Глубина сверхглубокой. Тайны кольской сверхглубокой скважины
Попытка изучить геологический разрез и толщу вулканических пород, выходящих на поверхность земли, подвигло научные центры и, иже с ними, научно-исследовательские организации выявить происхождение глубинных разломов. Дело в том, что структурные образцы пород, ранее извлеченные из недр Земли и Луны, представляли тогда равный интерес для изучения. И выбор точки заложения устья пал на существующий огромный чашеподобный прогиб, происхождение которого связывается с наличием глубинного разлома на участке Кольского полуострова.
Считалось, что Земля представляет собой этакий бутерброд, состоящий из коры, мантии и ядра. К этому времени, близкие к поверхности, осадочные породы были достаточно исследованы при разработке нефтяных месторождений. Разведка же на цветные металлы редко сопровождалась бурением ниже 2000 - метровой отметки.
Кольская СГ (сверхглубокая), ниже глубины 5000 метров, предполагала обнаружить раздел гранитных и базальтовых пластов. Этого не случилось. Бурильный снаряд прошивал твердые гранитные породы до отметки 7000 метров. Далее проходка пошла по, относительно, мягким грунтам, что и стало причиной обрушения стенок ствола и образования каверн. Осыпанный грунт заклинивал головку инструмента настолько, что при подъёме колонна труб обрывалась, приводя к аварии. Кольская скважина должна была подтвердить или опровергнуть эти давно устоявшиеся учения. К тому же учёные круги не рисковали указывать интервалы, где именно проходят границы между этими тремя слоями. Кольская скважина предназначалась для разведки и изучения месторождений минеральных ресурсов, определения закономерности и поэтапного образования полей залегания запасов сырья. В основу была положена, прежде всего, научная обоснованность теории физических, гидрогеологических и прочих параметров глубин Земли. И достоверную информацию о геологическом строении недр могла дать только сверхглубокая проходка ствола.
Между тем, многолетняя подготовка к началу буровых работ, предусматривала: возможность возрастания температуры по мере углубления, увеличение гидростатического давления пластов, непредсказуемость поведения пород, их устойчивость в связи с наличием горного и пластового давлений.
С технической точки зрения во внимание были приняты все возможные трудности и препятствия, которые могли привести к замедлению процесса углубления из-за потерь времени на спуск-подъём снаряда, снижения скорости бурения в связи с изменением категории пород, увеличения затрат энергии на забойные движители.
Наиболее сложным фактором считалось постоянное увеличение веса обсадной колонны и бурильной трубы по мере углубления.
Успешными стали технические наработки в области:
- повышения грузоподъемности, мощности и других характеристик буровой оснастки и оборудования;
- термостойкости породоразрушающего инструмента;
- автоматизации управления всеми этапами процесса бурения;
- обработки информации, поступающей из забойной зоны;
- предупреждения об аварийных ситуациях с бурильной трубой или обсадной колонной.
Проходка сверхглубокого ствола должна была выявить верность или ошибочность научной гипотезы о глубинном строении планеты.
Целью этого, весьма затратного, строительства предусматривались исследования:
1.
Глубинное строение Печенгского месторождения никеля и кристаллической подошвы Балтийского щита полуострова. Расшифровка контура месторождения полиметаллов на Печенге вкупе с проявлениями рудных тел.
2.
Изучение природы и сил, вызывающих раздел пластовых границ континентальной коры. Выявление зон пластов, мотивов и характера образования высокой температуры. Определение физического и химического состава воды, газов, образующихся в трещинах, порах пород.
3.
Получение исчерпывающего материала по вещественному составу пород и информации об интервалах раздела гранитного и базальтового «прокладок» коры. Всестороннее изучение физико-химических свойств извлечённого керна.
4.
Разработка передовых технических средств и новых технологий проходки сверхглубоких стволов. Возможность применения геофизических методов исследования в зоне рудных проявлений.
5.
Разработка и создание новейшей аппаратуры наблюдения, испытания, исследования, контроля хода бурового процесса.
Кольская скважина большей частью отвечала научным целям. В задачу входило изучение древнейших пород, из которых сложена планета и познание тайн процессов, в них происходящих.
