10 761
Что мешает пробурить скважину до центра Земли и узнать, что там находится? О строении космоса мы знаем гораздо больше, чем о том, как устроен Земной шар. Хотя попытки проникнуть вглубь Земли предпринимались не раз. Первые две сверхглубокие скважины были пробурены в штате Луизиана в Северной Америке. Руководители проекта оборудовали скважину обсадными трубами метрового диаметра, уходящими на глубину 1 км, с тремя мощными автоматическими аварийными затворами. Рядом с буровой расположили специальный бетонозавод, который в случае аварии подавал бы быстротвердеющий раствор в обсадную трубу. До глубины в 9 км проходка шла как обычно. Но глубже столкнулись с увеличивающимся внутренним давлением, из скважины стал выделяться сероводород. Бурильщики шутили, что добурили до преисподней. С глубины 9,6 км из скважины пошла расплавленная сера, и проходчики начали терять сознание. Аварийные затворы закрылись. А бетонный завод обеспечил подачу спецраствора в обсадную трубу, и скважину удалось заглушить.
В СССР так же пытались пробурить несколько сверхглубоких скважин, но отечественных бурильщиков постигла та же печальная участь. Во время бурения скважины «Кумжа-9» на реке Печора в Архангельской области с глубины 7 км неожиданно ударил мощный фонтан из газа, нефти и бурового раствора. Да так сильно, что бур просто «влетел» в зону аномально высокого пластового давления. Трубы от буровой установки разлетелись, как макароны из кастрюли. Тут же ударил факел высотой 150 метров. Попробовали погасить факел танками – неудачно. Фонтан гудел, как реактивный двигатель. В итоге его удалось погасить лишь с помощью подземных ядерных взрывов. Для этого пробурили наклонную скважину в сторону аварийного ствола. Подвели по ней ядерный фугас и на глубине 1,5 км взорвали. Образовалась подземная камера, и зона бокового давления перекрыла ствол скважины.
Самую сверхглубокую скважину – СГС-3 глубиной 12,3 км – пробурили на Кольском полуострове в районе поселка Никель. Работы проводил специальный институт геофизики с общим числом сотрудников 5000 человек, а на самой шахте в советские годы трудилось 520 человек. Расчетная глубина бурения была установлена в 30 км. До 7 км бурение шло в обычном режиме. Сюрпризы начались на глубине 7,5 км, температура там, где бур непосредственно соприкасался с базальтом, взросла до 100°С, а плотность образцов, поднятых на поверхность, снизилась на 20%. Геохимики обнаружили в породе различные газы – водород и гелий, а биологи – неизвестные бактерии. Эти бактерии, извлеченные в кислородную атмосферу, погибали, и потому их назвали аэрофобные (боящиеся воздуха). Вдруг бур заклинило намертво, тогда приступили к проходке второго ствола. На глубине 8 км температура поднялась до 120°С, а керны стали пористыми, количество бактерий возросло. Обычные стальные трубы заменили на новые, изготовленные из высокопрочной стали, бур сделали из молибдена, зерна алмаза заменили на искусственный материал эльбор, который превосходил алмаз по огнеупорности, прочности и твердости. Наконец, ствол скважины достиг глубины 12240 м. Бур снова заклинило, станок замолчал.
Немного о характеристиках буровой установки ("Уралмаш-15000"). Буровая колонна ниже 2000 метров была собрана трубами из лёгких алюминиевых сплавов (стальная просто разорвалась бы от своего веса). Вес колонны около 200 тонн.
Турбобур — турбина длиной 46 метров, действующая от давления бурового раствора, вращает буровую коронку (долото).
Керноприёмник — съёмная труба внутри турбобура, служащая для забора образцов породы (керна).
Использовались обычные буровые коронки из твёрдого сплава. Одна коронка служит приблизительно 4 часа, за это время удаётся пробурить 7—10 метров. На спуск и подъём колонны уходит до 18 часов. При этом колонна разбирается на секции из нескольких труб.
