Проникнуть в те тайны, которые у нас под ногами, не проще, чем узнать все тайны Вселенной у нас над головой. А может быть, и еще труднее, ведь для того, чтобы заглянуть в глубь Земли, необходима очень глубокая скважина.
Цели бурения бывают различны (добыча нефти, например), но сверхглубокие (более 6 км) скважины в первую очередь нужны ученым, желающим знать, что интересненького есть внутри нашей планеты. Где находятся такие «окошки» к центру Земли и как самая глубокая пробуренная скважина называется, расскажем вам в этой статье. Сначала только одно пояснение.
Бурение может производиться как вертикально вниз, так и под углом к поверхности земли. Во втором случае протяженность может быть весьма велика, но глубина, если оценить ее от устья (начала скважины на поверхности) до самой глубокой точки в недрах, менее, чем у тех, что идут перпендикулярно.
Примером может служить одна из скважин Чайвинского месторождения, протяженность которой достигла 12700 м, но по глубине она значительно уступает самым глубоким скважинам.
Эта скважина глубиной 7520 м находится на территории современной Западной Украины. Однако работы над ней велись еще в СССР в 1975 — 1982 годах.
Целью создания этой одной из самых глубоких скважин СССР была добыча полезных ископаемых (нефти и газа), но и изучение недр земли также было важной задачей.
9 Ен-Яхинская скважина
Недалеко от города Новый Уренгой в Ямало-Ненецком округе. Целью бурения Земли было — определить состав земной коры в месте бурения и определить рентабельность разработки больших глубин для добычи полезных ископаемых.
Как это обычно бывает со сверхглубокими скважинами, недра преподнесли исследователям много «сюрпризов». Например, на глубине около 4 км температура достигла отметки +125 (выше расчетной), а еще через 3 с небольшим км температура составила уже +210 градусов. Все же ученые закончили свои исследования, и в 2006 году скважина была ликвидирована.
8 Саатлинская в Азербайджане
В СССР на территории Азербайджанской республики была пробурена одна из самых глубоких скважин в мире – Саатлинская. Планировалось довести ее глубину до 11 км и провести разнообразные исследования, связанные как со структурой земной коры, так и с разработкой нефти на разных глубинах.
Вас заинтересует
Однако пробурить такую глубокую скважину не удалось, как это случается очень и очень часто. В процессе работы машины часто выходят из строя из-за крайне высоких температур и давления; скважина искривляется, поскольку твердость разных пород неоднородна; нередко незначительная поломка влечет за собой такие проблемы, что их решение требует больше средств, нежели создание новой.
Так и в данном случае, несмотря на то, что материалы, полученные в результате бурения, были очень ценными, работы пришлось остановить на отметке 8324 м.
7 Цистердорф — глубочайшая в Австрии
Еще одна глубокая скважина была пробурена в Австрии, возле местечка Цистердорф. Поблизости находились месторождения газа и нефти, и геологи рассчитывали, что сверхглубокая скважина позволит получить сверхприбыли в области добычи полезных ископаемых.
Действительно, на очень значительной глубине был обнаружен природный газ – к отчаянию специалистов, его невозможно было извлечь. Дальнейшее бурение завершилось аварией, стенки скважины обрушились.
Восстанавливать не имело смысла, решили рядом пробурить другую, однако в ней ничего интересного для промышленников обнаружить не удалось.
6 Юниверсити в США
Одна из самых глубоких скважин на Земле – это Юниверсити в США. Ее глубина составляет 8686 м. Материалы, полученные в результате бурения, представляют значительный интерес, так как дают новый материал о строении планеты, на которой мы живем.
Удивительно, но в результате выяснилось, что правы были не ученые, а фантасты: в недрах есть слои полезных ископаемых, а на огромной глубине существует жизнь – правда, речь идет о бактериях!
В 90-х годах в Германии начали бурение сверхглубокой скважины Хауптборунг. Планировалось довести ее глубину до 12 км, но, как это обычно бывает со сверхглубокими шахтами, планам не дано было увенчаться успехом. Уже на отметке 7 с небольшим метров начались проблемы, связанные с автоматами: бурение вертикально вниз стало невозможным, шахта начала все сильнее отклоняться в сторону. Каждый метр давался с трудом, а температура чрезвычайно росла.
Наконец, когда жар достиг 270 градусов, а бесконечные аварии и сбои всех измучили, было решено приостановить работы. Это произошло на глубине 9,1 км, что делает скважину Хауптборунг одной из самых глубоких.
Научные материалы, полученные в результате бурения, стали основой для тысяч исследований, а сама шахта в настоящее время используется в туристических целях.
4 Бейден-Юнит
В США компания Lone Star предприняла попытку бурения сверхглубокой скважины в 1970 году. Место возле города Анадарко в штате Оклахома было выбрано не случайно: здесь дикая природа и высокий научный потенциал создают удобную возможность как для бурения скважины, так и для изучения ее.
Работы велись более года, и за это время пробурили до глубины 9159 м, что позволяет включить ее в число самых глубоких шахт мира.
И, наконец, представляем три самые глубокие скважины в мире. На третьем месте Берта Роджерс – первая в мире сверхглубокая скважина, которая, однако, недолго оставалась самой глубокой. Спустя лишь немного времени появилась самая глубокая скважина в СССР – Кольская.
Берта Роджерс пробурила компания GHK, которая занимается разработками полезных ископаемых, в основном природного газа. Целью работы был поиск газа на большой глубине. Работы начались в 1970 году, когда о земных недрах было известно очень немного.
На место в округе Уошито компания возлагала большие надежды, ведь в Оклахоме много полезных ископаемых, а в то время ученые думали, что в толще земли имеются целые слои нефти и газа. Однако 500 дней работы и огромные средства, вложенные в проект, оказались бесполезными: бур расплавился в слое жидкой серы, а газ или нефть обнаружить не удалось.
Кроме того, при бурении не производились научные исследования, так как скважина имела лишь коммерческое значение.
2 КТБ-Оберпфальц
На втором месте в нашем рейтинге немецкая скважина Оберпфальц, достигшая глубины почти 10 км.
