La perforación científica en hielo comenzó en 1840, cuando Louis Agassiz intentó perforar el Unteraargletscher en los Alpes . Las perforadoras rotativas se utilizaron por primera vez para perforar hielo en la década de 1890, y la perforación térmica, con un cabezal de perforación calentado, comenzó a utilizarse en la década de 1940. La extracción de muestras de hielo comenzó en la década de 1950, y el Año Geofísico Internacional a finales de la década trajo consigo un aumento de la actividad de perforación de hielo. En 1966, se penetró por primera vez la capa de hielo de Groenlandia con un agujero de 1.388 m que llegó al lecho de roca, utilizando una combinación de perforación térmica y electromecánica. Los principales proyectos de las décadas siguientes extrajeron núcleos de profundos agujeros en las capas de hielo de Groenlandia y la Antártida.
También es común la perforación manual, utilizando barrenas para hielo para recuperar núcleos pequeños, o pequeños taladros que utilizan vapor o agua caliente para instalar estacas de ablación.
El primer intento de perforar hielo por motivos científicos lo realizó Louis Agassiz en 1840, en Unteraargletscher, en los Alpes . [1] No estaba claro para la comunidad científica de la época que los glaciares fluían, [1] y cuando Franz Josef Hugi demostró que una gran roca en el Unteraargletscher se había movido 1315 m entre 1827 y 1836, los escépticos argumentaron que la roca podría haber se deslizó por el glaciar. [2] Agassiz visitó el glaciar en 1839, [3] y regresó en el verano de 1840. Planeaba hacer observaciones de temperatura en el interior del glaciar y trajo una barra de perforación de hierro, de 25 pies (7,6 m) de largo, para ese propósito. . [1] [4] El primer intento de perforación, a principios de agosto, logró solo 6 pulgadas (15 cm) de avance después de varias horas de trabajo. Después de una fuerte lluvia durante la noche, la perforación se hizo mucho más rápida: se avanzó un pie (30 cm) en menos de quince minutos, y el agujero finalmente alcanzó una profundidad de 20 pies (6,1 m). Otro agujero perforado cerca alcanzó los 8 pies (2,4 m), [5] y se perforaron más para colocar seis marcadores de flujo en una línea a través del glaciar, que Agassiz esperaba que se hubiera movido el año siguiente, demostrando el flujo del glaciar. Creía en la teoría de la dilatación del flujo de los glaciares, que sostenía que la nueva congelación del agua de deshielo provocaba que los glaciares se alargaran progresivamente; esta teoría implicaba que el caudal debería ser mayor donde la entrada de agua fuera mayor. [1]
Agassiz regresó al Unteraargletscher en agosto de 1841, esta vez equipado con un taladro que constaba de 10 varillas de hierro, cada una de 15 pies (4,6 m) de largo, del tipo que se utiliza para perforar pozos; un taladro más largo no se podría haber utilizado a mano y habría requerido un andamio, lo que habría sido demasiado caro. Esperaba perforar lo suficientemente profundo como para determinar el espesor del glaciar. Una vez que se dio cuenta de que la perforación iba más rápido cuando los agujeros estaban llenos de agua, se colocaron los agujeros de manera que pudieran ser abastecidos de agua por uno de los muchos pequeños arroyos del glaciar. Esto tenía el beneficio adicional de simplificar la retirada de los trozos de hielo del fondo del agujero, ya que subían a la superficie y eran arrastrados por la corriente. [1] [6] Cuando el primer hoyo alcanzó los 70 pies (21 m), las barras de perforación se volvieron demasiado pesadas para que las usaran los hombres, por lo que se construyó un trípode y se instaló una polea para que el taladro pudiera subir y bajar mediante un cable. . [1] [6] El trípode tardó varios días en completarse, y cuando los hombres intentaron comenzar a perforar nuevamente, se sorprendieron al descubrir que el taladro ya no entraba en el agujero, que se había cerrado hasta solo media pulgada de ancho, lo que obligó a para empezar un nuevo agujero. El hoyo más profundo logrado en 1841 fue de 43 m (140 pies). [ dieciséis]
Los marcadores de flujo colocados en 1840 se ubicaron en 1841 pero resultaron no ser informativos; Se había derretido tanta nieve que todos yacían sobre el glaciar, lo que los hacía inútiles para probar el movimiento del hielo en el que habían sido incrustados. Sin embargo, una estaca clavada a cinco metros y medio de profundidad en el hielo todavía estaba incrustada, con siete pies sobresaliendo de la superficie, y a diez pies a principios de septiembre de 1841. Agassiz perforó agujeros más profundos y plantó seis estacas en línea recta a través del glaciar, tomando medidas con referencia a puntos identificables en las montañas circundantes para asegurarse de que sería capaz de saber si se habían movido. [7] [8]
Estos marcadores de flujo todavía estaban en su lugar en julio de 1842 cuando Agassiz regresó a Unteraargletscher, y ahora formaban una media luna; Era evidente que el hielo fluía mucho más rápido en el centro del glaciar que en los bordes. [7] [nota 1] La perforación comenzó nuevamente el 25 de julio, nuevamente utilizando el método de herramienta de cable. Se encontraron algunos problemas: el equipo se rompió en un momento y hubo que repararlo; y en una ocasión se descubrió que el pozo se había distorsionado durante la noche y había que volver a perforarlo. A medida que el agujero se hizo más profundo, el peso cada vez mayor del equipo de perforación obligó a Agassiz a aumentar a ocho el número de hombres que tiraban del cable; aun así sólo conseguían ganar tres o cuatro metros diarios. Mientras continuaban las perforaciones, se realizaron sondeos en moulins y se encontraron profundidades de 232 my casi 150 m. Aunque Agassiz entendió que estas mediciones no eran rigurosas, porque obstáculos invisibles podrían distorsionar las lecturas, se convenció de que sería imposible para su equipo perforar hasta la base del glaciar, y decidió no perforar por debajo de los 200 pies ( 61 metros). Posteriormente se perforaron agujeros adicionales a 32,5 my 16 m para usarlos para mediciones de temperatura. [11]
La demostración de Agassiz de la gran dificultad de perforar agujeros profundos en el hielo de un glaciar disuadió a otros investigadores de realizar mayores esfuerzos en esta dirección. [12] Pasaron décadas antes de que se hicieran más avances en este campo, [12] pero dos patentes, las primeras relacionadas con la perforación de hielo que se emitieron, se registraron en los Estados Unidos a finales del siglo XIX: en 1873, WA Clark recibió una patente por su "Mejora en barrenas para hielo", que permitía especificar el tamaño del agujero, y en 1883, R. Fitzgerald patentó un taladro manual hecho de un cilindro con cuchillas de corte unidas al fondo. [13]
Entre 1891 y 1893, Erich von Drygalski visitó el oeste de Groenlandia en dos expediciones y perforó allí agujeros poco profundos con una cuchara: un cilindro hueco de acero de 75 cm de largo con un par de hojas en ángulo en la parte inferior; para agujeros de más de 75 cm de profundidad, se podrían añadir tubos adicionales de la misma longitud. El hielo cortado por las cuchillas quedaba atrapado en el cilindro, que periódicamente se levantaba para vaciar los cortes de hielo. Los agujeros se perforaron para medir el movimiento del hielo colocando postes (principalmente de bambú) en ellos y monitoreándolos. La mayor profundidad alcanzada fue de sólo 2,25 m, pero von Drygalski comentó que habría sido fácil perforar agujeros más profundos; un agujero de 1,5 m a una temperatura de 0° tomó unos 20 minutos. Von Drygalski tomó otros diseños de taladros, pero descubrió que el barrenador de cuchara era el más eficaz. [13] [14]
En 1894, Adolf Blümcke y Hans Hess iniciaron una serie de expediciones al Hintereisferner. Como no se había intentado perforar hielo a ninguna profundidad desde la expedición de Agassiz, no tenían ejemplos recientes de los cuales aprender, por lo que experimentaron en el invierno de 1893-1894 con diseños de perforación en la bodega de hielo de una cervecería. Desde el principio decidieron no perforar con percusión y examinaron una de las perforadoras que von Drygalski había llevado a Groenlandia como parte de sus pruebas. También construyeron una copia del barrenador cuchara de von Drygalski, pero lo encontraron demasiado débil para conservar su forma en uso. Usaron una manivela para girar la broca, que era una barrena helicoidal. Su plan original era eliminar los cortes de hielo mediante achique, pero casi de inmediato abandonaron este plan; [15] en cambio, se retiraba la barrena del pozo a intervalos y se insertaba un tubo para bombear agua hacia el pozo y llevarse los recortes. Se trataba de un enfoque completamente nuevo y se requirió algo de prueba y error para perfeccionar el método. Se alcanzó una profundidad de 40 m. [16] [17] Al año siguiente modificaron la barrena para que el agua pudiera bombearse hacia abajo por la propia sarta de perforación, emergiendo de un agujero en la barrena y transportando los recortes hacia arriba alrededor del exterior de la perforadora; esto eliminó la necesidad de retirar el taladro para limpiar los recortes. [17] Sólo se podían utilizar unas siete horas al día para perforar, ya que durante la noche no había agua corriente en el glaciar. [18]
La perforadora se atascaba frecuentemente en el hielo, tal vez porque el pozo se había deformado, y también era común encontrar rocas en el hielo, que se podían identificar por los fragmentos de roca que eran arrastrados a la superficie en el agua que limpiaba los cortes de hielo. . El problema más problemático fue perforar huecos en el hielo. En el fondo del vacío se iniciaría un nuevo pozo; si la cavidad fuera tal que el agua bombeada a través de la tubería de perforación pudiera salir del pozo una vez que fuera forzada a subir alrededor de la tubería, entonces la perforación podría continuar; de lo contrario, los recortes se acumularían alrededor del pozo y eventualmente sería imposible seguir avanzando. Blümcke y Hess intentaron pasar una tubería de revestimiento a través de la cavidad, para que el agua y los recortes pudieran continuar subiendo a la superficie, pero esto no tuvo éxito y habría sido una solución demasiado costosa de implementar cada vez que ocurría el problema. [19]
En 1899 se alcanzó el lecho del glaciar en dos lugares, con profundidades de 66 my 85 m, y este éxito convenció al Club Alpino Alemán y Austriaco , que había subvencionado las primeras expediciones, a financiar los trabajos en curso y construir una versión mejorada del glaciar. el aparato de perforación, que estuvo disponible en 1901. Una mejora clave fue agregar bordes cortantes laterales a la barrena, lo que le permitió volver a cortar el orificio y evitar acuñamientos si se reinsertaba en un orificio que se había deformado. [17] El equipo pesaba 4000 kg, lo que, junto con el coste del transporte en las altas montañas y la necesidad de emplear un gran equipo, encarecía su método, [20] aunque Blümcke y Hess sugirieron que su enfoque no sería demasiado costoso para otros equipos reproducirlo. [21] [nota 2] En una revisión del trabajo de Blümcke y Hess publicada en 1905, Paul Mercanton sugirió que un motor de gasolina para impulsar tanto la rotación del taladro como la bomba de agua serían mejoras naturales. Se había observado que el trabajo de bombeo se volvía mucho más difícil a medida que avanzaba la profundidad, y se necesitaban hasta ocho hombres para continuar bombeando hasta los pozos más profundos. Mercanton también observó que mientras que la perforadora de Blümcke y Hess requería unos 60 litros por minuto para limpiar los recortes, una perforadora similar en la que había trabajado con Constant Dutoit requería sólo un 5% de tanta agua para el mismo propósito, y sugirió que colocar el desagüe de El agua en el fondo de la broca fue la clave para reducir los flujos de agua conflictivos alrededor de la broca y reducir la necesidad de agua. [23]
Los agujeros se perforaron para verificar los cálculos que Blümcke y Hess habían hecho sobre la forma del glaciar y la profundidad esperada, y los resultados coincidieron bastante bien con sus expectativas. [21] En total, Blümcke y Hess completaron 11 agujeros en el lecho del glaciar entre 1895 y 1909, y perforaron muchos más agujeros que no penetraron el glaciar. El pozo más profundo que perforaron fue de 224 m. [24]
En 1897, Émile Vallot perforó un agujero de 25 m en la Mer de Glace, utilizando una herramienta de cable de 3 m de altura y una broca de acero, que tenía hojas en forma de cruz y pesaba 7 kg. Resultó ser demasiado liviano para perforar de manera efectiva y solo se avanzó 1 m el primer día. Se añadió una barra de hierro de 20 kg y el avance mejoró a 2 m por hora. Se utilizó un palo para torcer la cuerda sobre el agujero y, al desenroscarla, se cortó un agujero circular; el diámetro del agujero fue de 6 cm. La cuerda también se tiraba hacia atrás y se dejaba caer, por lo que el taladro utilizó una combinación de percusión y corte rotacional. Se eligió que el sitio de perforación estuviera cerca de un pequeño arroyo, de modo que el pozo pudiera reponerse continuamente con agua, con el fin de arrastrar los fragmentos de hielo liberados en el fondo del pozo durante el proceso de perforación; Se animó a los trozos de hielo a fluir por el agujero elevando la broca cada diez golpes, durante tres golpes seguidos. El equipo de perforación se retiraba del pozo cada noche para evitar que se congelara en el lugar. [12] [25]
