В 2018 году на экраны вышел фильм датского режиссера Ларса фон Триера под названием «Дом, который построил Джек». В последней части этого произведения, обозначенной как «Эпилог: Спуск», показана сверхглубокая Кольская скважина в качестве символического примера стремления Советского Союза осуществить попытку проникновения в ад. Хотя конкретное имя колодца в ленте не называется, его образ вполне узнаваем для тех, кто знаком с историей.
Оттуда грешники кричат: почему закрыли сверхглубокую Кольскую скважину
Система сверхглубоких буровых скважин, разработанная в СССР, была инсталлирована в начале 1960-х годов. Эта скважина занесена в Книгу рекордов Гиннесса как самое глубокое проникновение человека в земную кору на тот момент.
В данный момент власти Мурманской области рассматривают возможность восстановления сверхглубокой Кольской скважины, уникального объекта советского времени, который позволяет ученым извлекать образцы горных пород с глубины более 12 километров. К сожалению, в настоящее время весь технический комплекс скважины пришел в упадок. Планы местных властей включают не только ремонт скважины, но и привлечение туристов в Печенгский район. Система сверхглубокого бурения была задумана в СССР в начале 1960-х годов, а Кольская скважина стала третьей в последовательности. В процессе работы советские ученые сделали множество открытий о составе земной коры, однако сущность такой масштабной работы вызывает вопросы: почему же 1992 год стал годом остановки всех работ и заброса скважины? На эти и другие вопросы искали ответ эксперты в программе «Тайны человечества» с Олегом Шишкиным на телеканале РЕН ТВ.
Подземные глубины
Исследования земных недр осуществляются учеными при помощи специализированного оборудования. Например, оборудование геофизических научных судов позволяет создавать трехмерные карты морского рельефа и бурить скважины для извлечения ресурсов на глубине около 2,5 километров. Метод бурения на сверхглубоких водах был разработан советскими исследователями во второй половине 20-го века, при этом Кольский полуостров был выбран в качестве тестовой площадки для осуществления этого проекта. В мае 1970 года в Мурманской области стартовали работы по созданию скважины.
«Кольская скважина, о которой идет речь, стала важным советским экспериментом, в первую очередь, для достижения так называемой границы Конрада, которая представляет собой раздел между гранитным и базальтовым слоями. Но также её целью было завершение исследований по глубокой границе, отделяющей земную кору от мантии, предполагаемой на глубине приблизительно 15 километров», — поясняет геофизик Виктор Верхоянский.
Происхождение нефти
В 1997 году Кольская скважина была официально занесена в Книгу рекордов Гиннесса как самое глубокое проникновение человека в земную кору. В процессе своего существования она позволила исследователям сделать множество научных открытий, которые опровергли ряд прежних предположений. Особенно это касается вопросов происхождения нефти. Существовало мнение, что нефть образуется из остатков органических существ, попадая под воздействие специфических факторов. Однако на глубине восьми километров в скважине «Кола» было обнаружено наличие нефти, но никаких органических остатков не было найдено.
«Скорее всего, нефть поступает из газообразных включений в земной коре, что может происходить как благодаря мантийным флюидам, так и из состава самой земной коры. Важно отметить, что в данной теории отсутствует упоминание о живых организмах», — отмечает Виктор Верхоянский.
В процессе работы исследователи выделили 12 уровней в скважине, которые различаются по своим физическим свойствам. Глубокие уровни, как правило, обладают более высокой изотропией — это означает их однородность, тогда как на средних слоях анизотропия указывает на тектоническую активность.
Зачем нужны скважины?
Вторая половина 20 века היהомлась эпохой ускоряющейся урбанизации, формирования «общества потребления» и быстрого технологического прогресса. Научные исследования, внедрение новых технологий и автоматизация производства стали определяющими факторами экономического роста и развития. Особенное внимание уделялось наукоемким отраслям, таким как электроника, ядерная энергетика и космические исследования. В связи с этим возросла важность сырьевых ресурсов и увеличилось использование алюминия, титана, нефти и газа.