Геологическое обоснование бурения на Кольском полуострове
Разведка и добыча залежей полезных руд всегда предопределяется бурением глубоких скважин. И почему на Кольском полуострове и именно в Мурманской области, и обязательно на Печенге. Предпосылкой тому послужил факт того, что этот регион считался настоящей кладовой минеральных ресурсов, с богатейшими запасами большого разнообразия рудного сырья (никель, магнетиты, апатиты, слюда, титан, медь).
Однако геологическая выкладка, выполненная на основе керна из скважины, выявила абсурдность мирового научного мнения. Семи километровая глубина оказалась сложенной из вулканических и осадочных пород (туфы, песчаники, доломиты, брекчии). Ниже этого интервала, как предполагалось, должны были находиться породы, разделяющие гранитный и базальтовый структуры. Но, увы, базальты так и не появились.
Выражаясь геологическими терминами, Балтийский щит полуострова с частичным охватом территорий Норвегии, Швеции, Финляндии и Карелии миллионы веков подвергались эрозии и эволюции. Природные всплески, разрушительные процессы вулканизма, явления магматизма, метаморфические видоизменения пород, осадкообразования наиболее четко отпечатались на геологической летописи Печенги. Это та часть Балтийского складчатого щита, где миллиарды лет складывалась геологическая история пластовых и рудных проявлений.
Особенно, многовековой коррозии подвергались северная и восточная части поверхности щита. В результате чего ледники, ветер, вода и другие природные катаклизмы, как бы сдирали (скребли) верхние пласты пород.
Основанием выбора места закладки скважины послужила серьёзная эрозия верхних слоев и обнажение древних архейских образований Земли. Эти обнажения значительно приближали и облегчали доступ к подземным кладовым природы.
Конструкция сверхглубокой скважины
Сверхглубокие сооружения имеют обязательную телескопическую конструкцию. В нашем случае, начальный диаметр устья имел 92 см, а конечный 21,5.
Проектная направляющая колонна или так называемый кондуктор диаметром 720 мм предусматривала проходку на глубину 39 погонных метров. Первая техническая колонна (стационарная обсадная), диаметром 324 мм и длиной в 2000 метров; съемная обсадная 245 мм, метражом в 8770 метров. Далее бурение намечалось вести открытым стволом до проектной отметки. Кристаллические породы позволяли рассчитывать на длительную устойчивость не обсаженной части стенок. Вторая съемная колонна, размеченная магнитными метками, позволяла бы осуществить сплошной отбор керна по всей длине ствола. Радиоактивные метки на забойной трубе были настроены фиксировать температуру среды бурения.
Техническая оснащенность буровой установки для бурения сверхглубокой скважины
Проходка с нуля велась установкой «Уралмаш-4Э», то есть серийным оборудованием, применяемым для бурения глубоких нефтегазовых скважин. До 2000 метров ствол проходился стальными бурильными трубами, с турбобуром на конце. Эта турбина в 46 метров длиной с долотом на конце приводилась во вращение под действием глинистого раствора, который закачивался в трубу давлением 40 атмосфер.
Далее, проходка осуществлялась с интервала 7264 метра отечественной установкой «Уралмаш-15000», с инновационной точки зрения, более мощным сооружением, грузоподъёмностью 400 тонн. Комплекс был укомплектован множеством технических, технологических, электронных и прочих передовых разработок.
Кольская скважина была оснащена высокотехнологичной и автоматизированной структурой:
1.
Разведочная , с мощным основанием, на котором смонтирована сама секционная вышка, высотой в 68 метров. Предназначалась для осуществления:
- проходка ствола, операции спуск - подъема снаряда и прочие вспомогательные действия;
- удержание ведущей и всей колонны труб, как на весу, так и процессе бурения;
- размещение секций (свечей) бурильных труб, в том числе утяжеленных (УБТ), талевой системы.
Во внутреннем пространстве вышки размещались также средства СП (спуск - подъема), инструменты. Здесь же размещались средства безопасности и возможной экстренной эвакуации верхового (помощника бурильщика).
2. Силовая и технологическая оснастка, энергетические и насосные агрегаты.
