Граница Мохо

Кольская сверхглубокая

Всего какие-то 100 лет назад люди не знали, что живут на тонкой коре. В 1909 году югославский геофизик А. Мохоровичич, по изменению прохождения сейсмических волн, обнаружил тонкую прослойку между корой и мантией. Впоследствии эту границу (поверхность) назвали в честь его имени, сокращенно Мохо. Эта граница простирается под всей поверхностью земной коры и залегает на глубинах от 7 (под океанами) до 70 километров (под складчатыми поясами).

Сейсмическое зондирование показывает, что на границе коры и мантии скорость продольных волн увеличивается с от 6,7—7,6 до 7,9—8,2 км/с и поперечных— с 3,6—4,2 до 4,4—4,7 км/с [1].

Известие югославского геофизика было сенсационным, поэтому в начале 20 века, ученый мир активно включился в обсуждение природы происхождения данной границы. Некоторые исследователи предполагали, что там происходит метаморфическая реакция, в результате которой образуются породы с высокой плотностью. В качестве такого метаморфизма предлагалась реакция эклогитизации, в результате которой породы базальтового состава превращаются в эклогит, и их плотность увеличивается на 30 %. Другие учёные объясняли резкое увеличение скоростей сейсмоволн изменением состава пород – от относительно легких коровых кислых и основных к плотным мантийным ультраосновным породам. Эта гипотеза сейчас является общепризнанной.

На мой взгляд, признанная гипотеза не отвечает на два главных вопроса: 1) почему граница Мохо очень тонкая, 2) почему такой резкий переход от мягких пород к твердым, а по логике выше признанной гипотезы должен быть плавный переход.

Для подтверждения или опровержения выводов, требуются факты, которые хотели получить при бурении глубинных скважин.

В 60-х годах американцы финансировали проект “Мохол”, целью которого было пробурить слой Мохо насквозь и получить образцы пород, слагающих кору и верхний слой мантии. Поскольку самая тонкая кора находится под океанами, то буровое оборудование было установлено на судне. В апреле 1961 года в Карибском море, где водная толща достигает 3,5 км, геологи пробурили пять скважин, самая глубокая из них просверлила дно на 183 метра. Технические трудности по стабилизации судна, а также аварии не позволили продвинуться дальше. Лиха беда – начало! Но дальнейшее финансирование конгресс США не утвердил из-за дороговизны проекта.

В СССР первый отечественный проект также предполагали осуществить на дне Каспийского моря или на Байкале. Но в 1963 году ученый-буровик Николай Тимофеев убедил  руководство Государственного комитета по науке и технике в том, что скважину следует пробурить на континенте. С научной точки зрения, полагал он, скважина будет куда ценнее.

Амбициозный проект по бурению сверхглубокой скважины был осуществлен на Кольском полуострове. Пробурена Научно-производственным центром «Недра». Находится в Мурманской области, в 10 километрах к западу от города Заполярный. Проектом предусматривалось пройти ствол длиной в 15 км. Бурение началось в 1970 году, было остановлено в 1992 году, в связи с многочисленными техническими сложностями и неизбежными авариями. К тому времени была достигнута рекордная глубина в 12262 метра!

Начинался масштабный проект в строгой секретности и только в 80-х его рассекретили. В данном случае сработали несколько факторов: пограничная зона, стратегические месторождения и научный приоритет.

Очевидно, основной целью бурения было достичь границы Мохоровичича, но сначала необходимо было побить американский рекорд. Видимо потому и секретили, чтобы конкуренты не беспокоились раньше времени, т.к. сверхглубинное бурение требует основательной подготовки и длительных сроков бурения.

Место для бурения также было выбрано не случайно. Балтийский щит Кольского полуострова интересен тем, что здесь на поверхность выходят древнейшие изверженные породы возрастом около 3 млрд. лет. Бурить именно в древнейших изверженных породах было интересно, да и полезно, именно здесь находятся крупные медно-никелевые месторождения. Необходимо было выявить ряд особенностей геологических процессов, в том числе, рудообразования, определить природу границ, разделяющих слои в континентальной коре. На Кольском полуострове серьезно поработала природа, в основном – ледники, которые неоднократно сдирали верхний слой, поэтому предполагалось, что кора здесь тонкая, и удастся ее пробурить. Кроме того, по предварительным оценкам, на севере Кольского полуострова геотермический градиент с глубиной нарастает существенно медленнее, что должно было облегчить работу бурового инструмента.

В экспедиции работало около 3000 человек, жили они в Заполярном и доставлялись на буровую вахтовым способом. В проведении исследований принимали участие более 10 научно-исследовательских институтов.

