Кольская глубоководная скважина. Кольская сверхглубокая

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.

В 50-70 годах прошлого века мир менялся с невероятной скоростью. Появились вещи, без которых сложно представить сегодняшний мир: появился интернет, компьютер, сотовая связь, покорение космоса и морских глубин. Человек стремительно расширял сферы своего присутствия во Вселенной, но о строении своего «дома» – планеты Земля он все еще имел довольно приблизительные представления. Хотя уже тогда идея сверхглубокого бурения была не нова: еще в 1958 году американцы запустили проект «Mohole» . Его название образовано от двух слов:

Moho – поверхность, названная в честь Андрия Мохоровичича – хорватского геофизика и сейсмолога, выделившего в 1909 году нижнюю границу земной коры, на которой происходит скачкообразное увеличение скорости сейсмических волн;
Hole – скважина, дырка, отверстие. Исходя из предположений, что толщина земной коры под океанами гораздо меньше, чем на суше, недалеко от острова Гуаделупе было пробурено 5 скважин глубиной около 180 метров (при глубине океана до 3,5 км). За пять лет исследователи пробурили пять скважин, собрали множество образцов из базальтового слоя, но до мантии не дошли. В итоге, проект был признан неудавшимся и работы свернули.

Судно CUSS, силами которого осуществлялся проект Mohole

Одной из главных целей экспедиции «По дорогам Заполярья» стала Кольская сверхглубокая скважина (или объект СГ-3) – самая глубокая в мире. Впервые я узнал о ней еще в 2004 году, учась на первом курсе геологического факультета РГУ нефти и газа, на лекции по общей геологии. И с тех пор надеялся увидеть все своими глазами.

Времена изменились и, некогда труднодоступная, территория объекта СГ-3 находится сейчас в непосредственной близости к горно-обогатительному комбинату Кольской горно-металлургической компании. А проезд к скважине и вовсе проходит через технологические дороги.

Если ехать по навигатору, то после г. Заполярный он приведет к КПП горно-обогатительного комбината. На территорию охрана, разумеется, не пустит, а про Кольскую сверхглубокую якобы ничего не слышала.

Руководству комбината ожидаемо надоело постоянное паломничество к Кольской сверхглубокой разного рода нео-сталкеров, любителей геологии и охотников за металлом, поэтому дорогу к скважине перекопали экскаваторами и для верности пересыпали булыжниками.

Поэтому мы возвращаемся на место, где в последний раз работал мобильный интернет и ищем по спутнику накатанную альтернативную дорогу. Найдя заветную отворотку, поднимаем гидропневматическую подвеску нашего Toyota Land Cruiser 200 Executive в верхнее положение, и ползем холмами в сторону скважины.

Дорога, как и полагается настоящему приключению, изобиловала разного рода препятствиями – броды, камни, даже озера.

Уже вернувшись в Мурманск и анализируя gps-трек (мы писали весь маршрут с помощью сервиса locme.ru , о нем я расскажу позже), я заметил, что на скважину мы ехали не оптимальным маршрутом и где-то сбились с пути, а вот обратно проехали уже как надо. О чем, я ни капли жалею.

Трек записан с помощью сервиса LocMe

И вот, взобравшись на очередной холм, нам открывается вид на некогда величественный научно-производственный комплекс Кольской сверхглубокой скважины.

Стремясь занять лидирующее положение во всех отраслях сразу, в 1962 году СССР запустил свою программу сверхглубокого бурения.

На подготовку проекта ушло 4 года: главная сложность заключалась в том, что согласно геотермическому градиенту (физической величине, описывающей увеличение температуры горных пород с глубиной), температура на глубине 10 км должна составлять порядка 300°С, а на 15 км - почти 500°С. На такую температуру не были рассчитаны ни буровой инструмент, ни измерительная аппаратура. К 1970 году, как раз к 100-летию со дня рождения Ленина, площадка под бурение была найдена – древний кристаллический щит Кольского полуострова. По данным отчета Института физики Земли, за миллиарды лет Кольский щит остыл, температура на глубине 15 км не должна была превышать 150°С. Согласно примерному разрезу, первые 7 километров должны быть сложены гранитными толщами верхней части земной коры, а ниже начинаться базальты. Площадку для буровой выбрали на северной оконечности Кольского полуострова близ озера Вильгискоддеоайвинъярви (по-фински это значит «Под волчьей горой»). К бурению скважины, проектная глубина которой составляла 15 километров, приступили в мае 1970 года.

