Кольська свердловина – найглибша у світі. Її глибина перевалила за12 км. Досвід її буріння дав унікальні результати в дослідженні земної кори.
Кольський півострів розташований в Печенгському мідно-нікелевому рудному районі Мурманської області РФ. Він займає північно-східну частину Балтійського щита, в будові якого приймають участь найдавніші кристалічні породи. Аналогічні породи широко розвинені і в інших регіонах земної кулі – в Індії, Північній Америці, Південній Африці, Західній Австралії, Антарктиді і Гренландії. Печенгський район є опорним для пізнання геології і рудоутворення Балтійського шита і певною мірою стародавньої континентальної земної кори та докембрію усього світу. У цьому районі Балтійський щит протягом сотень мільйонів років піддавався ерозії. За оцінками, зруйновано, винесено водою і льодовиками в інші райони приблизно 5–15 км верхньої частини гранітного шару. Тому геологічний розріз Кольської свердловини за деякими припущеннями відповідає глибині приблизно 15–25 км усередненого розрізу континентів. Таким чином, місце буріння вкрай привабливе з наукової точки зору, проте його вибір зумовив і технічні труднощі, пов'язані насамперед з важкою прохідністю порід Кольського півострова.
Технологія виконання
Світова практика буріння надглибоких свердловин на той час ґрунтувалася на роторному способі буріння з використанням сталевих труб. Однак при такій технології, починаючи з глибин близько 9–10 км, виникають суттєві труднощі. Вони пов'язані з великими напруженнями у верхній частині бурильної колони, які складаються з напруг від ваги бурильних труб і від сил опору обертанню всієї колони. Кольська свердловина бурилася забійними двигуном, який отримував енергію від потоку бурового розчину, без обертання колони (або з її обертанням з мінімальною швидкістю 2–4 об/хв). Замість сталевих бурильних труб використовувалися труби з легких сплавів.
Однак у цьому випадку виникають нові проблеми. Алюмінієві сплави починають втрачати міцність при температурі понад 110–150 °С, а в надглибоких свердловинах вона, як правило, перевищує 200–250 °С. Тому були створені сплави на основі алюмінію, бурильні труби з яких здатні працювати при температурі 230–250 °С.
При бурінні Кольської надглибокої свердловини знадобилася розробка технології, яка забезпечувала б свободу маневру і оперативний вибір оптимальних рішень в ході буріння. Була запропонована нова технологічна схема – буріння випереджаючим стовбуром. В процесі буріння конструкція свердловини коректувалася за фактичною зміною характеристик геологічного розрізу у пристовбуровому просторі. Це дозволило бурити Кольську свердловину відкритим стволом практично на всьому інтервалі, тобто без закріплення стінок свердловини сталевими трубами. Металоємність стовбура зменшилася в кілька разів.
Кожен шматочок гірської породи, витягнутий з надр, представляє велику цінність. Чим далі йшла в глибину Кольська свердловина, тим важче було доставляти зразки речовини на поверхню. Теоретично шматки породи у вигляді циліндричних стовпчиків діаметром 60–80 мм (керни) вибурюють буровою головкою. При цьому периферійна кільцева частина забою руйнується. В ідеальному випадку керн повинен просунутися в буровий снаряд і потрапити в колонкову трубу. У ній він перебуватиме в процесі буріння, поки його не піднімуть нагору. Однак на великій глибині керн, вибурений з масиву і звільнений від гірського тиску, ніби «вибухає». Його руйнують потужні внутрішні сили, породжені стисненням розміщеної вище багатокілометрової товщі порід. Керн руйнується, його окремі шматочки забивають прохід в колонкову трубу і стираються в процесі буріння. Зазвичай зберігається не більше 5–10 % вибуреного керна. Для боротьби з цим був створений принципово новий колонковий снаряд з системою гідротранспорту керна. Якщо при звичайній технології промивна рідина, омивши забій, по затрубному простору повертається наверх, то в Кольській свердловині вона частково направлялася назад в колонкову трубу. Рідина підхоплювала шматочки гірської породи і «укладала» їх у спеціальну камеру, залишаючи вхід вільним для нових порцій керна.
