Unsealing Subglacial Lake Vostok: Lessons and implications for future full-scale exploration

Два вскрытия крупнейшего на нашей планете подледникового озера Восток, осуществленные под руководством профессора Санкт-Петербургского горного университета Николая Ивановича Васильева, стали выдающимися событиями в истории антарктической науки. Бесценный опыт и знания, полученные во время первого вскрытия озера 5 февраля 2012 г., были полностью учтены при планировании и проведении второго вскрытия подледникового водоема, которое было выполнено 25 января 2015 г. с минимальными отклонениями от заданных параметров. В ходе этих уникальных буровых операций были получены самые точные на сегодняшний день оценки мощности ледникового покрова (3758,6 ± 3 м) и давления льда на контакте ледника с подледниковым водоемом (33,85 ± 0,05 МПа) в пункте бурения. Было установлено, что разница давлений воды и льда на границе раздела близка к нулю и, следовательно, ледниковый щит на этом участке находится в гидростатическом равновесии с озером. К сожалению, надежды на то, что поднявшаяся в скважину подледниковая вода окажется полезной для изучения среды озера Восток, оправдались не в полной мере. Сильное органическое, биологическое и техногенное загрязнение керна замерзшей воды озера, который был получен до выхода бурового снаряда из материнской скважины, сделало его практически непригодным для изучения большинства свойств подледниковой воды, кроме ее изотопного состава. Редким исключением стала проба конжеляционного льда, полученная после второго вскрытия озера, которая, благодаря строгим процедурам деконтаминации и контроля загрязнения, позволила сделать вывод о том, что поверхностная вода озера, попавшая в скважину, скорее всего, не содержит микробную ДНК (см. Bulat et al. в этом номере). Вместе с тем исследования двух параллельных кернов из скважин 5Г-2 и 5Г-3, достигших поверхности озера, позволили получить новые данные как об условиях формирования нарастающего на нижнюю поверхность ледника озерного льда, так и о среде и гидрологическом режиме озера Восток (Ekaykin et al. в этом номере). Повторное бурение скважин, заполненных замерзшей озерной водой, показало, что во всех случаях в зоне взаимодействия заливочной жидкости и подледниковой воды образуется твердое белое вещество — смесь льда и гидрата фреона HCFC-141b. Было установлено, что образование гидрата происходит практически мгновенно, еще до завершения бурового рейса, в котором производилось вскрытие озера. Образующееся твердое вещество частично или полностью заполняет скважину и препятствует любым попыткам взять пробу жидкой озерной воды. Последнее означает, что существующая глубокая скважина, заполненная смесью керосина и дихлорфторэтана HCFC-141b, не может быть использована в качестве скважины доступа для проведения прямых исследований подледникового водоема. Предложенная ранее замена используемой в настоящее время буровой жидкости в призабойной зоне скважины на жидкость, не реагирующую с водой (например, кремнийорганическую), может, на наш взгляд, лишь еще больше усложнить взаимодействие различных жидкостей в скважине и создать пока неизвестные технологические проблемы, не разрешив при этом существующих экологических озабоченностей. По какому бы пути ни пошли дальнейшие исследования озера, неугасающий научный и общественный интерес к изучению подледниковой среды Антарктиды вообще и озера Восток в частности дает нам надежду на то, что работа, начатая командой Н.И. Васильева, будет продолжена. Следующая грандиозная задача — проникновение в подледниковый водоем с целью проведения отбора проб и прямых исследований водной толщи и донных осадков озера Восток. Подготовка и осуществление проникновения в озеро потребуют создания новых буровых и исследовательских технологий, а следовательно, значительных финансовых и человеческих ресурсов. Хочется верить, что с вводом в эксплуатацию нового зимовочного комплекса станции Восток придет время и для этого нового масштабного антарктического проекта.

1. Petit J.R., Jouzel J., Raynaud D., Barkov N.I., Barnola J.M., Basile I., Bender M., Chappellaz J., Davis M., Delague G., Delmotte M., Kotlyakov V.M., Legrand M., Lipenkov V.Ya., Lorius C., Pepin L., Ritz C., Saltzman E., Stievenard M. Climate and atmospheric history of the past 420,000 years from the Vostok ice core, Antarctica. Nature. 1999;399(6735):429–436. https://doi.org/10.1038/20859

2. Kapitza A.P., Ridley J.K., Robin G.d.Q., Siegert M.J., Zotikov I.A. A large deep freshwater lake beneath the ice of central East Antarctica. Nature. 1996;381(6584):684–686. https://doi.org/10.1038/381684a0

