Кольская сверхглубокая
Введение
Кольская сверглубокая - эти слова всегда вызывали в моей душе чувство гордости за то, что на моей северной земле осуществляется такой грандиозный проект!
Сотни тысяч скважин были пробурены в земной коре за последние десятилетия прошлого века. И это неудивительно, потому что поиск и добыча полезных ископаемых в наше время неизбежно связаны с глубоким бурением. Но среди всех этих скважин есть одна-единственная на планете - легендарная Кольская сверхглубокая (КСГ), глубина которой до сих пор остается непревзойденной - более двенадцати километров.
КСГ строилась с чисто научными целями, однако, на мой взгляд, результаты исследований, которые проводились в ходе бурения, не могут не оказать на социально-экономическое развитие края. Возможно это влияние опосредованно, оно проявится в будущем. Но что это влияние есть, я не сомневаюсь и постараюсь это доказать в данной работе.
Причины выбора местоположения КСГ
Первенец отечественного сверхглубокого бурения заложен в кристаллических породах древнего Балтийского щита на Кольском полуострове - в Печенгском районе Мурманской области.
Почему же выбран именно Кольский?
Посмотрите на карту полуострова. Большими и малыми точками на ней обозначены города и поселки со странными, на первый взгляд, названиями: Апатиты, Никель, Магнетиты, Новый Титан, Слюда... Но ничего странного в этом нет. Кольский полуостров - настоящая сокровищница полезных ископаемых. Словно возмещая людям скупость флоры и фауны, природа щедро одарила неуютную северную землю, упрятав в ее кладовых богатейшие запасы разнообразного минерального сырья.
На Балтийском щите, который охватывает территорию Кольского полуострова, Карелии, Финляндии, часть Швеции и Норвегии, за сотни миллионов лет геологической истории отпечатались, словно шрамы на теле, глобальные всплески и падения магматизма, разрушительные этапы вулканизма, относительно спокойные и длительные времена осадкообразования, метаморфические изменения пород в ходе эволюции Земли. Разгадать природу этих процессов, понять механизмы рудообразования, прочесть «каменную летопись» - значит дать геологической науке и производству такие перспективы, которые трудно даже предвидеть, предугадать. Печенга и является именно той частью щита, где, как в нервном узле, накрепко «завязаны» ведущие геологические факторы, определяющие историю развития докембрийских образований на протяжении 1,5 - 3 миллиардов лет.
Учитывалось, что на Кольском полуострове есть и такое существенное преимущество по сравнению с другими геологическими областями. Неумолимое время многие миллионы лет разрушало поверхность Балтийского щита, особенно в северо-восточной его части. Вода, ветер, ледники, «сдирая» верхние слои пород, обнажили здесь древние архейские образования планеты, упрятанные обычно в других геологических регионах, не затронутых столь мощными процессами эрозии, на глубины 5 - 10 километров и более. Таким образом, доступ к нижним этажам коры облегчен самой природой. Пробурив здесь скважину глубиной 15 километров, можно «заглянуть» в недра на все 25 километров осредненного разреза земной коры континентального типа.
Трудовая история
Комиссия во главе с академиком В.И.Смирновым и членом-корреспондентом АН СССР Г. И. Горбуновым определила место заложения КГС в Печенгском районе Мурманской области, в десяти километрах юго-западнее города Заполярного, у озера с невообразимо трудным и длинным названием Вильгискоддеоайвинъярви, что в переводе с саамского означает «Озеро под Волчьей горой».
мая 1970 года на серийной буровой установке «Уралмаш-4Э» буднично прозвучала команда: «Пуск!» - и с первыми оборотами турбобура начался штурм земных недр на глубину, доселе неизведанную.
Апрель 1967 - май 1970 г.г. Строительно-монтажные работы на всех объектах буровой. За короткий срок и с отличным качеством печенгские строители завершили сооружение производственного комплекса и жилья.
Май 1970 - апрель 1975 г.г. С помощью серийной буровой установки «Уралмаш-4Э», рассчитанной на проходку скважин до 5000 метров, экспедиция выполнила первый этап бурения - до глубины 7263 метра. Это был не только всесоюзный рекорд для подобного оборудования.
