляет внутренние отложения относительно нетронутыми. Этот метод позволяет стволу проникать на морское дно, а также уменьшает уплотнение осадка (что характерно для гравитационного отбора керна). Керноуловитель помещается во внешний ствол и удерживается на месте. С помощью системы Geoscience Australia можно собирать виброзерена длиной до шести метров, и на практике керны такой длины регулярно извлекаются.

Вращающийся буровой станок

Компания Geoscience Australia располагает небольшим подводным роторным пробоотборником, предназначенным для работы на континентальном шельфе (глубина менее 200 метров). Он используется для отбора проб консолидированных или частично литифицированных отложений. Длина керна ограничена тремя метрами. Перед началом отбора керна с помощью трехфазной электрической сети роторный кернорез опускается на морское дно. Стальная бочка с вкладышем вращается с помощью гидравлических двигателей, а из основания извлекается керн с помощью долот с алмазными или вольфрамовыми наконечниками. Для погружения ствола на морское дно используется переменное гидравлическое давление, которое используется для извлечения ствола и керна. Осколки смываются с долот морской водой, чтобы предотвратить заклинивание керна в скважине. Роторный бурильщик оснащен двумя видеокамерами и подсветкой для выбора места и мониторинга отбора керна. Все системы управляются компьютером на борту судна с обратной связью в режиме реального времени от электрических, гидравлических и видеосистем.

Толкающий бур

Этот пробоотборник используется компанией Geoscience Australia для геохимических исследований питательных веществ и идеально подходит для мелководных эстуариев или рек с мелкозернистыми (илистыми) рыхлыми отложениями. Это портативное устройство меньшего размера, состоящее из отрезка прозрачной пластиковой трубки, прикрепленной к головке пробоотборника и удлинительным стойкам. В морских условиях пробоотборник опускается за борт и вручную опускается в осадок, после чего клапан в верхней части пробоотборника закрывается, создавая вакуум. Затем керн и бочка извлекаются из окружающего осадка и возвращаются на поверхность. На суше или на мелководье, где не требуется лодка, операция выполняется аналогично. Длина керна, как правило, не превышает двух метров.

Вырезка сердцевины из скумбрии

Устройство для извлечения сердцевины из скумбрии предназначено для извлечения сердцевины из очень мягких, неуплотненных мелкозернистых отложений. Он использовался Geoscience Australia для отбора керна из отложений пресноводных озер и часто используется для палеоклиматических и палеомагнитных исследований. Он приводится в действие сжатым воздухом, который всасывается и надежно прикрепляет пробоотборник ко дну, и погружает головку пробоотборника в осадочные породы. Регулярно извлекаются керны глубиной до трех метров.

Бурильщик из Ливингстона/секционный бурильщик

Эти небольшие ручные пробоотборники являются дополнением к пробоотборникам-толкателям и полезны для извлечения относительно коротких проб на небольших глубинах, где не требуется лодка. Регулярно извлекаются пробоотборники глубиной до трех метров.

Грейферный отбор проб и выемка грунта

Для сбора донных отложений, горных пород и экологических проб с поверхности морского дна используются различные землечерпалки, салазки и инструменты для отбора проб.

Захват Смита Макинтайра

Грейфер Smith McIntrye используется для отбора проб донных отложений, макробентосных растений и животных как на мелководье, так и на больших глубинах океана. Это наше наиболее часто используемое устройство для отбора проб морского дна. Он оснащен двумя пружинными шарнирными захватами с триггерами по обе стороны рамы грейфера. Захваты фиксируются на месте внутри рамы до тех пор, пока две накладки не коснутся морского дна, что позволяет подпружиненным захватам защелкнуться и собрать осадок. Прочные шарниры способствуют проникновению плотного осадка, в то время как большие захваты возвращают значительный объем осадка. Доступ к осадочным породам осуществляется через откидные створки на верхней стороне. Грейфер Smith McIntyre используется для быстрого отбора проб с морского дна и не предназначен для сбора нераспределенных проб (хотя в редких случаях это может произойти).

