Хочу вам рассказать про знаменитую сверхглубокую скважину Кольская. Вряд ли многие знали (как и я, пока отец не рассказал) что скважина "Кольская СГ-3" является самой глубокой пробуренной скважиной в мире (до 2008 г). Еще учась в институте преподы носили из угла в угол легенды о скважине "Кольской", хотя многие наши учителя вообще не имели отношения к бурению и.т.п.
Общий обзор:
Кольская сверхглубокая скважина (СГ-3 ) — самая глубокая буровая скважина в мире. Находится в Мурманской области, в 10 километрах к западу от города Заполярного, на территории геологического Балтийского щита. Её глубина составляет 12 262 метра. В отличие от других сверхглубоких скважин, которые делались для добычи нефти или геологоразведки, СГ-3 была пробурена исключительно для исследования литосферы в том месте, где граница Мохоровичича подходит близко к поверхности Земли.
Была также самой глубокой скважиной до 2008 года, когда её обошла пробуренная под острым углом к поверхности земли нефтяная скважина Maersk Oil BD-04A, длина которой 12 290 метров (находится в нефтяном бассейне Аль-Шахин, Катар), после этого в январе 2011 эту скважину обошла также нефтяная скважина месторождения Одопту-море проекта Сахалин-1, также пробуренная под острым углом к поверхности земли, длиной 12 345 метров.
Скважина с точки зрения науки:
Когда в конце прошлого века было начато бурение знаменитой Кольской сверхглубокой скважины, СМИ писали о том, что в самой толще земли микрофоны ученых записали крики и стоны… Неужели там находится Преисподня? Так это или нет, но то, что увидели исследователи, коренным образом изменило традиционные представления о строении верхнего слоя Земли.
С давних пор люди пытались понять, как устроены недра нашей планеты. Однако долгое время пробурить земную твердь больше, чем на несколько сотен метров не удавалось — не было необходимого оборудования. Поэтому все представления о внутреннем строении Земли базируются в основном на теоретических расчетах, которые до сих пор не подтверждены экспериментальными данными.
По общепринятой точке зрения, Земля состоит из трех крупных слоев: ядра, мантии и земной коры. В центре находится ядро, разделенное на внутреннюю твердую область (радиусом около 1300 км) и жидкое внешнее ядро радиусом около 2200 км, между которыми иногда выделяется переходная зона. Считается, что данная область планеты составлена из железоникелевого сплава.
Далее находится мантия — слой, состоящими из силикатов магния, железа, кальция и других металлов. Она простирается от глубин 5-70 километров ниже границы с земной корой, до границы с ядром на глубине 2900 км. Считается, что в мантии достаточно жарко и в некоторых ее слоях вещество пребывает в расплавленном состоянии.
Верхние слои мантии контактируют с земной корой — тем самым слоем, на котором мы, собственно говоря, и живем. Толщина этой внешней оболочки изменяется от нескольких километров (в океанических областях) до нескольких десятков километров (в горных районах материков). Сфера земной коры очень небольшая, на ее долю приходится всего около 0,5% общей массы планеты. Основной состав коры — это оксиды кремния, алюминия, железа и щелочных металлов.
Считается, что в составе континентальной коры, содержащей под осадочным слоем верхний (гранитный) и нижний (базальтовый), встречаются наиболее древние породы Земли, возраст которых оценивается более чем в 3 млрд лет. Океаническая же кора более молодая и тонкая — под накоплениями осадков (их возраст не превышает 100-150 миллионов лет) содержится только один слой, близкий по составу к базальтовым.
Получается, что за все время своего существования люди толком не смогли исследовать даже земную кору, а уж о том, что бы "пощупать" мантию или ядро, так об этом на протяжении долгих лет никто из ученых даже мечтать не смел. Однако в середине ХХ века необходимое для подобных исследований оборудование наконец-то было разработано, и мечта начала превращаться в реальность.
Проекты путешествия вглубь Земли появились в начале 60-х годов прошлого века сразу в нескольких странах. Бурить скважины старались в тех местах, где земная кора должна была быть потоньше, поскольку целью подобного бурения было достижение мантии, которую-то, собственно, и собирались детально исследовать.
Например, американцы бурили в районе острова Мауи, на Гавайях, где, по данным сейсмических исследований, древние породы выходят под океанское дно и мантия находится примерно на глубине пяти километров (под четырехкилометровой толщей воды). Тем не менее ни одна океанская буровая глубже 3 километров не смогла пробиться.
Вообще, почти все проекты сверхглубоких скважин мистическим образом заканчивались на трехкилометровой глубине. Именно в этот момент с бурами начинало происходить что-то странное: то они попадали в неожиданные области с высокой температурой, то их как будто откусывал какой-то таинственный подземный демон. Так что в большинстве случаев не удавалось даже изучить состав глубинных слоев земной коры, не говоря уж о мантии, изучение которой, собственно говоря, и представляло настоящую цель подобных исследований.