Первые 7 километров сложены вулканическими и осадочными породами: туфами, базальтами, брекчиями, песчаниками, доломитами. Глубже лежит так называемый раздел Конрада, после которого скорость сейсмических волн в породах резко увеличивается, что раньше интерпретировалось как граница между гранитами и базальтами. Этот раздел на Кольской скважине 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, согласно которой под гранитоидной корой материков должна находиться базальтовая кора, в которой материки, согласно теории тектоники плит, движутся по поверхности планеты. Сейсмические разделы в недрах планеты оказались не границами слоев из пород разного состава. Скорее они указывают на изменение свойств камня с глубиной. Поднятый на поверхность с 12-ти километровой глубины образец оказался не базальтом, как ожидалось по теории, а гранитом.
Прежде думали, что с удалением от поверхности земли и ростом давления породы становятся более монолитными, количество трещин в них уменьшается. Но скважина показала обратное – начиная с 9 км, толщи оказались очень пористыми и буквально напичканы трещинами, по которым циркулировали водные растворы. На глубине температура оказалось выше, чем рассчитывали: +80°С. На отметке 7 км температура в забое была 120°С, а на 12 км – +230°С. В образцах Кольской скважины ученые обнаружили золотое оруденение. Вкрапления драгоценного металла находились в древних породах на глубине 9,5–10,5 км (в среднем 37,7 мг золота на тонну породы).
Сколько научных открытий состоялось на Кольской сверхглубокой! Буквально каждый метр был откровением. Скважина показала, что почти все наши прежние знания о строении земной коры неверны. Выяснилось, что Земля вовсе не похожа на слоеный пирог. До 4 километров все шло по теории, а дальше началось светопреставление - теоретики обещали, что температура Балтийского щита останется сравнительно низкой до глубины по крайней мере 15 километров. Соответственно, скважину можно будет рыть чуть ли не до 20 километров, как раз до мантии. Но уже на 5 километрах окружающая температура перевалила за 70°С, на семи – за 120, а на глубине 12-ти км жарило сильнее 220°С, что на 100° выше предсказанного теоретиками! Результаты поставили под сомнение теорию послойного строения земной коры – по крайней мере, до 12 262 метра.
В школе нас учили: есть молодые породы, граниты, базальты, мантия и ядро. Но граниты оказались на 3 километра ниже, чем рассчитывали. Базальтов вообще не нашли. Все бурение прошло в гранитном слое. А ведь с теорией послойного строения Земли связаны все наши представления о возникновении и размещении полезных ископаемых. На глубинах, где считалось, что нет органики, обнаружили 14 видов микроорганизмов – возраст глубинных слоев превышал 2,8 миллиарда лет. На еще больших глубинах, где уже нет осадочных пород, появился метан в огромных концентрациях. Это полностью разрушило теорию биологического происхождения углеводородов, таких как нефть и газ.
Совершенно неожиданно для всех подтвердились прогнозы Алексея Толстого из романа «Гиперболоид инженера Гарина». На глубине свыше 9,5 километров обнаружили настоящую кладезь всевозможных ископаемых, в частности золота – настоящий оливиновый слой, гениально предсказанный писателем.
Проблемы на немецкой сверхглубокой скважине на юго-востоке Баварии, заложенной на остатках древней горной цепи возрастом в 300 млн. лет, начались после достижения глубины 7 км: в конце работ забой отклонился от вертикали на 300 м. Так же как и на Кольской, приходилось бурить новые стволы. Температура в скважине на глубине была 270°С, и это вынудило прекратить работы, не достигнув заветной цели. На предельной для бурения глубине залегали главным образом амфиболиты и гнейсы – древние метаморфические породы. Зоны перехода гранитоидной коры в гнейсовую здесь также не обнаружили.
В США продолжают глубинное бурения дна океанов 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 разлом Североамериканского континента начали в июне 2004 года и прошли 2 из 3 запланированных километров. Уже сейчас добыча нефти и газа в США с глубин 6–7 км стала обычным делом. Тюменская сверхглубокая скважина показала, что в 7 километрах от поверхности есть перспективные для газовых месторождений толщи пород.
Одно из самых удивительных открытий, которое 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 в недрах литосферы. По некоторым подсчетам, масса микроорганизмов, обитающих под землей, может даже 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 тогда невостребованной – в нее просто не поверили. Тогда считали, что жизнь – это лишь тонкая пленка на поверхности планеты.
