Путешествие к центру Земли: история Кольской сверхглубокой скважины

Бросив себе очередной вызов, люди решили проникнуть и в земные недра — так глубоко, как никогда ранее. В 1970 году в СССР началось сооружение 15-километровой скважины, которая должна была вплотную приблизиться к границе Мохоровичича — условного слоя, разделяющего земную кору и мантию.
Рассказ об уникальном советском проекте по изучению непознанного, трудностях при его реализации и сделанных в процессе открытиях, шокировавших ученых.

О структурном устройстве Земли все наверняка еще помнят из школьного курса географии. В центре расположено ядро с твердой железо-никелевой серединой, окруженной жидкой расплавленной оболочкой. Достичь его невозможно сейчас и вряд ли станет реально в сколь-нибудь обозримом будущем. Выше ядра находится мантия, состоящая преимущественно из вязких силикатных пород, богатых железом и магнием. Сверху все это богатство прикрыто относительно тонкой и твердой земной корой.

На континентах земная кора толще, чем под океанами. Она складывается из гранитного и базальтового слоев и присыпана осадочными породами. В основе же океанических бассейнов — лишь осадочный и базальтовый слои, гранитный отсутствует, что делает мантию достижимой мечтой всех геологов. Этим обстоятельством и решили воспользоваться американцы в самом начале 1960-х.

В 1961 году в активную фазу вошел проект «Мохол». Его целью было пробурить в Тихом океане рядом с мексиканским островом Гуадалупе скважину, которая прошла бы через земную кору и достигла границы Мохоровичича. В рамках экспериментального этапа проекта весной 1961-го американцы пробурили пять пробных скважин, глубочайшая из которых достигла 180 метров под дном океана. Это был уникальный опыт, доказавший, что даже с плавучей незакрепленной платформы, под которой находилось 3,5 километра воды, бурение принципиально возможно.

Впрочем, на пути беспрецедентных научных успехов США стал Конгресс страны, отказавшийся в конечном итоге финансировать дорогостоящий «Мохол». Его цели, какими бы фундаментальными они ни были для человечества, оказались совершенно непонятны сенаторам и конгрессменам. Впрочем, эстафету у Соединенных Штатов тут же подхватил их заклятый враг — Советский Союз.

На фоне яростной космической гонки и прочего противостояния во всех возможных сферах жизни СССР не мог, разумеется, остаться равнодушным к достижениям американцев. В 1962 году Никита Хрущев утвердил научную программу «Изучение недр Земли и сверхглубокое бурение».

Была поставлена задача соорудить скважину, которая достигла бы семикилометровой глубины. Причем сделать это предполагалось не в океане, а на континенте, что существенно усложняло проект. При этом геологи предполагали, что увеличение стоимости и продолжительности работ компенсируется несравнимо более ценными научными результатами.

Площадкой для реализации эксперимента был выбран Кольский полуостров. Этот самый север европейской части страны располагается на Балтийском щите. Данное образование сложено из древнейших пород и к тому же подверглось сильной эрозии. Осадочный слой здесь оказался минимальным, а во многих местах гранит земной коры выходит прямо на поверхность. Это должно было облегчить работу буровиков, первой целью которых было прохождение гранитов и достижение границы Конрада, то есть кровли базальтового слоя коры, за которым уже находилась мантия. Предполагалось, что базальт начинается на глубине 6—7 километров. Впоследствии проектная глубина скважины выросла в два с лишним раза — до 15 километров.

В конце 1960-х геологи, отвечавшие за проект, обосновались на севере Мурманской области, в 10 километрах от города Заполярный у озера с невероятным названием Вильгискоддеоайвинъярви. После подготовительной стадии, в мае 1970-го, бурение Кольской сверхглубокой скважины началось.

Как происходит стандартное бурение какой-нибудь средней скважины, скажем, для нефтегазового комплекса? Двигатель буровой установки, расположенной на поверхности, вращает колонну стальных труб, в нижней части которой находятся долота с одной или несколькими буровыми коронками, армированными твердыми сплавами или алмазами. Одновременно в формируемую скважину закачивается специальный буровой раствор. Это особая сложносоставная глинистая смесь, выполняющая множество важных функций. Во-первых, она охлаждает породоразрушающий инструмент, во-вторых, ее давление обеспечивает дополнительную устойчивость стенкам буровой колонны, в-третьих, эта смесь, возвращаясь на поверхность, выносит с собой шлам, мелкие частицы породы.

Бурение сверхглубоких скважин имеет свои характерные особенности, значительно усложняющие его. В первую очередь, необходимо уменьшить вес многокилометровой колонны буровых труб. Для этого вместо стальных труб на Кольском полуострове использовали трубы из легких алюминиевых сплавов.

По мере увеличения глубины скважины растет и горное давление, обусловленное весом породы. Чтобы компенсировать его и обеспечить устойчивость колонны трубы, модифицируется состав бурового раствора. Наконец, вместо двигателей на поверхности, обеспечивающих функционирование всего механизма, используются специальные турбины, которые расположены непосредственно у буровых коронок и приводятся в движение давлением раствора.

В среднем скорость бурения Кольской сверхглубокой составляла около 1—3 метров в час. По прохождении приблизительно десятка метров буровую колонну приходилось поднимать на поверхность для извлечения керна, цилиндра горной породы, образующегося в полой буровой трубе по мере ее углубления.

Именно керн представлял особый интерес для геологов, а его изучение позволило сделать выводы о внутренней структуре земной коры. По мере роста длины скважины росло и время, которое требовалось для спуско-подъемных операций.

До глубины в 7 километров работы по бурению Кольской сверхглубокой скважины проходили в более-менее штатном режиме. Далее ученые прогнозировали окончание стабильного гранитного слоя и границу Конрада — переход в нижний слой земной коры, базальтовый.