3. Jouzel J., Petit J.R., Souchez R., Barkov N.I., Lipenkov V.Ya., Raynaud D., Stievenard M., Vassiliev N.I., Verbeke V., Vimeux F. More than 200 meters of lake ice above subglacial lake Vostok, Antarctica. Science. 1999; 286(5447):2138–2141. http://www.jstor.org/stable/2899987

4. Jean-Baptiste P., Petit J.R., Lipenkov V.Ya., Raynaud D., Barkov N.I. Constraints on hydrothermal processes and water exchange in Lake Vostok from helium isotopes. Nature. 2001; 411(6836):460–462. https://doi.org/10.1038/35078045

5. Bulat S.A., Alekhina I.A., Blot M., Petit J.R., De Angelis M., Wagenbach D., Lipenkov V.Ya., Vasilyeva L.P., Wloch D.M., Raynaud D., Lukin V. DNA signature of thermophilic bacteria from the aged accretion ice of Lake Vostok, Antarctica: implications for searching life in extreme icy environments. International Journal of Astrobiology. 2004;3(1):1–12. https://doi.org/10.1017/S1473550404001879

6. De Angelis M., Petit J.R., Savarino J., Souchez R., Thiemens M.H. Contributions of an ancient evaporitictype reservoir to subglacial Lake Vostok chemistry. Earth and Planetary Science Letters. 2004;222:751–765. https://doi.org/10.1016/j.epsl.2004.03.023

7. Ekaykin A.A., Lipenkov V.Y., Petit J.R., Johnsen S., Jouzel J., Masson-Delmotte V. Insights into hydrological regime of Lake Vostok from differential behavior of deuterium and oxygen-18 in accreted ice. Journal of Geophysical Research. 2010;115:1–14. https://doi.org/10.1029/2009JC005329

8. Leitchenkov G.L., Antonov A.V., Luneov P.I., Lipenkov V.Y. Geology and environments of subglacial Lake Vostok. Philosophical Transactions of the Royal Society A. 2016;374:20140302. https://doi.org/10.1098/rsta.2014.0302

9. Lipenkov V.Y., Ekaykin A.A., Polyakova E.V., Raynaud D. Characterization of subglacial Lake Vostok as seen from physical and isotope properties of accreted ice. Philosophical Transactions of the Royal Society A. 2016;374:20140303. http://doi.org/10.1098/rsta.2014.0303

10. Verkulich S.R., Kudryashov B.B., Barkov N.I., Vasiliev N.I., Vostretsov R.N., Dmitriev A.N., Zubkov V.M., Krasilev A.V., Talalay P.G., Lipenkov V.Ya., Savatyugin L.M., Kuz’mina I.N. Proposal for penetration and exploration of sub-glacial Lake Vostok, Antarctica. Memoirs of National Institute of Polar Research. 2002;56:245–252.

11. Vasiliev N.I., Talalay P.G., Bobin N.E., Chistyakov V.K., Zubkov V.M., Krasilev A.V., Dmitriev A.N., Yankilevich S.V., Lipenkov V.Y. Deep drilling at Vostok station, Antarctica: history and recent events. Annals of Glaciology. 2007;47:10–23. https://doi.org/10.3189/172756407786857776

12. Lukin V.V., Vasiliev N.I. Technological aspects of the final phase of drilling borehole 5G and unsealing Vostok Subglacial Lake, East Antarctica. Annals of Glaciology. 2014;55(65):83– 89. https://doi.org/10.3189/2014AoG65A002

13. Vasilev N.I., Lipenkov V.Y., Dmitriev A.N., Podolyak A.V., Zubkov V.M. Results and characteristics of 5G hole drilling and the first tapping of Lake Vostok. Ice and Snow. 2012;52(4):12–20. (In Russ.). https://doi.org/10.15356/2076-6734-2012-4-12-20

14. Litvinenko V.S., Vasiliev N.I., Dmitriev A.N., Lipenkov V.Y. Results and peculiarities of hole 5G drilling and first opening of lake Vostok. In: Proceedings of International scientific and technical conference named after Leonardo da Vinci. Berlin: Wissenschaftliche Welt; 2013. 1:159–167.