Эта шахта являет рекордсменом как самая глубокая вертикальная скважина, поскольку без отклонений в сторону она идет до глубины 7500 м! Это небывалый показатель, ибо шахты на большой глубине неминуемо искривляются, но уникальное оборудование, использованное учеными из Германии, позволило очень долго двигать бур вертикально вниз.
Не так уж велик и перепад диаметра. Сверхглубокие скважины начинаются на поверхности земли с отверстия довольно большого диаметра (у Оберпфальца – 71 см), а затем постепенно сужаются. На дне немецкая скважина имеет диаметр лишь около 16 см.
Причина, по которой пришлось остановить работы, та же, что и во всех остальных случаях – выход из строя оборудования вследствие высоких температур.
1 Кольская скважина — самая глубокая в мире
Глупой легендой мы обязаны «утке», пущенной в западной прессе, где со ссылкой на мифического «ученого с мировым именем» Аззакова рассказывалось о «существе», вырвавшемся из шахты, температура в которой достигла 1000 градусов, о стонах миллионов людей, которые записались на микрофон, спущенный вниз и так далее.
С первого взгляда видно, что история шита белыми нитками (да и опубликована была, кстати, в «день дурака»): температура в шахте была не выше 220 градусов, впрочем, при ней, как и при 1000 градусов, никакой микрофон работать не может; существа не вырывались, а названного ученого не существует.
Кольская скважина является самой глубокой в мире. Ее глубина достигает 12262 м, что значительно превышает глубину других шахт. Но не протяженность! Сейчас можно назвать по крайней мере три скважины – Катар, Сахалин-1 и одну из скважин Чайвинского месторождения (Z-42), — которые длиннее, но не глубже.
Кольская дала ученым колоссальный материал, который до сих пор до конца не обработан и не осмыслен.
| Место | Название | Страна | Глубина |
|---|---|---|---|
| 1 | Кольская | СССР | 12262 |
| 2 | КТБ-Оберпфальц | Германия | 9900 |
| 3 | США | 9583 | |
| 4 | Бейден-Юнит | США | 9159 |
| 5 | Германия | 9100 | |
| 6 | США | 8686 | |
| 7 | Цистердорф | Австрия | 8553 |
| 8 | СССР (совр.Азербайджан) | 8324 | |
| 9 | Россия | 8250 | |
| 10 | Шевченковская | СССР (Украина) | 7520 |
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
XX век ознаменовался триумфом человека в воздухе и покорением самых глубоких впадин Мирового океана. Лишь мечта проникнуть к сердцу нашей планеты и познать скрытую доселе жизнь ее недр по-прежнему остается недостижимой. «Путешествие к центру Земли» обещает быть необычайно трудным и увлекательным, таящим в себе массу неожиданностей и невероятных открытий. Первые шаги на этом пути уже сделаны — в мире пробурено несколько десятков сверхглубоких скважин. Информация, полученная при помощи сверхглубокого бурения, оказалась столь ошеломляющей, что поколебала устоявшиеся представления геологов о строении нашей планеты и дала богатейшие материалы для исследователей в самых разных областях знаний.
Прикоснуться к мантии
Трудолюбивые китайцы в XIII веке рыли скважины глубиной 1 200 метров. Европейцы побили китайский рекорд в 1930 году, научившись пронзать земную твердь при помощи буровых на 3 километра. В конце 1950-х годов скважины удлинились до 7 километров. Начиналась эпоха сверхглубокого бурения.
Как и большинство глобальных проектов, идея пробурить верхнюю оболочку Земли возникла в 1960-х годах XX века, в разгар космических полетов и веры в безграничные возможности науки и техники. Американцы задумали ни много ни мало пройти скважиной всю земную кору и получить образцы пород верхней мантии. Представления о мантии тогда (как, впрочем, и сейчас) строились лишь на косвенных данных - скорости распространения сейсмических волн в недрах, изменение которой интерпретировалось как граница слоев горных пород разного возраста и состава. Ученые считали, что земная кора похожа на бутерброд: сверху молодые породы, снизу - древние. Однако лишь сверхглубокое бурение могло дать доподлинную картину строения и состава внешней оболочки Земли и верхней мантии.
Проект «мохол»
В 1958 году в США появилась программа сверхглубокого бурения «Мохол». Это один из самых смелых и загадочных проектов послевоенной Америки. Как и многие другие программы, «Мохол» был призван обогнать СССР в научном соперничестве, установив мировой рекорд в сверхглубоком бурении. Название проекта происходит от слов «Мохоровичич» - это фамилия хорватского ученого, который выделил поверхность раздела между земной корой и мантией - границу Мохо, и «hole», что по-английски значит «скважина». Создатели программы решили бурить в океане, где, по данным геофизиков, земная кора значительно тоньше, чем на материках. Надо было спустить трубы на несколько километров в воду, пройти 5 километров океанского дна и достичь верхней мантии.
В апреле 1961 года у острова Гваделупа в Карибском море, где водная толща достигает 3,5 км, геологи пробурили пять скважин, самая глубокая из них вошла в дно на 183 метра. По предварительным расчетам, в этом месте под осадочными породами ожидали встретить верхний слой земной коры - гранитный. Но поднятый из-под осадков керн содержал чистые базальты - эдакий антипод гранитов. Результат бурения обескуражил и в то же время окрылил ученых, они стали готовить новую фазу бурения. Но когда стоимость проекта перевалила за 100 млн. долларов, конгресс США прекратил финансирование. «Мохол» не ответил ни на один из поставленных вопросов, но он показал главное - сверхглубокое бурение в океане возможно.
Похороны откладываются
Сверхглубокое бурение позволило заглянуть в недра и понять, как ведут себя горные породы при высоких давлениях и температуре. Представление, 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, другие скважины в древних кристаллических толщах подтвердили тот факт, что на многокилометровой глубине горные породы разбиты трещинами и пронизаны многочисленными порами, а водные растворы свободно движутся под давлением в несколько сот атмосфер. В этом открытии состоит одно из важнейших достижений сверхглубокого бурения. Оно заставило вновь обратиться к проблеме захоронения радиоактивных отходов, которые предполагалось помещать в глубокие скважины, что казалось совершенно безопасным. Учитывая информацию о состоянии недр, полученную в ходе сверхглубокого бурения, проекты создания подобных могильников ныне выглядят весьма рискованными.
В поисках остывшего пекла
С тех пор 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.
Разочарование шведов
В конце 1980-х годов в Швеции в поисках природного газа небиологического происхождения пробурили скважину до глубины 6,8 км. Геологи решили проверить гипотезу, согласно которой нефть и газ образуются не из отмерших растений, как считает большинство ученых, а посредством мантийных флюидов - горячих смесей газов и жидкостей. Насыщенные углеводородами флюиды просачиваются из мантии в земную кору и накапливаются в больших количествах. В те годы идея о происхождении углеводородов не из органического вещества осадочных толщ, а посредством глубинных флюидов была в новинку, многие хотели ее проверить. Из этой идеи следует, что запасы углеводородов могут содержать не только осадочные, но также вулканические и метаморфические породы. Вот почему Швеция, большей частью расположенная на древнем кристаллическом щите, взялась поставить эксперимент.
Для бурения выбрали кратер Сильян Ринг диаметром 52 км. По геофизическим данным, на глубине 500-600 метров находились кальцинированные граниты - возможная покрышка для нижележащего резервуара углеводородов. Замеры ускорения силы тяжести, по изменению которой можно судить о составе и плотности залегающих в недрах горных пород, говорили о наличии высокопористых пород на глубине 5 км – возможного коллектора нефти и газа. Результаты бурения разочаровали ученых и инвесторов, вложивших в эти работы 60 млн. долларов. Пройденные толщи не содержали промышленных запасов углеводородов, только проявления нефти и газа явно биологического происхождения из древних битумов. Во всяком случае, никому не удалось доказать обратное.
Инструмент для преисподней
Создания принципиально новых устройств и гигантских машин бурение Кольской скважины СГ-3 не требовало. Начинали работать с тем, что уже имелось: установка «Уралмаш 4Э» грузоподъемностью 200 тонн и легкосплавные трубы. Что действительно было нужно на тот момент, так это нестандартные технологические решения. Ведь в твердых кристаллических породах на столь большую глубину никто не бурил, и что там будет, представляли себе только в общих чертах. Опытные буровики, однако, понимали, что каким бы детальным ни был проект, реальная скважина окажется намного сложнее. Через 5 лет, когда глубина скважины СГ-3 превысила 7 километров, смонтировали новую буровую установку «Уралмаш 15 000» - одну из самых современных по тем временам. Мощная, надежная, с автоматическим спускоподъемным механизмом, она могла выдержать колонну труб длиной до 15 км. Буровая превратилась в полностью обшитую вышку высотой 68 м, непокорную сильным ветрам, бушующим в Заполярье. Рядом выросли минизавод, научные лаборатории и кернохранилище.
При бурении на небольшие глубины мотор, который вращает колонну труб с буром на конце, устанавливают на поверхности. Бур представляет собой железный цилиндр с зубьями из алмазов или твердых сплавов - коронку. Эта коронка вгрызается в породы и вырезает из них тонкий столбик - керн. Чтобы охладить инструмент и извлечь из скважины мелкий мусор, в нее нагнетают буровой раствор - жидкую глину, которая все время циркулирует по стволу, словно кровь в сосудах. Через какое-то время трубы поднимают на поверхность, освобождают от керна, меняют коронку и вновь опускают колонну в забой. Так ведется обычное бурение.
А если длина ствола 10-12 километров при диаметре 215 миллиметров? Колонна труб становится тончайшей нитью, опущенной в скважину. Как ею управлять? Как увидеть, что творится в забое? Поэтому на Кольской скважине внизу бурильной колонны установили миниатюрные турбины, их запускал буровой раствор, нагнетаемый по трубам под давлением. Турбины вращали твердосплавную коронку и вырезали керн. Вся технология была хорошо отработана, оператор на пульте управления видел вращение коронки, знал ее скорость и мог управлять процессом.
Каждые 8-10 метров многокилометровую колонну труб приходилось поднимать наверх. Спуск и подъем в общей сложности занимали 18 часов.
Алмазные грезы Поволжья
Когда в Нижегородской области были найдены мелкие алмазы, это немало озадачило геологов. Конечно, проще всего было предположить, что драгоценные камни принес ледник или речные воды откуда-то с севера. Но вдруг местные недра скрывают кимберлитовую трубку - вместилище алмазов? Проверить эту гипотезу решили в конце 1980-х годов, когда программа научного бурения в России набирала обороты. Место для бурения выбрали севернее Нижнего Новгорода, в центре гигантской кольцевой структуры, которая хорошо выделяется в рельефе. Одни считали ее метеоритным кратером, другие - трубкой взрыва или жерлом вулкана. Бурение прекратили, когда Воротиловская скважина достигла глубины 5 374 м, из которых более километра приходилось на кристаллические породы фундамента. Кимберлитов там не нашли, но справедливости ради следует сказать, что в споре о происхождении этой структуры точку тоже не поставили. Добытые из недр факты одинаково подходили для сторонников обеих гипотез, в итоге каждый остался при своем мнении. А скважину превратили в глубинную геолабораторию, которая действует и поныне.
Коварство цифры «7»
7 километров - отметка для Кольской сверхглубокой роковая. За ней начались неизвестность, множество аварий и непрерывная борьба с горными породами. Ствол никак не удавалось держать вертикально. Когда в первый раз прошли 12 км, скважина отклонилась от вертикали на 21°. Хотя буровики уже научились работать при невероятной кривизне ствола, дальше углубляться было нельзя. Скважину предстояло перебурить с отметки 7 километров. Чтобы получать вертикальный ствол в твердых породах, нужен очень жесткий низ бурильной колонны, дабы он входил в недра, как в масло. Но возникает и другая проблема - скважина постепенно расширяется, бур болтается в ней, как в стакане, стенки ствола начинают рушиться и могут придавить инструмент. Решение этой задачи получилось оригинальным - была применена технология маятника. Бур искусственно раскачивался в скважине и подавлял сильные колебания. За счет этого ствол получался вертикальным.
Наиболее распространенная авария на любой буровой - обрыв колонны труб. Обычно трубы пытаются захватить вновь, но если это случается на большой глубине, то проблема переходит в разряд неустранимых. Искать инструмент в 10-километровой скважине бесполезно, такой ствол бросали и начинали новый, чуть выше. Обрыв и потеря труб на СГ-3 случались многократно. В итоге в своей нижней части скважина выглядит как корневая система гигантского растения. Разветвленность скважины огорчала буровиков, но оказалась счастьем для геологов, которые неожиданно получили объемную картину внушительного отрезка древних архейских пород, сформировавшихся более 2,5 млрд. лет назад.
В июне 1990 года СГ-3 достигла глубины 12 262 м. Скважину стали готовить к проходке до 14 км, и тут вновь произошла авария - на отметке 8 550 м колонна труб оборвалась. Продолжение работ требовало долгой подготовки, обновления техники и новых затрат. В 1994 году бурение Кольской сверхглубокой прекратили. Через 3 года она попала в Книгу рекордов Гиннесса и до сих пор остается непревзойденной. Сейчас скважина представляет собой лабораторию для изучения глубоких недр.
Засекреченные недра
СГ-3 была секретным объектом с самого начала. Виноваты и пограничная зона, и стратегические месторождения в округе, и научный приоритет. Первым иностранцем, посетившим буровую, стал один из руководителей Академии наук Чехословакии. Позже, в 1975 году, о Кольской сверхглубокой вышла статья в «Правде» за подписью министра геологии Александра Сидоренко. Научных публикаций по Кольской скважине по-прежнему не было, но кое-какие сведения за рубеж просачивались. Больше по слухам мир стал узнавать - в СССР бурят самую глубокую скважину.
Завеса тайны, наверное, висела бы над скважиной до самой «перестройки», не случись в 1984 году в Москве Всемирного геологического конгресса. К столь крупному в научном мире событию тщательно готовились, для Министерства геологии даже построили новое здание - ожидали много участников. Но зарубежных коллег интересовала в первую очередь Кольская сверхглубокая! Американцы вообще не верили в то, что она у нас есть. Глубина скважины к тому моменту достигла 12 066 метров. Скрывать объект более не имело смысла. В Москве участников конгресса ждала выставка достижений российской геологии, один из стендов был посвящен скважине СГ-3. Специалисты всего мира недоуменно взирали на обычную буровую головку со стертыми твердосплавными зубьями. И этим бурят самую глубокую в мире скважину? Невероятно! В поселок Заполярный отправилась большая делегация геологов и журналистов. Посетителям показали буровую в действии, доставали и отсоединяли 33-метровые секции труб. Вокруг высились кучи точно таких же буровых головок, как и та, что лежала на стенде в Москве.
От Академии наук делегацию принимал известный геолог, академик Владимир Белоусов. Во время пресс-конференции из зала ему задали вопрос:
- Что же самое главное показала Кольская скважина?
- Господа! Главное, она показала то, что мы ничего не знаем о континентальной коре, - честно ответил ученый.
Глубокая неожиданность
Кое-что о земной коре континентов, конечно, знали. Тот факт, что континенты сложены очень древними породами, возрастом от 1,5 до 3 миллиардов лет, не опровергла даже Кольская скважина. Однако составленный на основании керна СГ-3 геологический разрез оказался прямо противоположным тому, что ученые представляли себе ранее. Первые 7 километров были сложены вулканическими и осадочными породами: туфами, базальтами, брекчиями, песчаниками, доломитами. Глубже лежал так называемый раздел Конрада, после которого скорость сейсмических волн в породах резко увеличивалась, что интерпретировалось как граница между гранитами и базальтами. Этот раздел был давно пройден, но базальты нижнего слоя земной коры так нигде и не появились. Наоборот, начались граниты и гнейсы.
Разрез Кольской скважины опроверг двухслойную модель земной коры и показал, что сейсмические разделы в недрах - это не границы слоев из пород разного состава. Скорее они указывают на изменение свойств камня с глубиной. При высоком давлении и температуре свойства пород, видимо, могут резко меняться, так, что граниты по своим физическим характеристикам становятся похожи на базальты, и наоборот. Но поднятый на поверхность с 12-километровой глубины «базальт» тут же становился гранитом, хоть и испытывал по пути сильнейший приступ «кессонной болезни» - керн крошился и распадался на плоские бляшки. Чем дальше уходила скважина, тем меньше качественных образцов попадало в руки ученых.
Глубина заключала в себе много неожиданностей. Раньше было естественно думать, что с удалением от поверхности земли, с ростом давления породы становятся более монолитными, с малым количеством трещин и пор. СГ-3 убедила ученых в обратном. Начиная с 9 километров, толщи оказались очень пористыми и буквально напичканы трещинами, по которым циркулировали водные растворы. Позднее этот факт подтвердили другие сверхглубокие скважины на континентах. На глубине оказалось гораздо жарче, чем рассчитывали: на целых 80°! На отметке 7 км температура в забое была 120°С, на 12 км - достигла уже 230°С. В образцах Кольской скважины ученые обнаружили золотое оруденение. Вкрапления драгоценного металла находились в древних породах на глубине 9,5-10,5 км. Впрочем, концентрация золота была слишком мала, чтобы заявлять о месторождении - в среднем 37,7 мг на тонну породы, но достаточная, чтобы ожидать его и в других подобных местах.
Тепло родной планеты
Высокие температуры, встреченные буровиками под землей, навели ученых на мысль использовать этот практически неисчерпаемый источник энергии. Например, в молодых горах (каковыми являются Кавказ, Альпы, Памир) на 4-километровой глубине температура недр достигнет 200°С. Эту природную батарею можно заставить работать на себя. Надо пробурить рядом две глубокие скважины и соединить их горизонтальными штреками. Потом в одну скважину закачивать воду, а из другой извлекать горячий пар, который пойдет на отопление города или получение другого вида энергии. Серьезной проблемой для таких предприятий могут стать едкие газы и флюиды, нередкие в сейсмически активных районах. В 1988 году американцам пришлось завершить бурение скважины на шельфе Мексиканского залива у берегов штата Алабама, достигнув глубины 7 399 м. Причиной тому стали температура недр, достигавшая 232°С, очень высокое давление и выбросы кислотных газов. В тех районах, где есть месторождения горячих подземных вод, можно добывать их прямо из скважин с довольно глубоких горизонтов. Такие проекты подходят для районов Кавказа, Памира, Дальнего Востока. Однако высокая стоимость работ ограничивает глубину добычи четырьмя километрами.
По русскому следу
Демонстрация Кольской скважины в 1984 году произвела на мировую общественность глубокое впечатление. Многие страны начали готовить проекты по научному бурению на континентах. Такую программу утвердили и в Германии в конце 1980-х годов. Сверхглубокую скважину KTB Хауптборунг бурили с 1990 по 1994 год, по плану она должна была достичь глубины 12 км, но из-за непредсказуемо высоких температур удалось добраться только до отметки 9,1 км. Благодаря открытости данных по буровым и научным работам, хорошей технологии и документированности сверхглубокая скважина КТВ остается одной из самых известных в мире.
Место для бурения этой скважины выбрали на юго-востоке Баварии, на остатках древней горной цепи, чей возраст исчисляется 300 миллионами лет. Геологи полагали, что где-то здесь проходит зона соединения двух плит, бывших некогда берегами океана. По мнению ученых, со временем верхняя часть гор стерлась, обнажив остатки древней океанской коры. Еще глубже, в десяти километрах от поверхности, геофизики обнаружили крупное тело с аномально высокой электрической проводимостью. Его природу также надеялись прояснить с помощью скважины. Но основной задачей было достичь глубины 10 км, чтобы приобрести опыт сверхглубокого бурения. Изучив материалы Кольской СГ-3, немецкие буровики решили сначала пройти пробную скважину глубиной 4 км, чтобы составить более точное представление об условиях работы в недрах, опробовать технику и взять керн. По окончании пилотных работ многое из бурильного и научного оборудования пришлось переделывать, кое-что создавать заново.
Основную - сверхглубокую - скважину КТВ Хауптборунг заложили всего в двухстах метрах от первой. Для работ соорудили 83метровую вышку и создали мощнейшую по тем временам бурильную установку грузоподъемностью 800 тонн. Многие бурильные операции автоматизировали, в первую очередь механизм спуска и подъема колонны труб. Самонаводящаяся система вертикального бурения позволяла делать почти отвесный ствол. Теоретически с таким оборудованием можно было бурить до глубины 12 километров. Но реальность как всегда оказалась сложнее, и планы ученых не сбылись.
Проблемы на скважине КТВ начались после глубины 7 км, повторив многое из судьбы Кольской сверхглубокой. Сначала, как полагают из-за высокой температуры, сломалась система вертикального бурения и ствол пошел вкось. В конце работ забой отклонился от вертикали на 300 м. Потом начались аварии посложнее - обрыв бурильной колонны. Так же как и на Кольской, приходилось бурить новые стволы. Определенные трудности доставляло сужение скважины - вверху ее диаметр составлял 71 см, внизу - 16,5 см. Бесконечные аварии и высокая температура в забое –270°С вынудили буровиков прекратить работы невдалеке от заветной цели.
Нельзя сказать, что научные результаты КТВ Хауптборунг поразили воображение ученых. На глубине главным образом залегали амфиболиты и гнейсы - древние метаморфические породы. Зону схождения океана и остатки океанической коры нигде не обнаружили. Возможно, они есть в другом месте, здесь же находится небольшой кристаллический массив, вздернутый на высоту 10 км. В километре от поверхности обнаружили месторождение графита.
В 1996 году скважина КТВ, стоившая бюджету Германии 338 млн. долларов, перешла под патронат Научного центра геологии в Потсдаме, ее превратили в лабораторию для наблюдений за глубокими недрами и объект туризма.
Почему Луна не из чугуна?
«Потому что на Луну не хватило бы чугуну» - наверное, именно так противники гипотезы, согласно которой Луна оторвалась от Земли, могли бы ответить ее сторонникам. Гипотеза эта, однако, возникла не на пустом месте, и ученые рассматривают несколько районов Земли, откуда мог быть выбит кусок планеты величиной с Луну. Кольская скважина предложила свой вариант. В 1970-х годах советские станции доставили на Землю несколько сот граммов лунного грунта. Вещество разделили между собой ведущие научные центры страны, чтобы провести независимые анализы. Крошечный образец достался и Кольскому научному центру. Взглянуть на диковинку приезжали ученые со всего региона, в том числе сотрудники скважины, впоследствии ставшей самой глубокой в мире. Шутка ли? Потрогать неземную пыль, поглядеть на нее в микроскоп. Позже специалисты исследовали лунный грунт и опубликовали по этому поводу монографию. К тому времени скважина в Заполярном достигла приличной глубины, поднятые из ствола породы детально описывали. И что же? Образцы лунного грунта, на которые буровики когда-то с трепетом взирали, оказались один к одному диабазами из их скважины, с глубины 3 км. Тут же возникла гипотеза, что Луна оторвалась не иначе, как от Кольского полуострова примерно 1,5 млрд. лет назад - таков возраст диабазов. Хотя невольно возникал вопрос - какой же величины был тогда этот полуостров?..
Бурить или не бурить?
Рекорд Кольской скважины по-прежнему остается непревзойденным, хотя в глубь Земли наверняка можно пройти 14 и даже 15 км. Однако вряд ли такое единичное усилие даст принципиально новые знания о земной коре, в то время как сверхглубокое бурение - дело весьма дорогое. Времена, когда с его помощью проверяли самые разные гипотезы, давно прошли. Скважины глубже 6-7 км с чисто научными целями почти перестали бурить. К примеру, в России остались всего два объекта такого рода - Уральская СГ-4 и Ен-Яхинская скважина в Западной Сибири. Их ведет государственное предприятие НПЦ «Недра», расположенное в Ярославле. В мире пробурено так много сверхглубоких и глубоких скважин, что ученые не успевают анализировать информацию. В последние годы геологи стремятся изучать и обобщать полученные с больших глубин факты. Научившись бурить на большие глубины, люди хотят теперь получше освоить доступный им горизонт, сконцентрировать усилия на практических задачах, которые принесут пользу уже сейчас. Так в России, выполнив программу научного бурения, пробурив все 12 задуманных сверхглубоких скважин, сейчас работают над системой для территории всего государства, в которой геофизические данные, полученные при помощи «просвечивания» недр сейсмическими волнами, будут увязаны с информацией, добытой сверхглубоким бурением. Без скважин разрезы земной коры, построенные геофизиками, - всего лишь модели. Чтобы на этих схемах появились конкретные горные породы, нужны данные бурения. Тогда геофизики, работы которых намного дешевле буровых и охватывают большую площадь, смогут гораздо точнее предсказывать месторождения полезных ископаемых.
