Скважина

Интересные факты

В конце 1970-х гг. устроиться на работу в поселок Заполярный Мурманской обл. было немногим проще, чем слетать в космос. Из сотен претендентов отбирали одного. Зато счастливцы, которым достался «билет» на Кольскую сверхглубокую, получали квартиру в Москве и месячную зарплату, равную годовому окладу университетского профессора. На скважине одновременно работало 16                                             исследовательских лабораторий, проект курировал лично министр геологии СССР.

«Доктор Губерман, какого черта вы откопали там внизу?» – реплика из зала прервала доклад российского ученого на заседании ЮНЕСКО в Австралии. За пару недель до этого, в апреле 1995 года, по миру прокатилась волна сообщений о таинственной аварии на Кольской сверхглубокой скважине.

Что происходит в глубине, доподлинно неизвестно. Температура окружающей среды, шумы и прочие параметры передаются наверх с минутным запаздыванием. Тем  не менее, бурильщики рассказывают, что  даже такой контакт с подземельем  может не на шутку испугать. Звуки, доносящиеся снизу, и впрямь похожи на вопли и завывания. К этому  можно добавить длинный список аварий, преследовавших Кольскую сверхглубокую, когда она достигла глубины 10 километров. Дважды бур доставали оплавленным, хотя температуры, от которых он может расплавиться, сравнимы с температурой поверхности Солнца. Однажды трос как будто дернули снизу –и оборвали. Впоследствии, когда бурили в том же месте, остатков троса не обнаружилось. Чем были вызваны эти и многие другие аварии, до сих пор остается загадкой. Впрочем, вовсе не они стали причиной остановки бурения недр Балтийского щита.

     Губерман  вспоминает, сколько научных открытий состоялось на Кольской сверхглубокой. Буквально каждый метр был откровением. «До 4 километров все шло по теории, а дальше началось светопреставление», – рассказывает Губерман. Теоретики обещали, что температура Балтийского щита останется сравнительно низкой до глубины по крайней мере 15 километров. Но уже на 5 километрах окружающая температура перевалила за 70⁰C, на семи – за 120⁰C, а на глубине 12-ти  сильнее 220⁰C – на 100⁰C выше предсказанного. Кольские бурильщики поставили под сомнение прогноз послойного строения земной коры – по крайней мере, в интервале до 12 262 метра.

Предполагалось в вертикальном разрезе пробурить самые верхние  слои, далее граниты и вскрыть базальты.  Но граниты оказались на 3 километра ниже, чем рассчитывали. Все бурение прошло в гранитном слое.

     Еще один  сюрприз: жизнь на планете Земля  возникла, оказывается, на 1,5 миллиарда  лет раньше, чем предполагалось. На глубинах, где считалось, что  нет органики, обнаружили 14 видов  окаменевших микроорганизмов –  возраст глубинных слоев превышал 2,8 миллиарда лет. На еще больших  глубинах, где уже нет осадочных  пород, появился метан в огромных  концентрациях. Это поставило  под сомнение теорию биологического  происхождения углеводородов, таких  как нефть и газ.

     В истории Кольской  сверхглубокой не обошлось и  без мистики. Совпадение или  нет – но именно в том  1995 году в глубине шахты раздался  мощнейший взрыв неустановленной  природы. К жителям Заполярного прорвались журналисты финской газеты – и мир потрясла история о вылетевшем из недр планеты демоне. 
«Когда меня об этой загадочной истории стали расспрашивать в ЮНЕСКО, я не знал, что ответить. С одной стороны, чушь собачья. С другой – я, как честный ученый, не мог сказать, что знаю, что же именно у нас произошло. Был зафиксирован очень странный шум, потом был взрыв… Спустя несколько дней ничего такого на той же глубине не обнаружилось», – вспоминает академик Давид Губерман.

Что бы там ни было под землей, Кольская скважина - единственный имеющийся  у человечества «телескоп» в загадочные глубины планеты. О фантастических проектах «путешествия» к ядру Земли  время от времени заявляют японцы, немцы и американцы. Но все их начинания неизменно оканчиваются крахом.

Основные результаты исследования Кольской сверхглубинной лаборатории за 1995-2005 г.г.     

 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, направленных на выяснения  строения и эволюции геопространства СГ-3 – Печенгского геоблока, как типичного представителя древних кристаллических щитов, анализ состояния вещества и особенностей процессов породо- и рудообразования на различных этажах континентальной земной коры. 
 
