Самая глубокая скважина в мире 14 км. Местоположение Кольской сверхглубокой станции. Из собственного опыта
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 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.
Во второй половине 20 века, мир заболел сверхглубоким бурением. В США готовили новую программу изучения океанского дна (Deep Sea Drilling Project). Построенное специально для этого проекта судно «Гломар Челленджер» несколько лет провело в водах различных океанов и морей, пробурив в их дне почти 800 скважин, достигнув максимальной глубины 760 м. К середине 1980-х годов результаты морского бурения подтвердили теорию тектоники плит. Геология как наука родилась заново. Тем временем Россия шла своим путем. Интерес к проблеме, разбуженный успехами США, вылился в программу «Изучение недр Земли и сверхглубокое бурение», но не в океане, а на континенте. Несмотря на многовековую историю, континентальное бурение представлялось совершенно новым делом. Ведь речь шла о недостижимых ранее глубинах — более 7 километров. В 1962 году Никита Хрущев утвердил эту программу, хотя руководствовался он скорее политическими мотивами, нежели научными. Ему не хотелось отстать от США.
Возглавил вновь созданную лабораторию при Институте буровой техники известный нефтяник доктор технических наук Николай Тимофеев. Ему было поручено обосновать возможность сверхглубокого бурения в кристаллических породах — гранитах и гнейсах. На исследования ушло 4 года, и в 1966 году эксперты вынесли вердикт — бурить можно, причем не обязательно техникой завтрашнего дня, достаточно того оборудования, что уже есть. Главная проблема — жара на глубине. Согласно расчетам, по мере внедрения в горные породы, слагающие земную кору, температура должна увеличиваться через каждые 33 метра на 1 градус. Значит, на глубине 10 км надо ожидать порядка 300°С, а на 15 км — почти 500°С. Такого нагрева бурильные инструменты и приборы не выдержат. Надо было искать место, где недра не столь горячи…
Такое место нашли — древний кристаллической щит Кольского полуострова. Отчет, подготовленный в Институте физики Земли, гласил: за миллиарды лет своего существования Кольский щит остыл, температура на глубине 15 км не превышает 150°С. А геофизики подготовили примерный разрез недр Кольского полуострова. По их данным, первые 7 километров — это гранитные толщи верхней части земной коры, потом начинается базальтовый слой. Тогда представление о двухслойном строении земной коры было общепринятым. Но как оказалось позднее, и физики, и геофизики ошибались. Площадку для буровой выбрали на северной оконечности Кольского полуострова близ озера Вильгискоддеоайвинъярви. По-фински это значит «Под волчьей горой», хотя ни горы, ни волков в том месте нет. К бурению скважины, проектная глубина которой составляла 15 километров, приступили в мае 1970 года.
Н о
З десь можно послушать адские звуки из скважины.
Фильм: Кольская сверхглубокая: последний салют
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.
Что мешает пробурить скважину до центра Земли и узнать, что там находится? О строении космоса мы знаем гораздо больше, чем о том, как устроен Земной шар. Хотя попытки проникнуть вглубь Земли предпринимались не раз. Первые две сверхглубокие скважины были пробурены в штате Луизиана в Северной Америке. Руководители проекта оборудовали скважину обсадными трубами метрового диаметра, уходящими на глубину 1 км, с тремя мощными автоматическими аварийными затворами. Рядом с буровой расположили специальный бетонозавод, который в случае аварии подавал бы быстротвердеющий раствор в обсадную трубу. До глубины в 9 км проходка шла как обычно. Но глубже столкнулись с увеличивающимся внутренним давлением, из скважины стал выделяться сероводород. Бурильщики шутили, что добурили до преисподней. С глубины 9,6 км из скважины пошла расплавленная сера, и проходчики начали терять сознание. Аварийные затворы закрылись. А бетонный завод обеспечил подачу спецраствора в о! бсадную трубу, и скважину удалось заглушить.
В СССР так же пытались пробурить несколько сверхглубоких скважин, но отечественных бурильщиков постигла та же печальная участь. Во время бурения скважины «Кумжа-9» на реке Печора в Архангельской области с глубины 7 км неожиданно ударил мощный фонтан из газа, нефти и бурового раствора. Да так сильно, что бур просто «влетел» в зону аномально высокого пластового давления. Трубы от буровой установки разлетелись, как макароны из кастрюли. Тут же ударил факел высотой 150 метров. Попробовали погасить факел танками – неудачно. Фонтан гудел, как реактивный двигатель. В итоге его удалось погасить лишь с помощью подземных ядерных взрывов. Для этого пробурили наклонную скважину в сторону аварийного ствола. Подвели по ней ядерный фугас и на глубине 1,5 км взорвали. Образовалась подземная камера, и зона бокового давления перекрыла ствол скважины.
Самую сверхглубокую скважину – СГС-3 глубиной 12,3 км – пробурили на Кольском полуострове в районе поселка Никель. Работы проводил специальный институт геофизики с общим числом сотрудников 5000 человек, а на самой шахте в советские годы трудилось 520 человек. Расчетная глубина бурения была установлена в 30 км. До 7 км бурение шло в обычном режиме. Сюрпризы начались на глубине 7,5 км, температура там, где бур непосредственно соприкасался с базальтом, взросла до 100°С, а плотность образцов, поднятых на поверхность, снизилась на 20%. Геохимики обнаружили в породе различные газы – водород и гелий, а биологи – неизвестные бактерии. Эти бактерии, извлеченные в кислородную атмосферу, погибали, и потому их назвали аэрофобные (боящиеся воздуха). Вдруг бур заклинило намертво, тогда приступили к проходке второго ствола. На глубине 8 км температура поднялась до 120°С, а керны стали пористыми, количество бактерий возросло. Обычные стальные трубы заменили на! новые, изготовленные из высокопрочной стали, бур сделали из молибдена, зерна алмаза заменили на искусственный материал эльбор, который превосходил алмаз по огнеупорности, прочности и твердости. Наконец, ствол скважины достиг глубины 12240 м. Бур снова заклинило, станок замолчал.
Немного о характеристиках буровой установки ("Уралмаш-15000"). Буровая колонна ниже 2000 метров была собрана трубами из лёгких алюминиевых сплавов (стальная просто разорвалась бы от своего веса). Вес колонны около 200 тонн.
Турбобур - турбина длиной 46 метров, действующая от давления бурового раствора, вращает буровую коронку (долото).
Керноприёмник - съёмная труба внутри турбобура, служащая для забора образцов породы (керна).
Использовались обычные буровые коронки из твёрдого сплава. Одна коронка служит приблизительно 4 часа, за это время удаётся пробурить 7-10 метров. На спуск и подъём колонны уходит до 18 часов. При этом колонна разбирается на секции из нескольких труб.
Первые 7 километров сложены вулканическими и осадочными породами: туфами, базальтами, брекчиями, песчаниками, доломитами. Глубже лежит так называемый раздел Конрада, после которого скорость сейсмических волн в породах резко увеличивается, что раньше интерпретировалось как граница между гранитами и базальтами. Этот раздел на Кольской скважине был давно пройден, но базальты нижнего слоя земной коры так нигде и не появились. Наоборот, начались граниты и гнейсы.
Разрез Кольской скважины опроверг двухслойную модель земной коры, согласно которой под гранитоидной корой материков должна находиться базальтовая кора, в которой материки, согласно теории тектоники плит, движутся по поверхности планеты. Сейсмические разделы в недрах планеты оказались не границами слоев из пород разного состава. Скорее они указывают на изменение свойств камня с глубиной. Поднятый на поверхность с 12-ти километровой глубины образец оказался не базальтом, как ожидалось по теории, а гранитом.
Прежде думали, что с удалением от поверхности земли и ростом давления породы становятся более монолитными, количество трещин в них уменьшается. Но скважина показала обратное – начиная с 9 км, толщи оказались очень пористыми и буквально напичканы трещинами, по которым циркулировали водные растворы. На глубине температура оказалось выше, чем рассчитывали: +80°С. На отметке 7 км температура в забое была 120°С, а на 12 км – +230°С. В образцах Кольской скважины ученые обнаружили золотое оруденение. Вкрапления драгоценного металла находились в древних породах на глубине 9,5–10,5 км (в среднем 37,7 мг золота на тонну породы).