В США продолжают заниматься программой глубинного бурения дна океанов и ведут несколько любопытных проектов 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 крупнейший разлом Североамериканского континента начали в июне 2004 года и прошли 2 из 3 запланированных километров. В глубинной лаборатории намерены исследовать зарождение землетрясений, что, быть может, позволит лучше понимать природу этих стихийных бедствий и составлять их прогноз.
Несмотря на то что современные программы сверхглубокого бурения уже не столь амбициозны, как прежде, им уготовано явно большое будущее. Недалек тот день, когда наступит черед больших глубин - там будут искать и открывать новые месторождения полезных ископаемых. Уже сейчас добыча нефти и газа в США с глубин 6-7 км становится обычным делом. В будущем Россия тоже должна будет качать углеводородное сырье с таких уровней. Как показала Тюменская сверхглубокая скважина, в 7 километрах от поверхности есть перспективные для газовых месторождений толщи осадочных пород.
Сверхглубокое бурение недаром сравнивают с покорением космоса. Такие программы, с глобальным размахом, вбирающие в себя все лучшее, чем располагает на данный момент человечество, дают толчок развитию многих отраслей промышленности, техники и в конечном итоге готовят почву для нового прорыва в науке.
Дьявольские козни
Как-то раз Кольская сверхглубокая оказалась в центре мирового скандала. В одно прекрасное утро 1989 года директору скважины Давиду Губерману позвонили главный редактор областной газеты, секретарь обкома и еще масса самых разных людей. Все хотели узнать про дьявола, которого буровики якобы подняли из недр, как о том сообщили некоторые газеты и радиостанции по всему миру. Директор опешил, и - было от чего! «Ученые обнаружили ад», «Сатана сбежал из ада» - гласили заголовки. Как сообщалось в прессе, геологи, работающие очень далеко в Сибири, а может быть, на Аляске или даже Кольском полуострове (единого мнения на сей счет у журналистов не было), проводили бурение на глубине 14,4 км, как вдруг бур начал сильно болтаться из стороны в сторону. Значит, внизу большая дыра, подумали ученые, видимо, центр планеты - пустой. Датчики, опущенные вглубь, показывали температуру 2 000°С, а суперчувствительные микрофоны озвучили …вопли миллионов страдающих душ. В результате бурение было прекращено из-за опасений выпустить адские силы на поверхность. Конечно, советские ученые опровергли эту журналистскую «утку», но отголоски той давней истории еще долго кочевали из газеты в газету, превратившись в своеобразный фольклор. Спустя несколько лет, когда байки про ад уже позабылись, сотрудники Кольской сверхглубокой побывали в Австралии с лекциями. Их пригласили на прием к губернатору штата Виктория, кокетливой даме, которая приветствовала русскую делегацию вопросом: «И какого черта вы оттуда подняли?»
Самые глубокие скважины мира
1. Аралсорская СГ-1, Прикаспийская низменность, 1962-1971, глубина - 6,8 км. Поиск нефти и газа.
2. Биикжальская СГ-2, Прикаспийская низменность, 1962-1971, глубина - 6,2 км. Поиск нефти и газа.
3. Кольская СГ-3, 1970-1994, глубина - 12 262 м. Проектная глубина - 15 км.
4. Саатлинская, Азербайджан, 1977-1990, глубина - 8 324 м. Проектная глубина - 11 км.
5. Колвинская, Архангельская область, 1961, глубина - 7 057 м.
6. Мурунтауская СГ-10, Узбекистан, 1984, глубина -
3 км. Проектная глубина - 7 км. Поиск золота.
7. Тимано-Печорская СГ-5, Северо-Восток России, 1984-1993, глубина - 6 904 м, проектная глубина - 7 км.
8. Тюменская СГ-6, Западная Сибирь, 1987-1996, глубина - 7 502 м. Проектная глубина - 8 км. Поиск нефти и газа.
9. Ново-Елховская, Татарстан, 1988, глубина - 5 881 м.
10. Воротиловская скважина, Поволжье, 1989-1992, глубина - 5 374 м. Поиск алмазов, изучение Пучеж-Катункской астроблемы.
11. Криворожская СГ-8, Украина, 1984-1993, глубина - 5 382 м. Проектная глубина - 12 км. Поиск железистых кварцитов.
Уральская СГ-4, Средний Урал. Заложена в 1985 году. Проектная глубина - 15 000 м. Текущая глубина - 6 100 м. Поиск медных руд, изучение строения Урала. Ен-Яхтинская СГ-7, Западная Сибирь. Проектная глубина - 7 500 м. Текущая глубина - 6 900 м. Поиск нефти и газа.
Скважины на нефть и газ
начала 70-х годов
Юниверсити, США, глубина - 8 686 м.
Бейден-Юнит, США, глубина - 9 159 м.
Берта-Роджерс, США, глубина - 9 583 м.
80-х годов
Цистердорф, Австрия, глубина 8 553 м.
Сильян Ринг, Швеция, глубина - 6,8 км.
Бигхорн, США, Вайоминг, глубина - 7 583 м.
КТВ Hauptbohrung, Германия, 1990-1994, глубина -
9 100 м. Проектная глубина - 10 км. Научное бурение.
У пределов жизни
У пределов жизни Экстремофильные бактерии, обнаруженные в горных породах, поднятых с глубины в несколько километров ДОСЬЕ Одно из самых удивительных открытий, которое ученые 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. По некоторым подсчетам, масса микроорганизмов, обитающих под землей, может 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 невостребованной, в нее просто не поверили. Тогда считали, что жизнь - это лишь тонкая пленка на поверхности планеты.
