На глубине 410-660 километров под поверхностью Земли океан архейского периода. Подобные открытия были бы невозможны без методов сверхглубинного бурения, разработанных и применявшихся в Советском Союзе. Один из артефактов тех времен - Кольская сверхглубокая скважина (СГ-3), которая даже через 24 года с момента прекращения бурения остается глубочайшей в мире. Зачем ее пробурили и какие открытия она помогла совершить, рассказывает «Лента.ру».
Пионерами сверхглубокого бурения выступили американцы. Правда, на просторах океана: в пилотном проекте они задействовали судно Glomar Challenger, сконструированное как раз для этих целей. Тем временем в Советском Союзе активно разрабатывали соответствующую теоретическую базу.
В мае 1970 года на севере Мурманской области в 10 километрах от города Заполярного началось бурение Кольской сверхглубокой скважины. Как и полагалось, это приурочили к столетию со дня рождения Ленина. В отличие от других сверхглубоких скважин, СГ-3 бурили исключительно для научных целей и даже организовали специальную геологоразведочную экспедицию.
Место бурения выбрали уникальное: именно на Балтийском щите в районе Кольского полуострова на поверхность выходят древние породы. Возраст многих из них достигает трех миллиардов лет (самой нашей планете - 4,5 миллиарда лет). Кроме того, тут Печенга-Имандра-Варзугский рифтогенный прогиб - вдавленная в древние породы чашеподобная структура, происхождение которой объясняют глубинным разломом.
Ученым понадобилось четыре года, чтобы пробурить скважину на глубину 7263 метра. Пока ничего необычного не делалось: применялась та же установка, что и при добыче нефти с газом. Потом скважина простояла без дела целый год: установку модифицировали для турбинного бурения. После апгрейда удавалось бурить примерно по 60 метров в месяц.
Глубина в семь километров преподнесла сюрпризы: чередование твердых и не очень плотных пород. Участились аварии, а в стволе скважины возникло множество каверн. Бурение продолжалось до 1983 года, когда глубина СГ-3 достигла 12 километров. После этого ученые собрали большую конференцию и рассказали о своих успехах.
Однако из-за неаккуратного обращения с буром в шахте осталась секция длиной пять километров. Несколько месяцев ее пытались достать, но не преуспели. Было принято решение вновь начать бурение с глубины семь километров. В силу сложности операции бурили не только основной ствол, но и четыре дополнительных. На то, чтобы восстановить утраченные метры, ушло целых шесть лет: в 1990-м скважина достигла глубины 12262 метра, став самой глубокой в мире.
Спустя два года бурение было остановлено, впоследствии скважину законсервировали, а фактически - забросили.
Тем не менее на Кольской сверхглубокой скважине совершили немало открытий. Инженеры создали целую систему сверхглубокого бурения. Сложность заключалась не только в глубине, но и в высоких температурах (вплоть до 200 градусов Цельсия) из-за интенсивности работы буров.
Ученые не просто продвигались вглубь Земли, но и поднимали образцы пород и керны для анализа. Кстати, именно они изучали лунный грунт и выяснили, что по составу он почти полностью соответствует породам, извлеченным из Кольской скважины с глубины около трех километров.
На глубине свыше девяти километров вышли на залежи полезных ископаемых, в том числе и золота: в оливиновом слое его целых 78 граммов на тонну. И это не так мало - добычу золота считают возможной при 34 граммах на тонну. Приятным сюрпризом для ученых, а также для близлежащего комбината, стало обнаружение нового рудного горизонта из медно-никелевых руд.
Помимо всего прочего, исследователи узнали, что граниты не переходят в суперпрочный базальтовый слой: на деле за ним располагались архейские гнейсы, которые традиционно относят к трещиноватым породам. Это произвело своего рода революцию в геолого-геофизической науке и полностью изменило традиционные представления о недрах Земли.
Еще один приятный сюрприз - открытие на глубине 9-12 километров высокопористых трещиноватых пород, насыщенных сильно минерализованными водами. По предположению ученых, именно они ответственны за образование руд, но прежде считалось, что это происходит лишь на гораздо меньших глубинах.
Помимо всего прочего, выяснилось, что температура недр немного выше, чем предполагалось: на глубине шести километров был получен температурный градиент в 20 градусов Цельсия на километр вместо 16 ожидавшихся. Было установлено радиогенное происхождение теплового потока, что также не согласовывалось с прежними гипотезами.