Начало бурения:
Кольская буровая. Жилой городок и вспомогательные цеха
И вот, в 1970 году на Кольском полуострове было начато бурение знаменитой Кольской скважины. Точку бурения выбрали в данном месте полуострова не случайно — полуостров расположен на так называемом Балтийском щите, который сложен из самых древних известных человечеству пород. Работы на этом объекте велись с 1970 по 1992 гг., за это время удалось "проколоть" земную кору на 12 262 метра.
Интересно, что когда в 1984 году в Москве проходил Международный геологический конгресс, на котором были представлены первые результаты исследований скважины, то многие ученые в шутку предлагали немедленно зарыть ее, поскольку она разрушает все представления о строении земной коры. Действительно, странности начались еще на первых этапах проникновения. Так, например, теоретики еще до начала бурения обещали, что температура Балтийского щита останется сравнительно низкой до глубины, по крайней мере, 15 километров. Соответственно, скважину можно будет рыть чуть ли не до 20 километров, как раз до мантии.
Однако уже на пятикилометровой глубине окружающая температура перевалила за 700C, на семи — за 1200C, а на глубине 12-ти километров датчики зафиксировали аж 2200C — на 1000C выше предсказанного. Объяснение этому феномену ученые до сих пор так и не нашли.
Скважина также не подтвердила представления об устройстве земной коры на подобии слоеного пирога — сначала осадочные породы, потом граниты, а внизу базальты. Однако, по данным буровиков, граниты оказались на 3 километра ниже, чем рассчитывали ученые. А базальтовый слой вообще отсутствовал — последние 6 километров пробивались исключительно через гранит. Ученые считают, что кольские буровики, сами того не осознавая, сделали сверхважное для всего человечества открытие.
Кольская сверхглубокая скважина преподнесла исследователям еще один сюрприз: жизнь на планете Земля возникла, оказывается, на 1,5 миллиарда лет раньше, чем предполагалось. На глубинах, где считалось, что нет органики, обнаружили 14 видов окаменевших микроорганизмов, а ведь возраст этих глубинных слоев превышал 2,8 миллиарда лет. Но, что самое удивительное, на еще больших глубинах, где уже нет осадочных пород, был найден природный газ метан в огромных концентрациях. Это полностью и совершенно разрушило теорию биологического происхождения углеводородов, таких как нефть и газ.
С Кольской скважиной были также связаны не только научные сенсации, но и таинственные легенды, большая часть из которых оказалась при проверке вымыслом журналистов. Согласно одной из них (рожденной авторами репортажей одной финской газеты), в самой толще земли, на глубине свыше 12 тысяч метров, микрофоны ученых записали крики и стоны.
Мифы или реальность:
Журналисты, даже не подумав о том, что просунуть на подобную глубину микрофон просто не возможно (какой звукозаписывающий прибор сможет работать при температуре свыше двухсот градусов?) написали про то, что буровики услышали "глас из преисподней". После этих публикаций Кольскую сверхглубокую скважину стали называть "дорогой в ад", утверждая, что каждый новый пробуренный километр принес несчастья стране.
Говорили о том, что когда буровики вели проходку тринадцатой тысячи метров, распался СССР. Ну, а когда скважину пробурили до глубины 14,5 км (чего на самом деле не произошло), вдруг наткнулись на необычные пустоты. Заинтригованные этим неожиданным открытием, буровики спустили туда микрофон, способный работать при чрезвычайно высоких температурах, и другие датчики. Температура внутри якобы достигала 1,100 °C — был жар огненных палат, в которых, якобы, можно было услышать человеческие крики.
Эта легенда до сих пор кочует по необъятным просторам интернет а, пережив саму виновницу этих сплетен — Кольскую скважину. Работу на ней прекратили еще в 1992 году из-за недостатка финансирования. До 2008 года она находилась в законсервированном состоянии. А два года назад было принято окончательное решение отказаться от продолжения исследований и демонтировать весь научно-исследовательский комплекс, а скважину — "закопать". Окончательная ликвидация скважины произошла летом этого года.
Так что, как видите, и в этот раз ученым не удалось добраться до мантии и исследовать ее. Однако это не значит, что Кольская скважина ничего не дала науке — наоборот, она перевернула все их представления о строении земной коры. Возможно, забраться еще глубже удастся исследователям ныне действующей нефтяной скважины Maersk Oil (глубиной 12 290 метров — что на 28 метров глубже Кольской), которая находится в нефтяном бассейне Аль-Шахин, в Катаре.