      Организация такого обширного круга исследований и их концентрация в геолаборатории потребовали значительных усилий руководства Роскомнедра, ФГУП НПЦ «Недра», ФГУДП НПЦ «Кольская сверхглубокая» и администрации Мурманской области. Но они были бы невозможны без постоянного участия в работе КГЛ многих академических и отраслевых научных коллективов, ВУЗов, научно-производственных учреждений России и ряда зарубежных стран. Это позволило проводить подавляющую часть исследований на современном уровне, с использованием новейших методик и аппаратуры изучения физических полей Земли, анализа кристаллического вещества, его источников и эволюции на протяжении длительного времени. 
 
      В решении задач первой группы – изучении пространственно-временных вариаций физических полей – наиболее существенными представляются следующие моменты:

• Исследована связь вариаций свойств в породах глубоких горизонтов Земли с древними процессами вулканизма, седиментации, глубокого погружения и перемещения блоков земной коры при последующих тектонических движениях и динамометаморфизме. Какие-либо значимые связи физических свойств глубинных пород с современными вариациями физических полей не обнаружены. 
   Динамика геотермического поля в стволе СГ-3 обусловленная техногенными и природными факторами. Обнаружена циклическая компонента изменчивости температур среды, обусловленная изменением гидрогеологического режима под действием лунно-солнечных циклов, разработана методика определения поправок за техногенные факторы (теплообмен между вмещающей средой и скважиной) и выделены кондуктивные и конвективные компоненты теплообмена.
• В распределении естественных сейсмических (сейсмоакустических) шумов обнаружена связь амплитудных, частотных и др. характеристик с изменением анизотропии среды и положением в пространстве древних тектонических нарушений, а также зон механических деформаций и напряжений.
• Установлены вариации магнитного (электромагнитного) поля Земли в глубоких горизонтах кристаллической коры и влияние структур околоскважинного пространства на частотные и амплитудные характеристики этих вариаций.

В решении задач  второй группы – состояние и эволюция геологической среды Печенгского геоблока – важными достижениями являются:

• Установление длительного периода формирования Печенгской структуры и ее архейского фундамента.
• Доказательство крупных сейсмических событий в геоблоке в недавнем прошлом. 
  Сравнительный анализ состояния кристаллического вещества, процессов породо- и рудообразования на различных уровнях земной коры, участие в этих процессах мантийных и коровых источников.
• Интересные данные получены в процессе геоэкологических исследований: анализ поровых растворов и распределение газовых компонентов в породах разреза СГ-3, мониторинг флюидосферы. Созданы базы данных по всем направлениям исследований и переданы в Банк данных «Научное бурение». Рассмотрены мероприятия по обеспечению сохранности ствола СГ-3, бурового и каротажного комплексов и их функционирования в режиме геолаборатории, а также при длительном хранении. Разработаны методические рекомендации по проведению наблюдений за пространственно-временными вариациями геополей и свойств среды в скважине-геолаборатории, их анализу и интерпретации, а также по прикладному использованию выявленных закономерностей.

Наиболее существенными  результатами деятельности КГЛ представляются следующие:

• Разработаны и опробованы методики, регламент и технология проведения режимных исследований пространственно-временных вариаций физических полей геопространства СГ-3. Впервые зафиксированы, и измерены короткопериодные вариации теплового, сейсмоакустического, магнитного, гравитационного и радиоактивного геополей. Выявлены взаимосвязи отдельных геополей и их зависимость от космических процессов. Установлено и математически оценено влияние приливного потенциала на тепловое поле Земли.
• Показана высокая информативность сейсмоакустических исследований в стволе СГ-3, методика которых позволяет выделять сейсмические импульсы естественной и техногенной природы, а также определять направление подхода сейсмических колебаний в различных узкополосных диапазонах частот. Это даёт основание для возможной организации мониторинга геодинамического состояния геологической среды геоблока.
• Исследованиями геоакустических шумов (ГАШ) Доказана динамическая активность Печенгской структуры, продолжающаяся до настоящего времени. Динамически активные интервалы разреза СГ-3 соответствуют зонам дробления и рассланцевания, тектонизированным контактом различных пород, зонам флюидовыделений.
• Мониторинг магнитного поля Земли, проведённый на поверхности и в скважине, показал, что амплитуды магнитных аномалий, связанных с «магнитными бурями», на поверхности больше, чем в скважине, но характер аномалий одинаков. Ретроспективный мониторинг магнитного поля в период 1973 – 2002гг. выявил его изменение в разрезе СГ-3 для отдельных групп пород.
• Установлено, что радиоактивность пород разреза СГ-3 определяется главным образом содержанием в них U и Th, а заметный вклад K характерен только для некоторых разновидностей метаосадочных пород. При этом сверху вниз по разрезу роль Th возрастает, включая весь протерозойский комплекс и верхнюю часть архейского.
• Впервые испытан скважинный гравиметр с регистрацией аномальных полей с помощью плёночных акселерометров, что открывает новые возможности для более детального расчленения разреза СГ-3.
• В процессе анализа результатов измерений теплового и сейсмического полей были найдены решения, разработаны и опробованы программные средства, обеспечивающие выявление квазистационарных составляющих в наблюденных последовательностях. Выполнен полный объём предварительной обработки данных режимных наблюдений (температура, давление, микросейсмы) – препроцессинг, вейвлетные аппроксимации, корреляционный анализ. Установлена взаимосвязь спектральных характеристик поля микросейсм и вариаций теплового поля с приливными потенциалами.
• Выполнен обширный комплекс геологических исследований: геологоструктурных, петрологических, геохронологических, минералого-химических и петрофизических. Установлено, что в строении геоблока находят отражение структурно-вещественные неоднородности позднеархейского, раннепротерозойского и раннепалеозойского времени, которые характеризуются различными масштабами проявления, ориентировкой структурных элементов, геодинамическими параметрами и вещественным наполнением. Основные, главные структуры геоблока сформированы в позднеархейский и раннепротерозойский этапы тектогенеза. Известные в геоблоке типы оруденения связаны с определенными этапами тектогенеза: оксидное железное – с позднеархейским, сульфидное медно-никелевое – с раннепротерозойским, сульфидное свинцово-цинковое и медно-цинковое – с позднепротерозойским. Анализ палеосейсмодислокаций показал, что в геоблоке в новейшее время происходили крупные сейсмические события, причем магнитуда их увеличивалась от центральной части Печенгской структуры к побережью Баренцева моря от 5,0 – 5,5 до 7,0 – 7,5. Это требует проведения мониторинга геодинамического состояния геологической среды геоблока для разработки методов прогнозирования катастрофических сейсмических событий.
• На основании формационного анализа вулканогенных образований Печенгской структуры и всего Полмак-Печенгско-Варзугского пояса выявлена циклическая смена двух типов тектонических режимов в процессе его становления – рифтогенного и орогенного, что противоречит принятой модели его формирования как чисто рифтогенной структуры. С уменьшением проницаемости земной коры происходило развитие дифференцированного магматизма, разнообразного по источникам расплавов: от мантийного к коро-мантийному и коровому. Установлено интенсивное преобразование архейского комплекса СГ-3 (фундамента Печенгской структуры) процессами протерозойского магматизма и метаморфизма. Количество протерозойского вещества, привнесенного в архейский фундамент, составляет не менее 30%.
• Изотрпным U-Pb методом установлен длительный интервал формирования гнейсовых толщ из архейской части разреза СГ-3 (2.93 - 2.76 млрд. лет), а по Sm-Nd (DM) изотопным данным выделены три возрастных интервала формирования протолитов амфиболитов: один раннепротерозойский и два архейских, причем самая древняя группа (3.15-2.89 млрд. лет) является предположительно реликтом зеленокаменного пояса, образованного на океанической (энсиматической) коре. Все геохронологические данные подтверждают полихронность образования архейского комплекса (фундамент Печенгской структуры) и, вероятно, отражают пластинчато-блоковое строение разреза, а не ритмостратиграфическое, как было принято ранее.
• Установлена разупорядоченность структуры породообразующих минералов (слюд и отчасти амфиболов) и «дестабилизация» составов ряда сульфидов и оксидов на глубоких горизонтах геоблока, что свидетельствуют о своеобразном состоянии кристаллического вещества на этих глубинах. В общем оно характеризуется понижением его анизотропности, и можно предполагать, что на еще больших глубинах земной коры (вероятно, глубже 14-15км) могут существовать горизонты (слои, тела) с полностью изотропным состоянием кристаллического вещества, которые, очевидно, будут обладать иными особенностями распространения упругих волн по сравнению с горизонтами анизотропных или частично анизотропных пород.
• Выявлена эволюция рудной минерализации в вертикальном разрезе Печенгской структуры – от сульфидной в вулканитах нижней свиты через оксидную в средней части разреза и снова к сульфидной в верхней части разреза. Вероятно, эта эволюция является следствием циклического развития Печенгской структуры и участием в ее строении мантийных и коровых продуктов. Впервые на глубоких горизонтах разреза СГ-3 в вулканогенных свитах Печенгской структуры установлена изоморфная примесь ЭПГ (Pt, Pd и Rh) и повышенные концентрации других элементов-примесей: Ni, Cu, Se, Cd в сульфидах, а также V, Mn и Ti в оксидах. Эти данные необходимо учитывать при оценке рудного потенциала мегаблока.
• Обобщены результаты изучения упругих и магнитных свойств пород разреза СГ-3 и приповерхностной части геоблока. Установлено, что эти свойства определяются историей формирования пород, их релаксацией после извлечения пород из горного массива и техногенными воздействиями (процессы бурения и приготовления препаратов).
• Установлены два фактора распределения газовых компонентов в разрезе СГ-3: литологический и тектонический. Средние содержания главных компонентов – гелия, водорода и метана – определяются литологическим составом свит и толщ, а повышенные концентрации этих и других компонентов приурочены к зонам тектонических нарушений.
• Моделирование глубинного строения Печенгского геоблока показало, что Печенга и зоны, следующие за ней к югу, составляют связанный ансамбль аллохтонных структур, лежащих выше надвига и последовательно эшелонированных в направлении с юга-юго-запада на север-северо-восток. Вулканический пояс Печенги и его продолжения формировались на краю плиты, на расстоянии в сотни км от современной позиции и переместились в неё в результате горизонтальных и восходящих движений. Выделены три крупные тектонические эпохи: раннепротерозойская, позднепротерозойская и палеозойская, из которых первая характеризовалась наиболее быстрыми и масштабными относительными движениями коровых масс в виде литопластин.
• Подготовлены методические рекомендации по проведению наблюдений за пространственно-временными вариациями геополей и свойств среды в скважине-геолаборатории, анализу полученных фактографических данных, их обработке и интерпретации, а так же по прикладному использованию выявленных закономерностей пространственно-временных вариаций геополей и прогнозированию изменения свойств геологической среды во времени под воздействием природных и техногенных событий.
• Сформированы базы данных всех материалов геолаборатории и переданы в Банк данных «Научное бурение». Каменный и фактографический материалы переданы на ответственное хранение в ФГУП НПЦ «Недра».
• Обеспечена сохранность ствола СГ-3, бурового и каротажного комплексов и функционирования их в режиме геолаборатории и составлен проект консервации всего комплекса СГ-3 на длительное время.

