Граница Мохо
Человек знает о далеких галактиках куда больше, чем о планете под ногами. Зонду Voyager 1 потребовалось 26 лет, чтобы покинуть пределы Солнечной системы. Примерно столько же люди потратили на то, чтобы пробраться в земную кору на 12,5 тыс. м и понять, что они почти ничего не знают о строении Земли.
В начале 1960-х годов геологи предполагали, что планета состоит из трех концентрических сфер, расположенных друг над другом: расплавленного железно-никелевого ядра, мягкой мантии и тонкой твердой коры на поверхности
Представления о границах этих слоев были довольно расплывчатыми. Считалось, что ясность в этот вопрос внесет исследование границы Мохоровичича (Мохо) — нижней части земной коры и условной черты между слоями с разным химическим составом, в которой происходит скачкообразное увеличение плотности пород.
Первыми достичь границы Мохо и пробраться к мантии попытались американцы — в 1961 году США приступили к бурению скважины вблизи вулканического острова Гуадалупе в Тихом океане. Геологи считали, что на дне океана черта проходит ближе к поверхности, чем на континентальной части — на глубине примерно 5 км, и добраться до нее будет проще.
Глубина океана в месте бурения составляла 3,5 км, что серьезно осложняло работы. За четыре года исследователи пробурили несколько скважин, самая глубокая из которых уходила в земную кору на 3 км. В 1966 году Конгресс отказался выделить средства на финансирование проекта, и «Мохол» закрыли.
У СССР была не менее амбициозная цель — советские ученые планировали пробраться на глубину 15 тыс. м, исследовать разрыв Конрада, где твердые граниты должны переходить в сравнительно мягкие базальты, и добраться до границы Мохо.
Исследовательскую группу сформировали в 1962-м, а спустя три года на Кольском полуострове рядом с городом Заполярным началось строительство 60-метровой башни для буровой установки. Бурение Кольской сверхглубокой началось в 1970 году.
Металлическая крышка на Марианской впадине
Если вы представляете Кольскую сверхглубокую широкой штольней, уходящей в землю примерно на глубину Марианской впадины, то в действительности она выглядит несколько иначе. Диаметр первого отрезка скважины глубиной в 2 км составлял 39,4 см, а на глубине отверстие сужалось до 21,4 см (без учета обвалов породы), — и соответствовал диаметру бурового инструмента.
Сегодня скважина закрыта металлическим люком с 12 массивными болтами. Под ним скрыта разветвленная структура отверстий разной глубины, похожая на крону дерева. Самое глубокое из них, СГ-3, простирается на 12 262 м в земную кору. Это лишь треть толщины Балтийского континентального щита, через который пытались пробиться ученые.
Кольский сегмент Балтийского щита был выбран для бурения из-за сравнительно невысоких температур, которые, по мнению теоретиков, должны были сохраняться вплоть до глубины в 15 км от поверхности. Если бы это оказалось правдой, бур смог бы пробраться на 20 км, преодолев границу Мохо и оказавшись в мантии. Но расчеты оказались неверными.
Проблема в буре?
Советские инженеры не стали разрабатывать буровую установку с нуля — до глубины 7,23 км скважину прошли серийным буром для разработки нефтяных и газовых скважин «Уралмаш-4Э».
Установка состояла из полой буровой колонны, к которой по мере продвижения вглубь земной коры добавляли дополнительные трубки из легких алюминиевых сплавов. На конце колонны был установлен турбобур — 46-метровая турбина, которая приводилась в движение потоком воды с поверхности и вращала буровую колонку отдельно от остальной конструкции. Через все секции установки проходила труба — керноприемник, через который на поверхность выводилась отработанная порода с буровым раствором.
На глубине 5 км исследователи столкнулись с неожиданно высокой температурой — более 700 °С. Через 2 км температура выросла до 1 200 °С. Тогда работы отложили на год — до установки модифицированной версии «Уралмаш-15000» с повышенной термостойкостью, которая должна была достичь отметки в 15 км.
Бурение проходило медленно — одной головки хватало на четыре часа и 7–10 м, подъем на поверхность и замена занимали от 8 до 18 часов. В среднем за месяц исследователям удавалось пробурить 60 м гранитов.
На отметке 7 тыс. м твердые граниты сменились трещиноватыми породами с очень твердыми прослойками — гнейсом и амфиболитами. Ствол отверстия осыпался, порода заклинивала буровую головку и не позволяла извлечь ее на поверхность. Инженерам приходилось бетонировать ствол и продолжать бурение с отклонением — тогда в скважине появилось 12 стволов глубиной от 2,2 тыс. до 5 тыс. м, и она приобрела структуру, схожую с кроной дерева.
Гнейс — метаморфическая горная порода, главными минералами которой являются плагиоклаз, кварц и калиевый полевой шпат. В подчиненном количестве могут присутствовать биотит, мусковит, роговая обманка, пироксен, гранат, кианит, силлиманит и другие минералы.
Амфиболит — метаморфическая горная порода, главной составной частью которой служат роговая обманка и плагиоклаз.
Отметки в 12 262 м исследователи достигли только в 1992 году — спустя 22 года после начала бурения. После серии аварий работы приостановили, а в 1995 году проект закрыли.
Древний планктон и залежи золота
До бурения Кольской сверхглубокой исследования Земли в значительной степени ограничивались наземными наблюдениями и сейсмическими исследованиям, но бурение скважины позволило непосредственно взглянуть на структуру земной коры и проверить теории геологов.
Одним из главных открытий советских ученых стало отсутствие границы между гранитами и базальтами или разрыва Конрада. Хотя ранее геологи считали, что граница проходит под всеми континентами, на Балтийском щите ее не оказалось, а буровая установка так и не столкнулась со слоем базальта.
Исследователи обнаружили, что граниты простираются за пределы отметки в 12,2 км. Это натолкнуло ученых на мысль, что результаты сейсмических исследований на этой глубине были обусловлены повышением температуры и давления, а не изменением типа пород.
С глубины 7 тыс. м ученые извлекли подземный слой морских отложений — в них сохранились 24 вида древнего планктона, возраст которых превышает 2,8 млрд лет.
Оболочка из органических соединений сохранила микроорганизмы практически неповрежденными при температуре 1 200 °C и крайне высоком давлении. Эти ископаемые стали одним из самых древних свидетельств жизни на Земле.
На отметке в 9 км геологи обнаружили полезные ископаемые — концентрация золота в породе на этой глубине составила 78 г на тонну. Добыча золота считается целесообразной при концентрации в 34 г на тонну, однако человеку вряд ли удастся извлечь драгоценный металл с такой глубины.
Что дальше
Кольская скважина до сих является самым глубоким вторжением человека в земную кору под прямым углом и одним из главных достижений советской науки. До 2008 года сверхглубокая была самой длинной в мире — пока нефтяники в Катаре не пробурили под прямым углом скважину Maersk Oil BD-04A (12 290 м).
Первый рекорд человеку вряд ли удастся побить в ближайшие годы — сейчас международная группа ученых в рамках проекта Chikyu, финансируемого правительствами Японии и США, планирует пробурить скважину на океаническом дне и достичь границы Мохо. Предполагается, что океаническая буровая платформа сможет достичь отметки в 6 км от поверхности, где, вероятно, проходит граница между земной корой и мантией.