________________________________________ ________________________________________ ________________
Материалы: Алексей Воскобойник (alex_oil), Википедия и интернет источники о Кольской скважине
Во второй половине 20 века, мир заболел сверхглубоким бурением. В США готовили новую программу изучения океанского дна (Deep Sea Drilling Project). Построенное специально для этого проекта судно «Гломар Челленджер» несколько лет провело в водах различных океанов и морей, пробурив в их дне почти 800 скважин, достигнув максимальной глубины 760 м. К середине 1980-х годов результаты морского бурения подтвердили теорию тектоники плит. Геология как наука родилась заново. Тем временем Россия шла своим путем. Интерес к проблеме, разбуженный успехами США, вылился в программу «Изучение недр Земли и сверхглубокое бурение», но не в океане, а на континенте. Несмотря на многовековую историю, континентальное бурение представлялось совершенно новым делом. Ведь речь шла о недостижимых ранее глубинах — более 7 километров. В 1962 году Никита Хрущев утвердил эту программу, хотя руководствовался он скорее политическими мотивами, нежели научными. Ему не хотелось отстать от США.
Возглавил вновь созданную лабораторию при Институте буровой техники известный нефтяник доктор технических наук Николай Тимофеев. Ему было поручено обосновать возможность сверхглубокого бурения в кристаллических породах — гранитах и гнейсах. На исследования ушло 4 года, и в 1966 году эксперты вынесли вердикт — бурить можно, причем не обязательно техникой завтрашнего дня, достаточно того оборудования, что уже есть. Главная проблема — жара на глубине. Согласно расчетам, по мере внедрения в горные породы, слагающие земную кору, температура должна увеличиваться через каждые 33 метра на 1 градус. Значит, на глубине 10 км надо ожидать порядка 300°С, а на 15 км — почти 500°С. Такого нагрева бурильные инструменты и приборы не выдержат. Надо было искать место, где недра не столь горячи…
Такое место нашли — древний кристаллической щит Кольского полуострова. Отчет, подготовленный в Институте физики Земли, гласил: за миллиарды лет своего существования Кольский щит остыл, температура на глубине 15 км не превышает 150°С. А геофизики подготовили примерный разрез недр Кольского полуострова. По их данным, первые 7 километров — это гранитные толщи верхней части земной коры, потом начинается базальтовый слой. Тогда представление о двухслойном строении земной коры было общепринятым. Но как оказалось позднее, и физики, и геофизики ошибались. Площадку для буровой выбрали на северной оконечности Кольского полуострова близ озера Вильгискоддеоайвинъярви. По-фински это значит «Под волчьей горой», хотя ни горы, ни волков в том месте нет. К бурению скважины, проектная глубина которой составляла 15 километров, приступили в мае 1970 года.
Н о
З десь можно послушать адские звуки из скважины.
Фильм: Кольская сверхглубокая: последний салют
Сегодня научные изыскания человечества добрались до рубежей Солнечной системы: мы высаживали космические аппараты на планеты, их спутники, астероиды, кометы, отправили миссии к поясу Койпера и пересекли границу гелиопаузы. С помощью телескопов мы видим события, происходившие 13 миллиардов лет назад - когда Вселенной исполнилось всего несколько сотен миллионов лет. На фоне этого интересно оценить, насколько хорошо мы знаем нашу Землю. Лучший способ узнать ее внутреннее строение - пробурить скважину: чем глубже, тем лучше. Самая глубокая скважина на Земле - Кольская сверхглубокая, или СГ-3. В 1990 году ее глубина достигла 12 километров 262 метров. Если сравнить эту цифру с радиусом нашей планеты, то окажется, что это всего 0,2 процента пути до центра Земли. Но даже этого оказалось достаточно, чтобы перевернуть представления о строении земной коры.
Если вы представляете себе скважину как шахту, по которой можно спускаться на лифте в самые недра земли или хотя бы на пару километров, то это совсем не так. Диаметр бурового инструмента, с помощью которого инженеры создавали скважину, составлял всего 21,4 сантиметра. Верхний двухкилометровый отрезок скважины немного шире - его расширяли до 39,4 сантиметра, но все равно человеку туда никак не попасть. Чтобы представить себе пропорции скважины, лучшей аналогией будет 57-метровая швейная игла с диаметром в 1 миллиметр, немного утолщенная с одного конца.
Схема скважины
Но и это представление будет упрощенным. За время бурения на скважине происходило несколько аварий - часть буровой колонны при этом оказывалась под землей без возможности ее извлечь. Поэтому несколько раз скважину начинали проходить заново, с отметок в семь и девять километров. Есть четыре крупных ответвления и около десятка мелких. У основных ответвлений разная предельная глубина: два из них пересекают отметку в 12 километров, еще два не доходят до нее всего на 200-400 метров. Заметим, что глубина Марианской впадины на километр меньше - 10 994 метра относительно уровня моря.
Горизонтальная (слева) и вертикальная проекции траекторий СГ-3
Ю.Н. Яковлев et al. / Вестник Кольского научного центра РАН, 2014
Более того, было бы ошибкой воспринимать скважину как отвесную линию. Из-за того что на разных глубинах породы обладают разными механическими свойствами, бур в ходе работы отклонялся к менее плотным областям. Поэтому в большом масштабе профиль Кольской сверхглубокой выглядит как немного изогнутая проволока с несколькими ответвлениями.