Итоги

Задачи, поставленные в проекте  сверхглубокого бурения, выполнены. Разработаны и созданы особая аппаратура и технология сверхглубокого бурения, а также для исследования пробуренных на большую глубину скважин. Получили информацию, можно сказать, "из первых рук" о физическом состоянии, свойствах и составе горных пород в их естественном залегании и по керну до глубины 12 262 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 хватало руды.

Однако, геологический прогноз разреза скважины не оправдался. Картина, которая ожидалась на протяжении первых 5 км, в скважине растянулась на 7 км, а дальше появились совсем неожиданные породы. Прогнозируемых на глубине 7 км базальтов не нашли, даже когда опустились до 12 км.

Ожидали, что граница, дающая наибольшее отражение при сейсмическом зондировании, - это тот уровень, где граниты  переходят в более прочный  базальтовый слой. В действительности же оказалось, что там расположены  менее прочные и менее плотные  трещиноватые породы - архейские гнейсы. Такого никак не предполагали. И  это принципиально новая геолого-геофизическая  информация, которая позволяет по-другому  интерпретировать данные глубинных  геофизических исследований.

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? Этот вопрос до сих пор остается без ответа.

Изменились и представления  о тепловом режиме земных недр, о  глубинном распределении температур в районах базальтовых щитов. На глубине более 6 км получен температурный  градиент 20^оС на 1 км вместо ожидавшегося (как и в верхней части) 16^оС на 1 км. Выявлено, что половина теплового потока имеет радиогенное происхождение.

Пробурив уникальную Кольскую сверхглубокую  скважину, мы очень многое узнали и  одновременно поняли, как мало мы еще знаем о строении своей планеты.