Cuando el pozo alcanzó los 20,5 m, la varilla de 20 kg ya no fue suficiente para contrarrestar el efecto de frenado del agua en el pozo, y el avance volvió a disminuir a 1 m por hora. En Chamonix se forjó una nueva varilla que pesaba 40 kg, lo que elevó la velocidad a 2,8 m por hora, pero a 25 m la broca se atascó en el agujero cerca del fondo. Vallot echó sal por el agujero para intentar derretir el hielo y bajó un trozo de hierro para intentar soltarlo, pero el agujero tuvo que ser abandonado. El hijo de Émile Vallot, Joseph Vallot, escribió una descripción del proyecto de perforación y concluyó que, para tener éxito, la perforación en hielo debería realizarse lo más rápido posible, tal vez por turnos, y que la broca debería tener bordes cortantes para evitar cualquier deformación en el agujero. se corregiría al reinsertar la broca en el agujero, lo que evitaría que la broca se acuñara como ocurrió en este caso. [12] [25]
Constant Dutoit y Paul-Louis Mercanton llevaron a cabo experimentos en el glaciar Trient en 1900, en respuesta a un problema planteado por la Sociedad Suiza de Ciencias Naturales en 1899 para su Prix Schläfli anual, un premio científico. El problema consistía en determinar la velocidad interna del flujo de un glaciar perforando agujeros e insertando varillas. Dutoit y Mercanton no habían oído hablar del trabajo de Hess y Blümcke, pero de forma independiente idearon un diseño similar, con agua bombeada por una tubería de perforación de hierro hueca y expulsada por un agujero en la broca para llevar los cortes de hielo de regreso al agujero. Después de algunas pruebas preliminares, regresaron al glaciar en septiembre de 1900 y alcanzaron una profundidad de 12 metros con 4 horas de perforación. [16] [26] Su trabajo les valió el Premio Schläfli de 1901. [27] [28]
A finales del siglo XIX ya se disponía de herramientas para perforar agujeros de no más de unos pocos metros en el hielo glacial. Continuaron las investigaciones para perforar agujeros más profundos; en parte por razones científicas, como comprender el movimiento de los glaciares, pero también con fines prácticos. El colapso del glaciar Tête-Rousse en 1892 liberó 200.000 m 3 de agua, matando a más de 200 personas en la inundación repentina resultante, lo que dio lugar a la investigación de las bolsas de agua en los glaciares; y también había un interés creciente en la energía hidroeléctrica, que los glaciares podían suministrar con el agua de deshielo liberada cada año. [29]
En 1900 C. Bernard comenzó a perforar en el glaciar Tête Rousse , a instancias del Departamento de Aguas y Bosques de Francia. Comenzó utilizando el método de percusión, con un bisel afilado al final de un tubo de hierro. Se realizaron 226 m de perforación repartidos en 25 pozos, ninguno de los cuales superó los 18 m de profundidad. Al año siguiente se utilizaron las mismas herramientas en una zona de hielo duro del glaciar, con avances muy lentos; Se necesitaron 10 horas para perforar un pozo de 11,5 m. En 1902, el bisel fue reemplazado por una hoja de corte en forma de cruz en el extremo de una barra octogonal, y se perforó un agujero de 16,4 m en 20 horas antes de que fuera imposible seguir avanzando. En ese momento Bernard conoció el trabajo de Blümcke y Hess y obtuvo de Hess información sobre el diseño de su taladro. En 1903 se inició la perforación con el nuevo diseño, pero hubo defectos en su fabricación que impidieron cualquier avance significativo. La perforadora fue modificada durante el invierno y en 1904 consiguió perforar un pozo de 32,5 m en 28 horas. Se encontraron varias piedras en el pozo, las cuales fueron rotas mediante el método de percusión antes de continuar con la perforación. [30] Paul Mougin, inspector de agua y bosques de Chambéry, sugirió utilizar barras de hierro calentadas para perforar: los extremos de las barras se calentaron hasta que se volvieron incandescentes y se dejaron caer en el pozo. Con este método se obtuvo un avance de 3 m por hora. [31]
George Flusin se unió a Bernard en Hintereisferner con Blümcke y Hess en 1906 y observó el uso de sus equipos. Observaron que la eficiencia de perforación, que podía ser de hasta 11 a 12 m/h en los 30 m superiores de un pozo, disminuía gradualmente con la profundidad y era mucho más lenta a mayores profundidades. Esto se debió en parte a la bomba, que se volvió cada vez menos eficiente en los pozos profundos; esto hizo que fuera más difícil limpiar el agujero de los cortes de hielo. [32]
Entre 1900 y 1902, Axel Hamberg visitó glaciares en la Laponia sueca para estudiar la acumulación y pérdida de nieve, y perforó agujeros para colocar varillas de medición, que luego podrían usarse para determinar el cambio en la profundidad de la nieve en los años siguientes. Utilizó un taladro de cincel, del tipo que se utiliza para perforar rocas, y eliminó los recortes del fondo del agujero llenándolo con agua. Para ahorrar peso, Hamberg hizo que los taladros estuvieran hechos de una madera resistente, como el fresno, revestidos con acero; Informó en 1904 que había tenido un taladro que le había durado cinco años y que solo había tenido que reemplazar el metal que sujetaba el cincel y algunos tornillos. En manos de alguien con experiencia en la herramienta, se podría perforar un agujero de 4 m de profundidad en una hora. [36] [13]
Una expedición alemana a la Antártida , dirigida por von Drygalski, perforó agujeros en un iceberg en 1902 para tomar medidas de temperatura. Utilizaron una barrena de manivela similar a la utilizada en el Hintereisferner, unida a tubos de acero que podían atornillarse entre sí. El hielo era demasiado duro para perforar con el barrenador de cuchara, pero se usó para eliminar los cortes de hielo una vez que se habían acumulado hasta el punto de que el progreso se ralentizó. Von Drygalski era consciente de que los agujeros perforados en los Alpes habían utilizado agua para sacar los recortes, pero el hielo que estaba perforando estaba tan frío que el agua del agujero se habría congelado rápidamente. Se perforaron múltiples pozos, el más profundo alcanzó los 30 m; von Drygalski registró que era relativamente fácil alcanzar una profundidad de 15 m, pero más allá de ese punto era un trabajo mucho más difícil. Parte del problema era que a medida que el taladro se alargaba, con múltiples conexiones atornilladas, girar el taladro en la parte superior del agujero no generaba tanta rotación en el fondo del agujero. [34] [33]
En 1912, Alfred Wegener y Johan Peter Koch pasaron el invierno sobre el hielo de Groenlandia. Wegener llevó consigo una barrena manual y perforó un agujero de 25 m para tomar lecturas de temperatura. Hans Philipp, un geólogo alemán, desarrolló una cuchara perforadora para tomar muestras de glaciares y describió el mecanismo en un artículo de 1920; Tenía un mecanismo de liberación rápida para permitir su vaciado fácilmente. En 1934, durante la expedición noruego-sueca a Spitsbergen, Harald Sverdrup y Hans Ahlmann perforaron algunos agujeros, ninguno de ellos a más de 15 m de profundidad. Utilizaron una cuchara perforadora similar a la descrita por Philipp y también tomaron núcleos de hielo con un taladro que parecía un pistón hendido. [37]
El primer muestreador de nieve fue creado por James E. Church en el invierno de 1908-1909, para tomar muestras de nieve en Mount Rose , en Carson Range , en el oeste de Estados Unidos. Consistía en un tubo de acero de 1,75 de diámetro con un cabezal cortador adjunto, y todavía se utilizan sistemas similares en el siglo XXI. [38] [39] El diseño original del cabezal cortador hizo que la nieve se comprimiera en el cuerpo del muestreador, lo que resultó en una sobreestimación sistemática del 10% de la densidad de la nieve. [38]
George D. Clyde realizó una de las primeras mejoras en el diseño del muestreador de nieve de Church en la década de 1930 , quien cambió las dimensiones para que una pulgada de agua dentro del tubo pesara exactamente una onza; esto permitió al usuario del muestreador determinar fácilmente la profundidad del agua a la que correspondía la nieve pesando el muestreador lleno. El muestreador de Clyde estaba hecho de aluminio, en lugar de acero, lo que redujo su peso en dos tercios. [38] [40] En 1935, el Servicio de Conservación de Suelos de EE. UU. estandarizó la forma del muestreador de nieve, modularizándolo para que se pudieran agregar secciones adicionales para tomar muestras de nieve profunda. Esto ahora se conoce como el "muestreador de nieve federal". [38]
Mario Calciati operó uno de los primeros taladros térmicos en el glaciar Hosand y el glaciar Miage en 1942; Funcionó calentando la broca con agua caliente, bombeada desde una caldera de leña. [41] [42] [43] Calciati alcanzó el lecho del glaciar a 119 m, a un ritmo de 3 a 4 m por hora. El pozo más profundo perforado fue de 125 m. [43] [42] El mismo proceso fue utilizado más adelante en la década por Énergie Ouest Suisse para perforar quince agujeros en el lecho del glaciar Gorner , [44] confirmando las profundidades determinadas por A. Süsstrunk en 1948 mediante sismografía. [45]
En mayo de 1946, René Koechlin patentó en Suiza un taladro electrotérmico ; Funcionaba calentando eléctricamente un líquido dentro del taladro, que luego circulaba hacia la superficie en contacto con el hielo mediante una hélice que actuaba como bomba. Todo el mecanismo estaba unido a un cable que sostenía el taladro y proporcionaba corriente eléctrica. [41] [46] La velocidad teórica de perforación fue de 2,1 m/h. Un artículo de 1951 de los ingenieros de Électricité de France informó que el taladro de Koechlin se había utilizado en Suiza, pero no dio detalles. [47]
En 1938, Gerald Seligman , Tom Hughes y Max Perutz visitaron el Jungfraujoch para tomar lecturas de temperatura; Su objetivo era estudiar la transición de la nieve a la nieve firme y luego al hielo a medida que aumenta la profundidad. Cavaron a mano pozos de hasta 20 m de profundidad y también perforaron agujeros con barrenas de dos diseños diferentes, uno de ellos siguiendo el consejo de Hans Ahlmann. [37] [48] En 1948 Perutz regresó al Jungfrau, liderando un proyecto para investigar el flujo glacial en el Jungfraufirn . El plan era perforar un agujero en el lecho del glaciar, colocar un tubo de acero en el agujero y luego volver a visitarlo durante los siguientes dos años para medir la inclinación del tubo a varias profundidades. Esto determinaría cómo varía la velocidad del flujo de hielo con la profundidad debajo de la superficie del glaciar. General Electric fue contratada para diseñar el elemento calefactor eléctrico para la punta del taladro, pero se retrasó en entregarlo; Perutz tuvo que recoger el paquete en la consigna de equipaje de la estación Victoria cuando salía del Reino Unido hacia Suiza. El paquete estaba encima de otras maletas en el tren que venía de Calais , y al bajar una maleta, Perutz accidentalmente la tiró por la ventanilla del tren. Uno de los miembros de su equipo regresó a Calais y organizó a los Boy Scouts locales para buscar el paquete en la pista, pero nunca fue recuperado. Cuando Perutz llegó al Observatorio Sphinx (la estación de investigación en Jungfraujoch ), el jefe de la estación le aconsejó que se pusiera en contacto con Edur AG, una empresa manufacturera en Berna ; [nota 3] Edur fabricó herramientas electrotérmicas para perforar barriles de cerveza abiertos y pudo diseñar rápidamente una punta de taladro satisfactoria. Perutz regresó con la nueva punta de perforación y descubrió que sus dos estudiantes de posgrado, a quienes había dejado aprendiendo a esquiar mientras iba a Berna, se habían roto las piernas. Pudo persuadir a André Roch , que entonces estaba en el Instituto de Investigación de Nieve y Avalanchas en Weissfluhjoch , para que se uniera al proyecto, y también enviaron más estudiantes desde Cambridge. [24] [51] [49]
El elemento calefactor, formado por tres bobinas de tantalio cocidas en arcilla resistente al calor, se atornilló al extremo del tubo de acero que iba a formar el revestimiento del agujero, y se instaló un trípode para suspender el taladro sobre el agujero. El elemento generaba 2,5 kW a 330 V y estaba alimentado por un cable que recorría el tubo de acero. Estaba conectado a la corriente del Observatorio Sphinx mediante un cable tendido sobre la nieve. La perforación comenzó en julio de 1948 y, después de dos semanas, se perforó con éxito el agujero hasta el lecho del glaciar a una profundidad de 137 m. Hubo algunos retrasos adicionales: dos veces hubo que sacar el tubo del agujero: una vez para retirar una llave que se había caído y otra porque el elemento calefactor se quemó. Se tomaron lecturas del inclinómetro en agosto y septiembre de 1948, y nuevamente en octubre de 1949 y septiembre de 1950; Los resultados mostraron que el pozo se curvaba hacia adelante a medida que pasaba el tiempo, lo que implicaba que la velocidad del hielo disminuía desde la superficie hacia el lecho. [24] [51] [49]
También en 1948, el Instituto Ártico de América del Norte patrocinó una expedición al glaciar Seward en el Yukón , en Canadá, dirigida por Robert P. Sharp. El objetivo de la expedición era medir la temperatura del glaciar a varias profundidades bajo la superficie, y se utilizó un taladro electrotérmico para crear los pozos donde se desplegaron los termómetros. Los agujeros se perforaron con tubo de aluminio hasta una profundidad de no más de 25 pies, y por debajo de esa profundidad se utilizó el taladro. La broca era un punto eléctrico caliente, con corriente transportada por un cable pesado a través de la tubería de perforación; el otro conductor era la propia tubería de perforación. El diseño de la perforación resultó efectivo y el pozo más profundo logrado fue de 204 pies; Sharp consideró que hubiera sido fácil perforar agujeros mucho más profundos si fuera necesario. La expedición regresó al glaciar en 1949 con el mismo equipo, perforando más agujeros, con una profundidad máxima de 72 pies [52] .