15. Alekhina I., Ekaykin A., Moskvin A., Lipenkov V. Chemical characteristics of the ice cores obtained after the first unsealing of subglacial Lake Vostok. In: Siegert M.J., Jamieson S.S.R., White D.A. (eds). Exploration of Subsurface Antarctica: Uncovering Past Changes and Modern Processes. Geological Society, London, Special Publications. 2018;461:187–196. https://doi.org/10.1144/SP461.3

16. Litvinenko V.S., Vasiliev N.I., Lipenkov V.Ya., Dmitriev A.N., Podoliak A.V. Special aspects of ice drilling and results of 5G hole drilling at Vostok station, Antarctica. Annals of Glaciology. 2014;55(68):173–178. https://doi.org/10.3189/2014AoG68A040

17. Lipenkov V.Ya., Turkeev A.V., Vasiliev N.I., Ekaykin A.A., Poliakova E.V. Melting temperature of ice and total gas content of water at the ice-water interface above subglacial Lake Vostok. Arctic and Antarctic Research. 2021;67(4):348–367. (In Russ.) https://doi.org/10.30758/0555-2648-2021-67-4-348-367

18. Talalay P.G., Gundestrup N.S. Hydrostatic pressure and fluid density profile in deep ice bore-holes. Memoirs of National Institute of Polar Research. 2002;56:171–180.

19. Lipenkov V.Ya., Salamatin A.N., Duval P. Bubbly-ice densification in ice sheets: II. Application. Journal of Glaciology. 1997;43(145):397–407. https://doi/org/10.3189/S0022143000034973

20. Vasiliev N.I., Talalay P.G., Dmitriev A.N., Yankilevich S.V., Prokazov A.A., Lipenkov V.Ya. Directional drilling in ice caps. Journal of Mining Institute. 2010;187:31–35. (In Russ.)

21. Lipenkov V.Ya., Istomin V.А. On the stability of air clathrate-hydrate crystals in subglacial lake Vostok, Antarctica. Materialy glaciologicheskikh issledovaniy = Data of Glaciological Studies. 2001;91:138–149.

22. Richter A., Popov S.V., Dietrich R., Lukin V.V., Fritsche M., Lipenkov V.Ya., Matveev A.Y., Wendt J., Yuskevich A.V., Masolov V.N. Observational evidence on the stability of the hydroglaciological regime of subglacial Lake Vostok. Geophysical Research Letters. 2008; 35:L11502. https://doi.org/10.1029/2008GL033397

23. Ewert H., Popov S.V., Richter A., Schwabe J., Scheinert M., Dietrich R. Precise analysis of ICESat altimetry data and assessment of the hydrostatic equilibrium for subglacial Lake Vostok East Antarctica. Geophysical Journal International. 2012;191:557–568. https://doi.org/10.1111/j.1365-246X.2012.05649.x

24. McKay C.P., Hand K.P., Doran P.T, Andersen D.T., Priscu J.C. Clathrate formation and the fate of noble and biologically useful gases in Lake Vostok, Antarctica. Geophysical Research Letters. 2003;30(13):1702–1705. https://doi.org/10.1029/2003GL017490

25. National Research Council. Exploration of Antarctic Subglacial Aquatic Environments: Environmental and Scientific Stewardship. Washington, DC: The National Academies Press. 2007. 162 p. https://doi.org/10.17226/11886

26. Brito M.P., Griffiths G., Mowlem M., Makinson K. Estimating and managing blowout risk during access to subglacial Antarctic lakes. Antarctic Science. 2013;25(1):107–118. https://doi.org/10.1017/S0954102012000442

27. Wilhelms F., Miller H., Gerasimoff M.D., Drucker C., Frenzel A., Fritzsche D., Grobe H., Bo Hansen S., Hilmarsson S.A., Hoffman G. The EPICA Dronning Maud Land deep drilling operation. Annals of Glaciology. 2014;55(68):355–366. https://doi.org/10.3189/2014AoG68A189

28. Wuest A., Carmack E. A priory estimates of mixing and circulation in the hard-to-reach water body of Lake Vostok. Ocean Modelling. 2000;2(1–2):29–43. https://doi.org/10.1016/S1463-5003(00)00007-X

29. Manakov A.Yu., Ildyakov A.V., Lipenkov V.Ya., Ekaykin A.A., Khodzher T.V. Formation of clathrate hydrates of hydrochlorofluorocarbon 141b in the deep borehole at Vostok Station (Antarctica) in the course of the unsealing of subglacial Lake Vostok. Earth’s Cryosphere. 2017;21(3):30–37. https://doi.org/10.21782/EC2541-9994-2017-3(30-37)