В глубинных слоях возрастом больше 2,8 миллиарда лет ученые нашли 14 видов окаменевших микроорганизмов. Это позволило сдвинуть время возникновения жизни на планете на полтора миллиарда лет назад. Также исследователи выяснили, что на глубинах нет осадочных пород и есть метан, навсегда похоронив теорию биологического происхождения углеводородов.
Многие научные и производственные работы связаны с бурением подземных скважин. Общее количество таких объектов только в России вряд ли поддается исчислению. Но легендарная Кольская сверхглубокая с 1990-х годов остается непревзойденной, уходя в толщу Земли более чем на 12 километров! Ее бурили не ради экономической выгоды, а из чисто научного интереса - узнать, какие процессы происходят внутри планеты.
Кольская сверхглубокая скважина. Буровая первого этапа (глубина 7600 м), 1974 год
50 кандидатов на место
Самая удивительная в мире скважина находится в Мурманской области в 10 километрах к западу от города Заполярный. Ее глубина составляет 12 262 метра, диаметр верхней части - 92 сантиметра, диаметр нижней части - 21,5 сантиметра.
Скважину заложили в 1970 году в честь 100-летия со дня рождения В.И. Ленина. Выбор места не был случайным - именно здесь, на территории Балтийского щита, на поверхность выходят древнейшие породы, возраст которых насчитывает три миллиарда лет.
С конца XIX века известна теория о том, что наша планета состоит из коры, мантии и ядра. Но где именно кончается один слой и начинается следующий, ученые могли только предполагать. По наиболее распространенной версии, до трех километров вниз идут граниты, далее базальты, а на глубине 15-18 километров начинается мантия. Все это предстояло проверить на практике.
Подземные исследования 1960-х годов напоминали космическую гонку - ведущие страны старались опередить друг друга. Высказывалось мнение о том, что на большой глубине находятся богатейшие залежи полезных ископаемых, в том числе и золота.
Первыми сверхглубокие скважины стали бурить американцы. В начале 1960-х годов их ученые выяснили, что земная кора гораздо тоньше под океанами. Поэтому в качестве наиболее перспективного места для работ был выбран район вблизи острова Мауи (один из группы Гавайских островов), где земная мантия находится на глубине примерно пять километров (плюс 4-километровая толща воды). Но обе попытки исследователей из США закончились неудачно.
Советскому Союзу необходимо было достойно ответить. Наши исследователи предложили создать скважину на континенте - несмотря на то что бурить надо было дольше, результат обещал быть успешным.
Проект стал одним из самых масштабных в СССР. На скважине работало 16 научно-исследовательских лабораторий. Устроиться сюда было не менее трудно, чем попасть в отряд космонавтов. Рядовые сотрудники получали тройную зарплату и квартиру в Москве или Ленинграде. Неудивительно, что текучки кадров не было вообще, а на каждое место претендовало не менее 50 кандидатов.
Космическая сенсация
До глубины 7263 метра проходка велась с помощью обычной серийной установки, которую в то время использовали при добыче нефти или газа. Этот этап занял четыре года. Потом был годичный перерыв для строительства новой вышки и монтажа более мощной установки «Уралмаш-15000», созданной в Свердловске и получившей название «Северянка». В ее работе использовался турбинный принцип - когда вращается не вся колонна, а только буровая головка.
С каждым пройденным метром вести проходку становилось сложнее. Ранее считалось, что температура породы даже на глубине 15 километров будет не выше 150 °С. Но оказалось, что на глубине восемь километров она доходила до 169 °С, а на глубине 12 километров и вовсе составила 220 °С!
Оборудование быстро выходило из строя. Но работы продолжались без остановки. Задача первыми в мире достигнуть 12-километровой отметки была политически важной. Ее удалось решить в 1983 году - как раз ко времени начала Международного геологического конгресса в Москве.
Делегатам конгресса показали образцы грунта, взятого с рекордной глубины 12 километров, для них была организована поездка к скважине. Фотографии и статьи о Кольской сверхглубокой обошли все ведущие мировые газеты и журналы, в нескольких странах в ее честь выпустили почтовые марки.
Но главное - специально к конгрессу была подготовлена настоящая сенсация. Выяснилось, что образцы пород, взятые на 3-километровой глубине Кольской скважины, полностью идентичны лунному грунту (он был впервые доставлен на Землю советской автоматической космической станцией «Луна-16» в 1970 году).
Ученые давно предполагали, что Луна когда-то являлась частью Земли и оторвалась от нее в результате космической катастрофы. Теперь можно было говорить о том, что отколовшаяся часть нашей планеты миллиарды лет назад соприкасалась с районом нынешнего Кольского полуострова.