La Expédition Polaires Françaises (EPF) envió varias expediciones a Groenlandia a finales de los años cuarenta y principios de los cincuenta. En 1949 se convirtieron en el primer equipo en recuperar un núcleo de hielo; Se utilizó un taladro térmico, en el Campamento IV, para perforar un agujero de 50 m para obtener un núcleo de hielo de 8 cm de diámetro. Al año siguiente se perforaron más núcleos en Groenlandia, en el Campo VI, Milcent y la Estación Central; En tres de ellos se utilizó un taladro térmico. [53] [54]
Xavier Ract-Madoux y L. Reynaud desplegaron un taladro electrotérmico en los Alpes en 1949 , quienes estaban inspeccionando el Mer de Glace para Électricité de France para determinar si podría usarse como fuente de energía hidroeléctrica. Los experimentos realizados en 1944 habían demostrado que el uso de explosivos para despejar túneles a través del hielo era ineficaz; Se abrieron algunos pasajes al interior del glaciar mediante excavaciones, pero se cerraron a los pocos días debido a la presión y plasticidad del hielo, que anuló cualquier intento de apuntalar los túneles con madera. En el verano de 1949, Ract-Madoux y Reynaud regresaron al glaciar con un taladro térmico compuesto por una resistencia de 1 m de longitud enrollada en forma de cono y con un diámetro máximo de 50 mm. Éste estaba suspendido de un cable mediante un trípode sobre el pozo y podía perforar 24 m en una hora en condiciones ideales. [55] [41]
En el verano de 1951, Robert Sharp, del Instituto de Tecnología de California, duplicó el experimento de flujo glacial de Perutz, utilizando un taladro térmico con punta caliente, en el glaciar Malaspina de Alaska. El agujero estaba revestido con un tubo de aluminio; el glaciar en ese punto tenía 595 m de espesor, pero el agujero se detuvo a 305 m porque el hotpoint dejó de funcionar. [56] Ese mismo verano, Peter Kasser en el Instituto de Ingeniería Hidráulica y Movimientos de Tierras de la Zurich Technische Hochschule (ETH Zurich) construyó un taladro térmico basado en el diseño de Calciati . El taladro fue diseñado para ayudar a colocar estacas en los glaciares para medir las tasas de ablación; Algunos glaciares alpinos pierden hasta 15 m de hielo en un solo año, por lo que los agujeros debían tener unos 30 m de profundidad para insertar estacas que pudieran durar lo suficiente como para ser útiles. Una caldera calentaba agua a más de 80 °C y una bomba la hacía circular a través de tuberías hasta una punta de taladro de metal y luego de regreso a la caldera. Se utilizó etilenglicol como aditivo anticongelante para reducir el riesgo de que el agua enfriada se congele antes de regresar a la caldera. La perforadora se probó por primera vez en el glaciar Aletsch en 1951, donde se perforaron 180 m de agujeros a una velocidad media de 13 m/h y posteriormente se utilizó ampliamente en los Alpes. En 1958 y 1959 se utilizó en el oeste de Groenlandia en la Expedición Glaciológica Internacional a Groenlandia (EGIG), parte del Año Geofísico Internacional . [57] [58]
Se hicieron una serie de intentos de perforar agujeros en el glaciar Saskatchewan y revestirlos con tubos de aluminio para estudios inclinométricos. El taladro era un punto caliente eléctrico. En 1952 se intentaron tres hoyos; todos fueron abandonados, a profundidades de 85 a 155 pies, cuando el equipo falló o el punto caliente dejó de poder penetrar más. Al año siguiente se perdió un agujero de 395 pies de profundidad, uno de los factores fue el movimiento del hielo que comprimía el agujero; en 1954 se abandonaron dos pozos más a 238 pies y 290 pies. Se colocaron tres juegos de revestimiento: en el pozo más profundo de 1952 y en los dos pozos de 1954. Una de las tuberías de 1954 se perdió debido a una fuga de agua, pero se tomaron medidas de las otras tuberías; la tubería de 1952 se volvió a inspeccionar en 1954. [59]
El Cuerpo de Ingenieros del Ejército de los EE. UU. amplió enormemente sus actividades en Alaska durante la Segunda Guerra Mundial y surgieron varias organizaciones internas para abordar los problemas que encontraron. En Boston se estableció un laboratorio de suelos, que investigó los problemas de heladas en las pistas, como parte de la División de Nueva Inglaterra del Cuerpo; se convirtió en una entidad separada a mediados de la década de 1940, llamada Frost Effects Laboratory (FEL). En enero de 1945 se estableció una División de Permafrost separada, con sede en St. Paul, Minnesota. [60] A petición de la División de Oceanografía de la Marina de los EE. UU., [61] FEL comenzó las pruebas de mecánica del hielo en 1948 con la intención de crear una división portátil. kit que podría usarse para perforar y extraer muestras de hielo y medir las propiedades del hielo en el campo. [60] [62] La Armada imaginó que el kit fuera lo suficientemente liviano como para transportarlo en un avión pequeño que pudiera aterrizar en el hielo, de modo que el kit pudiera desplegarse rápida y fácilmente. [61] El resultado fue el kit de prueba de mecánica del hielo, descrito por FEL en un artículo de 1950, que fue utilizado en el campo por la Marina y también por algunos investigadores científicos. El kit incluía una barrena capaz de producir núcleos de 3 pulgadas de diámetro. [60] [62] Los investigadores de FEL descubrieron que la base del barril sacanúcleos tenía que ser ligeramente ahusada para que los recortes se movieran hacia el exterior del barril sacanúcleos, donde podían ser transportados hacia arriba por los tramos de la barrena; sin esto, los recortes se acumularían dentro del barril sacatestigos, alrededor del núcleo, e impedirían un mayor progreso. [63] El mismo estudio también evaluó diseños de barrenas sin extracción de núcleos y determinó que un ángulo libre de 20° producía una buena acción de corte con poca fuerza hacia abajo requerida. Se encontró que tanto los bordes cortantes gruesos como los finos eran efectivos. Se descubrió que en condiciones de mucho frío, los recortes de hielo caían del sinfín a medida que se retiraba del agujero, impidiendo el progreso, por lo que se añadió un pequeño deflector cerca del borde cortante: los recortes podían pasar hacia arriba, pero No podía volver a caer sobre él. [64] [65] Cuando se descubrió que la barrena sin extracción de muestras tendía a doblarse fácilmente y atascarse en el agujero, pero que la barrena sin extracción de muestras no sufría este problema, el desarrollo de la barrena sin extracción de muestras cesó y el El kit de prueba final solo incluía el sinfín de extracción de muestras. [66]
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Mientras tanto, en 1949, se creó otra organización del ejército que se ocupaba de la nieve y el hielo: el Establecimiento de Investigación sobre Nieve, Hielo y Permafrost (SIPRE). Al principio, SIPRE tenía su sede en Washington, pero pronto se trasladó a St. Paul y luego, en 1951, a Wilmette, Illinois , en las afueras de Chicago. [67] En 1953, FEL se fusionó con la división Permafrost para formar el Laboratorio de Construcción y Efectos de las Heladas del Ártico (ACFEL). [68] En la década de 1950, SIPRE produjo una versión modificada del sinfín ACFEL; [nota 4] esta versión se conoce generalmente como barrena SIPRE. [69] [70] Fue probado en la isla de hielo T-3 en el Ártico, que fue ocupada por personal de investigación canadiense y estadounidense durante gran parte del período comprendido entre 1952 y 1955. [71] [70] La barrena SIPRE ha permanecido en uso generalizado desde entonces, a pesar del desarrollo posterior de otros sinfines que abordaron las debilidades en el diseño de SIPRE. [72] [69] La barrena produce núcleos de hasta aproximadamente 0,6 m; Son posibles recorridos más largos, pero provocan que se acumule un exceso de recortes encima del barril, lo que corre el riesgo de atascar la barrena en el agujero cuando se extrae. Originalmente fue diseñado para ser operado manualmente, pero a menudo se ha utilizado con motores. Se proporcionaron cinco varillas de extensión de 1 m con el kit de barrena estándar; Se podrían agregar más según sea necesario para agujeros más profundos. [69]
El uso de equipos de perforación rotativos convencionales para perforar hielo comenzó en 1950, y ese año varias expediciones utilizaron este método de perforación. La EPF perforó pozos de 126 my 151 m, en el Campo VI y la Estación Central respectivamente, con una plataforma rotativa, sin fluido de perforación; Se recuperaron núcleos de ambos agujeros. Se perforó un agujero de 30 m de profundidad con un émbolo de una tonelada que produjo un agujero de 0,8 m de diámetro, lo que permitió bajar a un hombre al interior del agujero para estudiar la estratigrafía. [53] [54]
La perforación térmica de Ract-Madoux y Reynaud en el Mer de Glace en 1949 fue interrumpida por grietas, morrenas o bolsas de aire, por lo que cuando la expedición regresó al glaciar en 1950 pasaron a la perforación mecánica, con un taladro rotativo motorizado que utilizaba un utilizó una barrena como broca y completó un agujero de 114 m, antes de llegar al lecho del glaciar en cuatro lugares distintos, el más profundo de los cuales tenía 284 m, una profundidad récord en ese momento. [55] [41] Las barrenas eran similares en forma a la barrena de Blümcke y Hess de principios de siglo, y Ract-Madoux y Reynaud hicieron varias modificaciones al diseño en el transcurso de su expedición. [55] [41] Los intentos de cambiar a diferentes brocas para penetrar el material de morrena que encontraron no tuvieron éxito y en estos casos se inició un nuevo agujero. Al igual que en Blümcke y Hess, una cámara de aire que no permitía que el agua limpiara los cortes de hielo era fatal para la perforación y, en la mayoría de los casos, conducía al abandono del pozo. En algunos casos fue posible eliminar un tapón de hielo inyectando agua caliente en el agujero. [73] [41] En la noche del 27 de agosto de 1950, un flujo de lodo cubrió el sitio de perforación, enterrando el equipo; Al equipo le tomó ocho días liberar el equipo y comenzar a perforar nuevamente. [74]
Una expedición a la isla de Baffin en 1950, dirigida por PD Baird del Instituto Ártico, utilizó perforación térmica y rotativa; El taladro térmico estaba equipado con dos métodos diferentes para calentar una punta de aluminio: uno, una unidad de calentamiento suministrada comercialmente y el otro diseñado para ese propósito. Se alcanzó una profundidad de 70 pies después de experimentar con diferentes enfoques. El equipo de perforación giratorio incluía una broca de extracción de muestras con dientes de sierra, con ranuras en espiral destinadas a ayudar al paso de los cortes de hielo hacia el agujero. Los núcleos se recuperaron congelados en el tubo de acero y se extrajeron calentando brevemente el tubo en los gases de escape del motor de perforación rotativa. [75]
En abril y mayo de 1950, la expedición antártica noruego-británica-sueca utilizó un taladro rotatorio sin fluido de perforación para perforar agujeros para medir la temperatura en la plataforma de hielo de Quar , hasta una profundidad máxima de 45 m. En julio se inició la perforación para obtener un núcleo de hielo profundo; El progreso se detuvo a 50 m a finales de agosto debido a las condiciones estacionales. El pozo se amplió a 100 m cuando se reanudó la perforación. Se descubrió que la broca mineral estándar se atascaba muy fácilmente con el hielo, por lo que se eliminaban todos los dientes, lo que mejoraba el rendimiento. La obtención de los núcleos de hielo aumentó en gran medida el tiempo requerido para la perforación: un recorrido de perforación típico requeriría aproximadamente una hora para bajar la sarta de perforación en el pozo, haciendo una pausa después de bajar cada tubería de perforación para atornillar otra tubería en la parte superior de la sarta. ; luego unos minutos de perforación; y luego una o más horas sacando la sarta, desenroscando cada tubo de perforación por turno. Los núcleos eran extremadamente difíciles de recuperar del barril de extracción de núcleos y eran de muy mala calidad y consistían en trozos de hielo. [53]
