Землі під нами. Кольська надглибока свердловина або криниця в пекло

Ви знаєте, що люди століттями розгадували таємниці планети? Вони намагалися знайти відповіді під ногами. TravelAsk розповість про найбільші свердловини у світі.

Що говорить історія

До надр Землі намагалися спуститися багато разів. Одними з перших були китайці. У XIII столітті вони прорили свердловину завглибшки 1200 метрів.

1930 року цей рекорд побили європейці: вони пробурили земну поверхнюна глибину трьох кілометрів.

Минав час, а цей показник зростав. Так, наприкінці 1950-х років свердловини вже сягали 7 кілометрів.

Найглибша свердловина у світі

Насправді більшість свердловин роблять під час видобутку корисних копалин. На сьогоднішній день рекорд за свердловиною Чайвінського родовища Z-42. Збудували її за дуже короткий термін: трохи більше 70 днів. Вона належить до проекту Сахалін-1 та є нафтовою.

Її глибина – 12 700 метрів. Ви тільки уявіть, сама висока горана Землі - Еверест. Він іде у небеса майже на 9 кілометрів. А найглибша западина Маріанська. Вона близько 11 км. Тобто свердловина Z-42 перевершила всі показники матінки-природи.

Свердловина в Мурманській області

Але хочемо ми розповісти докладніше про одну особливу свердловину. Знаходиться вона в Мурманської областіприблизно за 10 кілометрів від міста Заполярний. Називається вона Кольська понад глибока свердловина. Її глибина становить 12 262 метри. Вона цікава тим, що спочатку була створена задля видобування копалин, а дослідження літосфери.

Діаметр свердловини у поверхні землі 92 сантиметри, а діаметр нижньої частини - 21,5 сантиметри.

Температура під час буріння на глибині 5 кілометрів становила 70 градусів, на глибині 7 кілометрів – 120 градусів, а на глибині 12 кілометрів – 220 градусів.

Заклали кільську надглибоку свердловину 1970 року до 100-річчя від дня народження Володимира Леніна. Основною метою було вивчення вулканічних порід, які рідко бурять у видобутку корисних копалин. Тут працювало понад 15 дослідницьких лабораторій.

Згорнули діяльність у 1990 році, тому що тут відбувалося багато аварій: часто обривалися бурові колони.

Сьогодні об'єкт покинутий, а сама свердловина законсервована та починає руйнуватися.

Природно, що все обладнання було демонтовано, а будівля, яка довгий часне використовується, потихеньку перетворюється на руїни.

Для відновлення робіт необхідна чимала сума - близько 100 мільйонів рублів, тому чи відкриють свердловину будь-коли, ніхто не знає.

Результати досліджень

Вчені вважали, що на певній глибині вони виявлять чітко виражену межу між гранітами та базальтами. Але, на жаль, вся праця так і не дала чіткого розуміння природи земної мантії. А потім дослідники взагалі заявили, що місце для початку робіт виявилося не вдалим.

Дорога в пекло

Саме так називають кільську свердловину. Більше того, про неї досі ходить безліч чуток, пов'язаних із потойбічним світом. Так, є байки, що на глибині 12 кілометрів апаратура вчених зафіксувала крики та стогін, що виходять із надр Землі.

Американське телебачення про цю легенду навіть заявило офіційно: 1989 року телекомпанія Trinity Broadcasting Network розповіла цю історію своїм глядачам. Ну а далі більше: у бульварних газетах на той час можна було ще знайти цікаві історії. Наприклад, що вчені почули крики та стогін, але не припинили дослідження. І кожен кілометр відбивався нещастям на країні. Так, коли бурильники дійшли до позначки 13 кілометрів, розпався СРСР. А на глибині 14,5 кілометрів вони взагалі виявили порожнечі. Заінтриговані цим несподіваним відкриттям, дослідники спустили туди мікрофон, здатний працювати при надзвичайно високих температурах та інші датчики. Температура всередині досягала 1 100 градусів - ну справжнє пекло полум'я. І почули вони людські крики.

Насправді акустичні методи дослідження свердловин записують не власне звук і не мікрофон. Вони роблять запис на сейсмоприймачі хвильової картини відбитих пружних коливань, порушених приладом-випромінювачем з частотою 10 - 20 кГц та 20 кГц - 2 МГц. Ну а з приводу глибини ми вже писали: ніхто не дійшов позначки 13 кілометрів.

Проте з авторів проекту Д.М. Губерман пізніше розповідав: «Коли мене розпитують про цю загадкової історії, я не знаю що відповісти. З одного боку, розповіді про "демона" - нісенітниця собача. З іншого боку, як чесний учений, я не можу сказати, що знаю, що саме у нас сталося. Справді був зафіксований дуже дивний шум, потім вибух... Через кілька днів нічого подібного на тій же глибині не виявилося».