Еще несколько цифр для подтверждения масштабности проекта. Проходка за один рейс, определяемая износом буровой головки, составляла обычно 7-10 м. (Рейс, или цикл, - это спуск колонны с турбиной и буровым инструментом, собственно бурение и полный подъем колонны). Само бурение занимало 4 часа. А на спуск и подъем 12-километровой колонны труб уходило 18 часов. При подъеме колонна автоматически разбиралась на секции (свечи) длиной по 33 м. В среднем за месяц удавалось пробурить 60 м. На проходку последних 5 км скважины было использовано 50 км труб. Такова степень их износа и потерь [2].

Интересная и трагическая деталь. Оказывается, глубина 12,066 км была достигнута 27 сентября 1984 года, эта рекордная дата у буровиков считается «черной датой». Перед этими событиями бурение было приостановлено в 1983 году при подготовке к Международному геологическому конгрессу и вновь возобновлено в 84-м. После прохода 9 метров, требовался подъем буровой колонны, но произошел «прихват», при этом вес колонны составлял около 200 т. После увеличения подъемной нагрузки, оборвалась колонна труб, в скважине остались не только турбобур, но и 5 км буровых труб. Но самое страшное в этой аварии была не потеря материальных ценностей, а потеря пятилетней работы. После 7 месяцев безуспешных попыток достать турбобур с пятью километрами трубы, пришлось начинать новый ствол с 7 километровой глубины.

И это была не первая и единичная потеря, таких было 12, четыре из них были протяженностью от 2200 до 5000 м. Всякий раз, выше потерянной части, создавался уступ и с этого места начиналось бурение нового обходного ствола. Цена таких аварий – годы потерянного времени, ресурсов и титанического труда!

На обывательском уровне мы считаем, что скважина – это вертикальное отверстие вглубь земли, но на практике это совсем не так. Ствол сверхглубокой извивается, как исполинская лиана, с уходящими от нее, многочисленными корнями (потерянными корнями).

 

Сверхглубокая (СГ). А. Прогноз геологического разреза.

Б. Геологический разрез, построенный на основании данных бурения СГ (стрелки от колонки А к колонке Б указывают, на какой глубине встречены прогнозируемые породы). На этом разрезе верхняя часть (до 7 км) - толща протерозоя со слоями вулканических (диабазы) и осадочных пород (песчаники, доломиты). Ниже 7 км - толща архея с повторяющимися пачками пород (в основном гнейсы и амфиболиты).

В. Схема ствола скважины с пробуренными и потерянными стволами.[2].

 

После крупнейшей аварии 1984 года к глубине 12 км буровики подошли только через 6 лет. В 1990 году была достигнута рекордная глубина – 12, 262 км. Попытки пробиться дальше в недра земли продолжались до 1992 года, но серия очередных аварий показала, что на данной глубине возможности техники исчерпаны. В этом же году бурение окончательно было прекращено. Сейсмические, акустические и другие исследования в скважине продолжались до 2006 года.

Еще один интересный факт из истории Кольской сверхглубокой по части акустических исследований. Акустические шумы фиксировались еще ранее при бурении других глубинных скважин, но только на Кольской, средствами СМИ, их довели до мистического абсурда. Судите сами, в конце 80-х. некоторые западные СМИ выходили с сенсационными заголовками: «Глас из преисподней», «Советские ученые наткнулись на “дорогу в ад”». Писалось и говорилось о том, что из скважины вылетело нечто, после чего буровики испытали животный ужас и отказались от дальнейшего бурения. Когда в шахту был опущен микрофон, буровики услышали леденящие душу звуки, которые напоминали крики и стоны тысяч мучеников. В данное время в интернете можно прослушать эти звуки и, соответствующие к ним комментарии.

Откуда возникли эти устрашающие и пугающие вопросы и заголовки в СМИ? Вот что говорится в одном ответном комментарии на сайте, посвященном Кольской сверхглубокой: «Для работников "Кольской сверхглубокой" эта история всегда была анекдотом, возникшим вследствие первоапрельской публикации в газете "Советская Печенга". Анекдот был перепечатан, и постепенно стал легендой. Жаль, что легенды оказались более живучи, нежели сама "Кольская сверхглубокая"» [3].

Самое интересное в этой истории, что первыми превратили анекдот в реальность, а потом в миф – скандинавы. Очевидно, соседи были заинтересованы в скорейшем закрытии данного проекта. Бурение проводилось в пограничном районе по соседству с Норвегией и Финляндией. Думаю, они были весьма обеспокоены тем, что русские, не дай Бог, найдут под  землей несметные богатства и начнут их разрабатывать, а под землей граница не обозначена! А как минимум, половина этих богатств должна принадлежать им!