En 1950, Maynard Miller llevó un equipo de perforación rotativa que pesaba más de 7 toneladas al glaciar Taku y perforó múltiples agujeros, tanto para investigar el flujo glacial colocando un tubo de aluminio en un pozo como midiendo la inclinación del tubo con la profundidad a lo largo del tiempo, como lo describió el equipo de Perutz. había hecho en el Jungfraufirn, y también para medir la temperatura y recuperar núcleos de hielo, principalmente entre 150 y 292 pies de profundidad. Miller usó agua para eliminar los recortes del pozo, pero también probó la eficiencia de la perforación en un pozo seco y con varias brocas de barrena diferentes. [53] [24] [76] En 1952 y 1953, Miller utilizó un taladro manual en el glaciar Taku para perforar núcleos hasta unos pocos metros de profundidad; Se trataba de un taladro dentado sin aletas para eliminar los recortes, un diseño que se ha demostrado que es de baja eficiencia, ya que los recortes interfieren con la acción continua de perforación de los dientes. [77]
En 1956 y 1957, el Cuerpo de Ingenieros del Ejército de EE. UU. utilizó una plataforma giratoria para perforar en busca de núcleos de hielo en el Sitio 2 en Groenlandia, como parte de su Programa de Investigación y Desarrollo en Groenlandia. La perforadora se instaló en el fondo de una zanja de 4,5 m, con un mástil de 11,5 m para permitir el uso de tubos de 6 m y barriles sacatestigos. Se instaló un compresor de aire para limpiar los cortes de hielo mediante circulación de aire; producía aire que podía alcanzar una temperatura de hasta 120 °C, por lo que para evitar que las paredes del agujero y el núcleo de hielo se derritieran, se instaló un intercambiador de calor que redujo el aire a 12 °C de la temperatura ambiente. Los núcleos recuperados estaban en condiciones razonablemente buenas, y alrededor del 50% de la profundidad del núcleo arrojó núcleos intactos. A los 296 m se decidió perforar sin perforar para alcanzar más rápidamente una mayor profundidad (ya que la perforación sin perforaciones no requería ida y vuelta lenta para retirar los núcleos), y comenzar a perforar nuevamente una vez que el pozo alcanzara los 450 m. Se utilizó una broca tricónica para la perforación sin extracción de núcleos, pero pronto se atascó y no se pudo soltar. El hoyo fue abandonado a 305 m. El verano siguiente se abrió un nuevo agujero en la misma zanja, utilizando nuevamente la circulación de aire para limpiar los recortes. La vibración de la broca y del barril sacatestigos provocó que los núcleos se rompieran durante la perforación, por lo que se añadió un collar de perforación pesado a la sarta de perforación, justo encima del barril sacatestigos, lo que mejoró la calidad del núcleo. A 305 m de profundidad se detuvo la extracción de muestras y el pozo continuó hasta 406,5 m, con dos núcleos más recuperados a 352 my 401 m. [78]
Otro proyecto SIPRE, esta vez en combinación con el IGY, utilizó una plataforma rotativa idéntica a la utilizada en el Sitio 2 para perforar en la Estación Byrd en la Antártida Occidental. La perforación duró del 16 de diciembre de 1957 al 26 de enero de 1958, con revestimiento hasta 35 m y núcleos recuperados hasta 309 m. El peso total de todo el equipo de perforación fue de casi 46 toneladas. [79] En febrero de 1958, el equipo se trasladó a Little America V , donde se utilizó para perforar un agujero de 254,2 m en la plataforma de hielo de Ross, a pocos metros del fondo de la plataforma. Se utilizó nuevamente la circulación de aire para limpiar los recortes en la mayor parte del pozo, pero en los últimos metros se utilizó combustible diesel para equilibrar la presión del agua de mar y hacer circular los recortes. Cerca del fondo, el agua de mar comenzó a filtrarse hacia el agujero. La profundidad final del hoyo abierto fue de solo 221 m porque los cortes de hielo producidos al escariar el hoyo se sienten hasta el fondo y formaron un tapón de lodo que no pudo eliminarse antes del final de la temporada. [80]
Colocar estacas de ablación puede requerir la perforación de cientos de agujeros; y si se utilizan estacas cortas, es posible que sea necesario volver a perforar los agujeros periódicamente. En la década de 1950 todavía se utilizaba la perforación por percusión para algunos proyectos; Un estudio de equilibrio de masas en Hintereisferner en 1952 y 1953 comenzó con un taladro de cincel para perforar los agujeros de las estacas, pero obtuvo un taladro dentado del personal de geofísica de la Universidad de Munich que les permitió perforar 1,5 m en 10 a 15 minutos. [81]
En los veranos de 1958 y 1959, el Instituto de Geografía de la Academia de Ciencias Soviética (IGAS) envió una expedición a la Tierra de Francisco José en el Ártico ruso. La perforación se realizó con un equipo rotativo convencional, utilizando circulación de aire. Se perforaron varios agujeros, de 20 a 82 m de profundidad, en la capa de hielo de Churlyenis; Los núcleos se recuperaron en tramos de 1 ma 1,5 m, pero generalmente se dividieron en longitudes de 0,2 ma 0,8 m. La perforadora se atascó varias veces porque la condensación de la circulación del aire se congeló en las paredes del pozo. La perforadora se liberó vertiendo de 3 a 5 kg de sal de mesa en el agujero y esperando; la broca se soltó en 2 a 10 horas. [82]
En 1955, Électricité de France regresó a Mer de Glace para realizar estudios adicionales, esta vez utilizando lanzas que podían rociar agua caliente. Se estaban perforando múltiples agujeros hasta la base del glaciar; Las lanzas también se utilizaron para limpiar túneles enteros bajo el hielo, con el equipo adaptado para rociar agua caliente a través de diecisiete boquillas simultáneamente. [83]
Un equipo de la Universidad de Cambridge excavó un túnel bajo la cascada de hielo Odinsbre en Noruega en 1955, con la intención de colocar una tubería de 128 m a lo largo del túnel, con la intención de utilizar lecturas del inclinómetro desde dentro de la tubería para determinar los detalles del movimiento de la cascada de hielo a lo largo del tiempo. [84] La tubería se entregó tarde y no llegó a tiempo para ser utilizada en el túnel, que se cerró inesperadamente rápidamente, [84] [85] por lo que en 1956 se utilizó un taladro térmico para perforar un agujero para la tubería. El taladro tenía un cabezal de 5 pulgadas de diámetro, y el agua de deshielo fluía hacia el exterior del cabezal de perforación en lugar de drenarse a través de un orificio. El cabezal de perforación tenía forma de cono, lo que maximizaba el tiempo que el agua de deshielo pasaba fluyendo sobre el hielo, aumentando así la transferencia de calor al hielo. También aumentó la superficie del metal para la transferencia de calor. Dado que se sabía que los taladros electrotérmicos corrían el riesgo de fundirse cuando encontraban tierra o material rocoso, se incorporó un termostato al diseño. La funda de la cabeza de perforación era separable para que, en caso necesario, fuera más rápido el cambio del elemento calefactor. Tanto la funda como el elemento calefactor fueron fundidos en aluminio; Se consideró el cobre, pero se eliminó de la consideración porque la película de óxido de cobre que se formaría rápidamente una vez que el taladro estuviera en uso reduciría significativamente la eficiencia de la transferencia de calor. [86] En el laboratorio, la perforadora funcionó con una eficiencia del 93%, pero en el campo se encontró que las juntas de las tuberías no eran impermeables; El calentador hirvió continuamente el agua que se filtraba en la tubería y la tasa de penetración se redujo a la mitad. El taladro se instaló en una pendiente de la caída de hielo que estaba a 24° de la horizontal; el pozo estaba perpendicular a la superficie del hielo. La tasa de penetración disminuyó periódicamente durante un tiempo, pero se pudo recuperar moviendo la tubería hacia arriba y hacia abajo o girándola; Se especuló que los escombros en el hielo reducirían la tasa de penetración, y el movimiento de la tubería alentó a los escombros a fluir lejos de la cara del cabezal de perforación. Se alcanzó el lecho de roca a una profundidad de 129 pies; Se supuso que era un lecho de roca una vez que 14 horas de perforación no condujeron a ningún progreso adicional en el pozo. Al igual que ocurrió con el túnel, las expediciones posteriores no pudieron encontrar el agujero; Más tarde se descubrió que la naturaleza de la cascada de hielo era tal que el hielo en esa parte de la cascada queda enterrado por hielo adicional que cae desde arriba. [87]
Un gran depósito de cobre bajo el glaciar Salmon , en Alaska, llevó a una empresa minera, Granduc Mines, a perforar pozos exploratorios en 1956. WH Mathews, de la Universidad de Columbia Británica, convenció a la empresa para que permitiera revestir los agujeros para poder ser encuestado. Se utilizó un taladro térmico, ya que solo se podía acceder al lugar de perforación en invierno y primavera, y no habría sido fácil conseguir agua. Se perforaron un total de seis pozos; uno, a 323 m, no logró llegar al lecho de roca, pero los demás, de 495 ma 756 m, penetraron todos el glaciar. Se dejó que el punto caliente reposara en el fondo del hoyo durante una hora seguida con el cable flojo; cada hora se eliminaría el trabajo restante y se mediría el progreso. Esto llevó a un agujero demasiado torcido para continuar, y posteriormente se conectó un tramo de tubería de 20 pies al punto caliente, lo que mantuvo el pozo mucho más recto, aunque aún así se encontró que el pozo tendía a desviarse cada vez más de la vertical una vez. comenzó a desviarse. El pozo de 495 m fue el que estaba revestido con el tubo de aluminio. Las mediciones del inclinómetro se tomaron en mayo y agosto de 1956; Una visita al glaciar en el verano de 1957 descubrió que la tubería se había tapado con hielo y no se pudieron tomar más lecturas. [88]
Entre 1957 y 1962, Ronald Shreve y RP Sharp de Caltech perforaron seis agujeros en el Glaciar Azul, utilizando un diseño de perforación electrotérmica. El cabezal de perforación se fijó al fondo del tubo de aluminio y, cuando se completó la perforación, el cable que bajaba por el tubo se rompió en una junta de baja resistencia, dejando el taladro en el fondo del agujero, lo que resultó en un agujero revestido con el tubo. Las tuberías fueron inspeccionadas con un inclinómetro tanto durante la perforación como en los años siguientes. Cuando se inspeccionaban, con frecuencia se encontraba que las tuberías estaban obstruidas con hielo, por lo que se diseñó un pequeño punto caliente que podía descender dentro de la tubería para descongelar el hielo y poder tomar lecturas del inclinómetro. [89] Posteriormente, Kamb y Shreve perforaron agujeros adicionales en el Glaciar Azul para rastrear la deformación vertical, suspendiendo un cable de acero en el agujero en lugar de revestirlo con una tubería. En los años siguientes, para tomar lecturas del inclinómetro, volvieron a perforar el agujero con un diseño de taladro térmico que seguía el cable. Este enfoque permitió una resolución más fina de los detalles de la deformación que la que era posible con una tubería. [90]
