XX век ознаменовался триумфом человека в воздухе и покорением самых глубоких впадин Мирового океана. Лишь мечта проникнуть к сердцу нашей планеты и познать скрытую доселе жизнь ее недр по-прежнему остается недостижимой. «Путешествие к центру Земли» обещает быть необычайно трудным и увлекательным, таящим в себе массу неожиданностей и невероятных открытий. Первые шаги на этом пути уже сделаны — в мире пробурено несколько десятков сверхглубоких скважин. Информация, полученная при помощи сверхглубокого бурения, оказалась столь ошеломляющей, что поколебала устоявшиеся представления геологов о строении нашей планеты и дала богатейшие материалы для исследователей в самых разных областях знаний.
Прикоснуться к мантии
Трудолюбивые китайцы в XIII веке рыли скважины глубиной 1 200 метров. Европейцы побили китайский рекорд в 1930 году, научившись пронзать земную твердь при помощи буровых на 3 километра. В конце 1950-х годов скважины удлинились до 7 километров. Начиналась эпоха сверхглубокого бурения.
Как и большинство глобальных проектов, идея пробурить верхнюю оболочку Земли возникла в 1960-х годах XX века, в разгар космических полетов и веры в безграничные возможности науки и техники. Американцы задумали ни много ни мало пройти скважиной всю земную кору и получить образцы пород верхней мантии. Представления о мантии тогда (как, впрочем, и сейчас) строились лишь на косвенных данных - скорости распространения сейсмических волн в недрах, изменение которой интерпретировалось как граница слоев горных пород разного возраста и состава. Ученые считали, что земная кора похожа на бутерброд: сверху молодые породы, снизу - древние. Однако лишь сверхглубокое бурение могло дать доподлинную картину строения и состава внешней оболочки Земли и верхней мантии.
Проект «мохол»
В 1958 году в США появилась программа сверхглубокого бурения «Мохол». Это один из самых смелых и загадочных проектов послевоенной Америки. Как и многие другие программы, «Мохол» был призван обогнать СССР в научном соперничестве, установив мировой рекорд в сверхглубоком бурении. Название проекта происходит от слов «Мохоровичич» - это фамилия хорватского ученого, который выделил поверхность раздела между земной корой и мантией - границу Мохо, и «hole», что по-английски значит «скважина». Создатели программы решили бурить в океане, где, по данным геофизиков, земная кора значительно тоньше, чем на материках. Надо было спустить трубы на несколько километров в воду, пройти 5 километров океанского дна и достичь верхней мантии.
В апреле 1961 года у острова Гваделупа в Карибском море, где водная толща достигает 3,5 км, геологи пробурили пять скважин, самая глубокая из них вошла в дно на 183 метра. По предварительным расчетам, в этом месте под осадочными породами ожидали встретить верхний слой земной коры - гранитный. Но поднятый из-под осадков керн содержал чистые базальты - эдакий антипод гранитов. Результат бурения обескуражил и в то же время окрылил ученых, они стали готовить новую фазу бурения. Но когда стоимость проекта перевалила за 100 млн. долларов, конгресс США прекратил финансирование. «Мохол» не ответил ни на один из поставленных вопросов, но он показал главное - сверхглубокое бурение в океане возможно.
Похороны откладываются
Сверхглубокое бурение позволило заглянуть в недра и понять, как ведут себя горные породы при высоких давлениях и температуре. Представление, что горные породы с глубиной становятся плотнее и пористость их убывает, оказалось неверным, как и точка зрения о сухих недрах. Впервые это было обнаружено при бурении Кольской сверхглубокой, другие скважины в древних кристаллических толщах подтвердили тот факт, что на многокилометровой глубине горные породы разбиты трещинами и пронизаны многочисленными порами, а водные растворы свободно движутся под давлением в несколько сот атмосфер. В этом открытии состоит одно из важнейших достижений сверхглубокого бурения. Оно заставило вновь обратиться к проблеме захоронения радиоактивных отходов, которые предполагалось помещать в глубокие скважины, что казалось совершенно безопасным. Учитывая информацию о состоянии недр, полученную в ходе сверхглубокого бурения, проекты создания подобных могильников ныне выглядят весьма рискованными.
В поисках остывшего пекла
С тех пор 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.
Разочарование шведов
В конце 1980-х годов в Швеции в поисках природного газа небиологического происхождения пробурили скважину до глубины 6,8 км. Геологи решили проверить гипотезу, согласно которой нефть и газ образуются не из отмерших растений, как считает большинство ученых, а посредством мантийных флюидов - горячих смесей газов и жидкостей. Насыщенные углеводородами флюиды просачиваются из мантии в земную кору и накапливаются в больших количествах. В те годы идея о происхождении углеводородов не из органического вещества осадочных толщ, а посредством глубинных флюидов была в новинку, многие хотели ее проверить. Из этой идеи следует, что запасы углеводородов могут содержать не только осадочные, но также вулканические и метаморфические породы. Вот почему Швеция, большей частью расположенная на древнем кристаллическом щите, взялась поставить эксперимент.
Для бурения выбрали кратер Сильян Ринг диаметром 52 км. По геофизическим данным, на глубине 500-600 метров находились кальцинированные граниты - возможная покрышка для нижележащего резервуара углеводородов. Замеры ускорения силы тяжести, по изменению которой можно судить о составе и плотности залегающих в недрах горных пород, говорили о наличии высокопористых пород на глубине 5 км – возможного коллектора нефти и газа. Результаты бурения разочаровали ученых и инвесторов, вложивших в эти работы 60 млн. долларов. Пройденные толщи не содержали промышленных запасов углеводородов, только проявления нефти и газа явно биологического происхождения из древних битумов. Во всяком случае, никому не удалось доказать обратное.