Несмотря на нетривиальную задачу, никакое специальное оборудование для работ не разрабатывалось – работали тем, что есть. На первых этапах применялась буровая установка «Уралмаш 4Э» грузоподъемностью 200 тонн и легкосплавные алюминиевые трубы. Дорогой алюминий использовался по целому ряду причин: трубы из «крылатого металла» имеют гораздо меньший вес, а 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. Когда скважина достигла глубины 7000 метров , на площадке смонтировали новую буровую установку «Уралмаш 15000» - одну из самых современных на тот момент. 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. Один только вес буровой колонны при 15-километровой глубине достигал бы 200 тонн. А сама установка могла поднимать груз вплоть до 400 тонн. Рядом выросли ремонтно-механический завод, научные лаборатории и кернохранилище. : в 70е годы наибольшим распространением пользовалось роторное бурение, когда вся колонна труб проворачивалась ротором, находящимся на поверхности. Такой метод отлично подходил для относительно неглубоких скважин, но, когда длина ствола приближается к 7000, а то и 10000 метрам, роторное бурение становится бессильно. На СГ-3 бурение велось с помощью турбобура – гидравлического двигателя, вращение которого обеспечивалось энергией циркулирующего бурового раствора. Установленные на нижнем конце колонны 46 метровые секции вращали буровое долото. Ни в СССР, ни в мире на тот момент не было опыта бурения в породах кристаллического фундамента на подобных глубинах и помимо чисто технологических проблем, работа осложнялась 100% отбором керна. Проходка за один рейс, определяемая износом буровой головки, составляет обычно 7-10 м (рейс, или цикл, – это спуск колонны с турбиной и буровым инструментом, собственно бурение и полный подъем колонны.) Само бурение занимает 4 часа, а на спуск и подъем 12-километровой колонны уходит около 18 часов. При подъеме колонна автоматически разбирается на секции (свечи) длиной по 33 м. В среднем за месяц удавалось пробурить 60 м. На проходку последних 5 км скважины было использовано 50 км труб. Такова степень их износа.

Подъезжая к территории СГ-3, мы увидели «Буханку» и людей, суетливо складывающих внутрь куски железа. Это картина давно стала привычной для некогда передового научного центра – предполагалось, что Кольская сверхглубокая скважина после завершения ее проходки будет превращена в уникальную природную лабораторию для исследования с помощью специальных приборов глубинных процессов, протекающих в земной коре. Однако в 2008 году объект был окончательно заброшен, а все более-менее ценное оборудование демонтировано. С этого момента начался период разворовывания всего, что представляло хоть какую-то ценность – в первую очередь металла.

Расхитители металла, впрочем, оказались достаточно компанейскими ребятами, искренне удивились, зачем мы приехали сюда из Москвы – «тут же ничего не осталось!» и показали легендарную скважину. Сейчас она законсервирована, а ее устье закрывает стальная плита. Что происходит в самом стволе – не знает никто.

На базе СГ-3, помимо непосредственно буровой, работало несколько НИИ, собственное конструкторское бюро, токарный цех, кузница. Самые смелые технические решения рождались прямо на площадке, реализовывались своими силами и через несколько дней уже опробовались в работе. Все это требовало энергии и Кольскую сверхглубокую обслуживала собственная подстанция. Сейчас энергоблок выглядит вот так, когда-то здесь работало 48 человек.

У входа свалены ящики с уникальным оборудованием. Все ценное вырвано “с мясом”:

А чуть поодаль стоят опоры линии электропередач. Все провода, разумеется, давно срезали.

Согласно директиве «сверху» на СГ-3 использовалось только отечественное оборудование, да и не могло быть по-другому: на первых порах скважина была сверхсекретным режимным объектом. До глубины 7 км использовали серийные приборы. Работа на больших глубинах и при более высоких температурах потребовала создания специальных термобаростойких приборов. Особые трудности возникли на последнем этапе бурения; когда температура в скважине подошла к 200 о С, а давление превысило 1000 атмосфер, серийные приборы работать уже не могли. На помощь пришли геофизические ОКБ и профильные лаборатории нескольких НИИ, изготовившие единичные экземпляры термобаростойкого оборудования. Конкурс на трудоустройство составлял десятки человек на место, а прошедшим суровый отбор сразу же давали квартиру. В то время, когда рядовой советский инженер получал 120 рублей в месяц, инженер на Кольской сверхглубокой зарабатывал невероятные 850 рублей – три зарплаты и можно купить машину. Всего в на Кольской сверхглубокой работало около 300 человек.