A principios de la década de 1950, Henri Bader, entonces en la Universidad de Minnesota , se interesó en la posibilidad de utilizar la perforación térmica para obtener núcleos de agujeros a miles de metros de profundidad. Lyle Hansen le advirtió que se necesitaría alto voltaje para evitar la pérdida de energía, y esto significaba que sería necesario diseñar un transformador para el taladro, y Bader contrató a un ingeniero eléctrico para desarrollar el diseño. Estuvo sin uso hasta que en 1958, con Bader y Hansen trabajando en SIPRE, Bader obtuvo una subvención de la NSF para desarrollar una perforadora de extracción de muestras térmica. [91] [92] Fred Pollack fue contratado como consultor para trabajar en el proyecto, y Herb Ueda , que se unió a SIPRE a finales de 1958, se unió al equipo de Pollack. [91] El diseño original del transformador se utilizó en el nuevo taladro, [92] que incluía un barril sacanúcleos de 10 pies de largo, pesaba 900 libras y tenía 30 pies de largo. [93] Fue probado de julio a septiembre de 1959 en Groenlandia, en Camp Tuto , cerca de la base aérea de Thule , pero sólo perforó un total de 89 pulgadas en tres meses. Pollack se fue cuando el equipo regresó de Groenlandia y Ueda asumió el liderazgo del equipo. [91]
En 1958, el equipo de Cambridge que había colocado un tubo en la cascada de hielo de Odinsbre en 1956 regresó a Noruega, esta vez para colocar un tubo en el glaciar Austerdalsbre . Un defecto del taladro Odinsbre fue el desperdicio de calor gastado en el agua que se acumulaba en la tubería; Se pensó que era impracticable evitar que entrara agua en la tubería, por lo que el nuevo diseño incluía una cámara hermética detrás del elemento calefactor para separarlo del agua que pudiera acumularse. Como antes, se incluyó un termostato. La perforadora funcionó con total éxito, con una tasa de penetración promedio de poco menos de 6 m/h. Cuando el pozo alcanzó los 397 m, se detuvo la perforación, ya que esa era la longitud del tubo disponible, aunque no se había alcanzado el lecho de roca. [94] El verano siguiente se perforaron dos agujeros más en Austerdalsbre, utilizando taladros adaptados del año anterior. Los nuevos cabezales de perforación tenían 3,2 pulgadas y 3,38 pulgadas de diámetro y los diseños eran similares: una funda permitía un reemplazo más fácil del elemento y se incluía un termostato. Detrás del cabezal de perforación se colocaron 32,5 pies de tubo de aluminio, con discos metálicos de 3,2 pulgadas de diámetro atornillados en el punto medio y en el extremo superior. Esto logró mantener el pozo recto. La perforadora de 3,2 pulgadas se utilizó a una profundidad de 460 pies, momento en el que una fuga de agua dañó el cabezal de perforación. La perforación de 3,38 pulgadas llevó el pozo a 516 pies, pero el progreso se volvió extremadamente lento, probablemente debido a los escombros en el hielo, y el pozo fue abandonado. Se inició un segundo pozo con la perforadora de 3,38 pulgadas y alcanzó con éxito el lecho de roca a 327 pies, pero el termostato falló y después de algunas dificultades se retiró la perforadora del pozo y se descubrió que la fundición de aluminio se había derretido y la parte inferior de la La cabeza de perforación permaneció en el agujero. [95]
Una expedición canadiense al glaciar Athabaska en las Montañas Rocosas canadienses en el verano de 1959 probó tres simulacros térmicos. El diseño se basó en el diseño del taladro de RL Shreve y utilizó un elemento calefactor comercial originalmente destinado a cocinas eléctricas. Se adquirieron tres de estos puntos calientes; dos se cortaron a longitudes de 19 ohmios y uno a 16 ohmios. Fueron enrollados en hélices y fundidos en cobre antes de ensamblarlos en una forma que pudiera usarse para perforar. El taladro estaba hecho de un tubo con un diámetro exterior de 2 pulgadas y una longitud de 48 pulgadas. La temperatura máxima de diseño para la funda de acero del calentador fue de 1500 °F; Como se determinó que la temperatura de funcionamiento normal estaría muy por debajo de esta, la potencia se aumentó a más de 36 vatios por pulgada. [96]
El taladro de 16 ohmios se quemó a 60 pies de profundidad; se descubrió que se había sobrecalentado. Uno de los taladros de 19 ohmios falló en una de las uniones soldadas del taladro con el cable que conduce a la superficie. El otro perforó dos pozos, a 650 pies y 1024 pies, alcanzando una velocidad máxima de perforación de 11,6 m/h. La eficiencia del taladro fue de aproximadamente el 87% (con una eficiencia del 100% definida como la tasa obtenida cuando toda la energía se dedica a derretir el hielo). Además, se montaron en el campo otras dos perforadoras hotpoint, con un diseño diferente. Se perforaron un total de cinco pozos; los otros dos pozos alcanzaron 250 pies y 750 pies [97]
El muestreador de nieve federal fue perfeccionado a principios de la década de 1960 por C. Rosen, quien diseñó una versión que producía consistentemente estimaciones más precisas de la densidad de la nieve que el muestreador de nieve federal. Los muestreadores de mayor diámetro producen resultados más precisos, y se ha descubierto que los muestreadores con diámetros internos de 65 a 70 mm no presentan los problemas de sobremedición de los muestreadores más estrechos, aunque no son prácticos para muestras de más de 1,5 m aproximadamente. [38]
Una colaboración europea entre el Comitato Nazionale per l'Energia Nucleare italiano , la Comunidad Europea de la Energía Atómica y el Centre National de Recherches Polaires de Belgique envió una expedición a la Costa Princesa Ragnhild , en la Antártida, en 1961, utilizando una plataforma giratoria con circulación de aire. El equipo funcionó bien en las pruebas realizadas en el glaciar du Géant en los Alpes en octubre de 1960, pero cuando comenzaron las perforaciones en la Antártida en enero de 1961, el progreso fue lento y los núcleos recuperados se rompieron y parcialmente se fundieron. Después de cinco días el agujero sólo había alcanzado los 17 m. Las dificultades parecen haber sido causadas por la pérdida de circulación de aire en la primera capa. Se inició un nuevo pozo utilizando como cabeza de perforación el sinfín SIPRE; esto funcionó mucho mejor y en cuatro días se alcanzó una profundidad de 44 m con una recuperación casi completa del núcleo. El casing se ajustó a 43 m y la perforación continuó con circulación de aire, con un taladro dentado y crestas soldadas a los lados del barril sacatestigos para aumentar el espacio alrededor del barril para la circulación de aire. La perforación tuvo éxito hasta 79 m, y luego los núcleos se fracturaron gravemente. El barril sacatestigos se atascó a 116 my fue abandonado, poniendo fin a la perforación de la temporada. [82]
Edward LaChapelle de la Universidad de Washington inició un programa de perforación en el Glaciar Azul en 1960. Se desarrolló una perforación térmica utilizando un elemento calefactor de carburo de silicio; fue probado en 1961 y utilizado en 1962 para perforar veinte agujeros en el Glaciar Azul. Seis fueron abandonados cuando el pozo encontró cavidades en el hielo y cinco fueron abandonados debido a dificultades técnicas; en tres casos se perdió el taladro. Los agujeros restantes continuaron hasta llegar a material sin hielo; en la mayoría de los casos se supuso que era un lecho de roca, aunque en algunos casos la perforación pudo haber sido detenida por escombros en el hielo. El elemento de carburo de silicio (tomado de un calentador de horno eléctrico estándar) estaba en contacto directo con el agua. El taladro se construyó para permitir el reemplazo rápido de los elementos calefactores en el campo, lo que resultó ser necesario ya que los elementos calefactores se deterioraban rápidamente en el terminal negativo cuando funcionaban bajo el agua; por lo general, sólo se podían perforar entre 5 y 8 m antes de que fuera necesario reemplazar el elemento. La velocidad de perforación fue de 5,5 a 6 m/h. El pozo más profundo perforado fue de 142 m. [98]
En 1962 se utilizó otro taladro térmico sobre el Glaciar Azul , esta vez capaz de tomar testigos, diseñado por un equipo de Cal Tech y de la Universidad de California. El objetivo del diseño era permitir a los glaciólogos obtener núcleos de agujeros más profundos que los que se podrían perforar con barrenas como la diseñada por SIPRE, con equipos suficientemente portátiles para ser prácticos en el campo. Un taladro térmico se consideraba más sencillo que un taladro electromecánico y facilitaba el registro de la orientación de los núcleos; También se sabía que los taladros térmicos funcionaban bien en hielo templado saturado de agua. La perforadora alcanzó el lecho del glaciar en septiembre de 1962 a una profundidad de 137 m a una velocidad de aproximadamente 1,2 m/h; obtuvo un total de dieciséis núcleos y se utilizó en alternancia con una perforadora térmica sin núcleos capaz de perforar 8 m/h. [99]
La primera plataforma de perforación de percusión diseñada específicamente para perforar hielo fue probada en 1963 en las montañas del Cáucaso por el Instituto Soviético de Geografía. La plataforma utilizó un martillo para clavar un tubo en el hielo, ganando normalmente unos centímetros con cada golpe. El hoyo más profundo logrado fue de 40 m. En 1966 se probó una plataforma modificada en el glaciar Karabatkak, en Terskei Alatau, en lo que entonces era la República Socialista Soviética de Kirguistán , y se perforó un pozo de 49 m. Ese año se probó otro equipo de percusión con herramientas de cable en el Cáucaso, en el glaciar Bezengi , con un agujero que alcanzaba los 150 m. En 1969, se utilizó una herramienta de cable estadounidense que utilizaba perforación electrotérmica y de percusión en el Glaciar Azul de Washington; Se utilizó la broca térmica hasta que se volvió ineficaz y luego se intentó la percusión, aunque se descubrió que sólo era marginalmente efectiva, particularmente en el hielo cerca de la base del glaciar, que incluía escombros rocosos. En Groenlandia, en 1966 y 1967, se intentó utilizar la perforación por percusión rotatoria para perforar hielo, tanto vertical como horizontalmente, pero nuevamente los resultados fueron decepcionantes, con una penetración lenta, particularmente en los agujeros verticales. [100]
En 1967 se probó en la estación McMurdo de la Antártida una plataforma de perforación rotativa que utilizaba agua de mar como fluido circulante, con una barrena de cara abierta y una barrena sacatestigos. Ambas brocas funcionaron bien y el agua de mar fue eficaz para eliminar los recortes. [101] Las pruebas de perforación fueron realizadas por el Laboratorio de Ingeniería Civil de la Marina de los EE. UU. y tenían como objetivo establecer métodos adecuados para los trabajos de construcción en regiones polares. [102]
Un estudio del Hintereisferner a principios de la década de 1960 requirió colocar estacas en agujeros perforados a mano para medir la pérdida de hielo. Como se podían perder hasta 7 metros de hielo al año, a veces era necesario volver a perforar los agujeros a mitad del año. Para evitar esto, F. Howorka desarrolló un taladro de vapor manual. Se utilizaron dos mangueras, una dentro de la otra, para reducir la pérdida de calor, y en el extremo de la manguera interior se conectó un tubo guía de 2 m de largo para mantener el pozo recto. Se utilizó una varilla de latón como punta de perforación; la manguera interior pasaba a través del tubo y la varilla y se colocó una boquilla en el extremo de la varilla. La perforadora pudo perforar un pozo de 8 m en 30 minutos; un cartucho de butano duró unos 110 minutos, lo que permitió perforar tres agujeros. [103]