При этом в своих предположениях геологи основывались на резком увеличении скорости сейсмических волн после семикилометровой отметки, что означало принципиальное изменение состава горной породы. Оно действительно произошло, но полученные результаты анализа керна оказались совершенно неожиданными.

Ранее ученые предполагали, что ниже гранитов находится еще более плотная порода. Вместо этого они обнаружили высокопористую многокилометровую зону с кавернами и большим содержанием водорода, к тому же пропитанную водным раствором.

Это было совершенно феноменальное открытие, абсолютно не согласовывавшееся с прежними представлениями об устройстве земной коры, по крайней мере на этом участке Балтийского щита. Вместе с научным шоком изменение условий бурения принесло и тяжелые проблемы.

Во-первых, начала расти температура в скважине. На отметке в 7 километров она составляла 120°С, а к 12 километрам достигла уже 230°С. Оборудование, не рассчитанное на подобное пекло, стало часто выходить из строя. Кроме того, даже во время прохождения однородных прочных гранитов и тем более после попадания в зону каверн и трещин скважина стала отклоняться от вертикали. Тонкая многотонная нить длиной 12 километров и диаметром 92 сантиметра на поверхности и 21,5 сантиметра в нижней части стала искривляться. К 12-му километру отклонение от вертикали составило 840 метров. Ствол колонны периодически обрывался, и восстановить его целостность на такой глубине не представлялось возможным. Приходилось начинать бурение заново от последнего целого участка. В конечном итоге Кольская скважина превратилась в систему из нескольких скважин, чем-то напоминающую корневую систему дерева.

В октябре 1976 года вместо серийной буровой установки «Уралмаш-4Э», работавшей до глубины в 7 километров, на площадке Кольской сверхглубокой была смонтирована новая уникальная буровая «Уралмаш-15000», которая и должна была достичь красивой цифры. Должна была, но не достигла.

Тем не менее к этому моменту научный проект превратился в солидное предприятие. Высота буровой вышки составила 68 метров, вокруг нее разместились научные лаборатории, кернохранилище и ремонтно-механический завод — целый научный городок.

6 июня 1979 года случилось первое историческое событие. Буровики отрапортовали о достижении отметки в 9584 метра. Кольская скважина стала самой глубокой скважиной в мире, превзойдя американскую нефтяную рекордсменку «Берту Роджерс» (9583 метра). Буровой мастер Федор Атарщиков сделал в вахтенном журнале торжествующую запись: «Забой — 9584 метра. „Берта Роджерс“, чао, гуд бай».

В начале 1980-х произошло и второе историческое событие. Кольская сверхглубокая прошла 11 022 метра, обойдя Марианскую впадину. На такую глубину внутрь собственной колыбели человечество еще не забиралось.

В сентябре 1984 года была достигнута глубина в 12 066 метров, и тут случился очередной обрыв буровой колонны. Это была настоящая трагедия для буровиков, ведь им пришлось начинать все практически заново, все с тех же 7 километров, вновь и вновь проходя трещины и каверны нижнего слоя земной коры на сложнейшем пути к центру Земли.

В 1990 году мастера дошли до отметки в 12 262 метра, но их опять ждал обрыв колонны, от которого научный коллектив уже не оправился. Практически полное прекращение финансирования проекта на фоне распада Советского Союза и последовавших за ним «лихих» девяностых убило уникальный объект. Сначала его лишь законсервировали, оставив людям, работавшим над делом всей жизни целых 20 лет, надежду на его реанимацию, а в 2008 году объект «Кольская сверхглубокая скважина» был окончательно закрыт.

Буровое оборудование было демонтировано, а буровики уехали зарабатывать к более благодарным «хозяевам» из нефтянки. Ученые поначалу остались, но бессмысленное существование в Заполярье в конце концов вынудило отправиться на Большую землю и их. Инфраструктура объекта, покинутого людьми, под ударами суровой северной погоды стала быстро деградировать. Что не добила природа, разворовали люди.

Так сейчас выглядит заваренный ствол 12-километровой нити, будто иголкой пронзающей Землю на невиданную ранее глубину.

Несмотря на трагическую судьбу уникального проекта, Кольская сверхглубокая и по сей день остается самой глубокой скважиной планеты, хотя по общей длине ее уже превзошла одна из скважин российского нефтегазового проекта «Сахалин-1». Ее бурили под острым углом к поверхности, достигнув отметки в 12 700 метров, но в длину, а не в глубину.

Научные же достижения двадцатилетней работы переоценить сложно. Да, из-за недостатка финансирования и технических проблем буровикам так и не удалось достигнуть плановой глубины в 15 километров. Но ученые все равно получили ценнейшую информацию о внутреннем устройстве планеты, которая порой переворачивала их устоявшиеся представления о нем. Когда во время Международного геологического конгресса, проходившего в Москве в 1984 году, у одного из научных руководителей проекта члена-корреспондента АН СССР Владимира Белоусова спросили, что же самое главное показала Кольская скважина, ученый честно ответил: «Главное, она показала то, что мы ничего не знаем о континентальной коре».

Безусловно, когда-нибудь мировое сообщество вновь займется сверхглубоким бурением, чтобы все-таки узнать все и о континентальной, и об океанической коре. Когда-нибудь оно достигнет и границы Мохоровичича и впервые в своей истории получит в распоряжение материал мантии Земли. На фоне стагнации в покорении космоса своя родная планета наверняка еще способна удивить человечество. И главный шаг на этом долгом пути был сделан в Советском Союзе, 30 лет назад, в заполярной лесотундре Кольского полуострова у озера с невероятным названием Вильгискоддеоайвинъярви.