3. Циркуляционная и противовыбросовая система, цементировочное оборудование.
4. Система автоматизации, управления, контроля процесса.
5. Электротехническое обеспечение, средства механизации.
6. Комплекс измерительного оборудования, лабораторная техника и многое прочее.
В 2008 году Кольская сверхглубокая скважина была совсем заброшена, все ценное оборудование было демонтировано и вывезено (в большинстве было сдано на металлолом).
До 2012 года была демонтирована главная башня бурильной установки.
Сейчас работает только Кольский научный центр Российской академии наук в котором по сей день изучают керн добытый из сверхглубокой скважины.
Сам же керн вывезен в город Ярославль, где сейчас и хранится.
Документальное видео о Кольской сверхглубокой скважине
Новые рекорды сверхглубоких скважин
Кольская сверхглубокая скважина считалась самой глубокой скважиной в мире до 2008 года.
В 2008 году в нефтяном бассейне Аль-Шахин была пробурена под острым углом к поверхности земли нефтяная скважина Maersk Oil BD-04A, длина которой составляет 12 290 метров.
В январе 2011 и этот рекорд был побит, а побила её нефтяная скважина пробурена в Северном куполе (Одопту-море - газонефтяное месторождение в России), эта скважина также пробуренная под острым углом к поверхности земли, длина составила 12 345 метров.
В июне 2013 года скважина Z-42 Чайвинского месторождения снова побила рекорд глубины, длина составила 12 700 метров.
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
Кольская сверхглубокая скважина — самая глубокая буровая скважина в мире (с 1979 по 2008 г.) 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. (сокращённо граница Мохо) - нижняя граница земной коры, на которой происходит скачкообразное увеличение скоростей продольных сейсмических волн.
Кольская сверхглубокая скважина была заложена в честь 100-летия со дня рождения Ленина, в 1970 году. Толщи осадочных пород к тому времени были хорошо изучены при добыче нефти. Интереснее было бурить там, где вулканические породы возрастом около 3 млрд лет (для сравнения: возраст Земли оценивается в 4,5 млрд лет) выходят на поверхность. Для добычи полезных ископаемых такие породы редко бурят глубже 1—2 км. Предполагалось, что уже на глубине 5 км гранитный слой сменится базальтовым.6 июня 1979 года скважина побила рекорд в 9583 метра, ранее принадлежавший скважине Берта-Роджерс (нефтяная скважина в Оклахоме). В лучшие годы на Кольской сверхглубокой скважине работало 16 исследовательских лабораторий, их курировал лично министр геологии СССР.
Хотя ожидалось, что будет обнаружена ярко выраженная граница между гранитами и базальтами, в керне по всей глубине обнаруживались только граниты. Однако за счёт высокого давления спрессованные граниты сильно меняли физические и акустические свойства.Как правило, поднятый керн рассыпался от активного газовыделения в шлам, так как не выдерживал резкой смены давлений. Вынуть прочный кусок керна удавалось только при очень медленном подъеме бурового снаряда, когда «излишний» газ, находясь ещё в поджатом до большого давления состоянии, успевал из породы выходить.Густота трещин на большой глубине, вопреки ожиданиям, увеличивалась. На глубине присутствовала также вода, заполнявшая трещины.
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,на 5 километрах окружающая температура перевалила за 70 градусов Цельсия, на семи - за 120 градусов, а на глубине 12-ти жарило сильнее 220 градусов - на 100 градусов выше предсказанного. Кольские бурильщики поставили под сомнение теорию послойного строения земной коры - по крайней мере, в интервале до 12 262 метра.
«Имеем самую глубокую дыру в мире - так надо пользоваться!» - горько восклицает бессменный директор научно-производственного центра «Кольская сверхглубокая» Давид Губерман. В первые 30 лет существования Кольской сверхглубокой советские, а затем российские ученые прорвались на глубину 12 262 метра. Но с 1995-го бурение прекращено: стало некому финансировать проект. Того, что выделяется в рамках научных программ ЮНЕСКО, хватает только на поддержание буровой станции в рабочем состоянии и изучение ранее извлеченных образцов пород.