Мабуть, на такій загадковій ноті ми й закінчимо розповідь. Думайте самі, вирішуйте самі, чи це правда дорога в пекло.

Найбільша Шахта Миру на віддаленому Кольському півострові, на півночі Росії. На тлі іржавіючих руїн покинутої науково-дослідної станції зяє найглибший отвір у світі.

Зараз закрите та опечатане звареною металевою пластиною, Кольська надглибока свердловинає залишком, значною мірою забутих, азартних ігорлюдської раси, спрямованих не на зірки, а на глибини Землі.
Чутки ходили, що глибока свердловина добурилася до пекла: з безодні долинали крики і стогін людей — ніби це спричинило закриття станції та свердловини. Насправді причина була іншою.

м. Мирний відомий своєю найбільшою шахтою у світі: глибока свердловина на Кольському півострові — найбільший у світі техногенний отвір. 1722 m — глибоко, так глибоко, що всі польоти над нею були заборонені, оскільки надто багато розбилося гелікоптерів через всмоктування в дірку.

Найглибший отвір, просвердлений в ім'я науки, — тут було знайдено докази докембрійського періоду життя. Людська расазнає про далекі галактики, але мало знає, що лежить під її ногами. Само собою, проект зробив велика кількістьгеологічних даних, більшість з яких свідчили, як мало ми знаємо про нашу планету.

США та СРСР боролися за просторово-розвідувальну перевагу в космічні гонки, інше змагання йшло між найбільшими бурильниками двох країн: американський «Проект Mohole» на тихоокеанському узбережжі Мексики був перерваний у 1966 через відсутність фінансування; Поради, проект Міжвідомчої наукової ради з вивчення надр Землі та надглибокого Буріння, з 1970 по 1994 рік на Кольському півострові. Вивчення Землі обмежене наземними спостереженнями та сейсмічними дослідженнями, але Кольська свердловинадала прямий погляд на будову земної кори.

Кольська Понад Глибока свердловина добурилася до пекла

Свердло на Кольському ніколи не стикалося із шаром базальту. Натомість, гранітна порода опинилася за межами дванадцятого кілометра. Досить дивно, що скелі багатьох кілометрів насичені водою. Раніше вважалося, що вільна вода не повинна існувати на таких великих глибинах.

Але найцікавіше відкриття — виявлення біологічної активності у породах, яким понад два мільярди років. Найбільш яскравим свідченням життя стали мікроскопічні скам'янілості: залишки двадцяти чотирьох видів морських рослин, що збереглися, одноклітинних, інакше відомі як планктон.

Зазвичай скам'янілості можна знайти у вапнякових породах та родовищі кремнезему, але ці «мікрофоссилії» були укладені в органічні сполуки, які залишилися напрочуд незайманими, незважаючи на екстремальні тиски та температури навколишнього середовища.

Кольське буріння було змушене припинитися через несподівано високі температури зустрічалися. Хоча температурний градієнт в надрах землі. На глибині приблизно 10000 футів температура збільшилася з високою швидкістю - досягла 180 ° C (або 356 ° F) в нижній частині отвору, на відміну від очікуваних 100 ° C (212 ° F). Також несподіваним було зменшення густини порід.
За цією точкою породи мали велику пористість і проникність: у поєднанні з високими температурами стали поводитися як пластик. Ось чому буріння практично стало неможливим.

Сховище зразків керна можна знайти у нікель-шахтарському місті Заполярний, приблизно за десять кілометрів на південь від отвору. Зі своєю амбітною місією та вкладом у геологію та біологію, Кольська понад глибока свердловина залишається найважливішою реліквією радянської науки.

У СРСР любили масштаб, та більше, і поширювалося це буквально на все. Ось і була в Союзі вирита одна свердловина, яка й сьогодні носить титул найглибшої землі. Цікаво, що свердловину пробурили не для видобутку нафти або геолого-розвідувальних робіт, а для наукових досліджень.

Наконечники, якими бурили свердловину.

Кольська надглибока свердловина, або СГ-3 - найглибша свердловина в землі, зроблена людиною. Знаходиться в Мурманській області за 10 кілометрів від міста Заполярний, західному напрямку. Глибина дірки – 12 262 метри. Її діаметр у верхній частині становить 92 сантиметри. У нижній – 21,5 сантиметра. Важливою особливістюСГ-3 і те, що, на відміну будь-яких інших свердловин для видобутку нафти чи геологічних робіт, ця бурілася виключно з наукових цілей.

Закладено свердловину було 1970 року, до 100-річчя від дня народження Володимира Леніна. Вибране місце примітне тим, що свердловина буріла у вулканічних породах віком понад 3 мільярди років, що виходять на поверхню. До речі, вік Землі становить близько 4,5 мільярда років. При видобутку корисних копалин свердловини рідко бурять глибше двох тисяч метрів.