В этой связи изучение глубинного строения земной коры стало крайне важным для дальнейшего развития таких отраслей, как горнодобывающая. Кроме того, человечество могло рассчитывать на получение ответов на многие вопросы, связанные с формированием планеты и образованием месторождений полезных ископаемых.
Поэтому подобные бурения проводились во всех уголках мира. Тем не менее, лишь советским инженерам удалось преодолеть глубину в 12 262 метра. Например, в США тогда средняя глубина бурения составляла около 9 600 метров, а американцы использовали буровые установки с давлением закачки от 50 МПа.
При этом советские специалисты разработали новые технологии, которые позволили им осуществить бурение на запланированную глубину, используя установки меньшей грузоподъемности — 5 МН — и насосы с давлением 40 МПа.
Германия также стремилась повторить рекорды советских ученых на Кольском полуострове, однако бурение было прервано из-за аварий и технических сложностей. В конечном итоге, в 1992 году работы по Кольской сверхглубокой скважине также были остановлены.
Фишка советской технологии заключается в использовании передового метода бурения — турбинного, при этом применялись долота, сделанные из алюминиевого сплава. Это направление было создано на «Уралмашзаводе» в Свердловске (ныне Екатеринбург).
Были выработаны и внедрены специализированные инструменты, предназначенные для разрушения горных пород, а также погружные двигатели, свойства которых соответствуют условиям глубины. Например, фрезы получили герметичные, маслонаполненные подшипники, а турбокомпрессоры были оснащены редукторами, работающими в диапазоне оптимальных скоростей.
Также было разработано и внедрено оборудование, позволяющее контролировать функционирование турбобура, без которого стало невозможно выполнять бурение на глубину превышающую 8-9 километров. В результате появилось высокопрочные трубы (с пределом герметичности до 500 МПа) и термостойкие трубы (до 200°C), которые обеспечивают практически беспрепятственное функционирование при высоких скоростях входа и выхода инструмента из скважины.
Анализ данных сверхглубокого бурения
Кольский полуостров преимущественно состоит из докембрийских кристаллических пород, аналогичные которому распространены в Финляндии, Швеции и Норвегии. Геологи потратили множество лет на тщательное изучение геологического строения региона.
В начале 1960-х годов возникла необходимость в глубоких исследованиях недр Земли. В этот период в СССР и США бурение на глубину от 7 до 9 километров осуществлялось для поиска нефти и газа в осадочных бассейнах. Однако такие бурения не дали желаемых результатов по изучению структуры и состава глубинной коры.
В 1965 году разрабатывается комплексная научно-техническая программа по изучению глубинного строения земной коры. В ней была обозначена задача бурения трансгрессивных Кольской и Саатлинской скважин как первоочередная.
Аналогичная программа также появлялась в США — проект Mohole, который реализовывался Национальным научным фондом США, однако американцы проявили больший интерес к бурению под земной корой Тихого океана. Ученые данной программы исходили из предположения, что толщина морского дна до поверхности Мохоровича, границы между корой и мантией Земли, гораздо меньше, чем на суше. Сам проект получил свое название в честь Андрия Мохоровичича, исследовавшего кору и мантию.
Для заболеваний выбрали участок глубиной 3,5 километра рядом с островом Гвадалупе. Всего было пробурено 5 пробных скважин, их максимальная глубина составила 180 метров. Однако проект был свёрнут из-за затраты средств.
В начале 1970-х годов закончились подготовительные работы по бурению сверхглубокой Кольской скважины, и в мае 1970 года стартовало бурение СГ-3. За 10 лет глубина скважины достигла 10,7 километра. Для организации бурительных работ была создана Миссия по геологическому изучению Кольского комплекса для глубокого бурения, которую с 1992 года под руководством Дэвида Губермана преобразовали в Кольский научно-производственный центр глубоководного бурения (НЦГБ).
В это время была получена уникальная геологическая и геофизическая информация о структуре Балтийского щита. На основе изучения минерально-геохимического состава образцов керна и проведения серии геофизических исследований скважин были сформированы данные о вещественном составе и физических характеристиках глубинных пород, значительно отличающихся от ранее доступных секционных моделей, основанных на геофизических данных до начала бурения.