Глубина в 7000 метров оказалась для Кольской сверхглубокой роковой

Глубина в 7000 метров оказалась для Кольской сверхглубокой роковой. Выше по разрезу бурение проходило относительно спокойно, бур проходил через однородные прочные граниты. Но после этой глубины буровая головка вошла в менее прочные слоистые породы, и ствол никак не удавалось держать вертикально. Когда в первый раз скважина прошла отметку 12 км, ствол отклонился 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 нож 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. 6 июня 1979 года случилось первое историческое событие. Буровики отрапортовали о достижении отметки в 9584 метра . Кольская скважина стала самой глубокой скважиной в мире, превзойдя американскую нефтяную рекордсменку «Берту Роджерс» (9583 метра).

6 июня 1979 года буровой мастер Федор Атарщиков сделал в вахтенном журнале торжествующую запись: «Забой - 9584 метра. „Берта Роджерс“, чао, гуд бай».

В начале 1980-х произошло и второе историческое событие. Кольская сверхглубокая прошла 11 022 метра , обойдя Марианскую впадину. На такую глубину внутрь собственной колыбели человечество еще не попадало. Одна из самых распространенных аварий при бурении – это прихват бурового инструмента, ситуация, когда осыпающиеся стенки скважины блокируют колонну и не дают вращаться инструменту. Зачастую попытки вытащить прихваченную колонну заканчиваются ее обрывом. 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.

Проходя по пустынным коридорам комплекса, несмотря на общую чудовищную разруху, чувствуешь былое величие того, что здесь происходило. В одном из кабинетов пол усеян редкой научной литературой – выпуски журнала «Дефектоскопия» за несколько лет и методичка по расчету бурильных колонн для сверхглубоких скважин – уникальность научного труда примерно сопоставима с «инструкцией по полету на Луну для чайников», если бы она существовала.

В другом – чудом сохранившееся рабочее место бурового мастера. Первая скважина в России была пробурена в 1864 году на Кубани. С тех пор и поныне – мастер почти всегда работает непосредственно на буровой площадке – чтобы видеть и контролировать все происходящее. А на Кольской сверхглубокой было не так! Оператор сидел аж в 250 метрах от устья и наблюдал за всем удаленно, в том числе за параметрами бурения. Космос!

Стены обшарпаны, стекла выбиты суровым северным ветром, но не оставляет чувство, что вот-вот в кабинет зайдет лаборант и выгонит непрошенных гостей.

В сентябре 1984 года была впервые достигнута глубина в 12 066 метров , и тут случился очередной обрыв буровой колонны. Это стало настоящей трагедией для буровой бригады, ведь пришлось начинать все практически заново, все с тех же 7 километров, вновь и вновь проходя трещины и каверны нижнего слоя земной коры. Тогда же, в рамках Всемирного геологического конгресса, работы, проводимые в Заполярье, рассекретили. В научном мире скважина СГ-3 произвела настоящий фурор. В поселок Заполярный отправилась большая делегация геологов и журналистов. Посетителям показали буровую в действии, доставали и отсоединяли 33-метровые секции труб. Вокруг находились десятки точно таких же буровых долот, как и то, что лежало на стенде в Москве. СССР подтвердил статус передовой державы в области глубокого бурения.

В июне 1990 года , когда СГ-3 достигла глубины 12 262 м , начались подготовительные работы к проходке до 14 км, вновь произошла авария. На отметке 8 550 м колонна труб оборвалась. Продолжение работ требовало долгого и дорогостоящего обновления техник, так что в 1994 году бурение Кольской сверхглубокой прекратили. Все возможности современной техники были исчерпаны. Через 3 года она попала в Книгу рекордов Гиннесса и до сих пор остается непревзойденной.

Что же дало сверхглубокое бурение на Кольском полуострове человечеству?

Прежде всего, она опровергла простое двуслойное строение Земли. 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.
Одной из важнейших целей бурения было получить керн (цилиндрический столбик горной породы) во всю длину скважины. Самый длинный в мире керн разметили, как линейку, на метры и уложили в соответствующем порядке в ящиках. Сверху указаны номер ящика и номера образцов. Всего таких ящиков на складе почти 900.