Общий вид буровой Кольской сверхглубокой (этот и другие снимки можно посмотреть в фотогалерее веб-сайта НПЦ «Кольская сверхглубокая»)
Скважина стала и самой глубокой в Европе горной выработкой, и первой в мире, пройденной на такую глубину в древнейших кристаллических породах.
Май 1975 - октябрь 1976 г.г. Демонтирована старая буровая, которой суждено войти в историю освоения подземных глубин. На ее месте осталось в неприкосновенности только устье скважины, отмеченное флажком. А вскоре на этом устье благодаря самоотверженной работе строителей, монтажников и самих буровиков встала во весь рост 70-метровая уникальная установка «Уралмаш-15000» - последнее слово отечественной буровой техники.
Октябрь 1976 - март 1981 г.г. В сложной горно-геологической обстановке, в экстремальных условиях высоких забойных температур и давлений осуществляется второй этап проводки скважины - до отметки 10636 метров. Памятным для коллектива экспедиции стал день 6 июня 1979 года, когда в вахтенном журнале вместо обычного рабочего рапорта сменный буровой мастер Федор Атарщиков сделал ликующую запись: «Забой - 9584 метра. «Берта Роджерс», чао, гуд бай!» С этого дня скважина стала глубочайшей горной выработкой в мире.
Апрель 1981 - декабрь 1984 г.г. Третий этап бурения. Скважина достигла 12000 метров и более чем на 2400 метров превысила экс-рекордсменку «Берту Роджерс-1». Превзойден также предел глубинности, установленный самой природой: пересечен своеобразный рубеж с абсолютной отметкой около 11 500 метров ниже уровня Мирового океана, что на 500 метров превышает глубочайшую точку мира - знаменитую Марианскую «бездну» (11022 метра) в Тихом океане. В стволе скважины на всем его протяжении выполнен сложный комплекс высокоточных геофизических исследований. Они позволили расшифровать физические процессы, происходящие в нижних горизонтах земной коры.
год ознаменовался непревзойденным до сих пор рекордом: глубина бурения превысила 12 км. Работы приостановили.
Приближался Международный геологический конгресс, который, по плану, проходил в Москве. К нему готовилась выставка Геоэкспо. Было решено не только прочитать доклады о результатах, достигнутых на СГ, но и показать участникам конгресса работу в натуре и добытые образцы породы. К конгрессу издали монографию "Кольская сверхглубокая".
На выставке Геоэкспо красовался большой стенд, посвященный работе СГ и самому главному - достижению рекордной глубины. Здесь были впечатляющие графики, рассказывающие о технике и технологии бурения, добытые образцы породы, фотографии техники и коллектива за работой. Но наибольшее внимание участников и гостей конгресса привлекла одна нетрадиционная для выставочного показа деталь: самая обычная и уже немного поржавевшая буровая головка со стертыми твердосплавными зубьями. На этикетке говорилось, что именно она была использована при бурении на глубине более 12 км. Эта буровая головка поражала даже специалистов. Вероятно, все невольно ожидали увидеть какое-то чудо техники, может, с алмазным оснащением... И они еще не знали, что на СГ рядом с буровой собрана большая куча точно таких же уже поржавевших буровых головок: ведь их приходилось менять на новые примерно через каждые пробуренные 7-8 м.
- 1986 г.г. Штурм глубин продолжается. АВАРИЯ
Но праздники кончились, надо было продолжать бурение. И оно началось с крупнейшей аварии на первом же рейсе 27 сентября 1984 года - "черная дата" в истории СГ. Скважина не прощает, когда ее надолго оставляют без внимания. За время, пока не велось бурение, в ее стенках, тех, которые не были закреплены зацементированной стальной трубой, неизбежно происходили изменения.
Сначала все шло буднично. Буровики выполняли свои обычные операции: одну за другой опускали секции буровой колонны, к последней, верхней, присоединили трубу подачи бурового раствора, включили насосы. Начали бурение. Приборы на пульте перед оператором показывали обычный режим работы (количество оборотов буровой головки, ее давление на породу, расход жидкости на вращение турбины и т. д.).