Эти данные крайне важны для прогнозирования скрытых месторождений железной руды, меди, никеля, слюды и других редких металлов, не только на Кольском полуострове, но и в других старинных горных массивах.
На их основе была осуществлена интерпретация геофизического материала, что сыграло важную роль в решении тектонических задач геологии. Больше того, был сделан вклад в разработку тепловой модели, учитывающей фактический вклад эндогенных тепловых процессов.
Завершение бурительных работ на Кольской скважине на глубине 13 000 метров было задумано для создания уникальной исследовательской лаборатории, направленной на изучение процессов, происходящих в земной коре, осуществление длительных наблюдений за температурными изменениями, изучение условий для захоронения промышленных отходов на больших глубинах, совершенствование методов и оборудования, необходимых для проведения геолого-геофизических, геохимических и гидрогеологических исследований.
Также стоит упомянуть, что американские учёные также пытались достичь нижних слоев земной коры. В конце 1950-х годов они пробурили скважину в Тихом океане на глубину 3,5 километра.
Балтийский щит
В начале 1960-х годов стали разрабатываться программы, позволяющие проводить исследования в глубь Земли и одновременно пересекать несколько стран. Внимание ученых обращено на бурение в местах, где кора была тоньше. Цель состояла в том, чтобы преодолеть пределы мантии Земли. Например, американцы бурили вокруг острова Мауи на Гавайях, где сейсмическими методами определили, что древние породы выступают из-под морского дна, с мантией Земли, находящейся примерно на пяти километрах ниже уровня воды. Однако ни один океанский бур не смог развиться на глубину более трех километров. В целом, большинство проектов по сверхглубокому бурению внезапно оказывались остановлены на отметке в три километра. В этот момент с буровиками происходили странные случаи: они неожиданно сталкивались с горячими участками или имели других вмешателей. Лишь 5 скважин смогли пробурить глубину более 3 километров. Четыре из них были советскими. Кольская сверхглубокая скважина, в свою очередь, преодолела глубину 7 километров.
Тем не менее, оригинальные проекты включали в себя подводное бурение, для которого были выбраны Каспийское море или озеро Байкал. Однако в 1963 году ученый-географ Николай Тимофеев убедил Государственный комитет СССР по науке и технике, что необходимо осуществить бурение на континенте. Хотя такие работы займет значительно больше времени, он считал, что исследования на континенте будут полезнее с научной точки зрения, поскольку основные геологические процессы происходили в глубь континентальных плит в доисторические времена. Место для сверхглубокого бурения на полуострове Кола было выбрано не случайно — он входит в состав так называемого Балтийского щита, состоящего из самых древних пород, известных человечеству.
Поперечный срез Балтийского щита длиной несколько километров служит наглядным свидетельством истории планеты на протяжении последних 3 миллиардов лет. Ученые стремятся «прочитать» эту историю при помощи исследований, основанных на результатах сверхглубокой Кольской скважины.
Покорительница глубин и самая глубокая скважина в мире
Внешний вид колодца в Кольской скважине оказался разочаровывающим для многих людей. Он не напоминал того, что обычно ожидается от шахт. Вместо этого подземной шахты была лишь скважина диаметром чуть более 20 сантиметров, уходящая вглубь земли. Визуально участок сверхглубокой Кольской скважины напоминал крошечную иглу, колющуюся в толщу земли. Буровые машины, оснащенные множеством датчиков на кончике иглы, поднимались и опускались в течение нескольких дней. Однако скорость их движения была ограничена: прочный композитный кабель рисковал сломаться под собственным весом.
Что происходит на глубине, оставалось неизвестным. Параметры, такие как температура окружающей среды и шум, передавались на поверхность с минутной задержкой. Тем не менее, буровики сообщали, что даже такой контакт с землей может быть пугающим. Звуки, доносящиеся снизу, напоминали крики и воевание. Существует также длинный список аварий, которые произошли на глубине 10 километров в Кольской сверхглубокой скважине. Дважды бур выходил запрессованным, хотя температура расплавления находилась на уровне, сопоставимом с температурой поверхности Солнца. Порой обстоятельства складывались так, что бур, казалось, был вырван и перерезан снизу. Когда затем в этом же месте проводили новое бурение, следов кабеля не находили. Причины этих и многих других несчастных случаев до сих пор остаются загадкой. Однако они не привели к прекращению бурительных работ на Балтийском щите.