Губерман с сожалением вспоминает, сколько научных открытий состоялось на Кольской сверхглубокой. Буквально каждый метр был откровением. Скважина показала, что почти все наши прежние знания о строении земной коры неверны. Выяснилось, что Земля вовсе не похожа на слоеный пирог.
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 - возраст глубинных слоев превышал 2,8 миллиарда лет. На еще больших глубинах, где уже нет осадочных пород, появился метан в огромных концентрациях. Это полностью и совершенно разрушило теорию биологического происхождения углеводородов, таких как нефть и газ.Были и почти фантастические сенсации. Когда в конце 70-х годов советская автоматическая космическая станция привезла на Землю 124 грамма лунного грунта, исследователи Кольского научного центра установили, что он как две капли воды похож на пробы с глубины 3 километров. И возникла гипотеза: Луна оторвалась от Кольского полуострова. Теперь ищут, где именно. Кстати, американцы, которые привезли с Луны полтонны грунта, так ничего толкового с ним и не сделали. Поместили в герметичные контейнеры и оставили для исследований будущим поколениям.
Совершенно неожиданно для всех подтвердились прогнозы Алексея Толстого из романа «Гиперболоид инженера Гарина». На глубине свыше 9,5 километров обнаружили настоящую кладезь всевозможных ископаемых, в частности золота. Настоящий оливиновый слой, гениально предсказанный писателем. Золота в нем 78 граммов на тонну.Кстати, промышленная добыча возможна при концентрации 34 грамма на тонну 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,первоисточником информации (1989 год) стала американская телекомпания Trinity Broadcasting Network, которая, в свою очередь, взяла историю из репортажа финской газеты. Якобы при бурении скважины, на глубине 12 тысяч метров, микрофоны ученых записали крики и стоны.).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 "голос 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 Интернета, 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 через год было принято окончательное решение отказаться от продолжения исследований и демонтировать весь научно-исследовательский комплекс, а скважину — "закопать". Окончательная ликвидация скважины произошла летом 2011 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.
ИТОГИ
Задачи, поставленные в проекте сверхглубокого бурения, выполнены. Разработаны и созданы особая аппаратура и технология сверхглубокого бурения, а также для исследования пробуренных на большую глубину скважин. Получили информацию, можно сказать, "из первых рук" о физическом состоянии, свойствах и составе горных пород в их естественном залегании и по керну до глубины 12 262 м. Отличный подарок родине скважина выдала на малой глубине - в интервале 1,6-1,8 км. Там были вскрыты промышленные медно-никелевые руды - обнаружен новый рудный горизонт. И очень кстати, потому что местному никелевому комбинату уже не хватает руды.
Как было отмечено выше, геологический прогноз разреза скважины не оправдался. Картина, которая ожидалась на протяжении первых 5 км, в скважине растянулась на 7 км, а дальше появились совсем неожиданные породы. Прогнозируемых на глубине 7 км базальтов не нашли, даже когда опустились до 12 км. Ожидали, что граница, дающая наибольшее отражение при сейсмическом зондировании, - это тот уровень, где граниты переходят в более прочный базальтовый слой. В действительности же оказалось, что там расположены менее прочные и менее плотные трещиноватые породы - архейские гнейсы. Такого никак не предполагали. И это принципиально новая геолого-геофизическая информация, которая позволяет по-другому интерпретировать данные глубинных геофизических исследований.
Неожиданными, принципиально новыми оказались и данные о процессе рудообразования в глубинных слоях земной коры. Так, на глубинах 9-12 км встретились высокопористые трещиноватые породы, насыщенные подземными сильно минерализованными водами. Эти воды - один из источников рудообразования. Раньше считали, что такое возможно лишь на значительно меньших глубинах. Именно в этом интервале в керне обнаружили повышенное содержание золота - до 1 г на 1 т породы (концентрация, которая считается пригодной для промышленной разработки). Но будет ли когда-нибудь рентабельной добыча золота с такой глубины?
Изменились и представления о тепловом режиме земных недр, о глубинном распределении температур в районах базальтовых щитов. На глубине более 6 км получен температурный градиент 20оС на 1 км вместо ожидавшегося (как и в верхней части) 16оС на 1 км. Выявлено, что половина теплового потока имеет радиогенное происхождение.
