Доторкнутися до мантії
Працьовиті китайці в XIII столітті рили свердловини глибиною 1 200 метрів. Європейці побили китайський рекорд в 1930 році, навчившись пронизувати земну твердь за допомогою бурових на 3 кілометри. В кінці 1950-х років свердловини подовжилися до 7 кілометрів. Починалася епоха надглибокого буріння.
Як і більшість глобальних проектів, ідея пробурити верхню оболонку Землі виникла в 1960-х роках XX століття, в розпал космічних польотів і віри в безмежні можливості науки і техніки. Американці задумали ні багато ні мало пройти свердловиною всю земну кору і отримати зразки порід верхньої мантії. Уявлення про мантії тоді (як, втім, і зараз) будувалися лише на непрямих даних - швидкості поширення сейсмічних хвиль в надрах, зміна якої інтерпретувалася як межа шарів гірських порід різного віку і складу. Вчені вважали, що земна кора схожа на бутерброд: зверху молоді породи, знизу - древні. Однак лише надглибоке буріння могло дати достеменну картину будови і складу зовнішньої оболонки Землі і верхньої мантії.
У 1958 році в США з'явилася програма надглибокого буріння «Мохол». Це один з найсміливіших і загадкових проектів післявоєнної Америки. Як і багато інших програм, «Мохол» був покликаний обігнати СРСР в науковому суперництві, встановивши світовий рекорд в надглибокому бурінні. Назва проекту походить від слів «Мохоровичич» - це прізвище хорватського вченого, який виділив поверхню розділу між земною корою і мантією - кордон Мохо, і «hole», що по-англійськи означає «свердловина». Творці програми вирішили бурити в океані, де, за даними геофізиків, земна кора значно тонше, ніж на материках. Треба було спустити труби на кілька кілометрів у воду, пройти 5 кілометрів океанського дна і досягти верхньої мантії.
похорон відкладаються
Надглибоке буріння дозволило заглянути в надра і зрозуміти, як поводяться гірські породи при високому тиску і температурі Представлення, що гірські породи з глибиною стають щільніше і пористість їх убуває, виявилося невірним, як і точка зору про сухих надрах. Вперше це було виявлено при бурінні Кольської надглибокої, інші свердловини в древніх кристалічних товщах підтвердили той факт, що на багатокілометрової глибині гірські породи розбиті тріщинами і пронизані численними порами, а водні розчини вільно рухаються під тиском в кілька сот атмосфер. У цьому відкритті полягає одна з найважливіших досягнень надглибокого буріння. Воно змусило знову звернутися до проблеми захоронення радіоактивних відходів, які передбачалося поміщати в глибокі свердловини, що здавалося абсолютно безпечним. З огляду на інформацію про стан надр, отриману в ході надглибокого буріння, проекти створення подібних могильників нині виглядають досить ризикованими.
У пошуках остиглого пекла
З тих пір світ захворів надглибоким бурінням. У США готували нову програму вивчення океанського дна (Deep Sea Drilling Project). Побудоване спеціально для цього проекту судно «Гломар Челленджер» кілька років провело в водах різних океанів і морів, пробуривши в їхньому дні майже 800 свердловин, досягнувши максимальної глибини 760 м. До середини 1980-х років результати морського буріння підтвердили теорію тектоніки плит. Геологія як наука народилася заново. Тим часом Росія йшла своїм шляхом. Інтерес до проблеми, розбуджений успіхами США, вилився в програму «Вивчення надр Землі і надглибоке буріння», але не в океані, а на континенті. Незважаючи на багатовікову історію, континентальне буріння представлялося абсолютно новою справою. Адже йшлося про недосяжних раніше глибинах - понад 7 кілометрів. У 1962 році Микита Хрущов затвердив цю програму, хоча керувався він швидше політичними мотивами, ніж науковими. Йому не хотілося відстати від США.
Очолив новостворену лабораторію при Інституті бурової техніки відомий нафтовик доктор технічних наук Микола Тимофєєв. Йому було доручено обгрунтувати можливість надглибокого буріння в кристалічних породах - гранітах і гнейсах. На дослідження пішло 4 роки, і в 1966 році експерти винесли вердикт - бурити можна, причому не обов'язково технікою завтрашнього дня, досить того устаткування, що вже є. Головна проблема - спека на глибині. Згідно з розрахунками, в міру впровадження в гірські породи, що складають земну кору, температура повинна збільшуватися через кожні 33 метра на 1 градус. Значить, на глибині 10 км треба очікувати близько 300 ° С, а на 15 км - майже 500 ° С. Такого нагріву бурильні інструменти і прилади не витримають. Треба було шукати місце, де надра не настільки гарячі ...
Таке місце знайшли - древній кристалічною щит Кольського півострова. Звіт, підготовлений в Інституті фізики Землі, був такий: за мільярди років свого існування Кольський щит охолов, температура на глибині 15 км не перевищує 150 ° С. А геофізики підготували зразковий розріз надр Кольського півострова. За їхніми даними, перші 7 кілометрів - це гранітні товщі верхньої частини земної кори, потім починається базальтовий шар. Тоді уявлення про двошаровому будову земної кори було загальноприйнятим. Але як виявилося пізніше, і фізики, і геофізики помилялися. Майданчик для бурової вибрали на північній частині Кольського півострова біля озера Вільгіскоддеоайвін'ярві. По-фінськи це означає «Під вовчою горою», хоча ні гори, ні вовків в тому місці немає. До буріння свердловини, проектна глибина якої складала 15 кілометрів, приступили в травні 1970 року.
Начальник експедиції Д.Губерман у кілочка на місці майбутньої свердловини.
розчарування шведів
В кінці 1980-х років в Швеції в пошуках природного газу небіологічного походження пробурили свердловину до глибини 6,8 км. Геологи вирішили перевірити гіпотезу, згідно з якою нафта і газ утворюються не з відмерлих рослин, як вважає більшість вчених, а за допомогою мантійних флюїдів - гарячих сумішей газів і рідин. Насичені вуглеводнями флюїди просочуються з мантії в земну кору і накопичуються в великих кількостях. У ті роки ідея про походження вуглеводнів не з органічної речовини осадових товщ, а за допомогою глибинних флюїдів була в новинку, багато хто хотів її перевірити. З цієї ідеї слід, що запаси вуглеводнів можуть містити не тільки осадові, але також вулканічні і метаморфічні породи. Ось чому Швеція, здебільшого розташована на древньому кристалічному щиті, взялася поставити експеримент.
Для буріння вибрали кратер Сільян Ринг діаметром 52 км. За геофізичними даними, на глибині 500-600 метрів знаходилися кальциновані граніти - можлива покришка для нижчого резервуара вуглеводнів. Заміри прискорення сили тяжіння, по зміні якої можна судити про склад і щільності залягають в надрах гірських порід, говорили про наявність високопористих порід на глибині 5 км - можливого колектора нафти і газу. Результати буріння розчарували учених і інвесторів, що вклали в ці роботи 60 млн. Доларів. Пройдені товщі не містили промислових запасів вуглеводнів, тільки прояви нафти і газу явно біологічного походження з давніх бітумів. У всякому разі, нікому не вдалося довести зворотне.
Інструмент для пекла
Створення принципово нових пристроїв і гігантських машин буріння Кольської свердловини СГ-3 не вимагало. Починали працювати з тим, що вже було: установка «Уралмаш 4Е» вантажопідйомністю 200 тонн і легкосплавні труби. Що дійсно було потрібно на той момент, так це нестандартні технологічні рішення. Адже в твердих кристалічних породах на настільки велику глибину ніхто не бурив, і що там буде, уявляли собі тільки в загальних рисах. Досвідчені буровики, однак, розуміли, що яким би детальним не був проект, реальна свердловина виявиться набагато складніше. Через 5 років, коли глибина свердловини СГ-3 перевищила 7 кілометрів, змонтували нову бурову установку «Уралмаш 15 000» - одну з найсучасніших на той час. Потужна, надійна, з автоматичним спускопод'емного механізмом, вона могла витримати колону труб довжиною до 15 км. Бурова перетворилася в повністю обшиту вежу висотою 68 м, непокірну сильним вітрам, що бушують в Заполяр'ї. Поруч виросли міні-завод, наукові лабораторії і кернохраніліще.
Установка «Уралмаш 4Е».
При бурінні на невеликі глибини мотор, який обертає колону труб з буром на кінці, встановлюють на поверхні. Бур являє собою залізний циліндр із зубами з алмазів або твердих сплавів - коронку. Ця коронка вгризається в породи і вирізає з них тонкий стовпчик - керн. Щоб охолодити інструмент і витягти зі свердловини дрібне сміття, в неї нагнітають буровий розчин - рідку глину, яка весь час циркулює по стовбуру, немов кров в судинах. Через якийсь час труби піднімають на поверхню, звільняють від керна, змінюють коронку і знову опускають колону в забій. Так ведеться звичайне буріння.
А якщо довжина ствола 10-12 кілометрів при діаметрі 215 міліметрів? Колона труб стає найтоншої ниткою, опущеною в свердловину. Як нею керувати? Як побачити, що твориться в забої? Тому на Кольської свердловині внизу бурильної колони встановили мініатюрні турбіни, їх запускав буровий розчин, що нагнітається по трубах під тиском. Турбіни обертали твердосплавну коронку і вирізали керн. Вся технологія була добре відпрацьована, оператор на пульті управління бачив обертання коронки, знав її швидкість і міг керувати процесом.
Кожні 8-10 метрів багатокілометрову колону труб доводилося піднімати нагору. Спуск і підйом в цілому займали 18 годин.
Алмазні мрії Поволжя
Коли в Нижегородської області були знайдені дрібні алмази, це немало спантеличило геологів. Звичайно, найпростіше було припустити, що дорогоцінні камені приніс льодовик або річкові води звідкись з півночі. Але раптом місцеві надра приховують кімберлітові трубку - вмістилище алмазів? Перевірити цю гіпотезу вирішили в кінці 1980-х років, коли програма наукового буріння в Росії набирала обертів. Місце для буріння вибрали північніше Нижнього Новгорода, в центрі гігантської кільцевої структури, яка добре виділяється в рельєфі. Одні вважали її метеоритним кратером, інші - трубкою вибуху або жерлом вулкана. Буріння припинили, коли Воротіловская свердловина досягла глибини 5 374 м, з яких понад кілометр доводилося на кристалічні породи фундаменту. Кімберлітів там не знайшли, але справедливості заради слід сказати, що в суперечці про походження цієї структури точку теж не поставили. Добуті з надр факти однаково підходили для прихильників обох гіпотез, в результаті кожен залишився при своїй думці. А свердловину перетворили в глибинну геолабораторію, яка діє і понині.
Підступність цифри «7»
7 кілометрів - відмітка для Кольської надглибокої фатальна. За нею почалися невідомість, безліч аварій і безперервна боротьба з гірськими породами. Стовбур ніяк не вдавалося тримати вертикально. Коли в перший раз пройшли 12 км, свердловина відхилилася від вертикалі на 21 °. Хоча буровики вже навчилися працювати при неймовірній кривизни стовбура, далі заглиблюватися було не можна. Свердловину треба перебур з позначки 7 кілометрів. Щоб отримувати вертикальний стовбур в твердих породах, потрібен дуже жорсткий низ бурильної колони, щоб він входив в надра, як в масло. Але виникає й інша проблема - свердловина поступово розширюється, бур бовтається в ній, як в склянці, стінки стовбура починають руйнуватися і можуть придавити інструмент. Вирішення цього завдання вийшло оригінальним - була застосована технологія маятника. Бур штучно розгойдувався в свердловині і придушував сильні коливання. За рахунок цього стовбур виходив вертикальним.
Найбільш поширена аварія на будь-який бурової - обрив колони труб. Зазвичай труби намагаються захопити знову, але якщо це трапляється на великій глибині, то проблема переходить в розряд непереборних. Шукати інструмент в 10-кілометровій свердловині марно, такий ствол кидали і починали новий, трохи вище. Обрив і втрата труб на СГ-3 траплялися багаторазово. У підсумку в своїй нижній частині свердловина виглядає як коренева система гігантського рослини. Розгалуженість свердловини засмучувала буровиків, але виявилася щастям для геологів, які несподівано отримали об'ємну картину значного відрізка древніх архейських порід, сформованих більш 2,5 млрд. Років тому.
Завіса таємниці, напевно, висіла б над свердловиною до самої «перебудови», якби не в 1984 році в Москві Всесвітнього геологічного конгресу. До настільки великому в науковому світі події ретельно готувалися, для Міністерства геології навіть побудували нову будівлю - очікували багато учасників. Але зарубіжних колег цікавила в першу чергу Кольська надглибока! Американці взагалі не вірили в те, що вона у нас є. Глибина свердловини до того моменту сягнула 12 066 метрів. Приховувати об'єкт більш не мало сенсу. У Москві учасників конгресу чекала виставка досягнень російської геології, один зі стендів був присвячений свердловині СГ-3. Фахівці всього світу неодмінно дивилися на звичайну бурову головку зі стертими твердосплавними зубами. І цим бурять найглибшу в світі свердловину? Неймовірно! У селище Заполярний вирушила велика делегація геологів і журналістів. Відвідувачам показали бурову в дії, діставали і відокремлювали 33-метрові секції труб. Навколо височіли купи точно таких же бурових головок, як і та, що лежала на стенді в Москві.
Від Академії наук делегацію приймав відомий геолог, академік Володимир Бєлоусов. Під час прес-конференції із залу йому задали питання:
- Що ж найголовніше показала Кольська свердловина?
- Панове! Головне, вона показала те, що ми нічого не знаємо про континентальній корі, - чесно відповів учений.
Дещо про земній корі континентів, звичайно, знали. Той факт, що континенти складені дуже давніми породами, віком від 1,5 до 3 мільярдів років, не спростувала навіть Кольська свердловина. Однак складений на підставі керна СГ-3 геологічний розріз виявився прямо протилежним тому, що вчені уявляли собі раніше. Перші 7 кілометрів були складені вулканічними і осадовими породами: туфами, базальтами, брекчиями, пісковиками, доломітами. Глибше лежав так званий розділ Конрада, після якого швидкість сейсмічних хвиль в породах різко збільшувалася, що інтерпретувалося як межа між гранітами і базальтами. Цей розділ був давно пройдений, але базальти нижнього шару земної кори так ніде і не з'явилися. Навпаки, почалися граніти і гнейси.
Розріз Кольської свердловини спростував двошарову модель земної кори і показав, що сейсмічні розділи в надрах - це не межі шарів з порід різного складу. Швидше вони вказують на зміну властивостей каменю з глибиною. При високому тиску і температурі властивості порід, мабуть, можуть різко змінюватися, так, що граніти за своїми фізичними характеристиками стають схожі на базальти, і навпаки. Але піднятий на поверхню з 12-кілометрової глибини «базальт» тут же ставав гранітом, хоч і відчував по шляху сильний напад «кесонної хвороби» - керн кришився і розпадався на плоскі бляшки. Чим далі йшла свердловина, тим менше якісних зразків потрапляло в руки вчених.
Глибина містила в собі багато несподіванок. Раніше було природно думати, що з віддаленням від поверхні землі, з ростом тиску породи стають більш монолітними, з малою кількістю тріщин і пор. СГ-3 переконала вчених в зворотному. Починаючи з 9 кілометрів, товщі виявилися дуже пористими і буквально напхані тріщинами, за якими циркулювали водні розчини. Пізніше цей факт підтвердили інші сверхглубокие свердловини на континентах. На глибині виявилося набагато спекотніше, ніж розраховували: на цілих 80 °! На позначці 7 км температура в забої була 120 ° С, на 12 км - досягла вже 230 ° С. У зразках Кольської свердловини вчені виявили золоте зруденіння. Вкраплення дорогоцінного металу знаходилися в древніх породах на глибині 9,5-10,5 км. Втім, концентрація золота була занадто мала, щоб заявляти про родовищі - в середньому 37,7 мг на тонну породи, але достатня, щоб очікувати його і в інших подібних місцях.
P.S. Ще хочеться додати аудіозапис нібито зроблену на глибині Кольської свердловини