Подойдя к скважине сегодня, мы увидим лишь верхнюю часть - металлический люк, привинченный к устью двенадцатью массивными болтами. Надпись на нем сделана с ошибкой, правильная глубина - 12 262 метра.
Как бурили сверхглубокую скважину?
Для начала необходимо отметить, что СГ-3 изначально задумывалась именно для научных целей. Исследователи выбрали для бурения место, где на поверхность земли выходили древние породы - возрастом до трех миллиардов лет. Один из аргументов при разведке состоял в том, что молодые осадочные породы были хорошо изучены при добыче нефти, а глубоко в древние слои никто еще не бурил. Кроме того, здесь находились и крупные медно-никелевые месторождения, разведка которых была бы полезным дополнением к научной миссии скважины.
Бурение началось в 1970 году. Первая часть скважины была пробурена серийной установкой «Уралмаш-4Э» - ее обычно использовали для бурения нефтяных скважин. Модификация установки позволила достичь глубины 7 километров 263 метра. На это ушло четыре года. Затем установку сменили на «Уралмаш-15000», названную так в честь запланированной глубины скважины - 15 километров. Новая буровая была разработана специально для Кольской сверхглубокой: бурение на таких больших глубинах требовало серьезной доработки техники и материалов. К примеру, один только вес буровой колонны при 15-километровой глубине достигал 200 тонн. Сама установка могла поднимать груз вплоть до 400 тонн.
Буровая колонна состоит из труб, соединенных между собой. С ее помощью инженеры опускают на дно скважины инструмент для бурения, и она же обеспечивает его работу. На конце колонны устанавливали специальные 46-метровые турбобуры, приводимые в движение потоком воды с поверхности. Они позволяли вращать дробящий породу инструмент отдельно от всей колонны.
Коронки, с помощью которых буровая колонна вгрызалась в гранит, вызывают ассоциации с футуристическими деталями от робота - несколько вращающихся шипастых дисков, соединенных с турбиной сверху. Одной такой коронки хватало всего на четыре часа работы - это примерно соответствует проходу на 7-10 метров, после чего всю буровую колонну нужно поднимать, разбирать и затем опускать заново. Постоянные спуски и подъемы сами по себе занимали до 8 часов.
Даже трубы для колонны в Кольской сверхглубокой пришлось использовать необычные. На глубине постепенно растут температура и давление, и, как рассказывают инженеры, при температурах свыше 150-160 градусов сталь серийных труб размягчается и хуже держит многотонные нагрузки - из-за этого возрастает вероятность опасных деформаций и обрыва колонны. Поэтому разработчики выбрали более легкие и термостойкие алюминиевые сплавы. Каждая из труб имела длину около 33 метров и диаметр около 20 сантиметров - немного уже самой скважины.
Однако даже специально разработанные материалы не выдерживали условий бурения. После первого семикилометрового отрезка на дальнейшее бурение до отметки 12 000 метров ушло почти десять лет и более 50 километров труб. Инженеры столкнулись с тем, что ниже семи километров породы стали менее плотными и трещиноватыми - вязкими для бура. Кроме того, ствол самой скважины исказил форму и стал эллиптичным. В результате несколько раз колонна обрывалась, и, не имея возможности поднять ее обратно, инженеры вынуждены были бетонировать ответвление скважины и проходить ствол заново, теряя годы работы.
Одна из таких крупных аварий заставила буровиков в 1984 году забетонировать ответвление скважины, достигшее глубины 12 066 метров. Бурение пришлось начать заново с 7-километровой отметки. Этому предшествовала пауза в работе со скважиной - в тот момент существование СГ-3 рассекретили, а в Москве прошел международный геологический конгресс Геоэкспо, делегаты которого посетили объект.
Как рассказывают очевидцы аварии, после возобновления работ колонна пробурила скважину еще на девять метров вниз. После четырех часов бурения рабочие приготовились поднимать колонну обратно, но она «не пошла». Буровики решили, что труба где-то «прилипла» к стенкам скважины, и увеличили мощность на подъем. Нагрузка резко уменьшилась. Постепенно разбирая колонну на 33-метровые свечки, рабочие добрались до очередного отрезка, заканчивающегося неровным нижним краем: турбобур и еще пять километров труб остались в скважине, поднять их не удалось.
Вновь достигнуть 12-километровой отметки буровикам удалось лишь к 1990 году, тогда же был установлен и рекорд погружения - 12 262 метра. Затем произошла новая авария, а с 1994 года работы на скважине были остановлены.
Научная миссия сверхглубокой
Картина сейсмических испытаний на СГ-3
«Кольская сверхглубокая» Министерство геологии СССР, издательство «Недра», 1984
Скважину исследовали целым набором геологических и геофизических методов, начиная от сбора керна (столбика пород, соответствующих заданным глубинам) и заканчивая радиационными и сейсмологическими измерениями. К примеру, керн забирали с помощью керноприемников со специальными бурами - они похожи на трубы с зазубренными краями. В центре этих труб 6-7 сантиметровые отверстия, куда попадает порода.