12 000 метров открытий и немного чертовщины
«У нас самая глубокая скважина в мире — вот как мы ее эксплуатируем,» — с горечью говорит Дэвид Хуберман, бессменный директор Кольского сверхглубокого научно-производственного центра. За первые 30 лет существования Кольской сверхглубокой скважины советские, а затем российские ученые сумели достичь глубины в 12 262 метра. Однако уже с 1995 года работы по бурению были прекращены, так как финансировать проект было некому. Средства, выделяемые в рамках научных программ ЮНЕСКО, едва хватали для поддержания работоспособности буровой станции и исследования добываемых образцов.
Губерман с сожалением вспоминает о многадах научных открытиях, полученных в процессе работ на Кольской сверхглубокой. Каждый метр бурения становится откровением. В ходе работ выяснилось, что практически все прежние данные о структуре земной коры оказались ошибочными. Заметно перемены начали проявляться после глубины четырех километров, когда ситуация начали выражаться не по теории. Теоретики обещали, что температура в Балтынском щите останется относительно низкой хотя бы до глубины 15 километров под поверхностью. Таким образом, бурение могло бы дойти до глубины менее 20 километров, фактически до мантии Земли. Однако уже на глубине 5 километров температура окружающей среды превышала 700°C, на глубине 7 километров — достигала 1200°C, а на глубине 12 километров составляла более 2200°C — на целых 1000°C больше, чем предсказывали ранее. Ученые, работающие на Кольской сверхглубокой скважине, поставили под сомнение теорию о слоистой структуре коры Земли — по крайней мере, на глубине до 12 262 метров. В школе нас учили, что существуют молодые породы, такие как граниты, базальты, мантия и ядро. Но граниты, как оказалось, находились на три километра ниже ожидаемой глубины. Базальты не были вообще обнаружены, все бурение происходило в гранитах. Это открытие имеет важное значение, поскольку оно связано со всеми нашими знаниями о том, где находились полезные минералы, согласно теории слоистой структуры.
Согласно результатам исследований на Кольской суперглубокой скважине, последовательность слоев земной коры включает в себя следующие уровни:
- мета-осадочные и пикритические породы;
- мета-осадочные породы;
- крупные вторжения;
- гнейсы и мигматиты;
- амфиболиты;
- кристаллические сланцы.
Еще одним поразительным открытием стало то, что жизнь на Земле могла возникнуть на 1,5 миллиарда лет раньше, чем считалось. На глубине, которой ранее считали пустой, были найдены 14 видов окаменелых микроорганизмов, возрастом более 2,8 миллиарда лет. В еще более глубоких слоях, где осадочные породы отсутствуют, исследователи обнаружили метан в огромных концентрациях, что полностью опровергает теорию биологического происхождения углеводородов, таких как нефть и газ.
На аудиофорумах тех времен была найдена оригинальная версия записи — фрагменты из фильма ужасов 1972 года «Кровавый барон» (подробнее на сайте kp.ru). Это были крики людей, действительно испытывающих страдания, но в подвалах одного садиста. Так что запись явно имеет земное происхождение.
Цели и задачи, поставленные при бурении СГ-3
Одной из ключевых задач было изучение структуры Печенгского никелевого комплекса и архейских кристаллических пород Балтийского щита в регионе Кольского полуострова, а также уточнение характеристик геологических процессов, в том числе рудообразующих.
Другой целью было уточнить геологическую природу сейсмических границ в континентальной коре и получить новые данные о подповерхностных тепловых режимах, глубоководных растворах и газах.
Кроме того, необходимо было собрать как можно больше информации о вещественном составе и физических характеристиках горных пород, а также вскрыть и изучить пограничную зону между гранитным и базальтовым слоями земной коры.
Важной задачей также стало совершенствование имеющихся методов и разработка новых технологий глубокого бурения, а также методов комплексной геофизической разведки для изучения горных пород и руд на больших глубинах.
