На пороге преисподней: Кольская сверхглубокая скважина. Самые глубокие буровые скважины на земле
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.
В 1970 году аккурат к 100-летнему юбилею Ленина советские ученые начали один из самых амбициозных проектов современности. На Кольском полуострове, в десяти километрах от поселка Заполярный, стартовало бурение скважины, которая в результате оказалась самой глубокой в мире и вошла в Книгу рекордов Гиннесса.
Грандиозный научный проект шел больше двадцати лет. Он принес массу интереснейших открытий, вошел в историю науки, а под конец оброс таким количеством легенд, слухов и сплетен, что хватило бы не на один фильм ужасов.
СССР. Кольский полуостров. 1 октября 1980 года. Передовые буровики скважины, достигшие рекордной глубины - 10 500 метров
Вход в ад
Во времена своего расцвета буровая на Кольском полуострове представляла собой циклопическое сооружение высотой в 20-этажный дом. Здесь работало до трех тысяч человек в смену. Коллектив возглавляли ведущие геологи страны. Буровую выстроили в тундре в десяти километрах от поселка Заполярный, и в полярной ночи она сияла огнями, как космический корабль.
Когда все это великолепие вдруг закрылось и огни погасли, сразу пошли слухи. По всем меркам бурение шло необычайно успешно. Никому в мире еще не удавалось достичь такой глубины - советские геологи опустили бур больше чем на 12 километров.
Внезапное завершение удачного проекта выглядело такой же нелепостью, как то, что американцы закрыли программу полетов на Луну. В крахе лунного проекта обвиняли инопланетян. В проблемах Кольской сверхглубокой - чертей и бесов.
Популярная легенда гласит, что с больших глубин бур не раз доставали оплавленным. Никаких физических причин этому не было - температура под землей не превышала 200 градусов по Цельсию, а бур был рассчитан на тысячу градусов. Затем аудиодатчики якобы стали улавливать некие стоны, крики и вздохи. Диспетчеры, следившие за показаниями приборов, жаловались на ощущения панического страха и тревоги.
По легенде выходило, что геологи добурились до ада. Стоны грешников, экстремально высокие температуры, атмосфера ужаса на буровой, - все это объясняло, почему все работы на Кольской сверхглубокой был внезапно свернуты.
Многие относились к этим слухам скептически. Однако в 1995 году, уже после остановки работ, на буровой прогремел мощный взрыв. Что там могло взорваться, не понимал никто, даже руководитель всего проекта, видный геолог Давид Губерман.
Сегодня к заброшенной буровой водят экскурсии и рассказывают туристам увлекательную историю о том, как ученые пробурили дырку в подземное царство мертвых. Как по установке бродят стенающие призраки, а к вечеру на поверхность вылезают бесы и норовят умыкнуть в пропасть зазевавшегося экстремала.
Подземная Луна
На самом деле вся история с «колодцем в ад» была выдумана финскими журналистами к 1 апреля. Их шуточную статью перепечатали американские газеты, и утка полетела в массы. Многолетнее бурение Кольской сверхглубокой шло без всякой мистики. Но то, что происходило там в реальности, было интереснее любых легенд.
Начать с того, что сверхглубокое бурение по поределению было обречено на многочисленные аварии. Под гнетом гигантского давления (до 1000 атмосфер) и высоких температур не выдерживали буры, забивалась скважина, ломались трубы, которыми укрепляли жерло. Бессчетное число раз узкая скважина искривлялась так, что приходилось пробуривать все новые ответвления.
Самая страшная авария произошла вскоре после главного триумфа геологов. В 1982 году они смогли преодолеть отметку в 12 километров. Эти результаты торжественно огласили в Москве на Международном геологическом конгрессе. Геологов со всего света привезли на Кольский полуостров, показали им буровую и образцы пород, добытые на фантастической глубине, до которой еще никогда не добиралось человечество.
После празднования бурение продолжили. Однако перерыв в работах оказался роковым. В 1984 году произошла самая страшная авария на буровой. Оторвались и забили скважину целых пять километров труб. Продолжать бурение было нельзя. В одночасье были потеряны результаты пяти лет работы.
Пришлось возобновлять бурение с 7-километровой отметки. Только в 1990 году геологам вновь удалось перевалить за 12 километров. 12 262 метра - такова окончательная глубина Кольской скважины.
Но параллельно страшным авариям чередой шли и невероятные открытия. Глубокое бурение - аналог машины времени. На Кольском полуострове к поверхности подходят древнейшие породы, возраст которых превышает 3 миллиарда лет. Забираясь все глубже, ученые получили ясное представление о том, что происходило на нашей планете во времена ее молодости.
Прежде всего, оказалось, что традиционная схема геологического разреза, составленная учеными, не соответствует реальности. «До 4 километров все шло по теории, а дальше началось светопреставление», - рассказывал потом Губерман
По расчетам, пробурив слой гранита, полагалось добраться до еще более твердых, базальтовых пород. Но никакого базальта не оказалось. После гранита шли неплотные слоистые породы, которые постоянно крошились и затрудняли движение вглубь.
Зато среди пород возрастом 2,8 миллиарда лет были найдены окаменевшие микроорганизмы. Это позволило уточнить время зарождения жизни на Земле. На еще больших глубинах нашли огромные залежи метана. Это прояснило вопрос о возникновении углеводородов - нефти и газа.
А на глубине свыше 9 километров ученые обнаружили золотосодержащий оливиновый слой, так ярко описанный Алексеем Толстым в «Гиперболоиде инженера Гарина».