Steven Hodge diseñó a finales de los años 60 un taladro de vapor portátil para colocar estacas de ablación. La Oficina de Proyectos Glaciares de la División de Recursos Hídricos del Servicio Geológico de Estados Unidos había obtenido un taladro de vapor noruego basado en el diseño de Howorka de 1965 para plantar estacas en el glaciar South Cascades en Washington; Hodge tomó prestado el taladro para instalar estacas de ablación en el glaciar Nisqually, pero descubrió que era demasiado frágil y difícil de manejar para llevarlo al glaciar con una mochila. [104] El diseño de Hodge utilizó propano y tomó la forma de una caja de aluminio, con el tanque de propano en la parte inferior y la caldera encima. Se podría extender una chimenea desde el taladro para mejorar la ventilación, y una abertura lateral ventilaba los gases del quemador. Al igual que en el diseño de Howorka, se utilizaron una manguera interior y una exterior con fines de aislamiento. Las pruebas revelaron que un simple orificio delantero en la boquilla no daba los resultados más eficientes; Se hicieron agujeros adicionales en la boquilla para distribuir el rocío uniformemente sobre la superficie del hielo. [105] Se construyeron dos copias del simulacro; uno se utilizó en el glaciar South Cascades en 1969 y 1970 y en los glaciares Gulkana y Wolverine en Alaska en 1970; el otro fue utilizado por Hodge en el glaciar Nisqually en 1969, en el hielo marino de Barrow, Alaska en 1970 y en el glaciar Blue en 1970. Las velocidades de perforación típicas eran de 0,55 m/min, con un diámetro de perforación de 1 pulgada. Se probó una boquilla de 2 pulgadas de diámetro; perforó a 0,15 m/min. Fue eficaz en hielo con inclusiones de arena y rocas. En condiciones árticas, con temperaturas del aire inferiores a -35 °C, se descubrió que el vapor se enfriaba hasta convertirse en agua y formaba un tapón de hielo antes de llegar a la punta del taladro, pero esto podría evitarse haciendo funcionar el taladro en interiores para calentar primero el equipo. . [106]
En 1961, ACFEL y SIPRE se combinaron para formar una nueva organización, el Laboratorio de Ingeniería e Investigación de Regiones Frías (CRREL). [107] Posteriormente, el personal de CRREL realizó algunas modificaciones menores a la barrena SIPRE, por lo que a veces la barrena también se conocía como barrena CRREL. [72]
El proyecto de perforación térmica SIPRE regresó a Camp Tuto en 1960, logrando unos 40 pies de penetración con la perforación revisada. El proyecto se trasladó a Camp Century de agosto a diciembre de 1960, regresando en 1961, cuando lograron alcanzar más de 535 pies, momento en el que el taladro se atascó. En 1962 se hicieron intentos infructuosos para recuperar la perforadora, por lo que se inició un nuevo pozo, que alcanzó los 750 pies. El pozo fue abandonado al perderse parte del taladro. En 1963, la perforación térmica alcanzó unos 800 pies y el pozo se amplió a 1755 pies en 1964. [108] Para evitar el cierre del pozo, se utilizó una mezcla de combustible diesel y tricloroetileno como fluido de perforación. [93]
Los continuos problemas con la perforadora térmica obligaron a CRREL a abandonarla en favor de una perforadora electromecánica por debajo de los 1755 pies. Fue difícil eliminar el agua de deshielo del pozo y esto, a su vez, redujo la transferencia de calor desde el elemento calefactor anular. Hubo problemas de rotura de los conductores eléctricos del cable de suspensión blindado y de fugas en el sistema de cabrestante hidráulico. El fluido de perforación causó la dificultad más grave: era un solvente fuerte y eliminaba un compuesto inhibidor de la oxidación utilizado en el cable. El residuo de este compuesto se depositó en el fondo del agujero, impidiendo la fusión y obstruyendo la bomba que eliminaba el agua derretida. [93]
Para continuar perforando en Camp Century, CRREL utilizó un taladro electromecánico suspendido por cable. La primera perforadora de este tipo había sido diseñada para la perforación de minerales por Armais Arutunoff ; Fue probado en 1947 en Oklahoma, pero no funcionó bien. [109] [110] CRREL compró una unidad reacondicionada de Arutunoff en 1963 por $ 10,000. [109] [110] [111] y lo llevó a las oficinas de CRREL en Hanover, New Hampshire. [109] [110] Fue modificado para perforar en hielo y llevado a Camp Century para la temporada de 1964. [109] [110] El taladro no necesitaba un dispositivo antitorque; El cable blindado estaba formado por dos cables, cada uno retorcido en direcciones opuestas, de modo que si el cable comenzaba a retorcerse proporcionaba su propio antitorque. [112] Para eliminar los recortes, se añadió etilenglicol al agujero en cada viaje; esto disolvió los trozos de hielo y el achicador, con etilenglicol diluido, se vació en cada regreso a la superficie. [113] [114] La perforación continuó durante los dos años siguientes, y en junio de 1966, el taladro EM extendió el agujero hasta el fondo de la capa de hielo a 1387 m, perforando a través de una banda limosa a 1370 m de profundidad y luego extendiendo el agujero debajo. el hielo a 1391 m. El material subglacial incluía una mezcla de rocas y labranza congelada, y tenía entre un 50% y un 60% de hielo. Se tomaron mediciones con inclinómetros, y cuando el agujero fue excavado y reabierto en 1988, nuevas mediciones con inclinómetros permitieron determinar la velocidad del flujo de hielo a diferentes profundidades. Se descubrió que los 229 m inferiores del hielo, que data de la glaciación de Wisconsin , se movían cinco veces más rápido que el hielo que se encontraba encima, lo que indica que el hielo más antiguo era mucho más blando que el hielo de arriba. [112]
En 1963, CRREL construyó una perforadora térmica poco profunda para el Departamento de Minas y Estudios Técnicos de Canadá . El taladro fue utilizado por WSB Paterson para perforar la capa de hielo de la isla Meighen en 1965, y los comentarios de Paterson llevaron a dos versiones revisadas del taladro construido en 1966 para la Expedición Nacional de Investigación Antártica de Australia (ANARE) y el Programa de Investigación Antártica de EE. UU. El taladro fue diseñado para ser utilizado tanto en glaciares templados como en regiones polares más frías; Las velocidades de perforación en hielo templado llegaron a 2,3 m/h, y hasta 1,9 m/h en hielo a 28 °C. La perforadora pudo obtener un núcleo de 1,5 m en una sola pasada, con una cámara encima del cilindro sacatestigos para contener el agua derretida producida por la perforadora. [115] En la temporada de perforación antártica 1967-1968, CRREL perforó cinco pozos con este diseño; cuatro a una profundidad de 57 m, y uno a 335 m. Los núcleos se rompieron entre 100 y 130 m, y eran de mala calidad por debajo, con numerosas fracturas horizontales espaciadas aproximadamente 1 cm. [115] [116]
Una dificultad con la perforación suspendida por cable es que, dado que la perforadora debe descansar en el fondo del pozo con algo de peso para que el método de perforación (térmico o mecánico) sea efectivo, existe una tendencia a que la perforadora se incline hacia un lado, lo que hace que a un agujero que se desvía de la vertical. A mediados de la década de 1960, Haldor Aamot de CRREL propuso dos soluciones a este problema. Un enfoque, concebido en 1964, se basó en la idea de que un péndulo volverá naturalmente a una posición vertical, porque el centro de gravedad está debajo del punto en el que se apoya. El diseño tiene un punto caliente en la parte inferior del taladro con un diámetro determinado; Más arriba del taladro, en un punto por encima del centro de gravedad, hay un punto caliente construido como un anillo anular alrededor del cuerpo del taladro. En funcionamiento, el punto caliente superior, al ser más ancho que el inferior, se apoya en el borde del pozo formado por el punto caliente inferior y lo funde gradualmente. La potencia relativa suministrada a los dos puntos calientes controla la proporción de peso en reposo en cada punto. En CRREL se construyó una versión de prueba de la perforadora con un diámetro de 4 pulgadas y se descubrió que devolvía rápidamente el pozo a la posición vertical cuando se iniciaba en un pozo deliberadamente inclinado. [117] Aamot también desarrolló un taladro que resolvió el problema aprovechando el hecho de que los taladros térmicos operan sumergidos en el agua que derriten. Añadió una sección larga sobre el punto caliente que flotaba en el wanter, proporcionando una fuerza hacia la vertical cada vez que el taladro estaba completamente sumergido. Cinco de estos taladros fueron construidos y probados en el campo en agosto de 1967; Las profundidades de los pozos oscilaron entre 10 ma 62 m. Todas las perforaciones se perdieron al cerrar el pozo, ya que se pensaba que el hielo estaba a unos pocos grados bajo cero; Se consideró el uso de un aditivo anticongelante en el pozo, pero no se intentó. [118]
Karl Philberth sugirió una tercera solución a la cuestión para su uso en sondas térmicas , que penetran en el hielo como lo hace un taladro térmico, extendiendo un cable detrás de ellas, pero que permiten que el hielo se congele detrás de ellas, ya que el objetivo es colocar un sonda profundamente en el hielo sin esperar recuperarlo. Para las sondas destinadas a hielo muy frío, las paredes laterales de la sonda también se calientan para evitar que la sonda se congele en su lugar y, en estos casos, se necesita una estabilización vertical adicional. Philberth sugirió utilizar una capa horizontal de mercurio justo encima del punto caliente; Si la sonda se inclinara alejándose de la vertical, el mercurio fluiría hacia el lado más bajo del taladro, proporcionando transferencia de calor desde el punto caliente sólo hacia ese lado, y acelerando el calentamiento en ese lado, lo que tendería a invertir la inclinación de la vertical. pozo. El enfoque se probó con éxito en el laboratorio para tiradas cortas de sondas. [119] [120]
En diciembre de 1967, comenzaron las perforaciones en la estación Byrd en la Antártida; Al igual que en Camp Century, el pozo se inició con la perforadora térmica CRREL, pero tan pronto como se colocó el revestimiento, a 88 m, la perforadora electromecánica tomó el relevo. El pozo se amplió a 227 m en la temporada de perforación 1967-1968. El equipo regresó al hielo en octubre y el taladro estuvo en funcionamiento las 24 horas del día, alcanzando una profundidad de 770 m el 30 de noviembre. Después de que el hoyo alcanzó los 330 m, mostró una desviación persistente y creciente de la vertical, que el equipo no pudo revertir. A finales de 1968, el agujero estaba a 11° de la vertical. La perforación continuó hasta el fondo de la capa de hielo, que se alcanzó a finales de enero a 2.164 m, punto en el que la inclinación era de 15°. Se recuperaron núcleos de toda la longitud del pozo y eran de buena calidad, aunque los núcleos de entre 400 my 900 m eran frágiles. Fue imposible obtener una muestra del material debajo del hielo; Los repetidos intentos finalmente fueron abandonados por temor a perder el ejercicio. La temporada siguiente se hicieron más intentos, pero el taladro se atascó y hubo que cortar el cable, abandonándose el taladro. Las mediciones del inclinómetro en el agujero durante los siguientes 20 años revelaron que había más deformación en el hielo por debajo de los 1200 m de profundidad, correspondientes a la glaciación de Wisconsin, que por encima de ese punto. [121] [122]