Робота йшла цілодобово безперервно.

Бурити почали 24 травня 1970 року. До позначки 7 тисяч метрів буріння йшло легко і спокійно, проте після попадання голівки в менш щільні породи почалися проблеми. Процес суттєво сповільнився. Лише 6 червня 1979 року було поставлено новий рекорд– 9583 метри. Раніше він був встановлений у США добувачами нафти. Відмітка 12 066 метрів була пройдена в 1983 році. Результату було досягнуто до Міжнародного геологічного конгресу, який проходив у Москві. Згодом на комплексі сталося дві аварії.

Нині комплекс виглядає так.

1997 року в ЗМІ розтиражували відразу кілька легенд про те, що Кольська надглибока свердловина і є справжня дорога до пекла. В одній з таких легенд йшлося про те, що коли команда опустила на глибину в кілька тисяч метрів мікрофон, там чулися людські крики, стогін і крики.

Звісно, ​​нічого подібного не було. Хоча б тому, що для запису звуку в свердловині на такій глибині використовується спеціальне обладнання, але й воно нічого не зафіксувало. На комплексі справді сталося кілька аварій, у тому числі стався підземний вибух під час буріння, проте жодних підземних «демонів» геологи точно не турбували.

Сама свердловина законсервована.

Справді важливим є те, що на СГ-3 працювало 16 дослідницьких лабораторій. В часи Радянського Союзувітчизняні геологи змогли зробити безліч цінних відкриттів та краще зрозуміти, як влаштована наша планета. Робота на об'єкті дозволила значно покращити технологію буріння. Вчені також змогли розібратися у місцевих геологічних процесах, отримали вичерпні дані про тепловому режимінадр, підземних газах та глибинних водах.

На жаль, сьогодні Кольська надглибока свердловина зачинена. Будівля комплексу занепадає з того часу, як у 2008 році тут було закрито останню лабораторію, а все обладнання демонтовано. Причина проста – брак фінансування. 2010 року свердловина вже була законсервована. Тепер вона повільно, але чітко руйнується під впливом природних процесів.

Назва Moholeскладноскладне. «Hole» означає свердловину або просто дірку, а перший склад «Мо» взято з прізвища видатного хорватського геофізика Андрія Мохоровичича. Завдяки йому в науковий побут увійшло поняття поверхня Мохоровичича. Так називається таємнича підземна область, імовірно нижня межа земної кори, на якій відбувається стрибкоподібне збільшення швидкостей поздовжніх сейсмічних хвиль з 6,7-7,6 до 7,9-8,2 км/с і поперечних - з 3,6-4, 2 до 4,4-4,7 км/с. Щільність речовини також зростає стрибком, ймовірно, з 2,9-3 до 3,1-3,5 т/м3. Метою проекту «Мохол» якраз і було досягти цієї поверхні і вперше отримати про неї наочне, а не тільки умоглядне уявлення.

Бурильна платформа CUSS I, Project Mohole

Вважали, що цього легше буде досягти, почавши буріння на дні океану, де кора значно тонша. Було обрано місце біля острова Гуадалупе з глибиною океану близько 3,5 км. Однак пробурити вдалося лише 5 пробних свердловин із заглибленням на дно до 180 метрів. Після цього проект, на жаль, довелося закрити через перевитрату коштів.

У 1973-1974 pp. у штаті Оклахома пробурили свердловину Берта Роджерс (Bertha Rogers). Призначення у неї було більш прозова - видобуток нафти, але науково-дослідницьке навантаження у проекту теж було. Берта Роджерс досягла глибини 9583 м і до певного часу вона залишалася найглибшою свердловиною у світі.

Тим часом у СРСР було запущено проект зі створення близько 30 надглибоких (понад 5 км) свердловин у різних районах країни. Здебільшого вони були нафтовидобувними, але не всі. У 1974 р. найглибша з них мала глибину 7263. Це була Кольська надглибока свердловина, яка займала особливе місцеу радянській програмі глибинного буріння. Вона була призначена для видобутку нафти, а винятково для наукових досліджень.

Кольську надглибоку заклали у 1970 р. у північно-східній частині Балтійського щита, у місці, де на поверхню виходять найдавніші вивержені породи, мало вивчені при видобутку корисних копалин, що найчастіше ведеться в осадових товщах. До того ж і кордон Мохоровичича проходить тут неглибоко (щодо, звісно).

Замахнулися на 15 км. У завдання, поставлені перед учасниками проекту, входило на практиці підтвердити або спростувати низку теорій, виявити особливості процесів рудоутворення, визначити природу кордонів, що розділяють верстви в континентальній корі, зібрати дані про речовому складіі фізичному станігірських порід.