Инструмент для преисподней
Создания принципиально новых устройств и гигантских машин бурение Кольской скважины СГ-3 не требовало. Начинали работать с тем, что уже имелось: установка «Уралмаш 4Э» грузоподъемностью 200 тонн и легкосплавные трубы. Что действительно было нужно на тот момент, так это нестандартные технологические решения. Ведь в твердых кристаллических породах на столь большую глубину никто не бурил, и что там будет, представляли себе только в общих чертах. Опытные буровики, однако, понимали, что каким бы детальным ни был проект, реальная скважина окажется намного сложнее. Через 5 лет, когда глубина скважины СГ-3 превысила 7 километров, смонтировали новую буровую установку «Уралмаш 15 000» - одну из самых современных по тем временам. Мощная, надежная, с автоматическим спускоподъемным механизмом, она могла выдержать колонну труб длиной до 15 км. Буровая превратилась в полностью обшитую вышку высотой 68 м, непокорную сильным ветрам, бушующим в Заполярье. Рядом выросли минизавод, научные лаборатории и кернохранилище.
При бурении на небольшие глубины мотор, который вращает колонну труб с буром на конце, устанавливают на поверхности. Бур представляет собой железный цилиндр с зубьями из алмазов или твердых сплавов - коронку. Эта коронка вгрызается в породы и вырезает из них тонкий столбик - керн. Чтобы охладить инструмент и извлечь из скважины мелкий мусор, в нее нагнетают буровой раствор - жидкую глину, которая все время циркулирует по стволу, словно кровь в сосудах. Через какое-то время трубы поднимают на поверхность, освобождают от керна, меняют коронку и вновь опускают колонну в забой. Так ведется обычное бурение.
А если длина ствола 10-12 километров при диаметре 215 миллиметров? Колонна труб становится тончайшей нитью, опущенной в скважину. Как ею управлять? Как увидеть, что творится в забое? Поэтому на Кольской скважине внизу бурильной колонны установили миниатюрные турбины, их запускал буровой раствор, нагнетаемый по трубам под давлением. Турбины вращали твердосплавную коронку и вырезали керн. Вся технология была хорошо отработана, оператор на пульте управления видел вращение коронки, знал ее скорость и мог управлять процессом.
Каждые 8-10 метров многокилометровую колонну труб приходилось поднимать наверх. Спуск и подъем в общей сложности занимали 18 часов.
Алмазные грезы Поволжья
Когда в Нижегородской области были найдены мелкие алмазы, это немало озадачило геологов. Конечно, проще всего было предположить, что драгоценные камни принес ледник или речные воды откуда-то с севера. Но вдруг местные недра скрывают кимберлитовую трубку - вместилище алмазов? Проверить эту гипотезу решили в конце 1980-х годов, когда программа научного бурения в России набирала обороты. Место для бурения выбрали севернее Нижнего Новгорода, в центре гигантской кольцевой структуры, которая хорошо выделяется в рельефе. Одни считали ее метеоритным кратером, другие - трубкой взрыва или жерлом вулкана. Бурение прекратили, когда Воротиловская скважина достигла глубины 5 374 м, из которых более километра приходилось на кристаллические породы фундамента. Кимберлитов там не нашли, но справедливости ради следует сказать, что в споре о происхождении этой структуры точку тоже не поставили. Добытые из недр факты одинаково подходили для сторонников обеих гипотез, в итоге каждый остался при своем мнении. А скважину превратили в глубинную геолабораторию, которая действует и поныне.
Коварство цифры «7»
7 километров - отметка для Кольской сверхглубокой роковая. За ней начались неизвестность, множество аварий и непрерывная борьба с горными породами. Ствол никак не удавалось держать вертикально. Когда в первый раз прошли 12 км, скважина отклонилась от вертикали на 21°. Хотя буровики уже научились работать при невероятной кривизне ствола, дальше углубляться было нельзя. Скважину предстояло перебурить с отметки 7 километров. Чтобы получать вертикальный ствол в твердых породах, нужен очень жесткий низ бурильной колонны, дабы он входил в недра, как в масло. Но возникает и другая проблема - скважина постепенно расширяется, бур болтается в ней, как в стакане, стенки ствола начинают рушиться и могут придавить инструмент. Решение этой задачи получилось оригинальным - была применена технология маятника. Бур искусственно раскачивался в скважине и подавлял сильные колебания. За счет этого ствол получался вертикальным.
Наиболее распространенная авария на любой буровой - обрыв колонны труб. Обычно трубы пытаются захватить вновь, но если это случается на большой глубине, то проблема переходит в разряд неустранимых. Искать инструмент в 10-километровой скважине бесполезно, такой ствол бросали и начинали новый, чуть выше. Обрыв и потеря труб на СГ-3 случались многократно. В итоге в своей нижней части скважина выглядит как корневая система гигантского растения. Разветвленность скважины огорчала буровиков, но оказалась счастьем для геологов, которые неожиданно получили объемную картину внушительного отрезка древних архейских пород, сформировавшихся более 2,5 млрд. лет назад.
В июне 1990 года СГ-3 достигла глубины 12 262 м. Скважину стали готовить к проходке до 14 км, и тут вновь произошла авария - на отметке 8 550 м колонна труб оборвалась. Продолжение работ требовало долгой подготовки, обновления техники и новых затрат. В 1994 году бурение Кольской сверхглубокой прекратили. Через 3 года она попала в Книгу рекордов Гиннесса и до сих пор остается непревзойденной. Сейчас скважина представляет собой лабораторию для изучения глубоких недр.