Пробойники для коробок

Эти пробоотборники бывают разных размеров и могут использоваться как на большой глубине, так и на мелководье. Они отбирают прямоугольный или квадратный срез донных отложений глубиной от 50 мм до 1 м, а также поверхностные слои воды. Они предназначены для извлечения относительно нетронутых образцов морского дна с целью сохранения поверхностных или подповерхностных структур. Компания Geoscience Australia использует коробчатые керны для сбора образцов для биологических и геохимических исследований. Пробоотборник погружается на морское дно под действием собственного веса и оснащен одним поворотным рычагом, который закрывается после срабатывания для удержания пробы при извлечении. Затем пробоотборник извлекается из пробоотборника, обеспечивая неограниченный доступ к поверхности и стенкам пробы.

Шипек хватает

Грейфер Shipek - это еще одно устройство для быстрого отбора проб морского дна, которое меньше, чем грейфер Smith McIntyre. Компания Geoscience Australia использует грейферы Shipek для сбора проб для седиментологических и геохимических исследований. Грейфер состоит из двух полукруглых черпаков. Внешний черпак закреплен и позволяет внутреннему черпаку собирать осадок. Захват Shipek срабатывает под действием собственного веса и при соприкосновении с морским дном высвобождает штифт, который заставляет подпружиненный черпак вращаться и зарываться в осадок. Затем образец закрывается внешним черпаком, чтобы изолировать его от окружающей воды. Этот захват идеально подходит для отбора проб песка и ракушечниковых отложений, но не предназначен для возврата образца в первозданном виде.

Ван Вин Хватает

Грейфер Van Veen используется в Geoscience Australia для биологических и седиментологических исследований. Он является одним из наиболее часто используемых устройств для отбора проб морского дна из-за своей простоты и эффективности при отборе отложений. Все грейферы Van Veen состоят из двух противоположных "челюстей", которые удерживаются открытыми с помощью крюка. Грейфер активируется при соприкосновении с морским дном, в результате чего челюсти погружаются в осадок. Он не предназначен для извлечения неповрежденной пробы и должен разворачиваться медленно, чтобы предотвратить высвобождение крючка и срабатывание захватного устройства в воде.

Захват Уайлдко-Экмана

Грейфер Wildco-Ekman выполняет более специализированную функцию, отбирая количественные и качественные образцы макроскопической донной фауны. Он может быть использован для определения продуктивности мягких отложений, особенно тех, которые состоят из мелкодисперсных илов, илистого ила, погруженного мергеля и мелких торфянистых материалов. Не рекомендуется использовать в каменистой или песчаной среде, а также там, где имеется умеренная донная растительность, поскольку мелкие камешки или стебли растений могут помешать правильному закрыванию челюстей. Во время спуска оборудования открываются две тонкие крышки на петлях, которые закрываются при извлечении и удерживаются закрытыми под давлением воды. Захват приводится в действие грузом-посыльным, сброшенным вниз по веревке.

Экскаваторы для добычи полезных ископаемых

Земснаряд используется для извлечения литифицированных образцов из пластов горных пород, обнажившихся на морском дне. Земснаряд опускается на дно с помощью троса и буксируется вдоль морского дна. Он предназначен для извлечения фрагментов горных пород с морского дна во время буксировки. Землечерпалка, используемая в Geoscience Australia, представляет собой прямоугольную металлическую раму с выступающими наружу зубьями, соединенную с тяжелым мешком на цепочке, который собирает крупные фрагменты породы. К задней части мешка на цепочке прикреплены две металлические трубчатые землечерпалки для сбора неуплотненного материала и более мелких фрагментов.

Донные сани

Эти устройства предназначены для отбора проб донной флоры и фауны и буксируются вдоль морского дна. Они оснащены дополнительным сачком для изучения планктона и могут быть оснащены видео- или фотокамерами для наблюдения за отбором проб в режиме реального времени.