А что говорят по поводу устрашающих звуков наука? На этот счет, ученые сходятся во мнении, что земная кора является открытой термодинамической системой с иерархически блочным строением и находится в напряженном состоянии под воздействием внешних и внутренних сил. Распределение напряжений в массиве пород зависит не только от действующих нагрузок, но и от степени неоднородности, трещиноватости пород. Изменение напряженного состояния пород вызывает их деформацию на разных масштабных уровнях, приводит к перестройке системы трещин в контактных поверхностях и появлению новых дефектов, что сопровождается акустической эмиссией [4].

С данным высказыванием ученых, соглашусь процентов на 50, не более, да еще с уточнениями. «Изменения напряженного состояния пород» возникают, в основном. из-за приливных сил Солнца и Луны во вращающейся Земле. Кроме того, как я уже отмечал ранее, основные акустические шумы поступают с границы Мохо, где постоянно работает и грохочет электроразрядная машина планеты (молнии).

Кольская сверхглубокая занесена в книгу рекордов Гиннеса. Кроме данного достижения получены фактические результаты о физическом состоянии, свойствах и составе земных пород по всему разрезу скважины. Получены весьма неожиданные результаты по содержанию золота на глубинах 9-12 км. По количеству его содержания в разных источниках приводятся противоречивые цифры. Одни говорят, что соответствует нормам для промышленных разработок, другие – превышает эти нормы, третьи слишком мало для промышленного извлечения. (На золото обратил внимание, как основное беспокойство скандинавов). Интересное совпадение грунтов с глубины 3-х км с лунным грунтом (весьма любопытное и загадочное совпадение). После сравнения грунтов возникла гипотеза, что Луна оторвалась от Кольского полуострова. Вот только от какого места, авторы до сих пор продолжают искать.

Не менее интересны и другие результаты, полученные на Кольской сверхглубокой, которые, несомненно, представляют интерес и для мировой науки. В мои планы не входит освещение результатов, полученных при бурении, при необходимости можно с ними ознакомиться на специальном сайте, а также в специализированных научных отчетах и статьях.

Проектом предусматривалось бурение до глубины 15 км, но технические возможности оказались не безграничны. В результате множества неудач, связанных с обрывами огромных буровых колонн, все же удалось достичь рекордной глубины 12262 метра. Достижение такой глубины следует зачесть как достижение супер мирового уровня. В сравнении с Кольской сверхглубокой – Космос оказался ближе, хотя не сравним по расстоянию. Конечно, хотелось бы заглянуть еще глубже в недра нашей планеты, т.к. сейсмические исследования проводятся практически вслепую, что мало добавляет конкретных фактических знаний. Хотелось бы добуриться до границы Мохо, вот здесь открылась бы весьма интересная картина.

Но! В жестких условиях глубинного бурения возможно, эту картину будет трудно рассмотреть. Ссылаясь на опыт Кольской сверхглубокой, когда на глубине 12 км от керна что называется, оставались «рожки да ножки», то извлечение образцов граничного слоя Мохо, думаю, будет весьма проблематичным. Тем более, как я предполагаю, если этот слой состоит из спрессованного пепла, то бурильные растворы его вымоют начисто и будет пустой керн! Пустой керн, но это не нулевой результат, и в этом геологическая наука будущего, будем надеяться, разберется. Как говорят в народе: «поживем, увидим!»

С точки зрения чистой науки для достижения границы Мохоровичича следовало бы найти другое место на шельфовом склоне материка или непосредственно бурение дна мирового океана. Но перед Кольскими геологами стояли и более прагматичные задачи – посмотреть на залежи полезных ископаемых, поэтому и было выбрано место богатое месторождениями. До границы Мохо было не так уж и далеко.

Человечество не может остановиться на достигнутом. Безусловно, опыт Кольской сверхглубокой будет востребован при бурении еще более сверхглубинных скважин, для получения новых знаний о нашей планете.

P.S. Как часто бывает в нашей стране, без ложки дегтя не обходится. И как всегда, в таких случаях: «За державу обидно!» Уникальный объект (инфраструктура) практически разрушен в лихие 90-е. А ведь мог послужить на благо не только отечественной, но и мировой науки. Жаль! И добавить к этому больше нечего.

 

Извлеченный керн

 

Источники

1. 1). Википедия, Поверхность Мохоровичича, http://ru.wikipedia.org/w/index.php?title=Поверхность_Мохоровичича&stable=0&redirect=no
2. Осадчий А., Наука – это жизнь, Кольская сверхглубокая, http://nauka.relis.ru/06/0205/06205036.htm
3. Кольская сверхглубокая, http://superdeep.pechenga.ru/#
4. Астраханцев Ю.Г. и др., Геоакустические шумы в Кольской сверхглубокой скважине, Вестник МГТУ, том 10, №2, 2007 г. стр.231-235

 

Назад  Вперед