Сверхглубокая скважина стала настоящим триумфом советской науки. Исследователей, конструкторов, даже простых работников чествовали и награждали почти целый год.
Кольская сверхглубокая скважина, 2007 г.
Золото в глубине
В это время работы на Кольской сверхглубокой были приостановлены. Их возобновили только в сентябре 1984 года. И первый же запуск привел к крупнейшей аварии. Сотрудники словно забыли о том, что внутри подземного хода постоянно идут изменения. Скважина не прощает остановку работ - и заставляет начинать все сначала.
В результате произошел обрыв буровой колонны, в глубине осталось пять километров труб. Их пытались достать, но через несколько месяцев стало понятно, что сделать это не удастся.
Буровые работы снова начались с 7-километровой отметки. К глубине 12 километров второй раз подошли только через шесть лет. В 1990 году был достигнут максимум - 12 262 метра.
А дальше на работе скважины сказались как неудачи локального масштаба, так и происходившие в стране события. Возможности имеющейся техники были исчерпаны, государственное финансирование резко уменьшилось. После нескольких серьезных аварий бурение в 1992 году прекратили.
Научное значение Кольской сверхглубокой сложно переоценить. Прежде всего, работы на ней подтвердили догадку о богатых залежах полезных ископаемых на больших глубинах. Конечно, драгоценных металлов в чистом виде там не нашли. Но на отметке девять километров были обнаружены пласты с содержанием золота 78 граммов на тонну (активная промышленная добыча ведется, когда такое содержание составляет 34 грамма на тонну).
Кроме того, анализ древних глубинных пород позволил уточнить возраст Земли -оказалось, что она на полтора миллиарда лет старше, чем было принято думать.
Считалось, что на сверхглубинах нет и не может быть органической жизни, но в поднятых на поверхность образцах грунта, возраст которого составлял три миллиарда лет, были обнаружены 14 ранее неизвестных видов окаменевших микроорганизмов.
Незадолго перед закрытием, в 1989 году, Кольская сверхглубокая снова оказалась в центре международного внимания. Директору скважины академику Давиду Губерману вдруг стали звонить и писать со всех концов света. Ученых, журналистов, просто любознательных граждан интересовал вопрос: правда ли, что сверхглубокая скважина стала «колодцем в ад»?
Оказалось, что представители финской прессы беседовали с некоторыми работниками Кольской сверхглубокой. И те признались: когда бур преодолел отметку 12 километров, из глубины скважины стали доноситься странные шумы. Рабочие опустили вместо головки бура термостойкий микрофон - и с его помощью записали звуки, напоминающие человеческие крики. Кто-то из сотрудников выдвинул версию, что это вопли грешников в аду.
Насколько такие рассказы соответствуют истине? Технически разместить вместо бура микрофон сложно, но возможно. Правда, работа по его спуску может занять несколько недель. И проводить ее на режимном объекте вместо бурения вряд ли удалось бы. Но, с другой стороны, многие сотрудники скважины действительно слышали странные звуки, которые регулярно доносились из глубины. И что это могло быть, никто достоверно не знал.
С подачи финских журналистов мировая пресса опубликовала ряд статей с утверждениями, что Кольская сверхглубокая - это «дорога в ад». Мистическое значение стали приписывать и тому факту, что СССР распался, когда буровики вели проходку «несчастливой» тринадцатой тысячи метров.
В 1995 году, когда станция уже была законсервирована, в глубине шахты произошел непонятный взрыв - хотя бы по той причине, что там нечему было взрываться. Зарубежные газеты сообщили о том, что через проделанный людьми ход из недр Земли на поверхность вылетел демон (издания пестрели заголовками типа «Сатана сбежал из ада»).
Директор скважины Давид Губерман в своем интервью честно признался: он не верит в ад и демонов, но непонятный взрыв действительно имел место, как и странные шумы, напоминающие голоса . Причем обследование, проведенное после взрыва, показало, что все оборудование в полном порядке.
Кольская сверхглубокая скважина, 2012 г.
Сама скважина (заварена), август 2012 года
Музей за 100 миллионов
Долгое время скважина считалась законсервированной, на ней работали около 20 сотрудников (в 1980-х годах их количество превышало 500). В 2008 году объект полностью закрыли и часть оборудования демонтировали. Наземная часть скважины - здание величиной с 12-этажный дом, сейчас оно заброшено и постепенно разрушается. Иногда сюда приезжают туристы, привлеченные легендами о голосах из ада.
По утверждениям сотрудников Геологического института Кольского научного центра РАН, в ведении которого раньше находилась скважина, ее восстановление обошлось бы в 100 миллионов рублей.