Буріння розпочалося 24 травня. Діаметр вхідного отвору складав 92 см. Спочатку роботи велися серійною установкою, яку зазвичай використовують при видобутку нафти та газу. Потім її змінило обладнання, спеціально розроблене "Уралмашем" з легких, але міцних сплавів. Інакше, при підйомі з глибини, воно не витримало б власної ваги.

Бур методично пронизував стародавні граніти, вік яких перевищував 3 млрд. років. Нестачі у сюрпризах не було. Беззмінний керівник свердловини Давид Миронович Губерман розповідав в інтерв'ю «Мурманський вісник» у 2011 р.:

Ми бурили і не знали, що на нас чекає. На глибині 1700 метрів знайшли поклади, багаті на нікель. Ось вам перспективи для наших комбінатів! Копали далі. А на трьох кілометрах докопалися до Місяця! Чистий Місяць! - Розповідає Давид Миронович і сміється: - У нас тоді вже був місячний грунт. Ми його порівняли з тим, що підняли з трьох кілометрів, за всіма фізико-механічними властивостями – один на один. Ми з товаришами тоді жартували, що, мовляв, Місяць відколовся від Кольського півострова! Залишилося тільки знайти місце, звідки вона відірвалася.

Пізніше і зовсім почалися чудеса, які спростовують багато загальноприйнятих теорій. Вважали, що на п'ятикілометровій глибині граніт змінять базальти. На цій глибині, як і на кордоні Мохоровичіча, прилади фіксували різке збільшення швидкості проходження сейсмічних хвиль. Цей феномен, відомий під назвою Конрада, пояснювали тим, що тут верхній гранітний шар земної кори змінюється нижнім базальтовим. Проте буріння цього не підтвердило. Позначка 5 км залишилася позаду, а установка, як і раніше, витягувала на поверхню гранітний керн (циліндричні колонки породи, призначені для наукового аналізу). Щоправда, граніт цей був дедалі більше незвичайний, спресований високим тиском, Що змінив свої фізичні та акустичні властивості. Але по-справжньому суттєві метаморфози почалися лише на восьмому кілометрі, до того ж зовсім не ті, що передбачали геологи. Тепер буріння йшло не через граніти, а й не через базальти, а через гнейси – шарувату породу з дуже низькою для такої глибини щільністю. Стовбур свердловини почав обсипатися, а потім бурову колону заклинювало породою, і голівка обривалася при спробі підйому. Це не бентежило дослідників. Втрачена частина бурової колони цементувалася, буріння тривало з відхиленням бурового інструменту.

видавництво «Надра», 1984

Володимир Басович, заступник директора з науковій роботіКольської надглибокої свердловини, згадує:

У нас було своє КБ, у нас були свої програмісти, у нас був свій цех, у нас була своя кузня, термічка, що хочете. Ось виникла сьогодні необхідність, ідея – завтра вона перетворювалася на креслення. За два дні ми її самі виготовляли. Через чотири дні ми її пускали у невідомі глибини, у небачено-критичні умови експлуатації.

Фото: «Кольська надглибока» Міністерство геології СРСР,
видавництво «Надра», 1984

Здивування від побаченого зростало. Порода виявилася пористою і тріщинуватою, а порожнечі були заповнені водою, яку зовсім не очікували знайти в такій кількості на такій глибині. По ходу справи вимірювали температуру по всьому стовбуру, природну радіоактивність- гамма-випромінювання, наведену радіоактивність після імпульсного нейтронного опромінення, електричні та магнітні властивостіпорід, швидкість поширення пружних хвиль, досліджували склад газів у рідині свердловини Тут теж чекали на сюрпризи. Температура зростала набагато швидше, ніж пророкували, та й радіоактивність не хотіла поводитися як належить.

6 червня 1979 року радянські буровики побили рекорд Берта Роджерса і рушили далі. До 1984 р. глибина свердловини перевищила 12 км. На тринадцятому кілометрі аварії почали слідувати одна за одною. Як-не-як, чортова дюжина. На цьому етапі виникла кумедна міська легенда, Пізніше на повному серйозно розтиражована спочатку західною, а потім і пострадянською пресою: радянські буровики пробили дах пекла, і спущена в свердловину звукозаписна апаратура зафіксувала крики грішників, що страждають там. Нібито це і спричинило припинення робіт і закриття свердловини. Але буріння довелося припинити з цілком матеріалістичної причини: технічні проблеми перевершили всі мислимі межі. Підйом порід та голівки бура з такої глибини сам по собі неймовірно складний. Додайте до цього високі температурита тиск. І неминучі перепади цих показників під час підйому поверхню. Власне, задовго до досягнення «чортової дюжини» буріння перетворилося на запекло екстремальне заняття. На прохід останніх 5 км свердловини було використано 50 км труб. Такою виявилася ступінь їхнього зносу.