30. Murshed M.M., Faria S.H., Kuhs W.F., Kipfstuhl S., Wilhelms F. The role of hydrochlorofluorocarbon densifiers in the formation of clathrate hydrates in deep boreholes and subglacial environments. Annals of Glaciology. 2007;47:109–114. https://doi/org/10.3189/172756407786857659

31. Alekhina I.A., Marie D., Petit J.R., Lukin V.V., Zubkov V.M., Bulat S.A. Molecular analysis of bacterial diversity in kerosene-based drilling fluid from the deep ice borehole at Vostok, East Antarctica. FEMS Microbiology Ecology. 2007;59(2):289– 299. https://doi.org/10.1111/j.1574-6941.2006.00271.x

32. Chen C., Zhang H., Liu S., Jin C., Chen Y., Zhang N., Talalay P. Hydraulic fracturing in ice boreholes: Theory and tests. Polar Science. 2019;19:40–48. https://doi.org/10.1016/j.polar.2018.10.003

33. Tchistiakov V.K., Kracilev A.V., Lipenkov V.Ya., Balestrieri J.Ph., Rado C., Petit J.R. Behavior of a deep hole drilled in ice at Vostok Station. Memoirs of National Institute of Polar Research, Spec. Issue. 1994; 49:247–255.

34. Тalalay P. G., Markov A. N.. Thermobaric conditions at ice-water interface in subglacial Lake Vostok, East Antarctica. Natural Resources. 2015; 6(6):423–432. https://doi.org/10.4236/nr.2015.66040

35. Talalay P. Russian researchers reach subglacial Lake Vostok in Antarctica. Advances in Polar Science. 2012;23(3):176–180. https://doi.org/10.3724/SP.J.1085.2012.00176

36. Lipenkov V.Y., Ekaykin A.A., Alekhina I.A., Shibaev Y.A., Kozachek A.V., Vladimirova D.O., Vasilev N.I., Preobrazhenskaya A.V. Evolution of climate, glaciation and subglacial environments of Antarctica from the deep ice core and Lake Vostok water sample studies (Key results of implementation of the Russian Science Foundation project, 2014–2016). Ice and Snow. 2017;57(1):133–141. (In Russ.). https://doi.org/10.15356/2076-6734-2017-1-133-141

37. Ekaykin A.A., Lipenkov V.Ya., Kozachek A.V., Vladimirova D.O. Stable water isotopic composition of the Antarctic Subglacial Lake Vostok: implications for understanding the Lake’s hydrology. Isotopes in Environmental and Health Studies. 2016;52(4–5):468–476. https://dx.doi.org/10.1080/10256016.2015.1129327

38. Bulat S.A., Anosova O.I., Tsvetkova A.Yu., Shvetsov A.V. The uppermost water horizon of subglacial Lake Vostok could be microbial DNA-free, as shown by Oxford Nanopore sequencing technology. Arctic and Antarctic Research. 2024;70(4):554–564. https://doi.org/10.30758/0555-2648-2024-70(4)-554-564

39. Jean-Baptiste P., Fourré E., Petit J.R., Lipenkov V., Bulat S., Chetverikov Y., Raynaud D. Helium and neon in the accreted ice of the subglacial antarctic Lake Vostok. Geophysical Research Letters. 2018;45(10):4927–4932. https://doi.org/10.1029/2018GL078068

40. Ekaykin A.A., Veres A.N., Kozachek A.V., Lipenkov V.Ya., Tebenkova N.A., Turkeev A.V., Khomyakova V.A., Tchikhatchev K.B. The formation conditions of the subglacial Lake Vostok’s accreted ice based on its stable water isotope composition. Arctic and Antarctic Research. 2024;70(4): 444–460. https://doi.org/10.30758/0555-2648-2024-70(4)-444-460

41. Talalay P.G., Fan X. Alternative clean approaches to accessing subglacial Lake Vostok. Arctic and Antarctic Research. 2024;70(4):499–513. https://doi.org/10.30758/0555-2648-2024-70(4)-499-513

42. Talalay P.G., Zhang N., Fan X., Li B., Li Y., Yu H., Zuo H., Li L., Shi G., Shi W., Guo M., Yang Y., Wang T., Gong D., Hong J., Li Y. General concept of a deep hot water drilling system and drilling strategy to access Subglacial Lake Qilin, East Antarctica. Arctic and Antarctic Research. 2024;70(4):514–524. https://doi.org/10.30758/0555-2648-2024-70(4)-514-524