Пробурив очередной 9-метровый отрезок на глубине более 12 км, что заняло 4 часа, достигли глубины 12,066 км. Приготовились к подъему колонны. Попробовали. Не идет. На таких глубинах уже не раз наблюдались "прихваты". Это когда какая-то секция колонны словно прилипает к стенкам (может, сверху что-то осыпалось, и ее немного заклинило). Чтобы стронуть колонну с места, требуется усилие, превышающее ее вес (около 200 тонн). Так поступили и на этот раз, но колонна не сдвинулась. Немного прибавили усилие, и стрелка прибора резко сбавила показания. Колонна сильно полегчала, такой потери веса при нормальном ходе операции быть не могло. Начали подъем: поочередно отвинчивали одну за другой секции. При последнем подъеме на крюке висел укороченный кусок трубы с неровным нижним краем. Это означало, что в скважине остались не только турбобур, но и 5 км буровых труб...
Семь месяцев пытались их достать. Ведь потеряли не просто 5 км труб, а результаты пятилетней работы.
Потом все попытки вернуть утерянное прекратили и начали вновь бурить с глубины 7 км. Надо сказать, что именно после седьмого километра геологические условия здесь для работы особенно сложны. Технология бурения каждого шага отрабатывается методом проб и ошибок. А начиная с глубины примерно в 10 км - еще сложнее. Бурение, эксплуатация оборудования и аппаратуры идут на предельном режиме.
Поэтому аварий тут приходится ждать в любую минуту. К ним готовятся. Заранее продумывают методы и средства их ликвидации. Типичная сложная авария - обрыв буровой компоновки вместе с частью колонны буровых труб. Основной метод ее ликвидации - создать уступ чуть выше потерянной части и с этого места вести бурение нового обходного ствола. Всего в скважине было пробурено 12 таких обходных стволов. Четыре из них - протяженностью от 2200 до 5000 м. Основная цена подобных аварий - годы потерянного труда.
После крупнейшей аварии - "черной даты" 1984 года - снова подошли к глубине 12 км только через 6 лет. В 1990 году был достигнут максимум - 12 262 км. После еще нескольких аварий убедились, что глубже не пробиться. Все возможности современной техники исчерпаны. Казалось, будто Земля больше не хочет открывать свои тайны. Бурение прекратили в 1992 году.
- 2005 г.г. На базе законченной бурением СГ-3 создается Кольская глубинная геолаборатория (КГЛ), ознаменовавшая собой новое направление в изучении недр Земли - путем регулярных наблюдений пространственно-временных вариаций физических полей и комплексного изучения геологической среды геопространства СГ-3. В процессе исследований были получены, обработаны, проанализированы и обобщены обширные материалы измерений пространственно-временных вариаций физических полей Земли, их взаимосвязей и зависимости от космических процессов. Выполнен широкий комплекс геологических исследований - структурных, петрологических, геохронологических, минералого-геохимических, петрофизических и других.
- 2006 г.г. Ведутся работы по созданию помехоустойчивых методов выявления предвестников землетрясений на основе регистрации и анализа вариаций физических полей в глубоких и сверхглубоких скважинах, а также по мониторингу состояния сверхглубоких скважин с целью оценки влияния природных факторов на сохранность ствола и околоскважинного пространства.
Люди
В Кольской геологоразведочной экспедиции, созданной для бурения, собрался хороший, высококвалифицированный коллектив работников. Начальником ГРЭ, талантливым руководителем, подобравшим команду, почти бессменно был Д. Губерман. Главный инженер И. Васильченко отвечал за бурение. Командовал буровой А. Батищев, которого все звали просто Лехой. Геологией ведал В. Ланей, а геофизикой - Ю. Кузнецов. Огромную работу по обработке керна и созданию кернохранилища провел геолог Ю. Смирнов. В проведении исследований на СГ принимали участие более 10 научно-исследовательских институтов. Были в коллективе и свои "кулибины" и "левши" (особенно отличался С. Цериковский), которые придумывали и изготовляли различные устройства, порой позволяющие выходить из труднейших, казалось бы, безвыходных положений. Многие необходимые механизмы они сами создавали здесь же в хорошо оснащенных мастерских.