Japón empezó a enviar expediciones de investigación a la Antártida en 1956; En el programa general de investigación, la Expedición Japonesa de Investigación Antártica (JARE) nombró la expedición de cada año con un número que comenzaba con JARE 1. [123] Los proyectos de perforación no se incluyeron en ninguna de las expediciones hasta más de una década después, en parte porque Japón no tenía una estación de investigación. en la Antártida. [124] En mayo de 1965, un grupo de glaciólogos propuso un programa para las expediciones de 1968 a 1972 que incluía algunas perforaciones; pero debido a limitaciones de recursos, JARE decidió posponer el programa de perforación hasta 1971, y JARE 11 estableció un depósito en Mizuho en 1970. [125] En preparación, se diseñaron y construyeron dos perforadoras. [124] JARE 140, diseñado por Yosio Suzuki, se basó en planos del taladro térmico CRREL, aunque las dificultades para obtener materiales llevaron a múltiples cambios en el diseño. [124] [126] El otro, diseñado por T. Kimura, el jefe del equipo de perforación JARE 12, fue el primer taladro de barrena electromecánico jamás construido. [127] [128] [129] JARE XI instaló un depósito en Mizuho en julio de 1970, y en octubre de 1971 JARE XII comenzó a perforar con el nuevo taladro eléctrico. [124] Resultó tener muchos problemas; las aletas de la barrena no movieron eficazmente las virutas hacia arriba hasta la mitad superior del barril sacatestigos donde debían almacenarse, y como no había ningún barril exterior rodeando la barrena, las virutas con frecuencia obstruían el espacio entre la perforadora y la pared del pozo. sobrecargar el motor, a veces después de sólo 20 o 30 cm de avance. El taladro también tenía poca potencia (100 W). Se atascó a 39 m de profundidad y los intentos de recuperarlo provocaron la pérdida del taladro cuando el cable se desprendió de la abrazadera del taladro. La perforadora térmica, JARE 140, se utilizó para perforar 71 m ese noviembre, pero también se perdió en el pozo. [124] [128] Al año siguiente, JARE XIII tomó un taladro térmico, JARE 140 Mk II; Los planes para adquirir un nuevo taladro eléctrico tuvieron que abandonarse porque resultó imposible encontrar un mecanismo de reducción de engranajes adecuado para solucionar el problema de energía. [129] El 140 Mk II alcanzó los 105 m el 14 de septiembre de 1972 y luego se atascó; se liberó vertiendo 60 litros de anticongelante en el agujero. La bomba resultó dañada; se reemplazó y se reinició la perforación en noviembre, alcanzando 148 m el 14 de noviembre, momento en el que la perforadora volvió a atascarse y fue abandonada. Los problemas con estos taladros, causados en parte por las bajas temperaturas de la temporada, llevaron a los planificadores de JARE a decidir perforar más tarde en el verano austral y realizar pruebas de campo adicionales antes de volver a perforar en la Antártida. [124]
Un equipo islandés que perforó en busca de núcleos en el glaciar Vatnajökull en 1968 y 1969, utilizando un taladro térmico, descubrió que no podían penetrar por debajo de los 108 m, probablemente debido a una gruesa capa de ceniza en el glaciar. También les preocupaba la posibilidad de que el agua de deshielo del núcleo térmico contaminara la proporción isotópica del núcleo que recuperaron a profundidades menores. Diseñaron dos simulacros para abordar estas preocupaciones. Uno era el sinfín de extracción de muestras SIPRE, con un motor eléctrico acoplado en la parte superior del pozo; esto amplió la profundidad a la que era efectiva la barrena de 5 ma 20 m. El otro diseño nuevo fue una simplificación del taladro suspendido por cable CRREL. Tenía paletas helicoidales para transportar los trozos de hielo a un compartimiento de almacenamiento encima del barril sacatestigos y estaba diseñado para funcionar sumergido en agua, ya que la experiencia de años anteriores había encontrado agua en el pozo desde 34 m. La perforadora se utilizó en el verano de 1972 en el glaciar Vatnajökull y penetró las capas de ceniza sin dificultad, pero hubo problemas porque la perforadora se atascó al final del recorrido, probablemente debido a que los trozos de hielo se congelaron en el espacio entre la pared del agujero y el barril de perforación. La broca se liberó aplicando tensión al cable en estos casos, y para limitar el problema se inició cada corrida con una bolsa de alcohol isopropílico atada dentro del núcleo; la bolsa estalló cuando comenzó la perforación y el alcohol, mezclado con agua en el pozo, actuó como anticongelante. La perforación se detuvo a 298 m cuando el cable resultó dañado; Se obtuvo del CRREL un nuevo cable de 425 m de largo, pero esto sólo permitió que el agujero alcanzara los 415 m, que no era lo suficientemente profundo para llegar al lecho del glaciar. [130] [131] [132]
JARE regresó al campo en 1973 con un nuevo taladro electromecánico (Tipo 300) construido por Yosio Suzuki, del Instituto de Ciencias de Baja Temperatura de la Universidad de Hokkaido , y un taladro térmico (JARE 160). Dado que la Universidad de Nagoya tenía previsto obtener núcleos de hielo en la isla de hielo T-3 , en septiembre se probaron allí los taladros y se obtuvieron con el taladro térmico varios núcleos de 250 mm de diámetro. El electroperforador se modificó para solucionar los problemas encontrados durante las perforaciones de prueba y también se construyeron dos versiones revisadas del perforador térmico (JARE 160A y 160B), para su uso en la temporada de perforación antártica de 1974-1975. [133]
En 1977, JARE se acercó a Yosio Suzuki, que había participado en las perforaciones de JARE a principios de los años 1970, y le pidió que diseñara un método para colocar 1,5 m 3 de dinamita por debajo de 50 m en la capa de hielo de la Antártida, con el fin de realizar algunos estudios sísmicos. Suzuki diseñó dos perforadoras, ID-140 e ID-140A, para perforar pozos de 140 mm de diámetro, destinados a alcanzar 150 m de profundidad. La característica más inusual de estas perforadoras era su mecanismo antitorque, que consistía en un sistema de engranajes en espiral que transfería el movimiento giratorio a pequeñas brocas de corte que cortaban ranuras verticales en la pared del pozo. Las aletas del taladro situadas encima de estos cortadores laterales encajan en las ranuras, impidiendo la rotación del taladro. La única diferencia entre los dos modelos era el sentido de rotación de las cuchillas laterales: en el ID-140 el filo de las brocas cortaba hacia arriba en la pared del pozo; en ID-140A el borde cortado hacia abajo. [134] [135] Las pruebas de estos taladros en un laboratorio frío a finales de 1978 revelaron que el cañón exterior no estaba perfectamente recto; la desviación era lo suficientemente grande como para hacer imposible perforar sin una carga pesada. La camisa fue reemplazada por una camisa de acero maquinada, pero pruebas posteriores dejaron claro que el sinfín no era efectivo para transportar las virutas hacia arriba. Se fabricó una tercera camisa, laminada con una fina lámina de acero, y el taladro se envió a la Antártida con JARE XX para la temporada de perforación 1978-1979; esta chaqueta era demasiado débil y se aplastó en la primera perforación, por lo que se tuvo que utilizar la segunda chaqueta. A pesar del escaso espacio libre para los recortes, se perforó un pozo de 63 m de profundidad, pero a esa profundidad la perforadora se atascó en el pozo cuando las aletas antitorque perdieron su alineación con las ranuras cortadas para ellas. [136] [137] En 1979, Kazuyuko Shiraishi fue designado para dirigir el programa de perforación JARE 21 y trabajó con Suzuki para construir y probar un nuevo taladro, ILTS-140, para intentar mejorar el transporte de virutas. El barril para la broca de prueba estaba hecho de un tubo formado a partir de una chapa de acero, lo que resolvió inmediatamente el problema: la costura formada por la unión de los bordes de la chapa actuaba como una nervadura para impulsar los recortes hacia las alas del sinfín. En retrospectiva, para Suzuki y Shiraishi era evidente que la tercera chaqueta construida para el ID-140 habría resuelto el problema si hubiera sido lo suficientemente resistente, ya que también tenía una costura longitudinal. [136] [137]
En 1970, en respuesta a la necesidad percibida de nuevos equipos para perforación de núcleos superficiales e intermedios, se iniciaron tres proyectos de desarrollo en CRREL, la Universidad de Copenhague y la Universidad de Berna. Los simulacros resultantes se conocieron como simulacro Rand, simulacro Rufli y simulacro de la Universidad de Copenhague (o UCPH). [111] [138] Las perforadoras Rand y Rufli se convirtieron en el modelo para un mayor desarrollo de perforadoras poco profundas, y las perforadoras basadas en su diseño a veces se denominan perforadoras Rufli-Rand. [127]
A principios de la década de 1970, John Rand de CRREL desarrolló un taladro de barrena poco profundo; a veces se le conoce como taladro Rand. Fue diseñado para extraer muestras de pinos y hielo hasta 100 m, y se probó por primera vez en 1973 en Groenlandia, en Milcent, durante la temporada de campo de verano del GISP. Las pruebas dieron lugar a revisiones del motor y del sistema antitorque, y en la temporada de campo del GISP de 1974, la perforadora revisada se probó nuevamente en Crête, Groenlandia. Se obtuvo un núcleo de 100 m en buenas condiciones y luego se envió la perforadora a la Antártida, donde se obtuvieron dos núcleos más de 100 m en noviembre de ese año, en el Polo Sur y luego en J-9 en la Plataforma de Hielo de Ross. Los núcleos de J-9 eran de peor calidad y sólo se recuperó aproximadamente la mitad del núcleo en J-9 por debajo de 75 m. El taladro se utilizó ampliamente en la Antártida durante los años siguientes, hasta después de la temporada de verano austral de 1980-1981. Después de esa fecha, el taladro PICO 4 pasó a ser el taladro elegido para los proyectos estadounidenses. [139] [140] [141]
En la década de 1970 se desarrolló otra perforadora basada en el diseño del sinfín de extracción de muestras SIPRE en el Instituto de Física de la Universidad de Berna; El taladro se conoce como el "taladro Rufli", en honor a su diseñador principal, Henri Rufli. Al igual que con el taladro islandés, el objetivo era construir un taladro motorizado capaz de ampliar el alcance del sinfín SIPRE; El objetivo era perforar rápidamente hasta 50 m con un taladro liviano que pudiera transportarse rápida y fácilmente a los lugares de perforación. [142] [143] El barril sacatestigos en el diseño final se parecía al sinfín de extracción de muestras SIPRE, pero era 2 m más largo; El peso combinado de esta sección y las secciones de motor y antipar superiores era de sólo 150 kg, y el componente individual más pesado pesaba sólo 50 kg. Recuperó núcleos de entre 70 cm y 90 cm de longitud, con los trozos de hielo capturados por agujeros en los lados del barril sobre el núcleo. [144] El sistema se probó inicialmente en 1973, en Dye 2, en Groenlandia; el cabrestante aún no estaba terminado y hubo problemas con la sección de extracción de muestras, por lo que se sustituyó el sinfín SIPRE durante la duración de la prueba. Con este equipo se perforó un pozo de 24 m. En febrero de 1974 se probó una nueva versión del barril sacatestigos en el Jungfraujoch hundiéndolo manualmente en la nieve, y en marzo se probaron todos los componentes excepto el cabrestante eléctrico en Plaine Morte , en los Alpes. Ese verano, la perforadora fue llevada a Groenlandia y perforó pozos en Summit (19 m), Crête (23 my 50 m) y Dye 2 (25 my 45 m). [145] [142]