У вересні 1984 р. в черговий раз обірвалася бурова колона, причому так невдало, що п'ять кілометрів труб, що відірвалися, застрягли в свердловині, міцно її заблокувавши. Буріння почали практично заново з глибини 7000 м - і до 1990 року нове відгалуження досягло глибини 12262 м, але колона знову обірвалася. Цього разу поновлення робіт визнали неможливим. Шкода, але Кольська надглибока стала унікальним науково-технічним досягненням, не те що перевершити, а навіть повторити яке не вдалося нікому досі. Адже минуло вже майже півстоліття з моменту старту! На сьогоднішній день існує парочка нафтовидобувних свердловин, які перевершують Кольську своєю довгою, але вони проходять під кутом до поверхні і далеко не так глибоко проникають у земні надра.

Буріння завершили, але це зовсім не мало означати завершення наукового проекту. Унікальний дванадцятикілометровий керн, розділений на окремі колонки та пронумерований, був розкладений у дев'ять сотень ящиків. Вони зберігаються у Ярославлі. Ретельне вивчення цього безцінного матеріалу триває, і мабуть триватиме ще довго. Найгірша справа з самою свердловиною. Ще під час робіт вона служила глибинною обсерваторією, де різних рівняхвстановлювалися прилади, які фіксували особливості поширення сейсмічних хвиль та купу інших показників. Причому все це входило в єдину системуглибинних обсерваторій працювали у трьох десятках інших надглибоких свердловин, що у тисячах кілометрах друг від друга. Зібрана таким чином інформація дозволяла значно просунутися у нелегкій справі передбачення землетрусів. Також обсерваторії фіксували особливості поширення хвиль від підземних. ядерних вибухів, на великі відстані та глибини. Серед іншого, це дозволило скласти глибинні картиможливих покладів корисних копалин, які потім було передано геологам-практикам.

Ми отримували дуже цікаві розрізи. Ми могли з цих розрізів серйозно судити про будову земної кори. Навіть до ста п'ятдесяти кілометрів. Це відкривало нові можливості для глобального дослідження території Радянського Союзу., - свідчить колишній міністргеології СРСР Євген Козловський.

Кольська надглибока і зараз могла б бути унікальною глибинною обсерваторією. Могла, але не слугує. Її припинили фінансувати, закрили, а наземний комплекс із унікальним обладнанням розпилили на металобрухт. В інтерв'ю «Мурманського вісника», що виявилося останнім, Давид Миронович Губерман говорив:

Ех, щоб її утримувати, не губити, були потрібні копійки - три мільйони, не доларів, наших, «дерев'яних», рублів. Не дали, заощадили! І отримали, що хотіли... Усі кажуть, що це коштує дорого. Знання коштують дорого. Абсолютно вірно. А чому ніхто не каже, скільки коштує незнання? Набагато більше. Ви подивіться, що в Японії діялося, коли трапилися аварії на атомних станціях... Не розумію! Ми ж коштували копійки! Буріння обходилося дешево, все обладнання було вітчизняним, жодного імпортного цвяха. Ні, законсервували, закрили, людей звільняли! Розумієте, все це нісенітниця, що немає грошей на науку! Нісенітниця, ми не просили багато. Натомість яка віддача... І зараз там можна встановити наукове обладнання, опустити на глибину датчики та проводити виміри. Безцінна інформація. За прогнозом тих самих землетрусів...

Зараз у народі гуляє іронічне тлумачення абревіатури РФ – Ресурсна Федерація. Ті, хто повторює цей недобрий жарт, здається, уявляють, що ресурси цієї самої Федерації просто лежать у чистому полі. Виходь, збирай голими рукамиі вкладай у контейнери. Але всі ці горезвісні ресурси стали доступні лише завдяки колосальній роботі, виконаній вченими та інженерами. Яка сила була втручена в геологічну розвідку, який інтелектище! І з яким бездумним марнотратством це потім пускалося псові під хвіст! Дуже хочеться вірити, що спадкоємці нарешті порозумнішали, і не розтринькують, те, що ще залишилося, зовсім бездарно. Є думка, що Кольська надглибока ще може бути відновлена ​​хоча б як інститут для навчання фахівців із шельфового буріння. А може, й не лише. Кажуть, принаймні на 8 км у глибину стовбур свердловини і зараз цілком «живий» і придатний для геофізичних досліджень. Відновлення зруйнованого, звичайно, обійдеться недешево, але воно можливе.