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 - 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°С, на семи – за 120, а на глубине 12-ти км жарило сильнее 220°С, что на 100° выше предсказанного теоретиками! Результаты поставили под сомнение теорию послойного строения земной коры – по крайней мере, до 12 262 метра.
В школе нас учили: есть молодые породы, граниты, базальты, мантия и ядро. Но граниты оказались на 3 километра ниже, чем рассчитывали. Базальтов вообще не нашли. Все бурение прошло в гранитном слое. А ведь с теорией послойного строения Земли связаны все наши представления о возникновении и размещении полезных ископаемых. На глубинах, где считалось, что нет органики, обнаружили 14 видов 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 разрушило теорию биологического происхождения углеводородов, таких как нефть и газ.
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.
Проблемы на немецкой сверхглубокой скважине на юго-востоке Баварии, заложенной на остатках древней горной цепи возрастом в 300 млн. лет, начались после достижения глубины 7 км: в конце работ забой отклонился от вертикали на 300 м. Так же как и на Кольской, приходилось бурить новые стволы. Температура в скважине на глубине была 270°С, и это вынудило прекратить работы, не достигнув заветной цели. На предельной для бурения глубине залегали главным образом амфиболиты и гнейсы – древние метаморфические породы. Зоны перехода гранитоидной коры в гнейсовую здесь также не обнаружили.
В США продолжают глубинное бурения дна океанов в зонах вулканической и тектонической активности земной коры. Так, на Гавайских островах исследователи надеялись изучить подземную жизнь вулкана и приблизиться к мантийному языку – плюму, который, как полагают, и породил эти острова. Скважину у подножия вулкана Мауна-Кеа планировали пробурить до глубины 4,5 км, но из-за огромных температур осилить смогли только 3 км. Другой проект – глубинная обсерватория на разломе Сан-Андреас. Бурение скважины через этот разлом Североамериканского континента начали в июне 2004 года и прошли 2 из 3 запланированных километров. Уже сейчас добыча нефти и газа в США с глубин 6–7 км стала обычным делом. Тюменская сверхглубокая скважина показала, что в 7 километрах от поверхности есть перспективные для газовых месторождений толщи пород.
Одно из самых удивительных открытий, которое сделали с помощью бурения, – это наличие жизни глубоко под землей. И хотя жизнь эта представлена лишь бактериями, ее пределы простираются до невероятных глубин. Бактерии вездесущи. Они освоили подземное царство, казалось бы, совершенно непригодное для существования. Огромные давления, высокие температуры, отсутствие кислорода и жизненного пространства – ничто не смогло стать препятствием на пути распространения жизни в недрах литосферы. По некоторым подсчетам, масса микроорганизмов, обитающих под землей, может даже превышать массу всех живых существ, населяющих поверхность нашей планеты.
Еще в начале XX века американский ученый Эдсон Бастин обнаружил бактерии в воде из нефтеносного горизонта с глубины несколько сот метров. Обитавшие там микроорганизмы не нуждались в кислороде и солнечных лучах, они питались органическими соединениями нефти. Бастин предположил, что эти бактерии живут изолированно от поверхности уже 300 млн. лет – с тех пор как образовалось нефтяное месторождение. Но его смелая гипотеза осталась тогда невостребованной – в нее просто не поверили. Тогда считали, что жизнь – это лишь тонкая пленка на поверхности планеты.
В 1980 г. департамент энергетики США искал безопасные методы захоронения радиоактивных отходов. Для этих целей предполагалось использовать шахты в непроницаемых горных породах, где живут питающиеся радионуклидами бактерии. В 1987 году началось глубокое бурение нескольких скважин в штате Южная Каролина. С полукилометровой глубины и дальше вглубь отбирали образцы, соблюдая при этом всевозможные меры предосторожности, чтобы не занести бактерии и воздух с поверхности Земли. Изучением образцов занимались несколько независимых лабораторий, их результаты показали, что глубоких толщах обитали анаэробные бактерии, которые не нуждаются в кислороде.