Наукові результати буріння
Гіпотези про будову і склад нашої планети базуються в основному на геофізичних і астрономічних вимірах. За ними виділяють земну кору – верхню оболонку Землі середньою потужністю близько 35 км. Припускають, що потужність кори зменшується до 5–10 км на дні океанів і зростає до 70–75 км під гірськими хребтами. Нижче виділяють мантію Землі густиною 3,3–5,9 г/см3. Розрізняють верхню (35–300 км), середню (300–950 км) і нижню (950–2900 км) мантії. Про її складі можна судити за продуктами вулканічної діяльності, метеоритами, геофізичними і астрономічними даними. Вважають, що до глибини 1100 км у складі мантії Землі переважають силікати магнію і заліза (в земній корі найпоширеніші кисень, кремній і алюміній), а нижче – сульфіди і оксиди заліза, міді, цинку, свинцю, ртуті, сурми, вісмуту, а також селен, телур, миш'як, золото, срібло та інші метали. Температура у верхній мантії оцінюється в 1000–1500 °С, тиск 100 тис. атм. Земна кора також неоднорідна. Геофізики говорять про тришарову будову континентальної земної кори (осадовий, гранітний і базальтовий шари). З гранітним шаром почали ототожнювати широко розвинені на поверхні континентів архейські гранітогнейсові комплекси. Базальтовий шар не має виходу на денну поверхню на жодному з континентів земної кулі, тому його склад досі залишається предметом жвавих дискусій. Прийнято вважати, що океанічна кора представлена базальтовим шаром, перекритим малопотужними осадами, тобто на відміну від тришарової континентальної кори океанічна кора двошарова.
Одним із завдань Кольської свердловини було перетинання гранітного і продовження буріння в базальтовому шарі. На підставі профільних сейсмічних досліджень північно-західної частини Балтійського щита до закладення Кольської свердловини очікувалося, що протерозойські осадово-вулканогенні утворення на глибині 4,7 км поступляться місцем породам гранітного шару, а на глибині 7 км бур перетне сейсмічну поверхню Конрада і ввійде в базальтовий шар, що простежується до сейсмічної поверхні Мохоровічіча (35–40 км). За узагальненою схемою стародавні щити у верхній частині розрізу зазвичай представлені протерозойськими і архейськими сталічними породами і нижче – гранітогнейсами. З останніми пов'язані родовища хрому, заліза і магнезіальних слюд. Для поясів розвитку архейських і протерозойських суперкристалічних порід характерний більш широкий набір родовищ: сульфідні мідно-нікелеві руди, колчеданні поклади (містять мідь, цинк, срібло), а також залізисті кварцити, рідкіснометалеві пегматити і гідротермальні родовища золота. Проте до буріння Кольської свердловини прямими спостереженнями про склад і рудоносність глибинних зон земної кори наука не мала.
При бурінні Кольської свердловини не було зафіксовано очікуваного за геофізичними даними базальтового шару. Підошва осадово-вулканогенного комплексу виявилася на глибині 6,8 км. На підставі даних комплексного вивчення метаморфічних порід з розрізу Кольської свердловини і їх порівняння з аналогічними утвореннями, що мають виходи на поверхню, історію геологічного розвитку континентальної кори Балтійського щита в архейський (більше 2,6 млрд. років) і протерозойський (2,6–1,1 млрд. років) час можна представити в наступній послідовності.
Перший етап формування архейського комплексу, розкритого Кольською свердловиною на глибині 6842–12000 м, характеризувався накопиченням потужних осадових товщ, у тому числі залізистих кварцитів (виявлені на глибині 7635 м), і активною вулканічною діяльністю, яка супроводжувалася виливами лав. З глибинними виливами генетично пов'язане залізо-титанове оруднення, представлене магнетитом та ільменітом. Максимальні концентрації цих рудних мінералів (40–50 %) зустрінуті свердловиною в амфіболітах на глибині 8711 м. У наступний етап породи архейського комплексу випробували складчастість, метаморфізм і ультраметаморфізм в умовах гранулітової фації (температура 750–900 °С, тиск 5–11 тис. атм). Радіологічний вік кульмінації гранулітового метаморфізму оцінюється в 2,7–2,8 млрд. років. Архейський цикл завершився консолідацією гранітогнейсового комплексу з подальшим глибоким розмивом і утворенням кори вивітрювання, що накопичується в ізольованих западинах. У ряді районів світу з подібним типом відкладень пов'язані гігантські поклади металоносних конгломератів типу південноафриканських.
