Самая глубокая скважина на земле — услышать сердцебиение Земли. На пороге преисподней: Кольская сверхглубокая скважина
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
Суббота, 29 Дек. 2012Одним из самых грандиозных проектов советской эпохи стала Кольская сверхглубокая скважина глубиной 12 262 метра. Этот рекорд остаётся непревзойдённым и по сей день.
Год выпуска: 2012
Страна: Россия (ТВ "Центр")
Жанр: Документальный
Продолжительность: 00:25:21
Режиссер: Владимир Батраков
Описание: Авторы репортажа расскажут об истории и целях этого смелого научного эксперимента, побеседуют с его непосредственными участниками, в популярной форме объяснят полученные результаты. Зрители смогут увидеть, в каком состоянии находится буровая на данный момент.
Бурение началось в 1970 году, и до середины 80-х работы были полностью засекречены.
В 1992 году бурение было остановлено из-за отсутствия финансирования - скважина так и не была доведена до плановой глубины в 15 километров. Но и при существующей глубине были получены уникальные научные данные.
Кроме того, именно с Кольской сверхглубокой скважиной связана легенда о якобы записанных на огромной глубине звуках жутких человеческих криков, что вызвало самые невероятные предположения в прессе...
Дополнительная информация:
Дорыть до Вельзевула: в 1970-е годы команда советских исследователей проводила буровые работы на Кольском полуострове, в результате чего была вырыта самая глубокая скважина в мире. Масштабный проект задумывался с научно-исследовательскими целями, однако неожиданно привел чуть ли не к истерии по всему миру. По слухам, советские ученые наткнулись на "дорогу в ад", пишет SPIEGEL ONLINE .
"Леденящая душу картина: посреди обезлюдевших просторов Кольского полуострова в 150 км севернее Мурманска вздымается брошенная буровая вышка. Вокруг теснятся бараки для сотрудников, помещения с лабораториями. Толстый слой пыли покрыл все до последнего следы пребывания человека, очевидно в спешке покидавшего эти места", - продолжает автор.
24 мая 1970 года, когда СССР и США наперегонки осваивали космос, в Советском Союзе на границе с Финляндией и Норвегией стартовал проект по бурению сверхглубокой скважины на месте залегания геологического Балтийского щита. За несколько десятилетий Кольская сверхглубокая скважина "заглотила" миллионы, позволив ученым сделать несколько довольно серьезных научных открытий. Однако самая громкая находка на глубине свыше 10 км превратила научно-исследовательский проект в мероприятие с глубоко религиозной подоплекой, в котором догадки, правда и ложь смешались воедино, породив сенсационные сообщения во всех мировых СМИ.
Вскоре после начала бурения Кольская сверхглубокая стала советским образцово-показательным проектом, уже через несколько лет СГ-3 побила рекорд в 9583 м, ранее принадлежавший скважине Берта-Роджерса в Оклахоме. Но советскому руководству этого было недостаточно - ученые должны были достичь глубины в 15 км.
"По дороге к недрам земли ученые делали неожиданные открытия: так, им удалось предсказать землетрясения на основании необычных звуков из скважины. На глубине 3 тыс. метров в слоях литосферы была обнаружена субстанция, практически идентичная материалу с поверхности Луны. Через 6 тыс. метров было обнаружено золото. Однако ученых все больше беспокоил тот факт, что чем глубже они проникали, тем выше становились температуры, затруднявшие ход работ", - говорится в статье. В отличие от предварительных расчетов, температура составляла не 100 градусов по Цельсию, а 180.
Примерно в это же время поползли слухи о том, что на глубине 14 км бур неожиданно заходил из стороны в сторону - признак того, что он угодил в гигантскую полость. Температуры в зоне прохождения зашкаливали за тысячу градусов, а после того, как в шахту был опущен термоустойчивый микрофон для записи звука движения литосферных плит, буровики услышали леденящие душу звуки. Сначала они приняли их за звуки неисправно работающей техники, но затем, после того как оборудование было отрегулировано, их худшие подозрения подтвердились. Звуки напоминали крики и стоны тысяч мучеников, говорится в статье.