Но даже с этой, казалось бы, простой (за исключением потребности поднимать этот керн с многокилометровой глубины) методикой возникали сложности. Из-за бурового раствора, - того самого, что приводил в движение бур, - керн напитывался жидкостью и изменял свои свойства. Кроме того, условия в глубине и на поверхности земли сильно различаются - образцы растрескивались от перепада давления.
На разных глубинах выход керна сильно отличался. Если на пяти километрах со 100-метрового отрезка можно было рассчитывать на 30 сантиметров керна, то при глубинах свыше девяти километров вместо столбика пород геологи получали набор шайб из плотной породы.
Микрофотография пород, поднятых с глубины 8028 метра
«Кольская сверхглубокая» Министерство геологии СССР, издательство «Недра», 1984
Исследования материала, поднятого из скважины, позволили сделать несколько важных выводов. Во-первых, строение земной коры нельзя упрощать до композиции из нескольких слоев. На это раньше указывали сейсмологические данные - геофизики видели волны, которые казались отраженными от гладкой границы. Исследования на СГ-3 показали, что такая видимость может возникнуть и при сложном распределении пород.
Это предположение сказалось на проектировании скважины - ученые ожидали, что на глубине семи километров ствол войдет в базальтовые породы, однако они не встретились и на 12-километровой отметке. Зато вместо базальта геологи обнаружили породы, обладавшие большим количеством трещин и низкой плотностью, чего совсем нельзя было ожидать от многокилометровой глубины. Больше того, в трещинах нашлись следы подземных вод - высказывались даже предположения, что они образованы прямой реакцией кислорода и водорода в толще Земли.
Среди научных результатов нашлись и прикладные - так, на небольших глубинах геологи нашли горизонт медно-никелевых руд, пригодных к добыче. А на глубине 9,5 километра обнаружился слой геохимической аномалии золота - в породе присутствовали микрометровые зерна самородного золота. Концентрации доходили до грамма на тонну породы. Впрочем, вряд ли добыча с такой глубины будет когда-нибудь рентабельна. Но само существование и свойства золотоносного слоя позволили уточнить модели эволюции минералов - петрогенеза.
Отдельно следует рассказать об исследованиях температурных градиентов и радиации. Для такого рода экспериментов используются внутрискважинные приборы, опускаемые на проводах-тросах. Большой проблемой было обеспечить их синхронность с наземным оборудованием, а также обеспечить работу на больших глубинах. К примеру, трудности возникали с тем, что тросы при длине в 12 километров растягивались примерно на 20 метров, что могло сильно снизить точность данных. Чтобы этого избежать, геофизикам пришлось создавать новые методы маркировки расстояний.
Большинство серийных приборов не было рассчитано на работу в суровых условиях нижних ярусов скважины. Поэтому для исследований на больших глубинах ученые применяли оборудование, разработанное специально для Кольской сверхглубокой.
Важнейший результат геотермических исследований - гораздо более высокие температурные градиенты, нежели ожидалось увидеть. Вблизи поверхности скорость роста температуры составляла 11 градусов на километр, до глубины двух километров - 14 градусов на километр. В интервале от 2,2 до 7,5 километра температура росла со скоростью, приближающейся к 24 градусам на километр, хотя существующие модели предсказывали величину в полтора раза меньшую. В результате уже на пятикилометровой глубине приборы фиксировали температуру в 70 градусов Цельсия, а к 12 километрам это значение достигло 220 градусов Цельсия.
Кольская сверхглубокая оказалась непохожей на другие скважины - к примеру, при анализе тепловыделения пород Украинского кристаллического щита и батолитов Сьерра-Невады геологи показали, что с глубиной тепловыделение падает. В СГ-3 оно наоборот росло. Более того, измерения показали, что основным источником тепла, обеспечивающим 45-55 процентов теплового потока, является распад радиоактивных элементов.
Несмотря на то что глубина залегания скважины кажется колоссальной, она не доходит и до трети толщины земной коры в Балтийском щите. Геологи оценивают, что подошва земной коры в этой области проходит примерно в 40 километрах под землей. Поэтому даже если бы СГ-3 достигла запланированной 15-километровой отсечки, до мантии мы бы все равно не добрались.
Такую амбициозную задачу ставили перед собой американские ученые, разрабатывая проект «Мохол». Геологи планировали достигнуть границы Мохоровичича - подземной области, где наблюдается резкая смена скорости распространения звуковых волн. Считается, что она связана с границей между корой и мантией. Стоит отметить, что буровики выбрали в качестве места для скважины дно океана вблизи острова Гуадалупе - расстояние до границы составляло всего несколько километров. Однако глубина самого океана достигала здесь 3,5 километра, что существенно осложняло буровые работы. Первые испытания в 1960-х годах позволили геологам пробурить скважины лишь на 183 метра.