Интерес к глубинным формам жизни может быть вполне практическим. В 1980-х годах 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 ученые отбирали образцы, соблюдая всевозможные меры предосторожности, чтобы не занести бактерии и воздух с поверхности Земли. Изучением образцов занимались несколько независимых лабораторий, их результаты оказались положительными: в глубоких толщах обитали так называемые анаэробные бактерии, которые не нуждаются в доступе кислорода.
Бактерии нашли и в породах золоторудной шахты в Южной Африке на глубине 2,8 км, где температура составляла 60°С. Живут они 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 оказались довольно пористыми, насыщенными водными растворами, а там, где есть вода, возможна жизнь.
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 воды. Настоящей сенсацией стала толща пород на глубине 5,5-6,7 км. Она была насыщена пастой из нефти с кристаллами магнетита. Одно из возможных объяснений этого феномена дал американский геолог Томас Голд, автор книги «Глубокая горячая биосфера». Голд предположил, что магнетито-масляная паста не что иное, как продукт жизнедеятельности бактерий, которые питаются поступающим из мантии метаном.
Как показывают исследования, бактерии довольствуются поистине спартанскими условиями. Пределы их выносливости остаются загадкой, но похоже, что нижнюю границу обитания бактерий все-таки устанавливает температура недр. Они могут размножаться при 110°С и выдерживать, хоть и короткое время, температуру в 140°С. Если считать, что на континентах температура увеличивается на 20-25° с каждым километром, то обнаружить живые сообщества можно до глубины 4 км. Под океанским дном температура растет не так быстро, и нижняя граница жизни может пролегать на глубине 7 км.
Это означает, что жизнь имеет колоссальный запас прочности. Следовательно, биосфера Земли не может быть полностью уничтожена даже в случае самых серьезных катаклизмов и, вероятно, на планетах, лишенных атмосферы и гидросферы, микроорганизмы вполне могут существовать в недрах.
Многие научные и производственные работы связаны с бурением подземных скважин. Общее количество таких объектов только в России вряд ли поддается исчислению. Но легендарная Кольская сверхглубокая с 1990-х годов остается непревзойденной, уходя в толщу Земли более чем на 12 километров! Ее бурили не ради экономической выгоды, а из чисто научного интереса - узнать, какие процессы происходят внутри планеты.
Кольская сверхглубокая скважина. Буровая первого этапа (глубина 7600 м), 1974 год
50 кандидатов на место
Самая удивительная в мире скважина находится в Мурманской области в 10 километрах к западу от города Заполярный. Ее глубина составляет 12 262 метра, диаметр верхней части - 92 сантиметра, диаметр нижней части - 21,5 сантиметра.
Скважину заложили в 1970 году в честь 100-летия со дня рождения В.И. Ленина. Выбор места не был случайным - именно здесь, на территории Балтийского щита, на поверхность выходят древнейшие породы, возраст которых насчитывает три миллиарда лет.
С конца XIX века известна теория о том, что наша планета состоит из коры, мантии и ядра. Но где именно кончается один слой и начинается следующий, ученые могли только предполагать. По наиболее распространенной версии, до трех километров вниз идут граниты, далее базальты, а на глубине 15-18 километров начинается мантия. Все это предстояло проверить на практике.
Подземные исследования 1960-х годов напоминали космическую гонку - ведущие страны старались опередить друг друга. Высказывалось мнение о том, что на большой глубине находятся богатейшие залежи полезных ископаемых, в том числе и золота.
Первыми сверхглубокие скважины стали бурить американцы. В начале 1960-х годов их ученые выяснили, что земная кора гораздо тоньше под океанами. Поэтому в качестве наиболее перспективного места для работ был выбран район вблизи острова Мауи (один из группы Гавайских островов), где земная мантия находится на глубине примерно пять километров (плюс 4-километровая толща воды). Но обе попытки исследователей из США закончились неудачно.
Советскому Союзу необходимо было достойно ответить. Наши исследователи предложили создать скважину на континенте - несмотря на то что бурить надо было дольше, результат обещал быть успешным.
Проект стал одним из самых масштабных в СССР. На скважине работало 16 научно-исследовательских лабораторий. Устроиться сюда было не менее трудно, чем попасть в отряд космонавтов. Рядовые сотрудники получали тройную зарплату и квартиру в Москве или Ленинграде. Неудивительно, что текучки кадров не было вообще, а на каждое место претендовало не менее 50 кандидатов.
Космическая сенсация
До глубины 7263 метра проходка велась с помощью обычной серийной установки, которую в то время использовали при добыче нефти или газа. Этот этап занял четыре года. Потом был годичный перерыв для строительства новой вышки и монтажа более мощной установки «Уралмаш-15000», созданной в Свердловске и получившей название «Северянка». В ее работе использовался турбинный принцип - когда вращается не вся колонна, а только буровая головка.
С каждым пройденным метром вести проходку становилось сложнее. Ранее считалось, что температура породы даже на глубине 15 километров будет не выше 150 °С. Но оказалось, что на глубине восемь километров она доходила до 169 °С, а на глубине 12 километров и вовсе составила 220 °С!
Оборудование быстро выходило из строя. Но работы продолжались без остановки. Задача первыми в мире достигнуть 12-километровой отметки была политически важной. Ее удалось решить в 1983 году - как раз ко времени начала Международного геологического конгресса в Москве.
Делегатам конгресса показали образцы грунта, взятого с рекордной глубины 12 километров, для них была организована поездка к скважине. Фотографии и статьи о Кольской сверхглубокой обошли все ведущие мировые газеты и журналы, в нескольких странах в ее честь выпустили почтовые марки.
Но главное - специально к конгрессу была подготовлена настоящая сенсация. Выяснилось, что образцы пород, взятые на 3-километровой глубине Кольской скважины, полностью идентичны лунному грунту (он был впервые доставлен на Землю советской автоматической космической станцией «Луна-16» в 1970 году).
Ученые давно предполагали, что Луна когда-то являлась частью Земли и оторвалась от нее в результате космической катастрофы. Теперь можно было говорить о том, что отколовшаяся часть нашей планеты миллиарды лет назад соприкасалась с районом нынешнего Кольского полуострова.