"Откуда точно эта легенда берет свои истоки, неизвестно до сих пор", - продолжает автор. Впервые на английском она была озвучена в 1989 году в эфире американской телекомпании Trinity Broadcasting Network, которая взяла историю из репортажа финской газеты. Кольскую сверхглубокую скважину стали называть "дорогой в ад". Рассказы напуганных буровиков напечатали финские и шведские газеты - они утверждали, что "русские выпустили демона из ада".
Работы по бурению были прекращены - их объяснили недостаточным финансированием. По указанию сверху буровую вышку следовало свалить - но денег не хватило и на это.
27.04.2011
Кольская сверхглубокая скважина (СГ-3) — признана самой глубокой буровой скважиной в мире. Расположена шахта на территории геологического Балтийского щита в Мурманской области, в 10 км западнее г. Заполярного. Её полная глубина составляет 12 262 метра.
Главное ее отличие от остальных сверхглубоких скважин, которые бурились для добычи газа, нефти или геологоразведки, Кольская сверхглубокая была построена исключительно для научных исследований литосферы в том месте, где граница Мохоровичича наиболее близко подходит к поверхности Земли.
СГ-3 рекордная скважина
Закончен первый этап бурения скважины СГ-3 — Кольской сверхглубокой скважины. Она была начата в мае 1970 года и к началу 1975 года углубилась в недра на 7263 метра.
Много это? Или бурение на такую глубину уже никого не удивляет? На Украине пробурена скважина «Шевченковская-1» глубиной более 7500 метров.
Десять скважин в разных местах Советского Союза превысили 6 тысяч метров. Наиболее глубокая скважина в мире пройдена в США — 9583 метра. В таком окружении Кольская сверхглубокая кажется обычной, одной из многих сверхглубоких.
- Во-первых, потому, что эта скважина пока самая глубокая в мире из пройденных в кристаллических породах докембрия.
- Во-вторых, Кольская сверхглубокая скважина- новое слово в технике бурения. Впервые в мировой практике значительная часть скважины пройдена «открытым стволом», то есть без обсадных труб.
Тщательно изучен каждый метр скважины на всем ее протяжении, исследован каждый столбик извлеченной породы.
Мощность земной коры неодинакова. Под океаном она в некоторых местах утончается до 5 километров.
На континентах в районах древней складчатости это 20-30, а под горными хребтами до 75 километров. Земную кору называют кожей планеты.
Иногда, чтобы более образно показать глубинное строение Земли, приводят сравнение с яйцом. В этом случае коре отводится роль скорлупы.
Несмотря на такую вроде бы незначительную толщину, «скорлупа» Земли до сих пор оставалась недоступной прямым исследованиям.
Основные сведения о ней были получены косвенными — геофизическими методами. Так, например, по отраженным сейсмическим волнам установлено, что земная кора имеет слоистое строение.
Континентальная кора состоит из осадочного, гранитного и базальтового слоев, в океанической коре гранитного слоя нет.
Ниже земной коры сейсмические наблюдения выделили мантию (если продолжить сравнение с яйцом — белок), а в центре Земли ядро — желток.
Для исследований земных глубин применяются также гравиметрические, магнитометрические, ядерные, геотермические методы. Они позволяют определить плотность горных пород на большой глубине, установить аномалии силы тяжести, характеристику магнитного поля, температуру и десятки других параметров.
И все же многие основные вопросы геологии остаются без ответа. Только прямое проникновение в недра поможет, наконец, снять эти вопросительные знаки геологии.
Кольская сверхглубокая
Кольская сверхглубокая заложена на Балтийском кристаллическом щите. Это древнейшее образование земной коры, которое на территории Скандинавского и Кольского полуостровов, Карелии, Балтийского моря и на части Ленинградской области близко подходит к земной поверхности.
Можно предположить, что базальтовый слой здесь лежит на глубине немногим более 7 километров. Щит сложен из древних, сильно измененных пород: архейских гнейсов, кристаллических сланцев, интрузивных пород возрастом до 3,5 миллиарда лет и более.
Ученые получат доступ к глубинному веществу, смогут детально изучить его, проведут наблюдения по всему стволу скважины, построят реальный, а не предполагаемый разрез земной коры континентального типа, определят состав и физическое состояние вещества.
Пройдено около половины пути до проектной 15-километровой отметки. И даже этот, казалось бы, скромный промежуточный результат оказался очень интересным по ряду важных показателей.
Впервые в мировой науке и практике скважиной вскрыта и детально изучена толща не молодых осадочных отложений, а древних кристаллических пород, впервые удалось собрать много новых сведений об этих породах и геолого-физических условиях их залегания.
Оперативно создавая и применяя различные технические новинки, непрерывно совершенствуя технологию бурения и приспосабливая ее к конкретным геологическим условиям, советские ученые и буровики отечественным оборудованием и инструментом проложили более чем семикилометровый ход в крепчайших земных породах.
Путь в недра Земли в определенном смысле стал дорогой технического прогресса в бурении: опробуется и усовершенствуется то, что хорошо себя зарекомендовало при проходке скважин в других районах, создаются и проверяются новые технические средства и технология.
Кольская сверхглубокая стала экспериментальным полигоном, испытывающим новую технику и технологию буровых работ. Роль генерального проектировщика и научного руководителя этого уникального полигона поручена нашему Всесоюзному ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательскому институту буровой техники (ВНИИБТ) Миннефтепрома.
Скважина в ад
Бурение Кольской сверхглубокой скважины послужило источником слухов, связанных с возникновением легенды о «дороге в ад» .
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.
Кольская сверхглубокая скважина сразу же получила название - «дорога в ад» — и каждый новый пробуренный километр приносил стране несчастья. На глубине 13 000 метров распался СССР, на глубине 14 500 метров, ученые наткнулись на пустоты.
Исследователи опустили микрофон в шахту и услышали странные ужасающие звуки и даже человеческие крики. Датчики показывали температуру в 1100 °C. Ученые решили, что обнаружили ад.
На самом деле, акустические методы исследования скважин записывают не сам звук и не на микрофон, а волновую картину отраженных упругих колебаний на сейсмоприемники.
Глубина остановки бурения составила 12 262 метра и температура зафиксированная на данной глубине была всего 220 °C, что никак не соответствует основным «фактам» легенды.
Кольская сверхглубокая: последний салют
Звуки подземелья- секреты самой глубокой скважины (ТК "Вести")
Кольская сверхглубокая адский обман
Существует жуткая история про то, как советские бурильщики просверлили землю настолько глубоко, что достали до самого ада. Опустили в скважину микрофон и записали крики грешников. Недавно интерес к столь сверхъестественному достижению науки вспыхнул с новой силой - появилась сама запись. Звуки действительно напоминают гул толпы, пение, слышатся какие-то крики писки.
В истории фигурирует некто «Дмитрий Аззаков», на которого все и ссылаются. Но многочисленные попытки отыскать этого человека ни к чему не привели. Дальнейшее наше расследование показало: сама фамилия возникла в печати еще в 1989 году. Мы обнаружили ее в финской газете «Амменусастия» (ежемесячник христиан района Левасьоки). Не исключено, что это и есть первоисточник.Там д-р «Аззаков», советский геолог, заявлял следующее: «Как коммунист, я не верю в небеса и Библию, но как ученый, я вынужден теперь поверить в ад. Не нужно говорить, что мы были потрясены, сделав такое открытие. Но мы знаем, что слышали и что увидели. И мы абсолютно уверены в том, что бурили через врата ада».
Из газеты следовало, что драма якобы разразилась в СССР, когда геологи, проводившие изыскания в Западной Сибири, достигли глубины 14,4 км. Неожиданно долото бура стало бешено вращаться, показывая, что ниже находится пустота или пещера. Когда ученые подняли бур, клыкастая, когтистая тварь с огромными злыми глазами появилась из скважины, завизжав, как дикое животное, и исчезло. Испугавшись, большинство рабочих и инженеров бросились бежать, а оставшимся пришлось пройти неменьшее испытание.
«Мы спустили в скважину микрофон, предназначенный для записи движения литосферных плит, - рассказывал далее «Аззаков». - Но вместо этого мы услышали громкий человеческий голос, в котором звучала боль. Сперва мы подумали, что звук производит буровое оборудование, но, когда мы тщательно его проверили, наихудшие подозрения подтвердились. Крики и вопли не исходили от одного человека. Это были крики и стоны миллионов людей. К счастью, мы записали вызывающие ужас звуки на магнитофонную ленту».
И к июню 1990 года здесь добурились до 12 260 метров. Сейчас работы прекращены, но тогда ни о каком аде геологи не слышали.
В итоге оказалось, что обе истории были запущены в свет норвежцем Аге Рендалином, который любил называть себя «специальным советником министра юстиции Норвегии». Когда им вовсю заинтересовались, выяснилось, что это просто школьный учитель с чересчур развитым воображением.
Он признался, что все выдумал, чтобы проверить, насколько серьезно христианская пресса проверяет свои публикации. Аудиозапись, конечно, сделал кто-то другой уже в наши дни, чтобы как-то подогреть интерес к давней фальшивке.
Попытка изучить геологический разрез и толщу вулканических пород, выходящих на поверхность земли, подвигло научные центры и, иже с ними, научно-исследовательские организации выявить происхождение глубинных разломов. Дело в том, что структурные образцы пород, ранее извлеченные из недр Земли и Луны, представляли тогда равный интерес для изучения. И выбор точки заложения устья пал на существующий огромный чашеподобный прогиб, происхождение которого связывается с наличием глубинного разлома на участке Кольского полуострова.
Считалось, что Земля представляет собой этакий бутерброд, состоящий из коры, мантии и ядра. К этому времени, близкие к поверхности, осадочные породы были достаточно исследованы при разработке нефтяных месторождений. Разведка же на цветные металлы редко сопровождалась бурением ниже 2000 - метровой отметки.
Кольская СГ (сверхглубокая), ниже глубины 5000 метров, предполагала обнаружить раздел гранитных и базальтовых пластов. Этого не случилось. Бурильный снаряд прошивал твердые гранитные породы до отметки 7000 метров. Далее проходка пошла по, относительно, мягким грунтам, что и стало причиной обрушения стенок ствола и образования каверн. Осыпанный грунт заклинивал головку инструмента настолько, что при подъёме колонна труб обрывалась, приводя к аварии. Кольская скважина должна была подтвердить или опровергнуть эти давно устоявшиеся учения. К тому же учёные круги не рисковали указывать интервалы, где именно проходят границы между этими тремя слоями. Кольская скважина предназначалась для разведки и изучения месторождений минеральных ресурсов, определения закономерности и поэтапного образования полей залегания запасов сырья. В основу была положена, прежде всего, научная обоснованность теории физических, гидрогеологических и прочих параметров глубин Земли. И достоверную информацию о геологическом строении недр могла дать только сверхглубокая проходка ствола.
Между тем, многолетняя подготовка к началу буровых работ, предусматривала: возможность возрастания температуры по мере углубления, увеличение гидростатического давления пластов, непредсказуемость поведения пород, их устойчивость в связи с наличием горного и пластового давлений.
С технической точки зрения во внимание были приняты все возможные трудности и препятствия, которые могли привести к замедлению процесса углубления из-за потерь времени на спуск-подъём снаряда, снижения скорости бурения в связи с изменением категории пород, увеличения затрат энергии на забойные движители.
Наиболее сложным фактором считалось постоянное увеличение веса обсадной колонны и бурильной трубы по мере углубления.
Успешными стали технические наработки в области:
- повышения грузоподъемности, мощности и других характеристик буровой оснастки и оборудования;
- термостойкости породоразрушающего инструмента;
- автоматизации управления всеми этапами процесса бурения;
- обработки информации, поступающей из забойной зоны;
- предупреждения об аварийных ситуациях с бурильной трубой или обсадной колонной.
Проходка сверхглубокого ствола должна была выявить верность или ошибочность научной гипотезы о глубинном строении планеты.
Целью этого, весьма затратного, строительства предусматривались исследования:
1.
Глубинное строение Печенгского месторождения никеля и кристаллической подошвы Балтийского щита полуострова. Расшифровка контура месторождения полиметаллов на Печенге вкупе с проявлениями рудных тел.
2.
Изучение природы и сил, вызывающих раздел пластовых границ континентальной коры. Выявление зон пластов, мотивов и характера образования высокой температуры. Определение физического и химического состава воды, газов, образующихся в трещинах, порах пород.
3.
Получение исчерпывающего материала по вещественному составу пород и информации об интервалах раздела гранитного и базальтового «прокладок» коры. Всестороннее изучение физико-химических свойств извлечённого керна.
4.
Разработка передовых технических средств и новых технологий проходки сверхглубоких стволов. Возможность применения геофизических методов исследования в зоне рудных проявлений.
5.
Разработка и создание новейшей аппаратуры наблюдения, испытания, исследования, контроля хода бурового процесса.
Кольская скважина большей частью отвечала научным целям. В задачу входило изучение древнейших пород, из которых сложена планета и познание тайн процессов, в них происходящих.
Геологическое обоснование бурения на Кольском полуострове
Разведка и добыча залежей полезных руд всегда предопределяется бурением глубоких скважин. И почему на Кольском полуострове и именно в Мурманской области, и обязательно на Печенге. Предпосылкой тому послужил факт того, что этот регион считался настоящей кладовой минеральных ресурсов, с богатейшими запасами большого разнообразия рудного сырья (никель, магнетиты, апатиты, слюда, титан, медь).
Однако геологическая выкладка, выполненная на основе керна из скважины, выявила абсурдность мирового научного мнения. Семи километровая глубина оказалась сложенной из вулканических и осадочных пород (туфы, песчаники, доломиты, брекчии). Ниже этого интервала, как предполагалось, должны были находиться породы, разделяющие гранитный и базальтовый структуры. Но, увы, базальты так и не появились.
Выражаясь геологическими терминами, Балтийский щит полуострова с частичным охватом территорий Норвегии, Швеции, Финляндии и Карелии миллионы веков подвергались эрозии и эволюции. Природные всплески, разрушительные процессы вулканизма, явления магматизма, метаморфические видоизменения пород, осадкообразования наиболее четко отпечатались на геологической летописи Печенги. Это та часть Балтийского складчатого щита, где миллиарды лет складывалась геологическая история пластовых и рудных проявлений.
Особенно, многовековой коррозии подвергались северная и восточная части поверхности щита. В результате чего ледники, ветер, вода и другие природные катаклизмы, как бы сдирали (скребли) верхние пласты пород.
Основанием выбора места закладки скважины послужила серьёзная эрозия верхних слоев и обнажение древних архейских образований Земли. Эти обнажения значительно приближали и облегчали доступ к подземным кладовым природы.
Конструкция сверхглубокой скважины
Сверхглубокие сооружения имеют обязательную телескопическую конструкцию. В нашем случае, начальный диаметр устья имел 92 см, а конечный 21,5.
Проектная направляющая колонна или так называемый кондуктор диаметром 720 мм предусматривала проходку на глубину 39 погонных метров. Первая техническая колонна (стационарная обсадная), диаметром 324 мм и длиной в 2000 метров; съемная обсадная 245 мм, метражом в 8770 метров. Далее бурение намечалось вести открытым стволом до проектной отметки. Кристаллические породы позволяли рассчитывать на длительную устойчивость не обсаженной части стенок. Вторая съемная колонна, размеченная магнитными метками, позволяла бы осуществить сплошной отбор керна по всей длине ствола. Радиоактивные метки на забойной трубе были настроены фиксировать температуру среды бурения.
Техническая оснащенность буровой установки для бурения сверхглубокой скважины
Проходка с нуля велась установкой «Уралмаш-4Э», то есть серийным оборудованием, применяемым для бурения глубоких нефтегазовых скважин. До 2000 метров ствол проходился стальными бурильными трубами, с турбобуром на конце. Эта турбина в 46 метров длиной с долотом на конце приводилась во вращение под действием глинистого раствора, который закачивался в трубу давлением 40 атмосфер.
Далее, проходка осуществлялась с интервала 7264 метра отечественной установкой «Уралмаш-15000», с инновационной точки зрения, более мощным сооружением, грузоподъёмностью 400 тонн. Комплекс был укомплектован множеством технических, технологических, электронных и прочих передовых разработок.
Кольская скважина была оснащена высокотехнологичной и автоматизированной структурой:
1.
Разведочная , с мощным основанием, на котором смонтирована сама секционная вышка, высотой в 68 метров. Предназначалась для осуществления:
- проходка ствола, операции спуск - подъема снаряда и прочие вспомогательные действия;
- удержание ведущей и всей колонны труб, как на весу, так и процессе бурения;
- размещение секций (свечей) бурильных труб, в том числе утяжеленных (УБТ), талевой системы.
Во внутреннем пространстве вышки размещались также средства СП (спуск - подъема), инструменты. Здесь же размещались средства безопасности и возможной экстренной эвакуации верхового (помощника бурильщика).
2. Силовая и технологическая оснастка, энергетические и насосные агрегаты.
3. Циркуляционная и противовыбросовая система, цементировочное оборудование.
4. Система автоматизации, управления, контроля процесса.
5. Электротехническое обеспечение, средства механизации.
6. Комплекс измерительного оборудования, лабораторная техника и многое прочее.
В 2008 году Кольская сверхглубокая скважина была совсем заброшена, все ценное оборудование было демонтировано и вывезено (в большинстве было сдано на металлолом).
До 2012 года была демонтирована главная башня бурильной установки.
Сейчас работает только Кольский научный центр Российской академии наук в котором по сей день изучают керн добытый из сверхглубокой скважины.
Сам же керн вывезен в город Ярославль, где сейчас и хранится.
Документальное видео о Кольской сверхглубокой скважине
Новые рекорды сверхглубоких скважин
Кольская сверхглубокая скважина считалась самой глубокой скважиной в мире до 2008 года.
В 2008 году в нефтяном бассейне Аль-Шахин была пробурена под острым углом к поверхности земли нефтяная скважина Maersk Oil BD-04A, длина которой составляет 12 290 метров.
В январе 2011 и этот рекорд был побит, а побила её нефтяная скважина пробурена в Северном куполе (Одопту-море - газонефтяное месторождение в России), эта скважина также пробуренная под острым углом к поверхности земли, длина составила 12 345 метров.
В июне 2013 года скважина Z-42 Чайвинского месторождения снова побила рекорд глубины, длина составила 12 700 метров.
Кольская сверхглубокая скважина С конца XIX века считалось, что Земля состоит из коры, мантии и ядра. При этом никто толком не мог сказать, где кончается один слой и начинается следующий. Ученые не знали даже, из чего, собственно, эти слои состоят. Еще каких-нибудь 30 лет назад исследователи были уверены, что слой гранитов начинается на глубине 50 метров и продолжается до трех километров, а затем идут базальты. Мантия предполагалась на глубине 15-18 километров.
Сверхглубокая скважина, которую начали бурить в СССР на Кольском полуострове, показала, что ученые ошибались...
Погружение на три миллиарда лет
Проекты путешествия в глубь Земли появились в начале 1960-х годов сразу в нескольких странах. Первыми начали бурить сверхглубокие скважины американцы, причем они старались делать это в таких местах, где, по данным сейсмических исследований, земная кора должна была быть тоньше. Эти места, согласно расчетам, находились на дне океанов, а самым перспективным считался район вблизи острова Мауи из группы Гавайских, где.древние породы залегают под самым океанским дном и земная мантия находится примерно на глубине пяти километров под четырех километровой толщей воды. Увы, обе попытки пробиться сквозь земную кору в этом месте закончились неудачей на глубине трех километров.
Первые отечественные проекты также предполагали подводное бурение - в Каспийском море или на Байкале. Но в 1963 году ученый-буровик Николай Тимофеев убедил Государственный комитет по науке и технике СССР в том, что нужно создать скважину на континенте. Хотя бурить придется несравненно дольше, полагал он, скважина будет куда ценнее с научной точки зрения. Место бурения выбрали на Кольском полуострове, который расположен на так называемом Балтийском щите, состоящем из самых древних известных человечеству земных пород. Многокилометровый срез пластов щита должен был, по задумке ученых, показать картину истории планеты за последние три миллиарда лет.
Все глубже, и глубже, и глубже...
Начало работ после почти пятилетней подготовки было приурочено к 100-летию со дня рождения В.И. Ленина в 1970 году. К проекту приступили основательно. На скважине работало 16 научно-исследовательских лабораторий, каждая размером со средний завод; проект курировал лично министр геологии CCCР Рядовые сотрудники получали тройную зарплату. Всем была гарантирована квартира в Москве или Ленинграде. Неудивительно, что попасть на Кольскую сверхглубокую было куда сложнее, чем в отряд космонавтов.
Внешний вид скважины способен был разочаровать постороннего наблюдателя. Никаких лифтов и винтовых лестниц, уводящих в глубь Земли. Под землю уходил только бур диаметром чуть больше 20 сантиметров. Вообще, Кольскую сверхглубокую можно представить как тонкую иглу, пронзающую земную толщу. Находящийся на конце этой иглы бур с многочисленными датчиками после нескольких часов работы поднимали почти целые сутки для осмотра, снятия показаний и ремонта, и сутки же потом опускали. Быстрее нельзя: прочнейший композитный трос (буровая колонна) мог оборваться под собственным весом.
Что происходило на глубине в момент бурения, доподлинно было неизвестно. Температура окружающей среды, шумы и прочие параметры передавались наверх с минутным запозданием. Тем не менее бурильщики рассказывали, что даже такой контакт с подземельем иногда пугал не на шутку. Звуки, доносившиеся снизу, были похожи на вопли и завывания. К этому можно добавить длинный список аварий, преследовавших Кольскую сверхглубокую, когда она достигла глубины 10 километров. Дважды бур доставали оплавленным, хотя температуры, от которых он мог принять такой вид, сравнимы с температурой поверхности Солнца. Однажды трос как будто дернули снизу - и оборвали. Впоследствии, когда бурили в том же месте, остатков троса не обнаружилось. Чем были вызваны эти и многие другие аварии, до сих пор остается загадкой. Впрочем, вовсе не они стали причиной остановки бурения недр Балтийского щита.
В 1983 году, когда глубина скважины достигла 12 066 метров, работы временно прекратили: решено было подготовить материалы по сверхглубокому бурению к Международному геологическому конгрессу, который планировалось провести в 1984 году в Москве. На нем зарубежные ученые впервые узнали о самом существовании Кольской сверхглубокой, все сведения о которой были до той поры засекречены. Возобновились работы 27 сентября 1984 года. Однако при первом же спуске бура произошла авария - снова оборвалась буровая колонна. Продолжать бурение пришлось с глубины 7000 метров, создавая новый ствол, и к 1990 году это новое ответвление достигло отметки в 12 262 метра, что явилось абсолютным рекордом для сверхглубоких скважин, побитом лишь в 2008 году. Бурение было остановлено в 1992-м, на этот раз, как оказалось, навсегда. На дальнейшие работы не было средств.