Сьогодні наукові дослідження людства дісталися рубежів Сонячної системи: ми висаджували космічні апаратина планети, їхні супутники, астероїди, комети відправили місії до пояса Койпера і перетнули кордон геліопаузи. За допомогою телескопів ми бачимо події, що відбувалися 13 мільярдів років тому - коли Всесвіту виповнилося лише кілька сотень мільйонів років. З огляду на це цікаво оцінити, наскільки добре ми знаємо нашу Землю. Кращий спосібдізнатися її внутрішня будова- пробурити свердловину: що глибше, то краще. Найглибша свердловина на Землі – Кольська надглибока, або СГ-3. 1990 року її глибина досягла 12 кілометрів 262 метрів. Якщо порівняти цю цифру з радіусом нашої планети, то виявиться, що це лише 0,2 відсотка шляху до центру Землі. Але цього виявилося достатньо, щоб перевернути уявлення про будову земної кори.

Якщо ви уявляєте собі свердловину як шахту, якою можна спускатися на ліфті в надра землі або хоча б на пару кілометрів, то це зовсім не так. Діаметр бурового інструменту, за допомогою якого інженери створювали свердловину, складав лише 21,4 сантиметри. Верхній двокілометровий відрізок свердловини трохи ширший - його розширювали до 39,4 сантиметри, але все одно людині туди не потрапити. Щоб уявити пропорції свердловини, найкращою аналогією буде 57-метрова швейна голка з діаметром 1 міліметр, трохи потовщена з одного кінця.

Схема свердловини

Але й ця вистава буде спрощеною. За час буріння на свердловині відбувалося кілька аварій - частина бурової колони при цьому опинялася під землею без можливості її витягти. Тому кілька разів свердловину починали проходити заново, з позначок у сім та дев'ять кілометрів. Є чотири великі відгалуження та близько десятка дрібних. У основних відгалужень різна гранична глибина: два з них перетинають позначку 12 кілометрів, ще два не доходять до неї всього на 200-400 метрів. Зауважимо, що глибина Маріанської западини на кілометр менша – 10 994 метри щодо рівня моря.

Горизонтальна (ліворуч) та вертикальна проекції траєкторій СГ-3

Ю.М. Яковлєв та інші. / Вісник Кольського наукового центруРАН, 2014

Більше того, було б помилкою сприймати свердловину як вертикальну лінію. Через те, що на різних глибинах породи мають різні механічні властивості, бур у ході роботи відхилявся до менш щільних областей. Тому у великому масштабі профіль Кольської надглибокий виглядає як трохи вигнутий дріт з кількома відгалуженнями.

Підійшовши до свердловини сьогодні, ми побачимо лише верхню частину- металевий люк, пригвинчений до гирла дванадцятьма масивними болтами. Напис на ньому зроблено з помилкою, правильна глибина – 12 262 метри.

Як бурили надглибоку свердловину?

Спочатку необхідно зазначити, що СГ-3 спочатку замислювалася саме з наукових цілей. Дослідники обрали для буріння місце, де на поверхню землі виходили стародавні породи віком до трьох мільярдів років. Один із аргументів при розвідці полягав у тому, що молоді осадові породибули добре вивчені при видобутку нафти, а глибоко в давні верстви ще ніхто не бурив. Крім того, тут знаходилися і великі мідно-нікелеві родовища, розвідка яких була б корисним доповненнямдо наукової місії свердловини.

Буріння почалося 1970 року. Перша частина свердловини була пробурена серійною установкою "Уралмаш-4Е" - її зазвичай використовували для буріння нафтових свердловин. Модифікація установки дозволила досягти глибини 7 кілометрів 263 метри. На це пішло чотири роки. Потім установку змінили на Уралмаш-15000, названу так на честь запланованої глибини свердловини – 15 кілометрів. Нова бурова була розроблена спеціально для Кольської надглибокої: буріння на таких великих глибинах вимагало серйозного доопрацювання техніки та матеріалів. Наприклад, тільки вага бурової колони при 15-кілометровій глибині досягала 200 тонн. Сама установка могла піднімати вантаж до 400 тонн.

Бурова колона складається із труб, з'єднаних між собою. З її допомогою інженери опускають на дно свердловини інструмент для буріння, і вона забезпечує його роботу. На кінці колони встановлювали спеціальні 46-метрові турбобури, що рухаються потоком води з поверхні. Вони дозволяли обертати інструмент, що дробить породу, окремо від усієї колони.

Коронки, за допомогою яких бурова колона вгризалася в граніт, викликають асоціації з футуристичними деталями від робота - кілька шипастих дисків, що обертаються, з'єднаних з турбіною зверху. Однієї такої коронки вистачало лише на чотири години роботи – це приблизно відповідає проходу на 7-10 метрів, після чого всю бурову колону потрібно піднімати, розбирати і потім опускати заново. Постійні спуски та підйоми самі собою займали до 8 годин.

Навіть труби для колони в Кольській надглибокій довелося використати незвичайні. На глибині поступово зростають температура і тиск, і, як розповідають інженери, за температур понад 150-160 градусів сталь серійних труб розм'якшується і гірше тримає багатотонні навантаження - через це зростає ймовірність небезпечних деформацій та обриву колони. Тому розробники обрали більш легкі та термостійкі алюмінієві сплави. Кожна з труб мала довжину близько 33 метрів та діаметр близько 20 сантиметрів - трохи вже самої свердловини.

Проте навіть спеціально розроблені матеріали не витримували умов буріння. Після першого семикілометрового відрізка на подальше буріння до позначки 12 000 метрів пішло майже десять років та понад 50 кілометрів труб. Інженери зіткнулися з тим, що нижче за сім кілометрів породи стали менш щільними і тріщинуватими - в'язкими для бура. Крім того, ствол свердловини спотворив форму і став еліптичним. В результаті кілька разів колона обривалася, і, не маючи можливості підняти її назад, інженери змушені були бетонувати відгалуження свердловини і проходити ствол заново, втрачаючи роки роботи.

Одна з таких великих аварійзмусила буровиків в 1984 забетонувати відгалуження свердловини, що досягла глибини 12 066 метрів. Буріння довелося розпочати наново з 7-кілометрової позначки. Цьому передувала пауза у роботі зі свердловиною - на той момент існування СГ-3 розсекретили, а в Москві відбувся міжнародний геологічний конгрес Геоекспо, делегати якого відвідали об'єкт.

Як розповідають очевидці аварії, після поновлення робіт колона пробурила свердловину ще на дев'ять метрів униз. Після чотирьох годин буріння робітники приготувалися піднімати колону назад, але вона не пішла. Буровики вирішили, що труба десь «прилипла» до стін свердловини і збільшили потужність на підйом. Навантаження різко поменшало. Поступово розбираючи колону на 33-метрові свічки, робітники дісталися чергового відрізка, що закінчується нерівним нижнім краєм: турбобур та ще п'ять кілометрів труб залишились у свердловині, підняти їх не вдалося.

Знову досягти 12-кілометрової позначки буровикам вдалося лише до 1990 року, тоді ж було встановлено і рекорд занурення – 12 262 метри. Потім сталася нова аварія, а з 1994 року роботи на свердловині було зупинено.

Наукова місія надглибокої

Картина сейсмічних випробувань на СГ-3

"Кольська надглибока" Міністерство геології СРСР, видавництво "Надра", 1984

Свердловину досліджували цілим набором геологічних та геофізичних методів, починаючи від збору керна (стовпчика порід, що відповідають заданим глибинам) і закінчуючи радіаційними та сейсмологічними вимірами. Наприклад, керн забирали за допомогою керноприймачів зі спеціальними бурами - вони схожі на труби із зазубреними краями. У центрі цих труб 6-7 сантиметрові отвори, куди попадає порода.

Але навіть із цією, здавалося б, простою (за винятком потреби піднімати цей керн із багатокілометрової глибини) методикою виникали складності. Через буровий розчин, - того самого, що рухав бур, - керн насичувався рідиною і змінював свої властивості. Крім того, умови в глибині та на поверхні землі сильно різняться – зразки розтріскувалися від перепаду тиску.

На різних глибинах вихід керна дуже відрізнявся. Якщо на п'яти кілометрах зі 100-метрового відрізка можна було розраховувати на 30 сантиметрів керна, то за глибин понад дев'ять кілометрів замість стовпчика порід геологи отримували набір шайб із щільної породи.

Мікрофотографія порід, піднятих із глибини 8028 метра

"Кольська надглибока" Міністерство геології СРСР, видавництво "Надра", 1984

Дослідження матеріалу, піднятого зі свердловини, дозволили зробити кілька важливих висновків. По-перше, будова земної кори не можна спрощувати до композиції з кількох верств. На це раніше вказували сейсмологічні дані – геофізики бачили хвилі, які здавалися відбитими від гладкого кордону. Дослідження на СГ-3 показали, що така видимість може виникнути і за складного розподілу порід.

Це припущення позначилося на проектуванні свердловини - вчені очікували, що на глибині семи кілометрів ствол увійде до базальтових пород, проте вони не зустрілися і на 12-кілометровій позначці. Зате замість базальту геологи виявили породи, що мали велику кількість тріщин і низьку щільність, чого зовсім не можна було очікувати від багатокілометрової глибини. Більш того, у тріщинах знайшлися сліди підземних вод- Висловлювалися навіть припущення, що вони утворені прямою реакцією кисню та водню в товщі Землі.