Результаты
Схематическое строение Земли. Сейсмический раздел проходит по нижней границе верхней мантии, на глубине ок. 660 км
. Проверка и создание фундаментальных гипотез о строении и эволюции Земли;
. Новые сведения о процессах энергомассопереноса, взаимодействии и взаимовлиянии лито-, гидро- и биосфер, происхождении подземных вод и концентраций полезных ископаемых;
. Новые сведения о природе геофизических полей и аномалий;
Открытия
Образцы, извлеченные на поверхность в процессе бурения, произвели в геологии настоящий переворот. Существовавшие представления о строении земной коры оказались далеки от действительности. Первым сюрпризом стало отсутствие перехода от гранита к базальту, который ученые ожидали увидеть на глубине около 6 км. Сейсмологические исследования говорят о том, что в этом районе скорость распространения акустических волн резко меняется, что интерпретировалось как начало базальтового фундамента земной коры. Однако и после зоны перехода на поверхность продолжали подниматься граниты и гнейсы. С этого момента стало ясно, что господствующая модель двухслойной земной коры неверна. Сейчас наличие сейсмического перехода объясняется изменением свойств породы в условиях возросшего давления и температуры.
Еще более удивительным открытием был тот факт, что породы, расположенные на глубинах более 9 км, оказались чрезвычайно пористыми. До этого, считалось, что по мере увеличения глубины и давления, они, напротив, должны становиться все более плотными. Миниатюрные трещины заполнял водный раствор, чье происхождение долгое время оставалось абсолютно неясным. Позже была выдвинута теория, согласно которой обнаруженная вода образуется из атомов водорода и кислорода, которые «выдавливаются» из окружающей породы под действием колоссальных давлений. Совершенной неожиданностью стало также обнаружение на глубине в 6,7 км окаменелых образцов жизни, в которых идентифицировали 24 вида вымерших водорослей. Они были найдены в крайне нехарактерных углеродно-азотных отложениях вместо обычного известняка или кремнезема.
Ученых крайне удивила и скорость, с которой возрастала температура по мере углубления скважины. На отметке в 7 км она достигала 120ОС, а на глубине в 12 км - уже 230О, что было на треть выше планируемого значения: температурный градиент коры составил почти 20 градусов на 1 км, вместо ожидаемых 16-ти. Было также выяснено, что половина теплового потока имеет радиогенное происхождение. Высокая температура негативно сказывалось на работе коронки, поэтому буровой раствор стали охлаждать перед закачиванием в скважину. Эта мера оказалось достаточно эффективной, однако после прохождения отметки в 12 км и она уже не смогла обеспечить достаточный отвод тепла. К тому же сдавленная и нагретая порода приобретала некоторые свойства жидкости, в результате чего скважина начинала заплывать при очередном извлечении буровой колонны. Дальнейшее продвижение вперед оказалось невозможным без новых технологических решений и существенных денежных затрат, поэтому в 1994 г. бурение было приостановлено. К тому моменту скважина успела углубиться на 12262 м.
Отличный подарок родине скважина выдала на малой глубине - в интервале 1,6-1,8 км. Там были вскрыты промышленные медно-никелевые руды - обнаружен новый рудный горизонт. И очень кстати, потому что местному никелевому комбинату уже не хватает руды.
Неожиданными, принципиально новыми оказались и данные о процессе рудообразования в глубинных слоях земной коры. Так, на глубинах 9-12 км встретились высокопористые трещиноватые породы, насыщенные подземными сильно минерализованными водами. Эти воды - один из источников рудообразования. Раньше считали, что такое возможно лишь на значительно меньших глубинах. Именно в этом интервале в керне обнаружили повышенное содержание золота - до 1 г на 1 т породы (концентрация, которая считается пригодной для промышленной разработки). Но будет ли когда-нибудь рентабельной добыча золота с такой глубины?
Итоги и перспективы
Начало бурения - 1970 год. Достигла глубины - 12262 метра. Получена керн - колонка образцов породы по всему разрезу скважины.
Одной из очень важных целей бурения было получить керн-колонку образцов породы во всю длину скважины. И эта задача выполнена. Самый длинный в мире керн разметили, как линейку, на метры и уложили в соответствующем порядке в ящиках. Сверху указаны номер ящика и номера образцов. Всего таких ящиков на складе почти 900.