Недавно стало известно о планах воскресить проект глубокого океанического бурения с помощью исследовательского бурового судна JOIDES Resolution. В качестве новой цели геологи выбрали точку в Индийском океане, неподалеку от Африки. Глубина залегания границы Мохоровичича там составляет лишь около 2,5 километра. В декабре 2015-го - январе 2016 года геологам удалось пробурить скважину глубиной в 789 метров - пятую по величине в мире из подводных скважин. Но эта величина - лишь половина от требовавшейся на первом этапе. Впрочем, команда планирует вернуться и завершить начатое.
***
0,2 процента длины пути к центру Земли - не такая уж впечатляющая величина по сравнению с масштабами космических путешествий. Однако следует учитывать, что и граница Солнечной системы не проходит по орбите Нептуна (или даже поясу Койпера). Гравитация Солнца преобладает над звездной вплоть до расстояний в два световых года от светила. Так что если аккуратно все посчитать, то окажется, что и «Вояджер-2» пролетел лишь десятую долю процента длины пути до окраин нашей системы.
Поэтому не стоит расстраиваться тем, как плохо мы знаем «внутренности» собственной планеты. У геологов есть свои телескопы - сейсмические исследования - и свои амбициозные планы по покорению недр. И если астрономы уже успели прикоснуться к солидной части небесных тел в Солнечной системе, то у геологов все самое интересное еще впереди.
Владимир Королёв
На глубине 410-660 километров под поверхностью Земли океан архейского периода. Подобные открытия были бы невозможны без методов сверхглубинного бурения, разработанных и применявшихся в Советском Союзе. Один из артефактов тех времен - Кольская сверхглубокая скважина (СГ-3), которая даже через 24 года с момента прекращения бурения остается глубочайшей в мире. Зачем ее пробурили и какие открытия она помогла совершить, рассказывает «Лента.ру».
Пионерами сверхглубокого бурения выступили американцы. Правда, на просторах океана: в пилотном проекте они задействовали судно Glomar Challenger, сконструированное как раз для этих целей. Тем временем в Советском Союзе активно разрабатывали соответствующую теоретическую базу.
В мае 1970 года на севере Мурманской области в 10 километрах от города Заполярного началось бурение Кольской сверхглубокой скважины. Как и полагалось, это приурочили к столетию со дня рождения Ленина. В отличие от других сверхглубоких скважин, СГ-3 бурили исключительно для научных целей и даже организовали специальную геологоразведочную экспедицию.
Место бурения выбрали уникальное: именно на Балтийском щите в районе Кольского полуострова на поверхность выходят древние породы. Возраст многих из них достигает трех миллиардов лет (самой нашей планете - 4,5 миллиарда лет). Кроме того, тут Печенга-Имандра-Варзугский рифтогенный прогиб - вдавленная в древние породы чашеподобная структура, происхождение которой объясняют глубинным разломом.
Ученым понадобилось четыре года, чтобы пробурить скважину на глубину 7263 метра. Пока ничего необычного не делалось: применялась та же установка, что и при добыче нефти с газом. Потом скважина простояла без дела целый год: установку модифицировали для турбинного бурения. После апгрейда удавалось бурить примерно по 60 метров в месяц.
Глубина в семь километров преподнесла сюрпризы: чередование твердых и не очень плотных пород. Участились аварии, а в стволе скважины возникло множество каверн. Бурение продолжалось до 1983 года, когда глубина СГ-3 достигла 12 километров. После этого ученые собрали большую конференцию и рассказали о своих успехах.
Однако из-за неаккуратного обращения с буром в шахте осталась секция длиной пять километров. Несколько месяцев ее пытались достать, но не преуспели. Было принято решение вновь начать бурение с глубины семь километров. В силу сложности операции бурили не только основной ствол, но и четыре дополнительных. На то, чтобы восстановить утраченные метры, ушло целых шесть лет: в 1990-м скважина достигла глубины 12262 метра, став самой глубокой в мире.
Спустя два года бурение было остановлено, впоследствии скважину законсервировали, а фактически - забросили.
Тем не менее на Кольской сверхглубокой скважине совершили немало открытий. Инженеры создали целую систему сверхглубокого бурения. Сложность заключалась не только в глубине, но и в высоких температурах (вплоть до 200 градусов Цельсия) из-за интенсивности работы буров.
Ученые не просто продвигались вглубь Земли, но и поднимали образцы пород и керны для анализа. Кстати, именно они изучали лунный грунт и выяснили, что по составу он почти полностью соответствует породам, извлеченным из Кольской скважины с глубины около трех километров.
На глубине свыше девяти километров вышли на залежи полезных ископаемых, в том числе и золота: в оливиновом слое его целых 78 граммов на тонну. И это не так мало - добычу золота считают возможной при 34 граммах на тонну. Приятным сюрпризом для ученых, а также для близлежащего комбината, стало обнаружение нового рудного горизонта из медно-никелевых руд.
Помимо всего прочего, исследователи узнали, что граниты не переходят в суперпрочный базальтовый слой: на деле за ним располагались архейские гнейсы, которые традиционно относят к трещиноватым породам. Это произвело своего рода революцию в геолого-геофизической науке и полностью изменило традиционные представления о недрах Земли.
Еще один приятный сюрприз - открытие на глубине 9-12 километров высокопористых трещиноватых пород, насыщенных сильно минерализованными водами. По предположению ученых, именно они ответственны за образование руд, но прежде считалось, что это происходит лишь на гораздо меньших глубинах.
Помимо всего прочего, выяснилось, что температура недр немного выше, чем предполагалось: на глубине шести километров был получен температурный градиент в 20 градусов Цельсия на километр вместо 16 ожидавшихся. Было установлено радиогенное происхождение теплового потока, что также не согласовывалось с прежними гипотезами.
В глубинных слоях возрастом больше 2,8 миллиарда лет ученые нашли 14 видов окаменевших микроорганизмов. Это позволило сдвинуть время возникновения жизни на планете на полтора миллиарда лет назад. Также исследователи выяснили, что на глубинах нет осадочных пород и есть метан, навсегда похоронив теорию биологического происхождения углеводородов.
Кольская сверхглубокая скважина С конца XIX века считалось, что Земля состоит из коры, мантии и ядра. При этом никто толком не мог сказать, где кончается один слой и начинается следующий. Ученые не знали даже, из чего, собственно, эти слои состоят. Еще каких-нибудь 30 лет назад исследователи были уверены, что слой гранитов начинается на глубине 50 метров и продолжается до трех километров, а затем идут базальты. Мантия предполагалась на глубине 15-18 километров.
Сверхглубокая скважина, которую начали бурить в СССР на Кольском полуострове, показала, что ученые ошибались...
Погружение на три миллиарда лет
Проекты путешествия в глубь Земли появились в начале 1960-х годов сразу в нескольких странах. Первыми начали бурить сверхглубокие скважины американцы, причем они старались делать это в таких местах, где, по данным сейсмических исследований, земная кора должна была быть тоньше. Эти места, согласно расчетам, находились на дне океанов, а самым перспективным считался район вблизи острова Мауи из группы Гавайских, где.древние породы залегают под самым океанским дном и земная мантия находится примерно на глубине пяти километров под четырех километровой толщей воды. Увы, обе попытки пробиться сквозь земную кору в этом месте закончились неудачей на глубине трех километров.
Первые отечественные проекты также предполагали подводное бурение - в Каспийском море или на Байкале. Но в 1963 году ученый-буровик Николай Тимофеев убедил Государственный комитет по науке и технике СССР в том, что нужно создать скважину на континенте. Хотя бурить придется несравненно дольше, полагал он, скважина будет куда ценнее с научной точки зрения. Место бурения выбрали на Кольском полуострове, который расположен на так называемом Балтийском щите, состоящем из самых древних известных человечеству земных пород. Многокилометровый срез пластов щита должен был, по задумке ученых, показать картину истории планеты за последние три миллиарда лет.
Все глубже, и глубже, и глубже...
Начало работ после почти пятилетней подготовки было приурочено к 100-летию со дня рождения В.И. Ленина в 1970 году. К проекту приступили основательно. На скважине работало 16 научно-исследовательских лабораторий, каждая размером со средний завод; проект курировал лично министр геологии CCCР Рядовые сотрудники получали тройную зарплату. Всем была гарантирована квартира в Москве или Ленинграде. Неудивительно, что попасть на Кольскую сверхглубокую было куда сложнее, чем в отряд космонавтов.
Внешний вид скважины способен был разочаровать постороннего наблюдателя. Никаких лифтов и винтовых лестниц, уводящих в глубь Земли. Под землю уходил только бур диаметром чуть больше 20 сантиметров. Вообще, Кольскую сверхглубокую можно представить как тонкую иглу, пронзающую земную толщу. Находящийся на конце этой иглы бур с многочисленными датчиками после нескольких часов работы поднимали почти целые сутки для осмотра, снятия показаний и ремонта, и сутки же потом опускали. Быстрее нельзя: прочнейший композитный трос (буровая колонна) мог оборваться под собственным весом.
Что происходило на глубине в момент бурения, доподлинно было неизвестно. Температура окружающей среды, шумы и прочие параметры передавались наверх с минутным запозданием. Тем не менее бурильщики рассказывали, что даже такой контакт с подземельем иногда пугал не на шутку. Звуки, доносившиеся снизу, были похожи на вопли и завывания. К этому можно добавить длинный список аварий, преследовавших Кольскую сверхглубокую, когда она достигла глубины 10 километров. Дважды бур доставали оплавленным, хотя температуры, от которых он мог принять такой вид, сравнимы с температурой поверхности Солнца. Однажды трос как будто дернули снизу - и оборвали. Впоследствии, когда бурили в том же месте, остатков троса не обнаружилось. Чем были вызваны эти и многие другие аварии, до сих пор остается загадкой. Впрочем, вовсе не они стали причиной остановки бурения недр Балтийского щита.