Серед наукових результатів знайшлися і прикладні – так, на невеликих глибинах геологи знайшли обрій мідно-нікелевих руд, придатних до видобутку. А на глибині 9,5 кілометра виявився шар геохімічної аномалії золота – у породі були присутні мікрометрові зерна самородного золота. Концентрації сягали грама на тонну породи. Втім, навряд чи видобуток з такої глибини буде колись рентабельним. Але саме існування та властивості золотоносного шару дозволили уточнити моделі еволюції мінералів – петрогенезу.

Окремо слід розповісти про дослідження температурних градієнтів та радіацію. Для такого роду експериментів використовуються внутрішньосвердловини, що опускаються на проводах-тросах. Великою проблемою було забезпечити їхню синхронність із наземним обладнанням, а також забезпечити роботу на великих глибинах. Наприклад, проблеми виникали з тим, що троси при довжині 12 кілометрів розтягувалися приблизно на 20 метрів, що могло сильно знизити точність даних. Щоб уникнути цього, геофізикам довелося створювати нові методи маркування відстаней.

Більшість серійних приладів було розраховано працювати у суворих умовах нижніх ярусів свердловини. Тому для досліджень на великих глибинах вчені застосовували обладнання, розроблене спеціально для Кольської надглибокої.

Найважливіший результат геотермічних досліджень - набагато вищі температурні градієнти, ніж очікувалося побачити. Поблизу поверхні швидкість зростання температури становила 11 градусів на кілометр, до глибини двох кілометрів – 14 градусів на кілометр. В інтервалі від 2,2 до 7,5 кілометра температура зростала зі швидкістю, що наближається до 24 градусів на кілометр, хоча існуючі моделіпророкували величину у півтора рази меншу. В результаті вже на п'ятикілометровій глибині прилади фіксували температуру 70 градусів Цельсія, а до 12 кілометрів це значення досягло 220 градусів Цельсія.

Кольська надглибока виявилася несхожою на інші свердловини - наприклад, під час аналізу тепловиділення порід Українського кристалічного щита та батолітів Сьєрра-Невади геологи показали, що з глибиною тепловиділення падає. У СГ-3 воно навпаки зростало. Більше того, виміри показали, що основним джерелом тепла, що забезпечує 45-55 відсотків теплового потокує розпад радіоактивних елементів.

Незважаючи на те, що глибина залягання свердловини здається колосальною, вона не доходить і до третини товщини земної кори в Балтійському щиті. Геологи оцінюють, що підошва земної кори у цій галузі проходить приблизно за 40 кілометрів під землею. Тому навіть якби СГ-3 досягла запланованого 15-кілометрового відсічення, до мантії ми все одно не дісталися б.

Таке амбітне завдання ставили собі американські вчені, розробляючи проект «Мохол». Геологи планували досягти кордону Мохоровичича – підземної області, де спостерігається різка зміна швидкості розповсюдження звукових хвиль. Вважається, що вона пов'язана з кордоном між корою та мантією. Варто зазначити, що буровики вибрали місцем для свердловини дно океану поблизу острова Гуадалупе - відстань до кордону становила всього кілька кілометрів. Однак глибина самого океану досягала тут 3,5 кілометра, що суттєво ускладнювало бурові роботи. Перші випробування у 1960-х роках дозволили геологам пробурити свердловини лише на 183 метри.

Нещодавно стало відомо про плани відродити проект глибокого океанічного буріння за допомогою дослідного бурового судна JOIDES Resolution. В якості нової метигеологи вибрали точку в Індійський океан, неподалік Африки. Глибина залягання кордону Мохоровичича там становить лише близько 2,5 км. У грудні 2015-го - січні 2016 року геологам вдалося пробурити свердловину глибиною 789 метрів - п'яту за величиною у світі з підводних свердловин. Але ця величина - лише половина від потрібної першому етапі. Втім, команда планує повернутися та завершити розпочате.

***

0,2 відсотка довжини шляху до центру Землі - не така вже вражаюча величина порівняно з масштабами космічних подорожей. Однак слід враховувати, що і межа Сонячної системи не проходить орбітою Нептуна (або навіть поясу Койпера). Гравітація Сонця переважає над зоряною аж до відстаней у два світлові роки від світила. Отже, якщо акуратно все порахувати, то виявиться, що і «Вояджер-2» пролетів лише десяту частку відсотка довжини шляху до околиць нашої системи.

Тому не варто засмучуватися тим, як погано ми знаємо «начинки» власної планети. У геологів є свої телескопи – сейсмічні дослідження – і свої амбітні плани щодо підкорення надр. І якщо астрономи вже встигли торкнутися солідної частини небесних тілв Сонячної системи, то у геологів все найцікавіше ще попереду.

Володимир Корольов