Земные недра содержат столь же много загадок, сколь необъятные просторы Вселенной. Именно так думают некоторые ученые, и они отчасти правы, ведь человек до сих пор точно не знает, что именно находится у нас под ногами глубоко под землей.За все время существования земной цивилизации мы смогли углубиться внутрь планеты немногим более 10 километров. Рекорд этот был поставлен еще в 1990 году и продержался до 2008 года, после чего несколько раз обновлялся. В 2008 году была пробурена наклонная нефтяная скважина Maersk Oil BD-04A, длиной 12 290 метров (нефтяной бассейн Аль-Шахин в Катаре). В январе 2011 года на месторождении Одопту-море (проект Сахалин-1) была пробурена наклонная нефтяная скважина глубиной 12345 метров. Рекорд по глубине бурения на данный момент принадлежит скважине Z-42 Чайвинского месторождения, глубина которой составляет 12700 метров.
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
Несмотря на то, что на дворе стоит XXI век, внутреннее строение нашей планеты изучено очень мало. Мы неплохо знаем о том, что творится в далеком космосе, в то же время степень проникновения в тайны Земли можно сравнить с легким булавочным уколом в поверхность корки арбуза.
В середине 1950-х, когда бурильщики научились делать скважины глубиной более 7 км, человечество приблизилось к осуществлению весьма амбициозной задачи – пройти сквозь земную кору и посмотреть, что скрывается под ней. Ближе всех к этой цели подошли наши соотечественники, пробурившие Кольскую сверхглубокую скважину.
Твердая оболочка Земли на удивление тонка относительно ее размеров – толщина коры варьируется в пределах 20-65 км на суше и 3-8 км под океаном, занимая менее 1% объема планеты. За ней находится обширный слой – мантия, – на чью долю приходится основной объем Земли. Еще ниже находится плотное ядро, состоящее преимущественно из железа, а также никеля, свинца, урана и других металлов. Между корой и мантией выделяется пограничная зона, названная по имени открывшего ее югославского ученого поверхностью (границей) Мохоровича, или сокращенно - Мохо. В этой зоне скорость распространения сейсмических волн резко увеличивается. Существует ряд гипотез, призванных объяснить это явление, однако в целом оно остается неразгаданным.
Важнейшей целью самых серьезных проектов по глубокому бурению, запущенных во второй половине XX в., являлся именно этот таинственный слой. Достичь его исследователям так и не удалось, однако данные о строении земной коры, полученные в ходе бурения сверхглубоких скважин, оказались настолько неожиданными, что граница Мохоровича как бы отошла на второй план. Сперва понадобилось объяснить загадки, обнаруженные в более высоких слоях.
Первыми за глубинное бурение земной коры в научных целях принялись американцы. В 1960-х ими был запущен научный проект «Мохол» (Mohole), предусматривавший создание подводных с помощью специальных буровых судов. В течение последующих тридцати лет в морях и океанах появилось более 800 скважин, многие из которых расположены на глубинах более 4 км. Самая длинная скважина смогла углубиться в морское дно всего на 800 м, и все же полученные данные имели колоссальное значение для геологии. В частности, они послужили весомым подтверждением т.н. тектонической теории, согласно которой в основе континентов лежат твердые литосферные плиты, медленно плавающие, погруженные в жидкую мантию.
Разумеется, СССР не мог отстать от заокеанского конкурента, поэтому в середине 1960-х и у нас были запущены многочисленные проекты по исследованию земной коры. Советские ученые пошли несколько иным путем, решив бурить скважины не в море, а на земле. Самым известным и успешным проектом подобного рода является Кольская сверхглубокая скважина – самая глубокая «дыра в земле» из всех, когда-либо сделанных человеком. Скважина расположена в северной оконечности Кольского полуострова. Это место было выбрано отнюдь не случайно – на протяжении сотен миллионов лет естественная эрозия разрушала поверхность Кольского кристаллического щита, сдирая с него верхние слои породы. В результате на поверхности оказались древние архейские слои, соответствующие глубинам в 5-10 км для среднестатистического разреза земной коры континентального типа. 15-километровая проектная глубина скважины позволяла ученым надеяться на достижение загадочной поверхности Мохоровича.