Сверхглубокая скважина стала настоящим триумфом советской науки. Исследователей, конструкторов, даже простых работников чествовали и награждали почти целый год.
Кольская сверхглубокая скважина, 2007 г.
Золото в глубине
В это время работы на Кольской сверхглубокой были приостановлены. Их возобновили только в сентябре 1984 года. И первый же запуск привел к крупнейшей аварии. Сотрудники словно забыли о том, что внутри подземного хода постоянно идут изменения. Скважина не прощает остановку работ - и заставляет начинать все сначала.
В результате произошел обрыв буровой колонны, в глубине осталось пять километров труб. Их пытались достать, но через несколько месяцев стало понятно, что сделать это не удастся.
Буровые работы снова начались с 7-километровой отметки. К глубине 12 километров второй раз подошли только через шесть лет. В 1990 году был достигнут максимум - 12 262 метра.
А дальше на работе скважины сказались как неудачи локального масштаба, так и происходившие в стране события. Возможности имеющейся техники были исчерпаны, государственное финансирование резко уменьшилось. После нескольких серьезных аварий бурение в 1992 году прекратили.
Научное значение Кольской сверхглубокой сложно переоценить. Прежде всего, работы на ней подтвердили догадку о богатых залежах полезных ископаемых на больших глубинах. Конечно, драгоценных металлов в чистом виде там не нашли. Но на отметке девять километров были обнаружены пласты с содержанием золота 78 граммов на тонну (активная промышленная добыча ведется, когда такое содержание составляет 34 грамма на тонну).
Кроме того, анализ древних глубинных пород позволил уточнить возраст Земли -оказалось, что она на полтора миллиарда лет старше, чем было принято думать.
Считалось, что на сверхглубинах нет и не может быть органической жизни, но в поднятых на поверхность образцах грунта, возраст которого составлял три миллиарда лет, были обнаружены 14 ранее неизвестных видов окаменевших микроорганизмов.
Незадолго перед закрытием, в 1989 году, Кольская сверхглубокая снова оказалась в центре международного внимания. Директору скважины академику Давиду Губерману вдруг стали звонить и писать со всех концов света. Ученых, журналистов, просто любознательных граждан интересовал вопрос: правда ли, что сверхглубокая скважина стала «колодцем в ад»?
Оказалось, что представители финской прессы беседовали с некоторыми работниками Кольской сверхглубокой. И те признались: когда бур преодолел отметку 12 километров, из глубины скважины стали доноситься странные шумы. Рабочие опустили вместо головки бура термостойкий микрофон - и с его помощью записали звуки, напоминающие человеческие крики. Кто-то из сотрудников выдвинул версию, что это вопли грешников в аду.
Насколько такие рассказы соответствуют истине? Технически разместить вместо бура микрофон сложно, но возможно. Правда, работа по его спуску может занять несколько недель. И проводить ее на режимном объекте вместо бурения вряд ли удалось бы. Но, с другой стороны, многие сотрудники скважины действительно слышали странные звуки, которые регулярно доносились из глубины. И что это могло быть, никто достоверно не знал.
С подачи финских журналистов мировая пресса опубликовала ряд статей с утверждениями, что Кольская сверхглубокая - это «дорога в ад». Мистическое значение стали приписывать и тому факту, что СССР распался, когда буровики вели проходку «несчастливой» тринадцатой тысячи метров.
В 1995 году, когда станция уже была законсервирована, в глубине шахты произошел непонятный взрыв - хотя бы по той причине, что там нечему было взрываться. Зарубежные газеты сообщили о том, что через проделанный людьми ход из недр Земли на поверхность вылетел демон (издания пестрели заголовками типа «Сатана сбежал из ада»).
Директор скважины Давид Губерман в своем интервью честно признался: он не верит в ад и демонов, но непонятный взрыв действительно имел место, как и странные шумы, напоминающие голоса . Причем обследование, проведенное после взрыва, показало, что все оборудование в полном порядке.
Кольская сверхглубокая скважина, 2012 г.
Сама скважина (заварена), август 2012 года
Музей за 100 миллионов
Долгое время скважина считалась законсервированной, на ней работали около 20 сотрудников (в 1980-х годах их количество превышало 500). В 2008 году объект полностью закрыли и часть оборудования демонтировали. Наземная часть скважины - здание величиной с 12-этажный дом, сейчас оно заброшено и постепенно разрушается. Иногда сюда приезжают туристы, привлеченные легендами о голосах из ада.
По утверждениям сотрудников Геологического института Кольского научного центра РАН, в ведении которого раньше находилась скважина, ее восстановление обошлось бы в 100 миллионов рублей.
Но о научных работах на глубине речь уже не идет: на базе данного объекта можно лишь открыть институт или другое предприятие для обучения специалистов шельфового бурения. Или создать музей - ведь Кольская скважина продолжает оставаться самой глубокой в мире.
Анастасия БАБАНОВСКАЯ, журнал "Тайны ХХ века" №5 2017
В 50-70 годах прошлого века мир менялся с невероятной скоростью. Появились вещи, без которых сложно представить сегодняшний мир: появился интернет, компьютер, сотовая связь, покорение космоса и морских глубин. Человек стремительно расширял сферы своего присутствия во Вселенной, но о строении своего «дома» - планеты Земля он все еще имел довольно приблизительные представления. Хотя уже тогда идея сверхглубокого бурения была не нова: еще в 1958 году американцы запустили проект «Mohole». Его название образовано от двух слов:
Moho
- поверхность, названная в честь Андрия Мохоровичича - хорватского геофизика и сейсмолога, выделившего в 1909 году нижнюю границу земной коры, на которой происходит скачкообразное увеличение скорости сейсмических волн;
Hole
- скважина, дырка, отверстие. Исходя из предположений, что толщина земной коры под океанами гораздо меньше, чем на суше, недалеко от острова Гуаделупе было пробурено 5 скважин глубиной около 180 метров (при глубине океана до 3,5 км). За пять лет исследователи пробурили пять скважин, собрали множество образцов из базальтового слоя, но до мантии не дошли. В итоге, проект был признан неудавшимся и работы свернули.