Хроника бурения
Кольская сверхглубокая скважина, 2007 год
Бурение началось 24 мая 1970 года и проходило относительно гладко до глубины 7000 метров, вскрывая однородные компактные граниты. Начиная с этой точки, буровая головка стала проникать в менее устойчивые слои, и с увеличением проникновения скважина начала разрушаться, образуя пещеры.
Из-за разрушения буровая установка была заблокирована в скальных образованиях, а при попытке поднять буровую установку ее головка сорвалась. Потерянная ее часть была зацементирована, а сами бурительные работы продолжились с использованием вновь перенаправленного долота. Аналогичные аварии произошли несколько раз, что затянуло процесс бурения на несколько лет и привело к образованию вышки, напоминающей верхушку дерева с большим количеством ответвлений.
6 июня 1979 года скважина побила рекорд, превысив отметку в 9583 метра, ранее принадлежащую скважине Берт Роджерс, расположенной в Оклахоме. В период своего расцвета Кольская сверхглубокая скважина имела в своем распоряжении 16 исследовательских лабораторий, которые находились под непосредственным контролем министра геологии СССР Александра Сидоренко.
В 1983 году бурение достигло глубины 12066 метров, а затем было решено приостановить работы для подготовки к Международному геологическому конгрессу, намеченному в Москве на 1984 год. 27 сентября 1984 года бурение возобновилось, однако во время первой попытки буровая установка вновь сломалась из-за аварийных ситуаций. Бурение было продолжено до глубины 7000 метров.
К 1990 году новая ветка достигла рекорда 12 262 метра. Однако снова произошла поломка буровой установки и уже в 1994 году бурение было обессилено и окончательно прекращено.
Из-за неровностей в породах, геологических нестыковок и ряда других причин скважина составила отклонение от вертикальной буровой головки на максимальной глубине в 840 метров.
В 1991 году Кольская скважина была внесена в Книгу рекордов Гиннесса как самая глубокая скважина в мире.
Буровая установка
Сначала скважина бурилась с использованием установки Уралмаш-4 Е, предназначенной для поиска и разведки нефти и газа. На глубине 7263 метра бурение продолжилось с использованием установки Уралмаш-150002.
К числу нововведений, которыми пользовались, относятся и передовые методы бурения на больших глубинах. Например, бурильная колонна ниже 2000 метров была изготовлена из легких труб из алюминиевого сплава, поскольку стальные трубы не выдерживали бы собственную тяжесть. Буровая установка весила около 200 тонн.
Турбобур длиной 46 метров, приводимый в движение за счет давления бурового раствора, являлся основным инструментом, с применением которого осуществлялось бурение.
Ствол керна, это со своей стороны съемная трубка внутри бурового инструмента, которая использовалась для отбора проб керна.
Различные сердечники изготавливались из обычного твердосплавного типа. На выполнение процесса бурения керна уходило около 4 часов, в течение которых можно было пробурить 7-10 метров. Процесс подъема и спуска буровых установок занимал до 18 часов. Затем буровая установка разделялась на секции с несколькими трубами.
Существующие проблемы, такие как неравномерные трещины в породах, геологические неровности и другие трудности, привели к тому, что скважина отклонилась от вертикальной буровой головки на максимальной глубине на 840 метров.
12 000 метров открытий и немного чертовщины
«У нас есть самая глубокая скважина в мире и вот, как мы ею пользуемся, — с горечью говорит Дэвид Хуберман, бессменный директор Кольского сверхглубокого научно-производственного центра. За первые 30 лет Кольской сверхглубокой скважины советским и затем российским исследователям удалось достичь глубины 12 262 метра. Но с 1995 года бурение остановилось — кто бы мог поддержать проект финансово? Средства от научных программ ЮНЕСКО были недостаточны даже для того, чтобы поддерживать буровую станцию в рабочем состоянии и исследовать извлеченные образцы горных пород.