Но самое фантастическое открытие произошло в конце 1970-х, когда советская лунная станция привезла образцы лунного грунта. Геологи с изумлением увидели, что его состав полностью совпадает с составом пород, добытых ими на глубине 3 километра. Как это было возможно?
Дело в том, что одна из гипотез происхождения Луны предполагает, что несколько миллиардов лет назад Земля столкнулась с каким-то небесным телом. В результате столкновения от нашей планеты откололся кусок и превратился в спутник. Возможно, этот кусок оторвался именно в районе нынешнего Кольского полуострова.
Финал
Так почему же все-таки закрыли Кольскую сверхглубокую?
Во-первых, основные задачи научной экспедиции были выполнены. Было создано, в экстремальных условиях протестировано и заметно усовершенствовано уникальное оборудование для бурения на больших глубинах. Собранные образцы пород был подробно исследованы и описаны. Кольская скважина помогла гораздо лучше понять строение земной коры и историю нашей планеты.
Во-вторых, само время не способствовало подобным амбициозным проектам. В 1992 году научной экспедиции прикрыли финансирование. Сотрудники уволились и разъехались по домам. Но и сегодня грандиозное здание буровой и загадочная скважина впечатляют своими масштабами.
Иногда кажется, что Кольская сверхглубокая еще не исчерпала весь запас своих чудес. В этом был уверен и руководитель знаменитого проекта. «Имеем самую глубокую дыру в мире - так надо пользоваться!» - восклицал Давид Губерман.
В далеком уже 1990 году, в южной части Германии группа ученых решили заглянуть в недра нашей планеты на стыке двух тектонических плит, столкнувшихся более 300 миллионов лет назад, когда формировался континент. Итоговой целью ученых было бурение одной из самых глубоких в мире скважин до 10 км.
Изначально предполагалось, что скважина станет своеобразным «телескопом», который даст возможность больше узнать о недрах нашей планеты и постараться узнать о ядре Земли. Процесс бурения проходил в рамках программы Continental Deep Drilling и продлился до октября 1994 года, когда из-за финансовых проблем программу пришлось свернуть.
Назвали скважину Kontinentales Tiefbohrprogramm der Bundesrepublik, сокращенно KTB, и ко времени закрытия программы пробурена была более чем на 9км, что не добавило энтузиазма ученым. Сам процесс бурения шел не сказать, что бы легко. За 4 года ученым, инженерам и рабочим пришлось столкнуться с целым ворохом сложных ситуаций и довольно сложных задач. Так, например, буру пришлось проходить сквозь породы, нагретые до температуры около 300 градусов Цельсия, однако даже при таких условиях бурильщики все же справились, используя охлаждение скважины жидким водородом.
Впрочем, несмотря на то, что программу свернули, научные эксперименты не прекратили и проводили их вплоть до конца 1995 года и стоит отметить, проводили не зря. За это время удалось открыть новые, довольно неожиданные факты строения нашей планеты, были составлены новые карты распределения температур и получены данные о распределении сейсмического давления, которые позволили создать модели слоистой структуры верхней части поверхности Земли.
Однако самое интересное ученые приберегли напоследок. Голландский ученый Лотт Гивен, который совместно с инженерами-акустиками и учеными из Научно-исследовательского центра геофизических исследований (Германия) сделал то, о чем мечтали многие – практически в прямом смысле этого слова, он «услышал сердцебиение» Земли. Для этого ему и его команде потребовалось провести акустические измерения, с помощью которых исследовательская группа воссоздала звуки, которые мы могли бы услышать на глубине 9 километров. Впрочем, теперь услышать эти звуки можете и вы.
Несмотря на то, что КТB на данный момент считается самой глубокой скважиной в мире, существует несколько подобных скважин, которые, однако, уже запечатаны. И среди них выделяется скважина, которая за время своего существования успела обрасти легендами, это Кольская сверхглубокая скважина-колодец, более известная как «Дорога в ад». В отличие от других конкурентов КТB, Кольская скважина достигала 12,2 км в глубину и считалась самой глубокой скважиной в мире.
Ее бурение началось в 1970 году в Мурманской области (Советский Союз, ныне Российская Федерация), в 10 километров к западу от города Заполярный. За время бурения, скважина пережила несколько аварий, в результате которых рабочим приходилось бетонировать скважину и начинать бурение с гораздо меньшей глубины и под другим углом. Интересно, что именно с чередой аварий и преследующими группу неудачами связывают причину возникновения легенды о том, что скважина была пробурена до самого, что ни на есть настоящего Ада.
Как гласит текст легенды, после прохождения рубежа в 12 км, ученые, с помощью микрофонов удалось услышать звуки криков. Однако решили продолжить бурение и во время прохождения очередной отметки (14 км), вдруг наткнулись на пустоты. После того как ученые спустили микрофоны, до них донеслись крики и стоны мужчин и женщин. А спустя некоторое время, произошла авария, после которой работы по бурению решено было прекратить
И, несмотря на то, что авария действительно была, никаких криков людей ученые не слышали, да и все разговоры о демонах, не более чем вымысел – говорил Давид Миронович Губерман, один из авторов проекта, под чьим руководством проходило бурение скважины.
После очередной аварии в 1990 году, по достижению глубины в 12 262 метров, бурение завершили, а в 2008, проект забросили, а оборудование демонтировали. Спустя 2 года, в 2010, скважину законсервировали.
Отметим, что такие проекты как бурение скважин как КТВ и Кольской, являются для ученых-геологов на данный момент единственным способом и возможностью исследования недр планеты.
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