Бактерии нашли и в породах золоторудной шахты в Южной Африке на глубине 2,8 км, где температура составляла 60°С. Они живут и глубоко под дном океанов при температуре свыше 100°. Как показала Кольская сверхглубокая скважина, условия для обитания микроорганизмов есть даже на глубине более 12 км, поскольку горные породы на большой глубине оказались пористыми, насыщенными водными растворами.
В сверхглубокой скважине, которая вскрывала кратер Сильян Ринг в Швеции, микробиологи тоже обнаружили колонии бактерий. Любопытно, что микроорганизмы обитали в древних гранитах. Хотя это были очень плотные, залегающие под большим давлением породы, но в них по системе микропор и трещин циркулировали подземные, по-видимому, ювенильные воды. Американский геолог Томас Голд считает, что магнетито-масляная паста на глубине 4–5 км – это не что иное, как продукт жизнедеятельности бактерий, которые питаются поступающим из мантии метаном.
Пределы выносливости литосферных бактерий изумляют, но похоже, что нижнюю границу их обитания все-таки устанавливает температура недр. Они могут размножаться при 110°С и выдерживать, хоть и короткое время, температуру в 140°С. Под океанским дном температура растет не так быстро, и нижняя граница жизни там может пролегать на глубине 7 км. Это означает, что биосфера Земли не может быть полностью уничтожена даже в случае самых серьезных катаклизмов, а на планетах, лишенных атмосферы и гидросферы, микроорганизмы вполне могут существовать в недрах.
Катрина Эдвардс (Katrina Edwards) со своими коллегами обнаружили, что на обнаженных твердых породах на дне глубоководных впадин в океане обитает в 3–4 раза больше бактерий, нежели в водных слоях океана. Жизнь может существовать в холодной темной и каменной среде, считает Сантелли: "Однако мы не ожидали найти такое обилие микробной жизни на больших глубинах". Пораженные присутствием огромного разнообразия микроорганизмов, исследователи пришли к выводу, что богатая микробная жизнь присутствует на всей поверхности океанского дна. Это открытие подтверждает теорию о том, что бактерии выживают благодаря эндогенной энергии, исходящей из глубин Земли – "процесс, который значительно дополнит наши знания о глубинном углеродном цикле и развитии жизни на земле", говорит Катрина Эдвардс.
К настоящему времени в мире существует несколько десятков сверхглубоких скважин. Вот наиболее известные из них: Берта-Роджерс, США, – 9 583 м. Бейден-Юнит, США, – 9 159 м. КТВ Hauptbohrung, Германия – 9 100 м. Юниверсити, США – 8 686 м. Цистердорф, Австрия – 8 553 м. Бигхорн, США, Вайоминг – 7 583 м. Сильян Ринг, Швеция – 6 800 м. Глубже Кольской (и то совсем ненамного) только скважина в Одопту, пробуренная компанией Еxxon Neftegas Limited (ENL) в конце 2010 - начале 2011 года (глубина 12 345 м) и скважина, пробуреная компанией Transocean для Maersk Oil в 2008 году в Катаре, в нефтяном бассейне Аль-Шахин, глубиной 12 289 метров.
Сверхглубокое бурение позволило заглянуть в недра и понять, как ведут себя горные породы при высоких давлениях и температуре. Представление о том, что горные породы с глубиной становятся плотнее и пористость их убывает, оказалось неверным, как и точка зрения о сухих недрах. Впервые это было обнаружено при бурении Кольской сверхглубокой скважины. Другие скважины в древних кристаллических толщах подтвердили факт, что на многокилометровой глубине горные породы разбиты трещинами и пронизаны многочисленными порами, а водные растворы (в науке называемые сверхкритическими флюидами) достаточно свободно движутся под давлением в несколько сот атмосфер. Учитывая информацию о состоянии недр, полученную в ходе сверхглубокого бурения, проекты создания могильников радиоактивных отходов в глубоких желобах океана ныне выглядят весьма рискованными. Согласно теории тектонических плит, в месте этих желобов океаническая плита "подсовывается" под материковую, и поме! щенные в такой желоб радиоактивные отходы в контейнерах должны были бы тоже "подсовываться" под материковую плиту и таким образом хорониться на значительной глубине. Но оказалось, что на самом деле никакие плиты в желобах друг под друга не подсовываются.
Загрузка...