В 1980 г. 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 и дальше вглубь отбирали образцы, соблюдая при этом всевозможные меры предосторожности, чтобы не занести бактерии и воздух с поверхности Земли. Изучением образцов занимались несколько независимых лабораторий, их результаты показали, что глубоких толщах обитали анаэробные бактерии, которые не нуждаются в кислороде.
Бактерии нашли и в породах золоторудной шахты в Южной Африке на глубине 2,8 км, где температура составляла 60°С. Они живут 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 на большой глубине оказались пористыми, насыщенными водными растворами.
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, по-видимому, ювенильные воды. Американский геолог Томас Голд считает, что магнетито-масляная паста на глубине 4–5 км – это не что иное, как продукт жизнедеятельности бактерий, которые питаются поступающим из мантии метаном.
Пределы выносливости литосферных бактерий изумляют, но похоже, что нижнюю границу их обитания все-таки устанавливает температура недр. Они могут размножаться при 110°С и выдерживать, хоть и короткое время, температуру в 140°С. Под океанским дном температура растет не так быстро, и нижняя граница жизни там может пролегать на глубине 7 км. Это означает, что биосфера Земли не может быть полностью уничтожена даже в случае самых серьезных катаклизмов, а на планетах, лишенных атмосферы и гидросферы, микроорганизмы вполне могут существовать в недрах.
Катрина Эдвардс (Katrina Edwards) со своими коллегами обнаружили, что на обнаженных твердых породах на дне глубоководных впадин в океане обитает в 3–4 раза больше бактерий, нежели в водных слоях океана. Жизнь может существовать в холодной темной и каменной среде, считает Сантелли: "Однако мы не ожидали найти такое обилие микробной жизни на больших глубинах". Пораженные присутствием огромного разнообразия микроорганизмов, исследователи пришли к выводу, что богатая микробная жизнь присутствует на всей поверхности океанского дна. Это открытие подтверждает теорию о том, что бактерии выживают благодаря эндогенной энергии, исходящей из глубин Земли – "процесс, который значительно дополнит наши знания о глубинном углеродном цикле и развитии жизни на земле", говорит Катрина Эдвардс.
К настоящему времени в мире существует несколько десятков сверхглубоких скважин. Вот наиболее известные из них: Берта-Роджерс, США, – 9 583 м. Бейден-Юнит, США, – 9 159 м. КТВ Hauptbohrung, Германия – 9 100 м. Юниверсити, США – 8 686 м. Цистердорф, Австрия – 8 553 м. Бигхорн, США, Вайоминг – 7 583 м. Сильян Ринг, Швеция – 6 800 м. Глубже Кольской (и то совсем ненамного) только скважина в Одопту, пробуренная компанией Еxxon Neftegas Limited (ENL) в конце 2010 - начале 2011 года (глубина 12 345 м) и скважина, пробуреная компанией Transocean для Maersk Oil в 2008 году в Катаре, в нефтяном бассейне Аль-Шахин, глубиной 12 289 метров.
Сверхглубокое бурение позволило заглянуть в недра и понять, как ведут себя горные породы при высоких давлениях и температуре. Представление о том, 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 скважины. Другие скважины в древних кристаллических толщах подтвердили факт, что на многокилометровой глубине горные породы разбиты трещинами и пронизаны многочисленными порами, а водные растворы (в науке называемые сверхкритическими флюидами) достаточно свободно движутся под давлением в несколько сот атмосфер. Учитывая информацию о состоянии недр, полученную в ходе сверхглубокого бурения, проекты создания могильников радиоактивных отходов в глубоких желобах океана ныне выглядят весьма рискованными. Согласно теории тектонических плит, в месте этих желобов океаническая плита "подсовывается" под материковую, и помещенные в такой желоб радиоактивные отходы в контейнерах должны были бы тоже "подсовываться" под материковую плиту и таким образом хорониться на значительной глубине. Но оказалось, что на самом деле никакие плиты в желобах друг под друга не подсовываются.
403
111 055
43 650