Сейсмические разделы в недрах, как оказалось, это не границы слоев из пород разного состава. Скорее они указывают на изменение петрофизических свойств пород с глубиной. При высоком давлении и температуре свойства настолько меняются, что граниты по своим физическим характеристикам становятся похожи на базальты, и наоборот. Считалось, что с глубиной и ростом давления пористость и трещиноватость пород уменьшаются. Однако, начиная с 9 километровой отметки, толщи оказались аномально пористыми и трещиноватыми. По густой системе трещин 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. Кольская сверхглубокая скважина состарила Землю на целых 1,5 миллиарда лет: жизнь на планете появилась раньше, чем предполагалось. На глубинах, где считалось, что нет органики, обнаружили более 17 видов окаменевших микроорганизмов – микрофоссилий, а ведь возраст этих глубинных слоев превышал 2,8 миллиарда лет. И еще более десятка узконаправленных открытий.

Всего на территории СССР было пробурено около 30 сверхглубоких скважин

Немногие знают, но на территории бывшего СССР было пробурено более 30 сверхглубоких скважин (на сегодняшний день все или почти все они уничтожены). По специальным транссектам (линиям измерений) их соединили между собой, получив региональные геологические профили длиной многие тысячи километров. Вдоль транссект размещалось специальное геофизическое оборудование, которое фиксировало все процессы, происходящие в недрах, в едином времени. В качестве источников возбуждения (импульса, который фиксировался в скважинах) до 1991 года применялись подземные ядерные взрывы.

Этот принципиально новый технический и методический подход к решению регионального глубинного строения земной коры и верхней мантии был основан на комплексировании данных сверхглубокого и глубокого бурения, а также сейсмического глубинного зондирования и других геофизических и геохимических методов. Для территории СССР была разработана система взаимной увязки данных геофизических профилей, опирающихся на опорные сверхглубокие скважины. Все это позволило провести достаточно детальное районирование, в первую очередь перспективных с точки зрения нефте- газо- и рудоносности зон, в масштабах всей страны.

Цена восстановления 100 миллионов рублей?

В своих интервью директор геологического института Кольского научного центра РАН утверждает, что за 100 млн. рублей можно хоть сейчас восстановить комплекс Кольской сверхглубокой скважины, открыть на ее базе научно-технический центр и обучать специалистов по шельфовому бурению. Мне совершенно очевидно, что это не так. И вопрос,к сожалению, не в деньгах. Уникальный объект, по масштабу и значимости для человечества сравнимый разве что с полетом человека в космос, утерян. И утерян безвозвратно.

После СГ-3 в мире предпринималось и предпринимается немало попыток заглянуть в глубинные горизонты недр Земли, но к сожалению, ни один проект не приблизился по значимости к работе, проведенной в Заполярье.

- Что же самое главное показала Кольская скважина?
- Господа! Главное, она показала то, что мы ничего не знаем о континентальной коре

Как проехать к Кольской сверхглубокой скважине? Точки, координаты и др.

1. Из Мурманска по автодороге А138 двигаемся в сторону г. Никель;
2. В точке 69.479533, 31.824395 будет КПП, где проверят документы;
3. Едем дальше до 69.440422, 30.594060 где сворачиваем налево;
4. Продолжаем движение по технологической дороге до 69.416088, 30.684387 ;
5. Засыпанная дорога должна быть по правую руку в точке 69.408826, 30.661051 ;
6. Едем дальше и внимательно смотрим отворотку по левую руку. Я съезжал тут: 69.414850, 30.613894 ;
7. Далее двигаемся по накатанной тропе, но в точке 69.411232, 30.608956 необходимо держаться правее.
8. Координаты самой скважины 69.396326, 30.609513 .

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.

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

В 50-70 годах прошлого века мир менялся с невероятной скоростью. Появились вещи, без которых сложно представить сегодняшний мир: появился интернет, компьютер, сотовая связь, покорение космоса и морских глубин. Человек стремительно расширял сферы своего присутствия во Вселенной, но о строении своего «дома» - планеты Земля он все еще имел довольно приблизительные представления. Хотя уже тогда идея сверхглубокого бурения была не нова: еще в 1958 году американцы запустили проект «Mohole». Его название образовано от двух слов:

Moho - поверхность, названная в честь Андрия Мохоровичича - хорватского геофизика и сейсмолога, выделившего в 1909 году нижнюю границу земной коры, на которой происходит скачкообразное увеличение скорости сейсмических волн;
Hole - скважина, дырка, отверстие. Исходя из предположений, что толщина земной коры под океанами гораздо меньше, чем на суше, недалеко от острова Гуаделупе было пробурено 5 скважин глубиной около 180 метров (при глубине океана до 3,5 км). За пять лет исследователи пробурили пять скважин, собрали множество образцов из базальтового слоя, но до мантии не дошли. В итоге, проект был признан неудавшимся и работы свернули.