Сегодня на Кольской сверхглубокой не ведут бурение, оно прекращено в 1992 году. СГ была не первой и не единственной в программе изучения глубинного строения Земли. Из зарубежных скважин три дошли до глубины от 9,1 до 9,6 км. Планировалось, что одна из них (в Германии) превзойдет Кольскую. Однако бурение на всех трех, так же как и на СГ, было прекращено из-за аварий и по техническим причинам пока не может быть продолжено.
Из планов 1984 г. осуществилось немногое. Сегодня продолжение работ на Уральской сверхглубокой (проектная глубина - 15 тыс. метров, пройдено около 6 тысяч метров) под вопросом. Технологические и социально-экономические причины не позволили значительно углубиться и Кольской скважине по сравнению с 1984 годом (12 066 м). Аварии в процессе работы стали причиной бурения дополнительных стволов на различной глубине. Однако и двадцать лет спустя Kola Superdeep по-прежнему остается самой дерзкой попыткой человечества проникнуть в глубины Земли. В настоящее время скважина действует в режиме лаборатории, специалисты получают данные с максимальной глубины - 12 262 м. Огромный опыт исследований, связанных со скважиной, активно используется в новых попытках познать глубины Земли. Руководитель НПЦ "Кольская сверхглубокая" доктор наук Давид Губерман с коллегами недавно побывал в Китае, где убедился в серьезности намерений специалистов Поднебесной повторить и, возможно, превзойти российское достижение.
Сейчас ученые Всероссийского научно-исследовательского геологического института им. А.П. Карпинского и НПЦ "Кольская сверхглубокая" создают информационно-поисковую геологическую систему "Геологический разрез Кольской сверхглубокой скважины", где собрана обширная база данных: петрографическая, геохимическая, минералогическая, петрофизическая информация, видеоизображения нескольких тысяч шлифов типов пород разреза и т.д
кольский сверхглубокий скважина
Заключение
СГ - одна из немногих, которую бурили не ради разведки или добычи полезных ископаемых, а с чисто научными целями: изучить древнейшие породы нашей планеты и познать тайны идущих в них процессов.
Результаты исследований поражают: были получены данные о глубинных изменениях теплового режима, особенностях водной составляющей, неожиданных проявлениях напряженности земных недр, составе горных пород и т.д. Основной вывод "точечного" проникновения в недра Земли: природа сложнее любых теорий, и проникновение в ее тайны требует использования новых технологий, междисциплинарных исследований, внимательного отношения к проведению эксперимента.
Материалы, полученные с недоступных ранее глубин, обострили дискуссии, позволили обогатить теорию и практику. Одним из главных результатов бурения стало пересечение так называемой геофизической границы Конрада, разделяющей, как предполагалось, гранитный и базальтовый слои земной коры. Эта граница, фиксируемая преломлением сейсмических лучей в земной коре, в районе бурения приподнята до глубины 7-8 км, что, собственно, и явилось одним из главных стимулов при выборе места размещения скважины. Хотя существование этой границы в физическом смысле получило подтверждение, геологическая природа этой и ряда подобных границ внутри земной коры остается не вполне ясной и до настоящего времени. Однако именно результаты бурения на Кольской сверхглубокой скважине позволили значительно продвинуться в решении этого вопроса.
Литература
.По материалам кандидата технических наук А. Осадчего.и другим, представленным на сайте КГС #"justify">2.СИДОРЕНКО А., министр геологии СССР, академик «Правда», 11 мая 1975 г.
.РЕБРОВ М.. «Красная звезда», 19 октября 1990 г., № 241 (20328) Этот загадочный «антикосмос»
.Кольская сверхглубокая. Научные результаты и опыты исследования. М., 1998.
.Козловский Е. А. Всемирный форум геологов. "Наука и жизнь" № 10, 1984.
.Козловский Е. А. Кольская сверхглубокая. "Наука и жизнь" № 11, 1985.
.Мисюров Д. Кольская сверхглубокая на рубеже веков декабрь 2003 № 12 "В мире науки"