Но о научных работах на глубине речь уже не идет: на базе данного объекта можно лишь открыть институт или другое предприятие для обучения специалистов шельфового бурения. Или создать музей - ведь Кольская скважина продолжает оставаться самой глубокой в мире.
Анастасия БАБАНОВСКАЯ, журнал "Тайны ХХ века" №5 2017
Кольская сверхглубокая скважина - самая глубокая буровая скважина в мире. Находится в Мурманской области, в 10 километрах к западу от города Заполярного, на территории геологического Балтийского щита. Её глубина составляет 12 262 метра. В отличие от других сверхглубоких скважин, которые делались для добычи нефти или геологоразведки, СГ-3 была пробурена исключительно для исследования литосферы в том месте, где граница Мохоровичича подходит близко к поверхности Земли.
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.
Что происходит в глубине, доподлинно неизвестно. Температура окружающей среды, шумы и прочие параметры передаются наверх с минутным запаздыванием. Тем не менее, бурильщики рассказывают, что даже такой контакт с подземельем может не на шутку испугать. Звуки, доносящиеся снизу, и впрямь 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 может расплавиться, 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.
Выемка керна на поверхность.
Извлечённый керн.
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.
Трехшарошечное долото.
Эруптивная брекчия базальтов с глубины 2977,8 м
«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. «До 4 километров все шло по теории, а дальше началось светопреставление», – рассказывает Губерман. Теоретики обещали, что температура Балтийского щита останется сравнительно низкой до глубины по крайней мере 15 километров. Соответственно, скважину можно будет рыть чуть ли не до 20 километров, как раз до мантии.
Но уже 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.
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.
В истории Кольской сверхглубокой не обошлось и без мистики. Официально, как уже упоминалось, скважина остановилась из-за недостатка средств. Совпадение или нет – но именно в том 1995 году в глубине шахты раздался мощнейший взрыв неустановленной природы.
«Когда меня об этой загадочной истории стали расспрашивать в ЮНЕСКО, я не знал, что ответить. С одной стороны, чушь собачья. С другой – я, как честный ученый, не мог сказать, что знаю, что же именно у нас произошло. Был зафиксирован очень странный шум, потом был взрыв… Спустя несколько дней ничего такого на той же глубине не обнаружилось», – вспоминает академик Давид Губерман.
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. Возможно, уже в недалеком будущем человечество сумеет воспользоваться этим богатством.
Вот как выглядит Кольская сверхглубокая сейчас, плачевное состояние.
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
Знаменитая заброшенная скважина расположена в Мурманской области в Печенгском рудном районе, который известен медно-никелевыми месторождениями. Ближайший населенный пункт — город Заполярный, который находится в 10 км от СГ-3.
Кольская сверхглубокая — фото из космоса
По сей день кольская скважина является самой глубокой в мире. Ее глубина составляет рекордных 12 262 м, диаметр на поверхности 92 см, а на максимальной глубине — 21,5 см. Главная задача скважины СГ-3 это не поиск полезных ископаемых или добыча нефти, в отличие от других сверхглубоких скважин, а исключительно научно-исследовательская деятельность.
Конечно выбор этого труднодоступного места с суровым климатом не случаен. Прежде была организована специальная геологическая экспедиция, которая и указала именно эту точку для постройки всего бурильного сооружения и последующего бурения скважины. Вся территория полуострова имеет много населенных пунктов с весьма странными названиями: Новый Титан, Никель, Слюда, Апатиты, Магнетиты и т.д. Но на самом деле в этом ничего странного нет, потому что полуостров просто огромный склад полезных ископаемых. Немаловажным из выводов экспедиции было и то, что с течением миллионов лет, разрушительного воздействия воды, ветра и льда поверхность Балтийского щита будто бы больше «оголилась» до старейших земных образований, которые обычно упрятаны в других районах, вследствие более мягкого климата и меньшего воздействия эрозии. Т.е. именно в этом месте у бурильщиков было преимущество в 5-8 км в сравнении со срезом земной коры на континенте. Поэтому если здесь пробурить скважину глубиной 15 км, то это сравнимо с 20-23 км на континенте.
Поверхностные слои земной коры к тому времени были очень хорошо изучены при бурении нефтяных скважин и добыче нефти. И для добычи ископаемых достаточно было скважин около 2000-3000 м. Но у СГ-3 была совсем другая и очень тяжелая задача — достигнуть глубины в 15 000 м. Неспроста она сравнивалась с подготовкой и полетом в космос по уровню технического оснащения. А как оказалось сходство и не только в этом. Ну об этом чуть позже. Устроиться на работу в то время на скважину было очень не просто, туда отбирали только самых лучших инженеров и рабочих. Каждый из них получал квартиру и очень достойную зарплату, примерно в восемь раз больше, чем специалисты в центральной части союза.