Poco después de que se probara la perforadora Rufli, se construyó otra perforadora de barrena en la Universidad de Berna; el taladro UB-II era más pesado que el taladro Rufli, con un peso total de 350 kg. [nota 5] Se utilizó en Groenlandia en 1975 para perforar cuatro núcleos, en Dye 3 (donde se perforó el pozo más profundo, a 94 m), South Dome y en la capa de hielo Hans Tausen. Se recuperaron dos núcleos más en Colle Gnifetti, en los Alpes, en 1976 y 1977, y la perforadora regresó a Groenlandia al año siguiente, extrayendo muestras de 46 my 92 m en el Campo III. En marzo-abril de 1979 se volvió a utilizar en los Alpes, en Vernagtferner, donde se perforaron tres pozos con una profundidad máxima de 83 m. Luego, la perforadora fue llevada a la estación soviética de Vostok, y un equipo de PICO perforó dos pozos de 100 my 102 m. [146]
El Proyecto de la Plataforma de Hielo Ross, que comenzó en 1973, utilizó un taladro con cable en 1976 para intentar perforar cuatro agujeros en la Plataforma, a partir de octubre. Tuvieron problemas repetidos con el overshot (la herramienta descendió sobre el cable para recuperar y reemplazar el barril sacatestigos); se soltó accidentalmente tres veces antes de ser bajado al fondo del agujero. Después del tercer incidente, el equipo pasó a perforar en pozo descubierto hasta 147 m antes de cambiar a un nuevo pozo, utilizando la perforadora térmica CRREL. Este pozo fue perforado a 330 m antes de cerrarse y atrapar la barrena. El equipo había creído que se podía perforar un agujero abierto a esta profundidad sin cerrarlo, pero después de la pérdida de la perforadora decidió que en el futuro habría que hacer intentos con fluido en el agujero para equilibrar la presión del hielo. En enero de 1977, se utilizó otro sistema de perforación con cable para perforar hasta 171 m cuando terminó la temporada de perforación, utilizando un fluido de perforación que consistía en combustible diesel ártico mezclado con tricloroetileno cuando el pozo alcanzó los 100 m. [147] [148]
A finales de los años 1970 se desarrollaron dos ejercicios en la Universidad de Copenhague. Uno de ellos era un taladro de barrena poco profundo, desarrollado como parte de la participación danesa en el Proyecto de la Capa de Hielo de Groenlandia (GISP). Esta perforadora, conocida como perforadora poco profunda UCPH, tenía un peso total de 300 kg y podía transportarse en un solo trineo. Podría ser operado por una sola persona, mientras que otra persona registraría y empaquetaría los núcleos. Se probó por primera vez en mayo de 1976 en Dye 3, en Groenlandia, y luego en la capa de hielo Hans Tausen, donde se perdió el taladro. Se construyó una nueva versión para la temporada de 1977 y demostró ser un diseño eficaz, con 629 m de núcleo recuperado, desde una profundidad máxima de 110 m. Al final de la temporada de perforación de 1977 se podía perforar un pozo de 100 m en 10 horas. La calidad del núcleo fue excelente. A 110 m, la perforadora se quedó atascada durante varias horas y se liberó vertiendo glicol en el pozo. El diseño se modificó en la década de 1980 para solucionar algunos problemas menores y, desde entonces, la perforadora poco profunda UCPH se ha utilizado con frecuencia en Groenlandia, alcanzando una profundidad de 325 m en 1988. La perforadora también se puede utilizar para escariar, con un dispositivo especial adjunto. a la unidad de accionamiento en lugar del barril sacatestigos. [149] [150] [151]
El otro taladro de la Universidad de Copenhague de la década de 1970 fue diseñado en 1977 y recibió el nombre de "ISTUK", de "is", la palabra danesa para hielo, y "tuk", la palabra groenlandesa para taladro. [152] [153] El motor de fondo de pozo era impulsado por un paquete de baterías, y el cable que conectaba el taladro a la superficie continuaba cargando la batería durante las operaciones de cabrestante. Dado que el tiempo de perforación era normalmente de sólo seis minutos, mientras que un viaje completo podía tardar una hora, esto significaba que el cable sólo necesitaba abastecer el consumo medio de energía de la batería, y esto a su vez reducía las dimensiones del cable en un factor de 10: el El cable utilizado tenía un diámetro de 6,4 mm y estaba diseñado para poder alimentar el motor a una profundidad de 3300 m. El cabezal de perforación contenía tres cuchillas de corte, con un canal encima de cada una, e incluía tres pistones que, a medida que la perforadora giraba, se extendían gradualmente hacia arriba dentro de la perforadora, succionando el fluido de perforación y los cortes de hielo por los canales hasta un área de almacenamiento. Aunque el taladro tenía tres recogedores de núcleos, colocados alrededor del cañón, se descubrió que usar solo dos de ellos era más efectivo para romper el núcleo al final de una carrera de perforación, debido a la tensión asimétrica que esto creaba. Un microprocesador en el taladro monitoreaba la batería, el inclinómetro y otros equipos, y enviaba una señal a la superficie a través del cable. [154]
El Laboratoire de Glaciologie et Géophysique de l'Environnement (LGGE) en Grenoble, Francia, construyó un taladro EM poco profundo, construido en 1976-1977, basándose en información proporcionada por John Rand y Henri Rufli, y basándose en su experiencia a principios de la década. . La primera versión del taladro utilizaba un cilindro interior similar al sinfín manual SIPRE; Más tarde fue reemplazado por un barril interior con barrenas de acero, en lugar de polietileno. Se utilizó por primera vez en el Domo C, en la Antártida, perforando un pozo de 140 m en la temporada 1977-1978 y uno de 180 m la temporada siguiente. Se perforaron cuatro pozos más con él a principios de la década de 1980 en la Antártida, y el más profundo, en Tierra Adelia, alcanzó los 203 m en la temporada 1980-1981. La perforadora nunca se atascó en el agujero, pero tuvo problemas para romper el núcleo, y la calidad del núcleo fue generalmente pobre por debajo del nivel inicial, con algunos núcleos completamente rotos en obleas o discos de hielo. Un análisis de las razones de la mala calidad no fue concluyente: las causas consideradas fueron la geometría de las cuchillas (ya que pequeñas modificaciones en las cuchillas a menudo mejoraban la calidad del núcleo durante un tiempo), las propiedades físicas inherentes del hielo, los trozos de hielo comprimidos entre el barril y el pared que transmite torque al núcleo y vibraciones en el taladro. [155] [156]
A principios de la década de 1970, LGGE perfeccionó los diseños anteriores de perforación con vapor y creó una perforadora de vapor capaz de perforar a más de 30 m de profundidad. El peso total del equipo, incluido el combustible para varias horas de perforación, fue de 28 kg, lo suficientemente liviano como para transportarlo fácilmente al lugar de perforación. Los primeros taladros a vapor utilizaban mangueras de doble pared, pero LGGE descubrió que esto permitía una pérdida sustancial de calor y reemplazó la manguera exterior con aislamiento térmico. La velocidad de perforación fue de 30 a 40 m/h durante los primeros 10 my menos después. [157]
A finales de la década de 1970, LGGE diseñó una perforadora EM para extracción de muestras profunda, reutilizando la terminación y el diseño antitorque de su perforadora poco profunda. Las virutas se eliminaron del fluido de perforación mediante una centrífuga. Se probó en Adelie Land en 1981-1982, pero los recogedores de núcleos no funcionaron correctamente y no se pudieron recuperar núcleos. [158] Una comparación del rendimiento de esta perforadora con la perforadora térmica de LGGE concluyó que la perforadora térmica podría adaptarse para perforar hasta 3.500 m, y que la perforadora EM también podría usarse con éxito para perforación profunda, pero se necesitarían pruebas de campo adicionales. . [159] En ese caso, LGGE puso fin al desarrollo debido a limitaciones logísticas y financieras. [158]
La Polar Ice Core Office (PICO) de la Universidad de Nebraska , en Lincoln , diseñó una barrena liviana en la década de 1970 que se conoció como barrena PICO. Para reducir el peso se utilizaron materiales compuestos para las extensiones de broca, que pesan aproximadamente 1 kg/m. Inicialmente, las extensiones estaban atornilladas, pero esto ralentizó el tiempo de viaje y una versión posterior las sustituyó por pasadores de aluminio. Las pruebas comenzaron en 1980 y entre 1980 y 1982 se perforaron pozos de hasta 45 m de profundidad en los Andes peruanos, la Antártida y Groenlandia. El taladro podía ser accionado por un motor eléctrico, que podía funcionar con paneles solares; Las pruebas realizadas en Groenlandia y la Antártida entre 1981 y 1982 produjeron tasas de perforación de 1 cm/s en días soleados y la mitad en días nublados. Los núcleos solían tener entre 0,8 y 1,2 m. Un pozo de 40 m podría completarse en menos de dos días; Según los diseñadores, utilizar la barrena para perforar por debajo de los 40 m requería "el uso de un trípode y un fuerte deseo de profundizar". [160] [161] [162]
En la temporada de perforación antártica 1980-1981, el taladro UB-II fue prestado a una expedición del British Antártico Survey (BAS) a la Península Antártica. Se recogieron dos núcleos, de 30 my 83 m, pero luego se perdió la broca: se dejó caer desde la parte superior del pozo de 83 m y cayó libre hasta el fondo. No fue recuperado. Se utilizó otra perforadora UB-II para extraer muestras en Colle Gnifetti en el verano de 1982, recuperando núcleos de 124 my 66 m. [146]
A principios de la década de 1980, el sinfín SIPRE/CRREL se había utilizado ampliamente durante casi treinta años sin modificaciones significativas. En 1981, CRREL emprendió un estudio del hielo marino que requería un núcleo con un diámetro de 4,25 pulgadas en longitudes continuas de al menos 11 pulgadas, para permitir pruebas mecánicas. Estas especificaciones descartaron el sinfín CRREL existente y John Rand produjo un nuevo diseño que se conoció como el sinfín Rand. La nueva barrena permitió agregar una sección adicional de tramos de barrena sobre el barril para transportar los recortes, lo que ayudó a evitar quedarse atascado en el agujero al extraer la barrena después de un recorrido profundo. Los núcleos más grandes requeridos pesaban más de tres veces el de los núcleos anteriores, lo que significó que también fue necesario reducir el peso del equipo de perforación para permitir que dos operadores levantaran cada núcleo del pozo con la mano. Para solucionar este problema, Rand utilizó fibra de vidrio para el cilindro sacatestigos y aluminio para el cabezal de corte y la conexión del cabezal de accionamiento. [163] [164] Al año siguiente se construyó una versión revisada, conocida como barrena Big John, con un diámetro de 12. Una característica inusual de la barrena era que no tenía capacidad para romper el núcleo del hielo. En pozos poco profundos (hasta 2 m), se podría usar una palanca, insertada entre el núcleo y la pared del pozo, para romper el núcleo; para agujeros más profundos se insertó un cilindro equipado con perros centrales accionados por resorte. [165] [166]
En la década de 1990, en la estación rusa Vostok , se utilizó en la Antártida un taladro con un motor y un resorte sujetos de tal manera que hacía que el cañón vibrara verticalmente a aproximadamente 50 Hz ; demostró ser muy eficaz, perforando un pozo de 6,5 m con una velocidad de penetración típica de 6 a 8 m/min. [38]
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