Бурение Кольской скважины началось в 1970 г, а закончилось оно более 20 лет спустя – в 1994 г. Сперва бурильщики работали вполне традиционными методами: в скважину опускалась колонна из легкосплавных труб, на конце которой укреплен цилиндрический металлический бур с алмазными зубьями и датчиками. Колонну вращал двигатель, расположенный на поверхности. По мере увеличения глубины скважины к трубам добавлялись новые секции. Периодически всю колонну приходилось поднимать на поверхность, чтобы извлечь вырезанный керн породы и заменить затупившуюся коронку. К сожалению, эта отработанная технология становится неэффективной, когда глубина скважины превышает определенную отметку: трение труб о стенки скважины становится слишком большим, чтобы весь этот огромный вал можно было проворачивать. Чтобы преодолеть это затруднение, инженеры разработали схему, при которой вращалась только головка бурильной установки. На конце колонны укрепили турбины, через которые пропускался буровой раствор – специальная жидкость, выполняющая роль смазки и циркулирующая по трубам. Эти турбины и заставляли бур вращаться.
Образцы, извлеченные на поверхность в процессе бурения, произвели в геологии настоящий переворот. Существовавшие представления о строении земной коры оказались далеки от действительности. Первым сюрпризом стало отсутствие перехода от гранита к базальту, который ученые ожидали увидеть на глубине около 6 км. Сейсмологические исследования говорят о том, что в этом районе скорость распространения акустических волн резко меняется, что интерпретировалось как начало базальтового фундамента земной коры. Однако и после зоны перехода на поверхность продолжали подниматься граниты и гнейсы. С этого момента стало ясно, что господствующая модель двухслойной земной коры неверна. Сейчас наличие сейсмического перехода объясняется изменением свойств породы в условиях возросшего давления и температуры.
Еще более удивительным открытием был тот факт, что породы, расположенные на глубинах более 9 км, оказались чрезвычайно пористыми. До этого, считалось, что по мере увеличения глубины и давления, они, напротив, должны становиться все более плотными. Миниатюрные трещины заполнял водный раствор, чье происхождение долгое время оставалось абсолютно неясным. Позже была выдвинута теория, согласно которой обнаруженная вода образуется из атомов водорода и кислорода, которые «выдавливаются» из окружающей породы под действием колоссальных давлений.
Еще один сюрприз: жизнь на планете Земля возникла, оказывается, на 1,5 миллиарда лет раньше, чем предполагалось. На глубине в 6,7 км, где считалось, что нет органики, обнаружили 14 видов окаменевших микроорганизмов. Они были найдены в крайне нехарактерных углеродно-азотных отложениях (вместо обычного известняка или кремнезема), возраст которых превышал 2,8 миллиарда лет. На еще больших глубинах, где уже нет осадочных пород, появился метан в огромных концентрациях. Это полностью и совершенно разрушило теорию биологического происхождения углеводородов, таких как нефть и газ.
Ученых крайне удивила и скорость, с которой возрастала температура по мере углубления скважины. На отметке в 7 км она достигала 120 °C, а на глубине в 12 км – уже 230 °C, что было на треть выше планируемого значения: температурный градиент коры составил почти 20 градусов на 1 км, вместо ожидаемых 16-ти. Было также выяснено, что половина теплового потока имеет радиогенное происхождение. Высокая температура негативно сказывалось на работе коронки, поэтому буровой раствор стали охлаждать перед закачиванием в скважину. Эта мера оказалось достаточно эффективной, однако после прохождения отметки в 12 км и она уже не смогла обеспечить достаточный отвод тепла. К тому же сдавленная и нагретая порода приобретала некоторые свойства жидкости, в результате чего скважина начинала заплывать при очередном извлечении буровой колонны. Дальнейшее продвижение вперед оказалось невозможным без новых технологических решений и существенных денежных затрат, поэтому в 1994 г. бурение было приостановлено. К тому моменту скважина успела углубиться на 12262 м.