В 1983 году, когда глубина скважины достигла 12 066 метров, работы временно прекратили: решено было подготовить материалы по сверхглубокому бурению к Международному геологическому конгрессу, который планировалось провести в 1984 году в Москве. На нем зарубежные ученые впервые узнали о самом существовании Кольской сверхглубокой, все сведения о которой были до той поры засекречены. Возобновились работы 27 сентября 1984 года. Однако при первом же спуске бура произошла авария - снова оборвалась буровая колонна. Продолжать бурение пришлось с глубины 7000 метров, создавая новый ствол, и к 1990 году это новое ответвление достигло отметки в 12 262 метра, что явилось абсолютным рекордом для сверхглубоких скважин, побитом лишь в 2008 году. Бурение было остановлено в 1992-м, на этот раз, как оказалось, навсегда. На дальнейшие работы не было средств.
Открытия и находки
Открытия, сделанные на Кольской сверхглубокой, совершили настоящий переворот в наших знаниях о строении земной коры. Теоретики обещали, что температура Балтийского щита останется сравнительно низкой до глубины по крайней мере 15 километров. А значит, скважину можно бурить чуть ли не до 20 километров, как раз до мантии. Но уже на пятом километре температура перевалила за 700°С, на седьмом - за 1200°С, а на глубине двенадцати жарило сильнее 2200°С.
Кольские бурильщики поставили под сомнение теорию послойного строения земной коры - по крайней мере, в интервале до 12 262 метров. Считалось, что есть поверхностный слой (молодые породы), затем должны идти граниты, базальты, мантия и ядро. Но граниты оказались на три километра ниже, чем рассчитывали. Базальтов, которые должны были залегать под ними, не нашли вообще. Невероятным сюрпризом для ученых стало обилие трещин и пустот на глубине свыше 10 километров. В этих пустотах бур раскачивался как маятник, что приводило к серьезным затруднениям в работе из-за его отклонения от вертикальной оси. В пустотах было зафиксировано наличие паров воды, которые перемещались там с высокой скоростью, словно переносимые какими-то неведомыми насосами. Эти пары и создавали те самые звуки, которые приводили в трепет бурильщиков.
Совершенно неожиданно для всех подтвердилась гипотеза писателя Алексея Толстого об оливиновом поясе, высказанная в романе «Гиперболоид инженера Гарина». На глубине свыше 9,5 километра обнаружили настоящий кладезь всевозможных ископаемых, в частности золота, которого оказалось 78 граммов на тонну. Кстати, промышленная добыча осуществляется при концентрации 34 грамма на тонну.
Еще один сюрприз: жизнь на Земле возникла, оказывается, на полтора миллиарда лет раньше, чем предполагалось. На глубинах, где, как считалось, никакой органики быть не может, обнаружили 14 видов окаменевших микроорганизмов (возраст этих слоев превышал 2,8 миллиарда лет). На еще больших глубинах, где уже нет осадочных пород, появился метан в высоких концентрациях, что окончательно опровергло теорию биологического происхождения углеводородов, таких как нефть и газ.
Нельзя не упомянуть об открытии, сделанном при сравнении лунного грунта, доставленного советской космической станцией в конце 70-х годов с поверхности Луны, и проб, взятых на Кольской скважине с глубины 3 километра. Оказалось, эти пробы похожи как две капли воды. Некоторые астрономы увидели в этом доказательство того, что когда-то Луна откололась от Земли в результате катаклизма (возможно, столкновения планеты с крупным астероидом). Однако по мнению других, это сходство свидетельствует лишь о том, что Луна образовалась из того же газопылевого облака, что и Земля, и на первоначальных геологических этапах они «развивались» одинаково.
Кольская сверхглубокая опередила свое время
Кольская скважина показала, что в глубь Земли можно пройти и на 14, и даже на 15 километров. Однако одна такая скважина вряд ли способна дать принципиально новые знания о земной коре. Для этого требуется целая сеть скважин, пробуренных в разных точках земной поверхности. Но времена, когда сверхглубокие скважины бурились с чисто научными целями, кажется, прошли. Слишком дорогое это удовольствие. Современные программы сверхглубокого бурения уже не столь амбициозны, как раньше, и преследуют практические цели.
Главным образом это открытие и добыча полезных ископаемых. В США уже сейчас добыча нефти и газа с глубин 6-7 километров становится обычным делом. В будущем с таких уровней начнет качать углеводородное сырье и Россия. Однако и те глубинные скважины, что бурятся сейчас, приносят немало ценной информации, которую геологи стремятся обобщить для получения целостной картины хотя бы поверхностных слоев земной коры. Но то, что лежит ниже, еще долго будет представлять собой загадку. Раскрыть ее с помощью самой современной научной аппаратуры могут только ученые, работающие на сверхглубоких скважинах, подобных Кольской. Такие скважины в будущем станут для человечества своеобразными телескопами в таинственный подземный мир планеты, о котором нам известно не больше, чем об отдаленных галактиках.