Засекреченные недра
СГ-3 была секретным объектом с самого начала. Виноваты и пограничная зона, и стратегические месторождения в округе, и научный приоритет. Первым иностранцем, посетившим буровую, стал один из руководителей Академии наук Чехословакии. Позже, в 1975 году, о Кольской сверхглубокой вышла статья в «Правде» за подписью министра геологии Александра Сидоренко. Научных публикаций по Кольской скважине по-прежнему не было, но кое-какие сведения за рубеж просачивались. Больше по слухам мир стал узнавать - в СССР бурят самую глубокую скважину.
Завеса тайны, наверное, висела бы над скважиной до самой «перестройки», не случись в 1984 году в Москве Всемирного геологического конгресса. К столь крупному в научном мире событию тщательно готовились, для Министерства геологии даже построили новое здание - ожидали много участников. Но зарубежных коллег интересовала в первую очередь Кольская сверхглубокая! Американцы вообще не верили в то, что она у нас есть. Глубина скважины к тому моменту достигла 12 066 метров. Скрывать объект более не имело смысла. В Москве участников конгресса ждала выставка достижений российской геологии, один из стендов был посвящен скважине СГ-3. Специалисты всего мира недоуменно взирали на обычную буровую головку со стертыми твердосплавными зубьями. И этим бурят самую глубокую в мире скважину? Невероятно! В поселок Заполярный отправилась большая делегация геологов и журналистов. Посетителям показали буровую в действии, доставали и отсоединяли 33-метровые секции труб. Вокруг высились кучи точно таких же буровых головок, как и та, что лежала на стенде в Москве.
От Академии наук делегацию принимал известный геолог, академик Владимир Белоусов. Во время пресс-конференции из зала ему задали вопрос:
- Что же самое главное показала Кольская скважина?
- Господа! Главное, она показала то, что мы ничего не знаем о континентальной коре, - честно ответил ученый.
Глубокая неожиданность
Кое-что о земной коре континентов, конечно, знали. Тот факт, что континенты сложены очень древними породами, возрастом от 1,5 до 3 миллиардов лет, не опровергла даже Кольская скважина. Однако составленный на основании керна СГ-3 геологический разрез оказался прямо противоположным тому, что ученые представляли себе ранее. Первые 7 километров были сложены вулканическими и осадочными породами: туфами, базальтами, брекчиями, песчаниками, доломитами. Глубже лежал так называемый раздел Конрада, после которого скорость сейсмических волн в породах резко увеличивалась, что интерпретировалось как граница между гранитами и базальтами. Этот раздел был давно пройден, но базальты нижнего слоя земной коры так нигде и не появились. Наоборот, начались граниты и гнейсы.
Разрез Кольской скважины опроверг двухслойную модель земной коры и показал, что сейсмические разделы в недрах - это не границы слоев из пород разного состава. Скорее они указывают на изменение свойств камня с глубиной. При высоком давлении и температуре свойства пород, видимо, могут резко меняться, так, что граниты по своим физическим характеристикам становятся похожи на базальты, и наоборот. Но поднятый на поверхность с 12-километровой глубины «базальт» тут же становился гранитом, хоть и испытывал по пути сильнейший приступ «кессонной болезни» - керн крошился и распадался на плоские бляшки. Чем дальше уходила скважина, тем меньше качественных образцов попадало в руки ученых.
Глубина заключала в себе много неожиданностей. Раньше было естественно думать, что с удалением от поверхности земли, с ростом давления породы становятся более монолитными, с малым количеством трещин и пор. СГ-3 убедила ученых в обратном. Начиная с 9 километров, толщи оказались очень пористыми и буквально напичканы трещинами, по которым циркулировали водные растворы. Позднее этот факт подтвердили другие сверхглубокие скважины на континентах. На глубине оказалось гораздо жарче, чем рассчитывали: на целых 80°! На отметке 7 км температура в забое была 120°С, на 12 км - достигла уже 230°С. В образцах Кольской скважины ученые обнаружили золотое оруденение. Вкрапления драгоценного металла находились в древних породах на глубине 9,5-10,5 км. Впрочем, концентрация золота была слишком мала, чтобы заявлять о месторождении - в среднем 37,7 мг на тонну породы, но достаточная, чтобы ожидать его и в других подобных местах.
Тепло родной планеты
Высокие температуры, встреченные буровиками под землей, навели ученых на мысль использовать этот практически неисчерпаемый источник энергии. Например, в молодых горах (каковыми являются Кавказ, Альпы, Памир) на 4-километровой глубине температура недр достигнет 200°С. Эту природную батарею можно заставить работать на себя. Надо пробурить рядом две глубокие скважины и соединить их горизонтальными штреками. Потом в одну скважину закачивать воду, а из другой извлекать горячий пар, который пойдет на отопление города или получение другого вида энергии. Серьезной проблемой для таких предприятий могут стать едкие газы и флюиды, нередкие в сейсмически активных районах. В 1988 году американцам пришлось завершить бурение скважины на шельфе Мексиканского залива у берегов штата Алабама, достигнув глубины 7 399 м. Причиной тому стали температура недр, достигавшая 232°С, очень высокое давление и выбросы кислотных газов. В тех районах, где есть месторождения горячих подземных вод, можно добывать их прямо из скважин с довольно глубоких горизонтов. Такие проекты подходят для районов Кавказа, Памира, Дальнего Востока. Однако высокая стоимость работ ограничивает глубину добычи четырьмя километрами.
По русскому следу
Демонстрация Кольской скважины в 1984 году произвела на мировую общественность глубокое впечатление. Многие страны начали готовить проекты по научному бурению на континентах. Такую программу утвердили и в Германии в конце 1980-х годов. Сверхглубокую скважину KTB Хауптборунг бурили с 1990 по 1994 год, по плану она должна была достичь глубины 12 км, но из-за непредсказуемо высоких температур удалось добраться только до отметки 9,1 км. Благодаря открытости данных по буровым и научным работам, хорошей технологии и документированности сверхглубокая скважина КТВ остается одной из самых известных в мире.
Место для бурения этой скважины выбрали на юго-востоке Баварии, на остатках древней горной цепи, чей возраст исчисляется 300 миллионами лет. Геологи полагали, что где-то здесь проходит зона соединения двух плит, бывших некогда берегами океана. По мнению ученых, со временем верхняя часть гор стерлась, обнажив остатки древней океанской коры. Еще глубже, в десяти километрах от поверхности, геофизики обнаружили крупное тело с аномально высокой электрической проводимостью. Его природу также надеялись прояснить с помощью скважины. Но основной задачей было достичь глубины 10 км, чтобы приобрести опыт сверхглубокого бурения. Изучив материалы Кольской СГ-3, немецкие буровики решили сначала пройти пробную скважину глубиной 4 км, чтобы составить более точное представление об условиях работы в недрах, опробовать технику и взять керн. По окончании пилотных работ многое из бурильного и научного оборудования пришлось переделывать, кое-что создавать заново.
Основную - сверхглубокую - скважину КТВ Хауптборунг заложили всего в двухстах метрах от первой. Для работ соорудили 83метровую вышку и создали мощнейшую по тем временам бурильную установку грузоподъемностью 800 тонн. Многие бурильные операции автоматизировали, в первую очередь механизм спуска и подъема колонны труб. Самонаводящаяся система вертикального бурения позволяла делать почти отвесный ствол. Теоретически с таким оборудованием можно было бурить до глубины 12 километров. Но реальность как всегда оказалась сложнее, и планы ученых не сбылись.
Проблемы на скважине КТВ начались после глубины 7 км, повторив многое из судьбы Кольской сверхглубокой. Сначала, как полагают из-за высокой температуры, сломалась система вертикального бурения и ствол пошел вкось. В конце работ забой отклонился от вертикали на 300 м. Потом начались аварии посложнее - обрыв бурильной колонны. Так же как и на Кольской, приходилось бурить новые стволы. Определенные трудности доставляло сужение скважины - вверху ее диаметр составлял 71 см, внизу - 16,5 см. Бесконечные аварии и высокая температура в забое –270°С вынудили буровиков прекратить работы невдалеке от заветной цели.
Нельзя сказать, что научные результаты КТВ Хауптборунг поразили воображение ученых. На глубине главным образом залегали амфиболиты и гнейсы - древние метаморфические породы. Зону схождения океана и остатки океанической коры нигде не обнаружили. Возможно, они есть в другом месте, здесь же находится небольшой кристаллический массив, вздернутый на высоту 10 км. В километре от поверхности обнаружили месторождение графита.
В 1996 году скважина КТВ, стоившая бюджету Германии 338 млн. долларов, перешла под патронат Научного центра геологии в Потсдаме, ее превратили в лабораторию для наблюдений за глубокими недрами и объект туризма.
Почему Луна не из чугуна?
«Потому что на Луну не хватило бы чугуну» - наверное, именно так противники гипотезы, согласно которой Луна оторвалась от Земли, могли бы ответить ее сторонникам. Гипотеза эта, однако, возникла не на пустом месте, и ученые рассматривают несколько районов Земли, откуда мог быть выбит кусок планеты величиной с Луну. Кольская скважина предложила свой вариант. В 1970-х годах советские станции доставили на Землю несколько сот граммов лунного грунта. Вещество разделили между собой ведущие научные центры страны, чтобы провести независимые анализы. Крошечный образец достался и Кольскому научному центру. Взглянуть на диковинку приезжали ученые со всего региона, в том числе сотрудники скважины, впоследствии ставшей самой глубокой в мире. Шутка ли? Потрогать неземную пыль, поглядеть на нее в микроскоп. Позже специалисты исследовали лунный грунт и опубликовали по этому поводу монографию. К тому времени скважина в Заполярном достигла приличной глубины, поднятые из ствола породы детально описывали. И что же? Образцы лунного грунта, на которые буровики когда-то с трепетом взирали, оказались один к одному диабазами из их скважины, с глубины 3 км. Тут же возникла гипотеза, что Луна оторвалась не иначе, как от Кольского полуострова примерно 1,5 млрд. лет назад - таков возраст диабазов. Хотя невольно возникал вопрос - какой же величины был тогда этот полуостров?..
Бурить или не бурить?
Рекорд Кольской скважины по-прежнему остается непревзойденным, хотя в глубь Земли наверняка можно пройти 14 и даже 15 км. Однако вряд ли такое единичное усилие даст принципиально новые знания о земной коре, в то время как сверхглубокое бурение - дело весьма дорогое. Времена, когда с его помощью проверяли самые разные гипотезы, давно прошли. Скважины глубже 6-7 км с чисто научными целями почти перестали бурить. К примеру, в России остались всего два объекта такого рода - Уральская СГ-4 и Ен-Яхинская скважина в Западной Сибири. Их ведет государственное предприятие НПЦ «Недра», расположенное в Ярославле. В мире пробурено так много сверхглубоких и глубоких скважин, что ученые не успевают анализировать информацию. В последние годы геологи стремятся изучать и обобщать полученные с больших глубин факты. Научившись бурить на большие глубины, люди хотят теперь получше освоить доступный им горизонт, сконцентрировать усилия на практических задачах, которые принесут пользу уже сейчас. Так в России, выполнив программу научного бурения, пробурив все 12 задуманных сверхглубоких скважин, сейчас работают над системой для территории всего государства, в которой геофизические данные, полученные при помощи «просвечивания» недр сейсмическими волнами, будут увязаны с информацией, добытой сверхглубоким бурением. Без скважин разрезы земной коры, построенные геофизиками, - всего лишь модели. Чтобы на этих схемах появились конкретные горные породы, нужны данные бурения. Тогда геофизики, работы которых намного дешевле буровых и охватывают большую площадь, смогут гораздо точнее предсказывать месторождения полезных ископаемых.