Губерман с огорчением вспоминает о многих научных открытиях, сделанных на Кольской сверхглубокой. Практически каждый метр представлял собой откровение. Бурение показало, что почти все ранее известные факты о структуре земной коры были ошибочными. Оказалось, что Земля далека от типичной слоистой модели. «До уровня четырех километров всё шло согласно теории, но начиная с этого уровня все пошло иначе», — вспоминает Хуберман. Исходя из предыдущих теорий, температура в Балтийском щите должна была оставаться относительно низкой как минимум до 15 километров под поверхностью. Это означало, что возможны глубины менее 20 километров, достигнув мантии Земли. Однако уже на пяти километрах температура окружающей среды достигала 700°C, на семи километрах — 1200°C, а на уровне 12 километров — более 2200°C — на целых 1000°C выше первоначальных прогнозов. Ученые, задействованные в исследованиях Кольской сверхглубокой скважины, подтвердили, что не научная слоистая структура коры, как принято считать, — по крайней мере, до глубины 12 262 метров. Нам в школе говорили о том, что существует молодая порода, граниты, базальты, мантия и ядро. Но granites оказались на три километра ниже, чем ожидалось. Базальты вообще не были найдены. Всё бурение происходило в гранитных слоях. Это открытие имеет большое значение, поскольку все наши представления о происхождении и местонахождении полезных ископаемых основаны на теории слоистой структуры Земли.
По результатам исследований на глубинах Кольской суперглубокой показатели динамики слоев коры выглядели следующим образом:
- мета-осадочные и пикритические породы;
- мета-осадочные породы;
- крупные вторжения;
- гнейсы и мигматиты;
- амфиболиты;
- кристаллические сланцы.
Еще одно неожиданное открытие: жизнь на Земле могла начаться на 1,5 миллиарда лет раньше, чем считалось ранее. На глубине, которую ранее считали лишенной органических остатков, обнаружены 14 видов окаменелых микроорганизмов возрастом более 2,8 миллиарда лет. Более того, на значительно более глубокой глубине, где осадочные породы уже отсутствуют, исследователи Кольского сверхглубокого месторождения нашли метан в огромных концентрациях. Это полностью опровергло теорию биологического происхождения углеводородов, таких как нефть и газ.
Демоны и ад Кольской сверхглубокой
Среди них возникали почти фантомные ощущения. В конце 1970-х годов, когда советская автоматическая космическая станция вернула на Землю 124 грамма лунного грунта, исследователи Кольского научного центра, работающие в самой глубокой скважине мира, заметили, что эти образцы значительно похожи на те, что были добыты с глубины в три километра. В этот момент родилась гипотеза: Луна, возможно, откололась от Кольского полуострова. В настоящее время они продолжают искать точное место отрыва. Примечательно, что американцы, собравшие полтонны грунта с Луны, так и не смогли извлечь из этого ничего полезного; они просто заполнили его в герметично закрытые контейнеры и оставили для изучения будущим поколениям.
История Кольской сверхглубокой скважины также включает в себя загадки. Официально, как уже было сказано, работы были приостановлены из-за нехватки средств. Однако совпадение или нет, в 1995 году в недрах шахты раздался мощный взрыв неопределенного характера. Языки репортеров финской газеты обратились к жителям Заполярья — и мир поразила история о демонах, вырвавшихся из недр планеты.
«Когда представители ЮНЕСКО спросили меня о подобной загадочной истории, я не знал, что ответить. С одной стороны, это звучало абсурдно. С другой стороны, как честный ученый, я не могу с уверенностью утверждать, что точно знаю, что произошло. Зафиксирован был очень странный звук, за которым последовал взрыв. А через несколько дней на глубине, где это произошло, не было найдено ничего даже удаленно похожего», — вспоминает ученый Дэвид Хуберман, курировавший работы по сверхглубокой Кольской скважине.
Предсказания Алексея Толстого неожиданно подтвердились в романе «Гипербола инженера Гарина», когда на глубине более 9,5 километров была обнаружена настоящая сокровищница минералов всех видов, особенно золота. На самом деле, автор оставил предсказания о находке оливинового слоя, которым содержится 78 граммов золота на тонну. Замечу, что промышленное производство возможно даже при концентрации 34 грамма на тонну. Если человечество сможет извлечь выгоду из этого богатства в ближайшем будущем, то это вполне вероятно благодаря открытиям, сделанным на сверхглубоком Кольском месторождении.