Д.Губерман и академик Тимофеев обсуждают перспективы бурения
В науке с ХХ веков принято что Земля состоит из коры, мантии и ядра. И границы всех слоев были установлены теоретически, т.е. предполагалось что слой гранитов имеет глубину 3 км, а с глубины 3 км начинается слой базальтов. Мантию ученые предполагали найти на глубине 15-18 км. Но как раз таки СГ-3 разрушила все эти представления и дала иные результаты, над которыми ученые работают и по сей день.
Стартовало бурение 24 мая 1970 года. Кстати, стоит отметить, что главным условием правительства было использование только собственного инструмента и оборудования. Поэтому буровое оборудование было советского производства предприятия «Уралмаш». Первый этап бурения осуществлялся типовой буровой установкой, максимальный предел глубины которой составлял 5 000 м, но на СГ-3 удалось пробиться с ее помощью до глубины 7 000 м. Что стало очень хорошим результатом. Сам процесс бурения до первой точки в 7 000 м проходил без каких-либо внештатных ситуаций, бур легко справлялся с однородными гранитами и вся эта работа заняла 4 года.
Для продолжения работ по глубинному бурению необходимо было перестроить вышку под другую более мощную установку и выполнить ее монтаж. Все эти работы по переоборудованию заняли около года. Под следующий этап бурения была специально разработана «Уралмаш-15000», которая имела кардинальные отличия в устройстве. Во-первых, автоматизировался подъем и погружение бура с колонной, во-вторых, благодаря новой конструкции вращалась не вся колонна, а только сам инструмент. Его вращение осуществлялось за счет подачи специально раствора. Сама коронка имеет специальную конструкцию, за счет чего рабочие периодически извлекали пробы породы в виде цилиндров, они носят название керн. Раздробленная порода в процессе бурения поднимается на поверхность вместе со специальным раствором. Потом раствор очищают и запускают по-новому. Вся колонна в сборе с коронкой и буровым раствором имеет массу около 200 т. Трубы из которых собирается колонна необходимой длины, выполнены из алюминиевых сплавов. Бурение на больших глубинах очень сложный технологический процесс, а тем более это было покорением новых глубин, поэтому в процессе возникало масса проблем, которые оперативно и профессионально решались за счет лучших специалистов на станции. На спуск и подъем буровой колонны уходит очень большое количество времени, около 18 часов, а сам процесс бурения занимает 4 часа. Поэтому работы на скважине были круглосуточными в три смены.
Следующий этап бурения с глубины 7 000 метров осложнился за счет рыхлых неравномерных пород, инструмент постоянно отклонялся в сторону более мягких пород и процесс существенно замедлялся, но более неприятные ситуации возникали из-за повреждений бура и обрыва всей буровой колонны. Так вследствие аварий и потери инструмента, приходилось цементировать этот участок и начинать бурение с предыдущих этапов. К 6 июня 1979 года был побит рекорд в 9583 метра, который принадлежал нефтяной скважине Берта Роджерс.
К 1983 году новый рекорд глубины бурения 12 066 метров. Работы на скважине пришлось временно приостановить из-за подготовки к Международному геологическому конгрессу, который намечен был на 1984 год в Москве.
После перерыва 27 сентября 1984 года работы по бурению были возобновлены. Но при первом же этапе произошла авария — обрыв колонны с буром. Специалистами было утеряно 5 км труб колонны. Все попытки достать из скважины оборудование окончились неудачей. Поэтому пришлось начинать бурение с 7000 м. И за 6 лет к 1990 году новая скважина достигла рекордной отметки 12 262 м. Все попытки дальше продолжить бурение оканчивались неудачами, поэтому проект заморозили и через некоторое время вовсе остановили за недостатком финансирования и политической ситуацией в стране. Но эта глубина так и остается рекордной!
Кольская сверхглубокая наши дни
В конце концов в 2008 году все было окончательно заброшено, скважину законсервировали, какая-то часть оборудования была демонтирована, остальное разрушается от времени и от рук мародеров. По некоторым данным, для восстановления всего оборудования и продолжения научно-исследовательской работы потребуется около 100 млн. руб, но скорее всего это уже нереально.
Далее приведем фото нынешнего состояния объекта
Для получения дополнительной информации, посмотрите короткометражный фильм