В США продолжают заниматься программой глубинного бурения дна океанов и ведут несколько любопытных проектов в зонах вулканической и тектонической активности земной коры. Так, на Гавайских островах исследователи надеялись изучить подземную жизнь вулкана и приблизиться к мантийному языку - плюму, который, как полагают, и породил эти острова. Скважину у подножия вулкана Мауна-Кеа планировали пробурить до глубины 4,5 км, но из-за огромных температур осилить смогли только 3 км. Другой проект - глубинная обсерватория на разломе Сан-Андреас. Бурение скважины через этот крупнейший разлом Североамериканского континента начали в июне 2004 года и прошли 2 из 3 запланированных километров. В глубинной лаборатории намерены исследовать зарождение землетрясений, что, быть может, позволит лучше понимать природу этих стихийных бедствий и составлять их прогноз.
Несмотря на то что современные программы сверхглубокого бурения уже не столь амбициозны, как прежде, им уготовано явно большое будущее. Недалек тот день, когда наступит черед больших глубин - там будут искать и открывать новые месторождения полезных ископаемых. Уже сейчас добыча нефти и газа в США с глубин 6-7 км становится обычным делом. В будущем Россия тоже должна будет качать углеводородное сырье с таких уровней. Как показала Тюменская сверхглубокая скважина, в 7 километрах от поверхности есть перспективные для газовых месторождений толщи осадочных пород.
Сверхглубокое бурение недаром сравнивают с покорением космоса. Такие программы, с глобальным размахом, вбирающие в себя все лучшее, чем располагает на данный момент человечество, дают толчок развитию многих отраслей промышленности, техники и в конечном итоге готовят почву для нового прорыва в науке.
Дьявольские козни
Как-то раз Кольская сверхглубокая оказалась в центре мирового скандала. В одно прекрасное утро 1989 года директору скважины Давиду Губерману позвонили главный редактор областной газеты, секретарь обкома и еще масса самых разных людей. Все хотели узнать про дьявола, которого буровики якобы подняли из недр, как о том сообщили некоторые газеты и радиостанции по всему миру. Директор опешил, и - было от чего! «Ученые обнаружили ад», «Сатана сбежал из ада» - гласили заголовки. Как сообщалось в прессе, геологи, работающие очень далеко в Сибири, а может быть, на Аляске или даже Кольском полуострове (единого мнения на сей счет у журналистов не было), проводили бурение на глубине 14,4 км, как вдруг бур начал сильно болтаться из стороны в сторону. Значит, внизу большая дыра, подумали ученые, видимо, центр планеты - пустой. Датчики, опущенные вглубь, показывали температуру 2 000°С, а суперчувствительные микрофоны озвучили …вопли миллионов страдающих душ. В результате бурение было прекращено из-за опасений выпустить адские силы на поверхность. Конечно, советские ученые опровергли эту журналистскую «утку», но отголоски той давней истории еще долго кочевали из газеты в газету, превратившись в своеобразный фольклор. Спустя несколько лет, когда байки про ад уже позабылись, сотрудники Кольской сверхглубокой побывали в Австралии с лекциями. Их пригласили на прием к губернатору штата Виктория, кокетливой даме, которая приветствовала русскую делегацию вопросом: «И какого черта вы оттуда подняли?»
Самые глубокие скважины мира
1. Аралсорская СГ-1, Прикаспийская низменность, 1962-1971, глубина - 6,8 км. Поиск нефти и газа.
2. Биикжальская СГ-2, Прикаспийская низменность, 1962-1971, глубина - 6,2 км. Поиск нефти и газа.
3. Кольская СГ-3, 1970-1994, глубина - 12 262 м. Проектная глубина - 15 км.
4. Саатлинская, Азербайджан, 1977-1990, глубина - 8 324 м. Проектная глубина - 11 км.
5. Колвинская, Архангельская область, 1961, глубина - 7 057 м.
6. Мурунтауская СГ-10, Узбекистан, 1984, глубина -
3 км. Проектная глубина - 7 км. Поиск золота.
7. Тимано-Печорская СГ-5, Северо-Восток России, 1984-1993, глубина - 6 904 м, проектная глубина - 7 км.
8. Тюменская СГ-6, Западная Сибирь, 1987-1996, глубина - 7 502 м. Проектная глубина - 8 км. Поиск нефти и газа.
9. Ново-Елховская, Татарстан, 1988, глубина - 5 881 м.
10. Воротиловская скважина, Поволжье, 1989-1992, глубина - 5 374 м. Поиск алмазов, изучение Пучеж-Катункской астроблемы.
11. Криворожская СГ-8, Украина, 1984-1993, глубина - 5 382 м. Проектная глубина - 12 км. Поиск железистых кварцитов.
Уральская СГ-4, Средний Урал. Заложена в 1985 году. Проектная глубина - 15 000 м. Текущая глубина - 6 100 м. Поиск медных руд, изучение строения Урала. Ен-Яхтинская СГ-7, Западная Сибирь. Проектная глубина - 7 500 м. Текущая глубина - 6 900 м. Поиск нефти и газа.
Скважины на нефть и газ
начала 70-х годов
Юниверсити, США, глубина - 8 686 м.
Бейден-Юнит, США, глубина - 9 159 м.