Протерозойський комплекс, повністю розкритий Кольською свердловиною від поверхні до підошви (0–6842 м), характеризує чотири етапи формування внутріконтинентального рухомого Печенгсько-Варзугського поясу на архейському фундаменті. Перший – закладення пояса, другий – андезітобазальтовий вулканізм, третій – пікрітбазальтовий вулканізм і четвертий етап – метаморфізм та утворення складчасто-розривних дислокацій.
До проходки Кольської свердловини теорія рудоутворення була побудована на даних, отриманих в основному при вивченні кінцевих продуктів рудогенезу – родовищ. Таким чином, вирішувалася зворотна задача реконструкції можливого перебігу історії формування скупчень корисних копалин. Зрозуміло, для цих цілей використовувалися і результати досліджень в районах сучасного вулканізму, і принципи фізичної хімії. Проте все це не могло замінити прямих спостережень процесів, що протікають в земних надрах. В Кольській надглибокій на протязі всього розрізу виявлені гази і притоки сильно мінералізованих вод, які циркулюють потужними зонами тектонічних зрушень. Тріщинні води містять бром, йод і важкі метали в підвищених кількостях. Гази представлені гелієм, воднем, азотом, а також метаном та іншими вуглеводнями. Дані свідчать про активні газоводні процеси в кристалічних породах континентальних плит на великих глибинах, що значно розширює перспективи виявлення нових рудних горизонтів. Особливий інтерес представляють виявлені на глибинах 4,5–11 км великі зони роздроблених порід з низькотемпературною гідротермальною мінералізацією. Уламки порід цементуються кварцом, кальцитом, сульфідами міді, заліза, свинцю, цинку, нікелю, кобальту. Відносно низькі температури утворення цих сульфідів і близький до метеоритного ізотопний склад сірки можуть свідчити про їх мантійне походження.
кольською свердловиною вперше в світовій практиці була пересічена межа різкої зміни швидкостей поширення сейсмічних хвиль, яку прийнято ототожнювати з поверхнею розділу гранітного і базальтового шарів. Насправді зміна швидкості пов'язана з розущільненням гірських порід в процесі прогресивного метаморфізму при вивільненні води з кристалічних решіток силікатів: через наявність розташованих вище потужних водоупорів вільна вода не може бути видалена з товщі.
Безпосередні вимірювання змушують також змінити уявлення про розподіл температури в надрах Землі. Передбачалося, що в межах таких тектонічно спокійних регіонів, як Балтійський щит, зростання температури з глибиною незначне. На глибині 7 км очікувалася температура близько 50 °С, на глибині 10 км 100 °С. Реальна температура виявилася істотно вищою. Якщо до глибини 3 км температурний градієнт Кольської свердловини відповідав розрахунковому і становив 1 °С на 100 м, то нижче 3 км він збільшився до 2,5 °С на кожні 100 м. Температура на глибині 10 км досягла 180 °С замість очікуваних 100 °С. Основним джерелом тепла виявилася мантія.
Перелік результатів буріння Кольської свердловини, зрозуміло, не вичерпується межами невеликої статті. Наведемо для прикладу лише один, вкрай цікавий для біологів результат. Виявлено, що глибинні горизонти, які вважалися одвічно «мертвими», колись активно приймали участь у біологічних процесах, що відбувалися в земних надрах. За даними ізотопного аналізу вуглецю виділені два джерела вуглекислого газу. Перший пов'язаний з мантією і характерний для архейських порід, другий має біогенне походження і переважає в породах протерозойського комплексу. В останніх до того ж знайдені скам'янілі залишки мікроорганізмів, вік яких обчислюється сотнями мільйонів років.
Наукове і практичне значення Кольської надглибокої свердловини важко переоцінити.
Читайте також:
