Штурм царства Плутона

Если взять школьный глобус диаметром полметра, то толщина земной коры, более или менее изученной человеком, равна толщине бумаги, которой оклеен этот глобус. Из школьных учебников географии мы знаем, что Земля состоит из коры, верхней и нижней мантии и внешнего и внутреннего ядра. При этом толщина земной коры составляет в среднем 40–60 км (менее 1% радиуса Земли), а в регионах глубоководных акваторий может достигать всего 10–12 км.

Переход от мануфактуры к промышленному производству, расцвет промышленности в XVIII–XIX веках способствовал резкому росту потребности в природных ресурсах. Еще один скачок потребления различных видов топливно-энергетического, рудного и нерудного сырья произошел во второй половине XX века – добыча полезных ископаемых возросла в 5–15 раз. И процесс этот не прекращается. В то же время большая часть легкодоступных месторождений не только выявлена, но и в значительной мере уже выработана. Для поиска новых месторождений нужен штурм земных глубин, а это требует более совершенной техники и технологии для поисков, добычи богатств недр и серьезных научных исследований. Дело это дорогое – но игра стоит свеч.

Глубокие горизонты

На поверхности и в недрах нашей планеты в течение миллиардов лет происходят процессы формирования и разрушения горных пород, приводящие в определенных условиях к образованию месторождений полезных ископаемых. Поиски, разведка и добыча этих «природных кладов» до 60-х годов XX века велись в основном в осадочных и гранитных слоях земной коры, мощность которых на платформенной части Земли достигает 1–2 км, а в глубоких впадинах и прогибах – до 20 км.

В основном с осадочными породами связаны месторождения нефти и газа, каменного угля и каменных солей, фосфоритов и железа, меди и свинца, цинка и марганца, алюминия и урана. Но в последние десятилетия открыты месторождения нефти и газа в кристаллических породах гранитного слоя – то есть там, где далеко не все ученые допускали возможность их существования. С конца XX века разведка и добыча нефти в ряде районов мира ведется уже на глубинах 8–8,5 км, угля и металлов – на глубинах до 2 км. Золотодобывающие шахты Колар в Индии, Витватерсранд в Южной Америке, меди в Чили имеют добычные забои на глубине трех и более километров. Если удастся пойти еще на пару километров глубже – это значительно увеличит минерально-сырьевой потенциал.

Доступ к более глубоким горизонтам планеты нужен геологам не только для поиска новых месторождений, но и для объяснения принципов их образования, понимания процессов горообразования, вулканизма, причин землетрясений, магнетизма и других явлений.

Тропою первопроходцев

Пионерами глубинных исследований Земли являются советские ученые. Еще в 60-х были сформулированы основные задачи глубинных исследований, проведена научная подготовка, создано оборудование для сверхглубокого бурения и геологических исследований скважин глубиной 10–15 км, разработана и утверждена программа «Изучение недр Земли и сверхглубокое бурение».

Основой программы стало изучение мирового опыта и результатов бурения на суше и на шельфе, а также анализ информации о поверхности Земли и ее недрах, полученной с помощью глубокого бурения, новейших методов геофизических и космических исследований. В стране появилось новое направление геологических исследований – космогеология. Космическое картирование позволило выявить неизвестные ранее особенности геологического строения огромных территорий и наметить площадки для первоочередных и масштабных геологоразведочных работ.

С 70-х началось экспериментальное бурение нескольких сверхглубоких скважин и исследование выбранных площадок глубинными геофизическими методами, с 1981 года проводится планомерное комплексное изучение земной коры на всей территории страны. Активное участие в этой работе приняли ученые, буровые и геофизические организации Башкирии. Еще в 50–60-х видные ученые республики К. Тимергазин и Б. Юсупов установили, что нефтегазоносной на территории республики является не только осадочная толща пород, но и гранитогнейсовый фундамент земной коры. Было принято решение о бурении десяти параметрических скважин глубиной в 7 километров. Но, к сожалению, тогда удалось завершить бурение лишь двух: на Акбердинской (глубиной 5600 м) и Кулгунинской (глубиной 5154 м) площадях. Развал СССР привел к остановке намеченных работ – как в стране в целом, так и в Башкирии в частности.

Иного пути нет

Некоторые эксперты считают, что задача покорения глубин Земли более 12–15 км – это утопия. Мол, все попытки (за исключением двух, о которых будет сказано ниже) достичь глубин даже в 10 км заканчивались неудачей.

Это действительно так – но это свидетельствует о сложности проблемы, а не о принципиальной невозможности ее решения. Бурение скважин на глубины свыше 10 км по сложности сравнивают с полетами на другие планеты, а образцы керна, поднятые из сверхглубин Земли, представляют для ученых не меньший интерес, чем образцы лунного грунта.

Интересно проследить динамику освоения недр нашей планеты. Рекорд глубины скважин (1200 метров), установленный в Китае еще до нашей эры, удалось побить лишь в 1885 году, когда в России пробурили скважину в 1300, а в Германии – в 1390 метров глубиной. Двухкилометрового рубежа впервые в мире достигли немцы в 1898 году (глубина 2004 метра). Первая скважина глубиной свыше 3 км была пробурена в США в 1933 году (3335 метров). В 1938 году американцы достигли глубины в 4573 метра, в 1974-м – 9583 метра. В СССР первая глубокая скважина (3421 м) была пробурена в Азербайджане в 1938 году, в 1961-м достигли глубины в 5036 метров. В 1962 году в Прикаспийской низменности были заложены 2 скважины проектной глубиной в 7,5 км, в Азербайджане – проектной глубиной 11 км, в 1984 году на Украине – проектной глубиной 12 км. Скважины глубиной 15 км были заложены на Кольском полуострове в 1970 г. и на Урале в 1985 году.

Все вниз и вниз

В 70–80-х весь мир «заболел» сверхглубоким бурением: скважины проектной глубиной 10–12 км закладываются в США, Германии, Австрии, Швеции. Рекорды ставят сверхдержавы – американская скважина Tibez в Мексиканском заливе достигла глубины 10685 м, в СССР скважина СГ-3 на Кольском полуострове – 12262 м. Скважина СГ–3 по сложности, продолжительности бурения, достигнутым результатам является уникальной и не зря занесена в Книгу рекордов Гиннесса.

Сама идея пробурить верхнюю оболочку Земли возникла в 1958 году, когда в США была разработана программа «Мохол». Проект имел явно выраженную политическую окраску – ставилась цель обогнать СССР на сверхглубинах. В ответ СССР разрабатывает свою программу, которую в 1962 году утвердил Хрущев. Во Всесоюзном научно-исследовательском институте буровой техники создается специальная лаборатория во главе с Н. Тимофеевым, которая должна была обосновать возможность бурения в кристаллических породах – гранитах и гнейсах. На исследования ушло четыре года: по расчетам, температура на забое скважины на глубине 10 км ожидалась около 300°С, а на глубине 15 км – около 500°С. Поэтому выбирали место «попрохладнее». По данным института физики АН СССР, Балтийский щит на Кольском полуострове за миллиарды лет своего существования остыл и температура на глубине 15 км может составить лишь 150°С. Интересно и то, что здесь выходят на поверхность породы, возраст которых около 3 миллиардов лет. Геофизики дали ожидаемый разрез недр в этом районе, по которому первые 7 км были образованы осадочными и гранитными толщами, затем шел базальтовый слой.

Но и физики, и геофизики ошибались…

Кольская сверхглубокая

Точка для бурения выбрана в 10 км от г. Заполярный, недалеко от границы СССР с Норвегией. Для бурения скважины была подготовлена буровая установка «Уралмаш – ЧЭ» грузоподъемностью 200 тонн, создана Кольская геологоразведочная экспедиция численностью 3000 человек. В состав экспедиции было приглашено и несколько специалистов из Башкирии: И. Васильченко – главным инженером, Е. Голенкина – геологом экспедиции.

На буровую было поставлено большое количество легкосплавных бурильных труб и много специального оборудования и инструмента, рассчитанных на работу в условиях высоких температур и давлений.

Главными задачами экспедиции было выявление особенностей геологических процессов на глубинах до 15 км, определение границ отдельных пластов земной коры, изучение состава и свойств горных пород.

Бурение скважины началось в мае 1970 года. За 4 года скважину углубили до 7263 метров. В 1975 году вместо установки «Уралмаш – ЧЭ» была смонтирована специально созданная установка «Уралмаш-15000» грузоподъемностью 400 тонн (вдвое больше, чем у предшественницы) и высотой вышки 68 метров (примерно с 25-этажный дом). Рядом с буровой вырос целый мини-завод с лабораториями, цехами, складами, жильем. Но чем глубже уходил бур, тем сложнее двигалось дело. В 1983 году скважина достигла глубины в 12066 метров.