Открытия и находки
Открытия, сделанные на Кольской сверхглубокой, совершили настоящий переворот в наших знаниях о строении земной коры. Теоретики обещали, что температура Балтийского щита останется сравнительно низкой до глубины по крайней мере 15 километров. А значит, скважину можно бурить чуть ли не до 20 километров, как раз до мантии. Но уже на пятом километре температура перевалила за 700°С, на седьмом - за 1200°С, а на глубине двенадцати жарило сильнее 2200°С.
Кольские бурильщики поставили под сомнение теорию послойного строения земной коры - по крайней мере, в интервале до 12 262 метров. Считалось, что есть поверхностный слой (молодые породы), затем должны идти граниты, базальты, мантия и ядро. Но граниты оказались на три километра ниже, чем рассчитывали. Базальтов, которые должны были залегать под ними, не нашли вообще. Невероятным сюрпризом для ученых стало обилие трещин и пустот на глубине свыше 10 километров. В этих пустотах бур раскачивался как маятник, что приводило к серьезным затруднениям в работе из-за его отклонения от вертикальной оси. В пустотах было зафиксировано наличие паров воды, которые перемещались там с высокой скоростью, словно переносимые какими-то неведомыми насосами. Эти пары и создавали те самые звуки, которые приводили в трепет бурильщиков.
Совершенно неожиданно для всех подтвердилась гипотеза писателя Алексея Толстого об оливиновом поясе, высказанная в романе «Гиперболоид инженера Гарина». На глубине свыше 9,5 километра обнаружили настоящий кладезь всевозможных ископаемых, в частности золота, которого оказалось 78 граммов на тонну. Кстати, промышленная добыча осуществляется при концентрации 34 грамма на тонну.
Еще один сюрприз: жизнь на Земле возникла, оказывается, на полтора миллиарда лет раньше, чем предполагалось. На глубинах, где, как считалось, никакой органики быть не может, обнаружили 14 видов окаменевших микроорганизмов (возраст этих слоев превышал 2,8 миллиарда лет). На еще больших глубинах, где уже нет осадочных пород, появился метан в высоких концентрациях, что окончательно опровергло теорию биологического происхождения углеводородов, таких как нефть и газ.
Нельзя не упомянуть об открытии, сделанном при сравнении лунного грунта, доставленного советской космической станцией в конце 70-х годов с поверхности Луны, и проб, взятых на Кольской скважине с глубины 3 километра. Оказалось, эти пробы похожи как две капли воды. Некоторые астрономы увидели в этом доказательство того, что когда-то Луна откололась от Земли в результате катаклизма (возможно, столкновения планеты с крупным астероидом). Однако по мнению других, это сходство свидетельствует лишь о том, что Луна образовалась из того же газопылевого облака, что и Земля, и на первоначальных геологических этапах они «развивались» одинаково.
Кольская сверхглубокая опередила свое время
Кольская скважина показала, что в глубь Земли можно пройти и на 14, и даже на 15 километров. Однако одна такая скважина вряд ли способна дать принципиально новые знания о земной коре. Для этого требуется целая сеть скважин, пробуренных в разных точках земной поверхности. Но времена, когда сверхглубокие скважины бурились с чисто научными целями, кажется, прошли. Слишком дорогое это удовольствие. Современные программы сверхглубокого бурения уже не столь амбициозны, как раньше, и преследуют практические цели.
Главным образом это открытие и добыча полезных ископаемых. В США уже сейчас добыча нефти и газа с глубин 6-7 километров становится обычным делом. В будущем с таких уровней начнет качать углеводородное сырье и Россия. Однако и те глубинные скважины, что бурятся сейчас, приносят немало ценной информации, которую геологи стремятся обобщить для получения целостной картины хотя бы поверхностных слоев земной коры. Но то, что лежит ниже, еще долго будет представлять собой загадку. Раскрыть ее с помощью самой современной научной аппаратуры могут только ученые, работающие на сверхглубоких скважинах, подобных Кольской. Такие скважины в будущем станут для человечества своеобразными телескопами в таинственный подземный мир планеты, о котором нам известно не больше, чем об отдаленных галактиках.
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.