Берта-Роджерс, США, глубина - 9 583 м.
80-х годов
Цистердорф, Австрия, глубина 8 553 м.
Сильян Ринг, Швеция, глубина - 6,8 км.
Бигхорн, США, Вайоминг, глубина - 7 583 м.
КТВ Hauptbohrung, Германия, 1990-1994, глубина -
9 100 м. Проектная глубина - 10 км. Научное бурение.
У пределов жизни
У пределов жизни Экстремофильные бактерии, обнаруженные в горных породах, поднятых с глубины в несколько километров ДОСЬЕ Одно из самых удивительных открытий, которое ученые сделали с помощью бурения, - это наличие жизни глубоко под землей. И хотя жизнь эта представлена лишь бактериями, ее пределы простираются до невероятных глубин. Бактерии вездесущи. Они освоили подземное царство, казалось бы, совершенно непригодное для существования. Огромные давления, высокие температуры, отсутствие кислорода и жизненного пространства - ничто не смогло стать препятствием на пути распространения жизни. По некоторым подсчетам, масса микроорганизмов, обитающих под землей, может превышать массу всех живых существ, населяющих поверхность нашей планеты.
Еще в начале XX века американский ученый Эдсон Бастин обнаружил бактерии в воде из нефтеносного горизонта с глубины несколько сот метров. Обитавшие там микроорганизмы не нуждались в кислороде и солнечных лучах, они питались органическими соединениями нефти. Бастин предположил, что эти бактерии живут изолированно от поверхности уже 300 млн. лет - с тех пор как образовалось нефтяное месторождение. Но его смелая гипотеза осталась невостребованной, в нее просто не поверили. Тогда считали, что жизнь - это лишь тонкая пленка на поверхности планеты.
Интерес к глубинным формам жизни может быть вполне практическим. В 1980-х годах департамент энергетики США искал безопасные методы захоронения радиоактивных отходов. Для этих целей предполагалось использовать шахты в непроницаемых горных породах, где живут питающиеся радионуклидами бактерии. В 1987 году началось глубокое бурение нескольких скважин в штате Южная Каролина. С полукилометровой глубины ученые отбирали образцы, соблюдая всевозможные меры предосторожности, чтобы не занести бактерии и воздух с поверхности Земли. Изучением образцов занимались несколько независимых лабораторий, их результаты оказались положительными: в глубоких толщах обитали так называемые анаэробные бактерии, которые не нуждаются в доступе кислорода.
Бактерии нашли и в породах золоторудной шахты в Южной Африке на глубине 2,8 км, где температура составляла 60°С. Живут они и глубоко под дном океанов при температуре свыше 100°. Как показала Кольская сверхглубокая скважина, условия для обитания микроорганизмов есть даже на глубине более 12 км, поскольку горные породы оказались довольно пористыми, насыщенными водными растворами, а там, где есть вода, возможна жизнь.
В сверхглубокой скважине, которая вскрывала кратер Сильян Ринг в Швеции, микробиологи тоже обнаружили колонии бактерий. Любопытно, что микроорганизмы обитали в древних гранитах. Хотя это были очень плотные, залегающие под большим давлением породы, но в них по системе микропор и трещин циркулировали подземные воды. Настоящей сенсацией стала толща пород на глубине 5,5-6,7 км. Она была насыщена пастой из нефти с кристаллами магнетита. Одно из возможных объяснений этого феномена дал американский геолог Томас Голд, автор книги «Глубокая горячая биосфера». Голд предположил, что магнетито-масляная паста не что иное, как продукт жизнедеятельности бактерий, которые питаются поступающим из мантии метаном.
Как показывают исследования, бактерии довольствуются поистине спартанскими условиями. Пределы их выносливости остаются загадкой, но похоже, что нижнюю границу обитания бактерий все-таки устанавливает температура недр. Они могут размножаться при 110°С и выдерживать, хоть и короткое время, температуру в 140°С. Если считать, что на континентах температура увеличивается на 20-25° с каждым километром, то обнаружить живые сообщества можно до глубины 4 км. Под океанским дном температура растет не так быстро, и нижняя граница жизни может пролегать на глубине 7 км.
Это означает, что жизнь имеет колоссальный запас прочности. Следовательно, биосфера Земли не может быть полностью уничтожена даже в случае самых серьезных катаклизмов и, вероятно, на планетах, лишенных атмосферы и гидросферы, микроорганизмы вполне могут существовать в недрах.
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.
Самые глубокие скважины мира March 18th, 2015
Мечта проникнуть в недра нашей планеты, наравне с планами отправить человека в космос, долгие века казалась абсолютно неосуществимой. В 13 веке китайцы уже рыли скважины глубиной до 1200 метров, а с появлением в 1930-х годах буровых установок европейцам удалось проникнуть на глубину трех километров, однако это были лишь царапины на теле планеты.
Как глобальный проект, идея пробурить верхнюю оболочку Земли появилась в 1960-х годах. Гипотезы о строении мантии строились на косвенных данных, таких как сейсмическая активность. И единственный способ буквально заглянуть в земные недра заключался в бурении сверхглубоких скважин. Сотни скважин на поверхности и в глубине океана дали ответы на некоторые из вопросов ученых, но времена, когда с их помощью проверяли самые разные гипотезы, давно прошли.
Давайте вспомним список глубочайших скважин на земле …
Siljan Ring (Швеция, 6800 м)
В конце 80-х годов в Швеции в кратере Сильян Ринг пробурили одноименную скважину. По гипотезе ученых, именно в том месте предполагалось найти месторождения природного газа небиологического происхождения. Результат бурения вызвал разочарование как инвесторов, так и работников науки. Углеводороды в промышленных масштабах обнаружены не были.
Zistersdorf UT2A (Австрия, 8553 м)
В 1977 году в районе венского нефтегазоносного бассейна, где скрывалось несколько небольших месторождений нефти, была пробурена скважина Zistersdorf UT1A. Когда на глубине 7544 м обнаружились неизвлекаемые запасы газа, первая скважина неожиданно обрушилась, и компании OMV пришлось пробурить вторую. Однако на этот раз проходчики не нашли углеводородных ресурсов глубокого залегания.
Hauptbohrung (ФРГ, 9101 м)
Знаменитая Кольская скважина произвела неизгладимое впечатление на европейскую общественность. Многие страны начали готовить свои проекты сверхглубоких скважин, но отдельно стоит отметить скважину Хауптборунг, разрабатываемую с 1990 по 1994 год в Германии. Достигшая отметки всего 9 км, она стала одной из самых известных сверхглубоких скважин благодаря открытости данных буровых и научных работ.
Baden Unit (США, 9159 м)
Скважина, пробуренная компанией Lone Star вблизи города Анадарко. Ее разработка началась в 1970 году и продолжалась на протяжении 545 дней. Всего на эту скважину ушло 1,700 тонн цемента и 150 алмазных долот. А ее полная стоимость обошлась компании в 6 млн долларов.
Bertha Rogers (США, 9583 м)
Еще одна сверхглубокая скважина, созданная в районе нефтегазоносного бассейна Анадарко в штате Оклахома в 1974 году. Весь процесс бурения занял у рабочих компании Lone Star 502 дня. Работу пришлось прекратить, когда проходчики наткнулись на глубине 9,5 километров на расплавленное месторождение серы.
Кольская сверхглубокая (СССР, 12 262 м)
Занесена в Книгу рекордов Гиннеса как «самое глубокое вторжение человека в земную кору». Когда в мае 1970 года у озера с труднопроизносимым названием Вильгискоддеоайвинъярви начиналось бурение, предполагалось, что скважина достигнет глубины в 15 километров. Но из-за высоких (до 230°С) температур работу пришлось свернуть. На данный момент Кольская скважина законсервирована.
Про историю этой скважины я вам уже рассказывал -
BD-04A (Катар, 12 289 м)
7 лет назад на нефтяном месторождении Al-Shaheen в Катаре была пробурена геологоразведочная скважина BD-04A. Примечательно, что буровая платформа компании Maersk смогла достигнуть отметки в 12 километров в рекордные 36 дней!
OP-11 (Россия, 12 345 м)
Январь 2011 года ознаменовался сообщением от компании Exxon Neftegas, что бурение самой длинной скважины с большим отходом от вертикали близко к завершению. ОР-11, расположенная на месторождении «Одопту», также поставила рекорд по протяженности горизонтального ствола – 11,475 метров. Проходчики смогли завершить работу всего за 60 дней.
Общая длина ствола скважины OP-11 на месторождении Одопту составила 12345 метров (7,67 мили), тем самым установлен новый мировой рекорд по бурению скважин с большим отходом забоя от вертикали (БОВ). ОР-11 также заняла первое место в мире по расстоянию между забоем и точкой забуривания по горизонтали — 11475 метров (7,13 мили). Компания ЭНЛ осуществила работы по бурению рекордной скважины всего за 60 дней, используя технологии скоростного бурения и комплексного контроля качества бурения, разработанные компанией «ЭксонМобил», достигнув наивысших показателей в бурении каждого фута скважины ОР-11.
«Проект «Сахалин-1″ продолжает вносить свою лепту в лидерство России в мировой нефтегазовой отрасли, — заявил Джеймс Тейлор, президент ЭНЛ. — На сегодняшний день 6 из 10 самых протяженных скважин БОВ, включая скважину OP-11, пробурены в рамках проекта «Сахалин-1″ с использованием технологий бурения корпорации «Эксон Мобил». Специально сконструированная буровая установка «Ястреб» применялась на протяжении всего времени работы проекта, устанавливая многочисленные отраслевые рекорды по длине ствола, скорости бурения и показателям направленного бурения. Новый рекорд мы также поставили, сохраняя при этом отличные показатели в области безопасности, охраны труда и окружающей среды».
Месторождение Одопту, одно из трех месторождений проекта «Сахалин-1″, расположено на шельфе, на расстоянии 5-7 миль (8-11 км) от северо-восточного побережья острова Сахалин. Технология БОВ позволяет успешно проводить бурение скважин с берега под дном моря для достижения шельфовых залежей нефти и газа, не нарушая при этом принципов безопасности и охраны окружающей среды, в одном из сложнейших для освоения субарктических регионов мира.
П.С. А вот что пишут в комментах: tim_o_fay: давай отделим мух от котлет:) Длинная скважина ≠ глубокая. Та же BD-04A из своих 12 289 м имеет 10 902 м горизонтального ствола. http://www.democraticunderground.com/discuss/duboard.php?az=view_all&address=115x150185 Соответственно вертикали там километр с хвостиком всего. Что это значит? Это значит низкие (сравнительно) давление и температуру на забое, мягкие породы (с хорошей скоростью проходки) и т.д. и т.п. OP-11 из той же оперы. Не скажу, что бурить горизонталки просто (восьмой год этим занимаюсь), но всё же намного проще чем сверхглубокие. Bertha Rogers, СГ-3 (Кольская), Baden Unit и прочие с большой истинной вертикальной глубиной (дословный перевод с англоязычного True Vertical Depth, TVD) - это действительно нечто запредельное. В 1985 году на пятидесятилетие СОГРТ съехались бывшие выпускники со всего Союза с рассказами и подарками для музея техникума. Тогда я и сподобился пощупать кусочек гранито-гнейсов с глубины более 11,5 км:)
Дождь, туман, десять градусов по Цельсию. Это называется полярное лето…
Уходящий в небо грейдер - технологическая дорога, и здесь нас быть не должно. Прижимаемся вправо, к обочине, чтобы пропустить идущую навстречу колонну тяжелых грузовиков, пишет Артем Ачкасов
Высокие кузова до верха загружены черным гравием - сульфидной медно-никелевой рудой. Поднимаемся выше, и вот уже вязкое облако облепило наши «Форды», засверкали учащенно поводки стеклоочистителей. Но видимость от этого не стала лучше - в густой белой вате мне видны только задние фонари впереди идущего автомобиля. Осторожно пробираемся между терриконами.
Внезапно в тумане вырастают огромные бетонные постройки, похожие на заводские корпуса.
Добро пожаловать на объект СГ-3, также известный как Кольская сверхглубокая скважина. Точнее, то что от нее осталось…
Беспощадная штука - история. Ее страницы вырывают, переписывают, меняют местами. То, что знал каждый советский школьник или студент, ныне не имеет никакого значения, ему нет места в переполненной различными развлечениями памяти. Под научными достижениями понимается новое приложение для смартфона. Достижения российской науки малоизвестны. Достижения советской науки высмеиваются или вовсе забыты. А между тем, по ряду направлений советские ученые были на самом деле впереди планеты всей. Касалось это и геологических исследований.
Именно с научными целями в 1970 году стартовал проект Кольской сверхглубокой скважины. Место близ города-завода Никель в Мурманской области было выбрано неслучайно - во-первых, благодаря уже известному обилию в этом регионе ценных ресурсов (никель, апатиты, титан, медь и так далее). Во-вторых, именно здесь нижняя граница земной коры подходит максимально близко к поверхности. А это значит, что бурение тут сверхглубокой скважины помогло бы не только выявить запасы полезных ископаемых (в частности, исследовать глубинное строение Печенгского месторождения никеля), но и ответить на вопросы о строении Земли, о котором в те годы ученые имели весьма приблизительное понимание. Среди прочих задач была всесторонняя отработка технологии глубинного бурения, с целью совершенствования нового поколения аппаратуры для наблюдения, исследования, автоматизации и контроля бурового процесса.
Поначалу бурение производилось серийной установкой «Уралмаш-4Э», предназначенной для нефтяных скважин. До глубины в 2000 метров ствол проходился стальными бурильными трубами, которые позже были заменены на алюминиевые из-за их меньшего веса и большей прочности. На конце размещался турбобур - турбина длиной в 46 метров с разрушающей коронкой на конце, приводившаяся в движение глинистым раствором, который закачивали в трубу под давлением в 40 атмосфер.
По достижению отметки в 7264 метра, проходка осуществлялась более совершенным комплексом «Уралмаш-15000», который был воплощением советской науки и техники. Система работала с большим количеством электроники и автоматики. Твердосплавные коронки были заменены на алмазные. В условиях высокой плотности грунта, ресурс коронок не превышал четырех часов, т. е. от шести до десяти метров углубления. После этого необходимо было поднять и разобрать всю многотонную колонну 33-х метровых труб, что ближе к 12-ти километровой глубине занимало не менее 18 часов.
Вы спросите, зачем все эти сложности? Дело в том, что практически каждый метр проходки сопровождался научным открытием. В лучшие годы на СГ-3 работало почти два десятка научных лабораторий. Изучение образцов породы, поднятых в керне, и спуск в скважину специального оборудования полностью перевернул теоретические знания ученых о строении Земли. Так, гранитный пояс оказался намного толще, чем считали ученые. Базальта на ожидаемой глубине не оказалось вовсе - вместо него пошли пористые гранитные породы, что проводило к множественным обвалам и авариям на буровой. На огромной глубине были обнаружены окаменевшие микроорганизмы, что позволило утверждать, что жизнь на планете появилась как минимум на полтора миллиарда лет раньше, чем считалось до этого. Не подтвердились и утверждения ученых о температурных режимах в недрах планеты - там оказалось гораздо жарче…
Разумеется, бурение такой глубокой скважины было очень затратным. Обвалы грунта приводили к авариям, искривлениям ствола. Очередная авария на глубине в 12 262 метра, практически совпавшая по времени с распадом СССР, оказалась последней в истории Кольской сверхглубокой. Финансировать этот проект было некому. В середине девяностых скважина была законсервирована. Еще через десять лет - окончательно заброшена, при этом оставаясь на тот момент самой глубокой скважиной в мире (и единственной, пробуренной с научными целями).
Разумеется, потом станция, некогда дарившая миру десятки научных открытий каждый год, была полностью разграблена.
Все строения разрушены, включая 70-им метровую башню, в которой размещалась буровая установка. На объекте СГ-3 редкие посетители чувствуют себя сталкерами.
Громко хрустят под ногами обломки прежнего мира. Битое стекло, керамика, ржавое железо, обломки кирпича.
Перед главным корпусом лежит остов гусеничного транспортера.
В стенах корпусов - проломы. Очевидно, кто-то таким образом вытаскивал дорогостоящее оборудование.
В бывших лабораториях разбросаны химикаты.
Вместо дорогостоящей электроники, электрики и автоматики - пустые шкафы, сорванные с креплений.
Внезапно в облаке тумана раздается тарахтение дизеля. Инстинктивно пригибаюсь за рухнувшие перекрытия. К разрушенному зданию неспешно подъезжает старый микроавтобус Mercedes. Открытая задняя дверь хлопает по ржавому кузову. Охотники за металлом продолжают свое черное дело…
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.