С самого начала работ по подготовке к бурению этой скважины и до 1983 года проект был засекречен. Причин тому несколько: работы велись в приграничье, рядом находились стратегическое месторождение никеля и никелевый комбинат, ну и желание сохранить научный приоритет, конечно, нельзя сбрасывать со счетов. И все-таки кое-какие сведения об объекте просочились за рубеж.

В 1984 году в Москве должен был проходить Всемирный геологический конгресс – и, конечно, многих его участников интересовала эта буровая. На пресс-конференции конгресса академику АН СССР В. Белоусову был задан вопрос: «Что же самое главное показала Кольская скважина?» Он ответил: «Главное, что она показала, – что мы ничего не знаем о континентальной коре».

По достижении глубины 12066 м выяснилось, что ствол скважины отклонился от вертикали на 21 градус, поэтому с глубины 7000 м пришлось бурить новый ствол. Из-за прихватов, обрывов бурильных труб и аварий перебуривалось в общей сложности 12 новых стволов длиной от 2 до 5 км, причем только для бурения последних 5 км скважины было израсходовано 50 км бурильных труб – такова была скорость их износа и потерь из-за обрывов. Как выяснилось, извлечение оборвавшихся бурильных труб на глубинах свыше 10 км – задача просто невыполнимая, проще бурить новый ствол.

В 1990 году была достигнута глубина 12262 метра. После этого было еще несколько аварий, и специалисты убедились, что возможности техники и технологии по дальнейшему углублению скважины исчерпаны.

В 1994 году бурение прекратили.

Мифы

В 1989 году некоторые радиостанции и газеты западных стран сообщили «сенсационную новость»: «При бурении скважины на Кольском полуострове на глубине 14,4 км обнаружены большие пустоты, датчики показали температуру на забое в две тысячи (!) градусов, а из глубины раздавались вопли тысячи страдающих душ…» Некоторые издания даже говорили, будто из скважины вылетали жуткие чудовища, а то и черти, поэтому бурение было приостановлено. Конечно, советские ученые опровергли эту чушь.

Действительно, скважина СГ–3 бурилась не для того, чтобы искать преисподнюю.

На Кольской сверхглубокой впервые в мире были получены данные о минеральном и петрографическом составе и физико-химических свойствах горных пород на глубинах свыше 10 километров. Эти данные имеют неоценимое значение для прогноза открытия месторождений полезных ископаемых вообще и конкретно на Кольском полуострове. Понятно, что чем глубже скважина, тем труднее доставать керн, – на большой глубине керн, вырубленный из массива и освобожденный от огромного давления вышележащей многокилометровой толщи пород, как бы взрывается: обычно при этом сохраняется лишь 5–10% выбуренного керна. Поэтому пришлось создавать специальные колонковые снаряды.

* * *

Кольская сверхглубокая скважина вскрыла горные породы, возраст которых свыше 2,8 миллиарда лет. Было установлено, что породы глубоких горизонтов земной коры, традиционно считавшиеся «мертвыми», формировались при активном участии биологических процессов, и в них были обнаружены два источника углекислого газа, окаменелые остатки растений и микроорганизмов. Таким образом, подтверждена гипотеза академика В. Вернадского о наличии на Земле докембрийских биосфер. Интересно, что образцы керна, поднятые с глубины 3 км, полностью совпали с образцами лунного грунта: некоторые ученые даже выдвинули гипотезу, что Луна – осколок Земли, оторвавшийся от нее около 1,5 млрд лет назад.

Опыт бурения скважины показал, что для современного уровня техники и технологии бурения глубины 12–15 км пока являются предельными, хотя эксплуатационное бурение на нефть и газ возможно до 10–12 км. Однако разведка и добыча полезных ископаемых на больших глубинах сегодня – это уже не прожект, а настоятельная потребность человечества, поэтому за сверхглубоким бурением большое будущее, особенно на шельфе морей и океанов. Бурное развитие науки и техники позволит более широко использовать его для новых геологических открытий и приблизит получение ответа о происхождении Земли.

Энгель ЗАЙНЕТДИНОВ

Миниахмет МУТАЛЛОВ