Дълбоко в горещите руди

2024 Автор: Seth Attwood | [email protected]. Последно модифициран: 2023-12-16 15:58

20-ти век беше белязан от триумфа на човека във въздуха и завладяването на най-дълбоките депресии на Световния океан. Непостижима остава само мечтата да проникнем в сърцето на нашата планета и да опознаем скрития досега живот на нейните недра. „Пътуване до центъра на Земята“обещава да бъде изключително трудно и вълнуващо, изпълнено с много изненади и невероятни открития. Първите стъпки по този път вече са направени – в света са пробити няколко десетки свръхдълбоки сондажи. Информацията, получена с помощта на свръхдълбок сондаж, се оказа толкова поразителна, че разби утвърдените представи на геолозите за устройството на нашата планета и предостави най-богатите материали за изследователи в различни области на познанието.

Докоснете мантията

Трудолюбивите китайци през 13 век копали кладенци с дълбочина 1200 метра. Европейците счупиха китайския рекорд през 1930 г., като се научиха как да пробиват земята с сондажни платформи на 3 километра. В края на 50-те години кладенците се разпростират до 7 километра. Започна ерата на свръхдълбокото сондиране.

Подобно на повечето глобални проекти, идеята за пробиване на горната обвивка на Земята възниква през 60-те години на миналия век, в разгара на космическите полети и вярата в неограничените възможности на науката и технологиите. Американците са замислили не по-малко от това да преминат през цялата земна кора с кладенец и да вземат проби от скалите на горната мантия. Концепциите за мантията тогава (както и сега) се основаваха само на косвени данни - скоростта на разпространение на сеизмичните вълни в недрата, промяната в която се интерпретираше като граница на слоеве от скали с различна възраст и състав. Учените вярвали, че земната кора е като сандвич: млади скали отгоре, древни отдолу. Само свръхдълбоко сондиране обаче може да даде точна картина на структурата и състава на външната обвивка и горната мантия на Земята.

Проект Mokhol

През 1958 г. в САЩ се появява програмата за свръхдълбоко сондиране Mohol. Това е един от най-смелите и мистериозни проекти в следвоенна Америка. Подобно на много други програми, Mohol имаше за цел да изпревари СССР в научно съперничество, поставяйки световен рекорд в свръхдълбоко сондиране. Името на проекта идва от думите "Mohorovicic" - това е името на хърватския учен, който разграничава интерфейса между земната кора и мантията - границата на Moho, и "дупка", което означава "кладенец" на английски. Създателите на програмата решиха да пробиват в океана, където според геофизиците земната кора е много по-тънка, отколкото на континентите. Наложи се тръбите да се спуснат на няколко километра във водата, да преминат 5 километра от океанското дъно и да се достигне до горната мантия.

През април 1961 г. край остров Гваделупа в Карибско море, където водният стълб достига 3,5 км, геолозите пробиват пет кладенеца, най-дълбокият от тях навлиза в дъното на 183 метра. По предварителни изчисления на това място, под седиментните скали, са очаквали да срещнат горния слой на земната кора – гранит. Но ядрото, издигнато изпод утайките, съдържаше чисти базалти - един вид антипод на гранити. Резултатът от пробиване обезкуражава и в същото време вдъхновява учените, те започват да подготвят нова фаза на сондиране. Но когато цената на проекта надхвърли 100 милиона долара, Конгресът на САЩ спря финансирането. Мохол не отговори на нито един от поставените въпроси, но показа основното - свръхдълбоко сондиране в океана е възможно.

Погребението се отлага

Свръхдълбокото пробиване позволява да се погледне в дълбините и да се разбере как се държат скалите при високи налягания и температури. Идеята, че скалите с дълбочина стават по-плътни и порьозността им намалява, се оказа погрешна, както и гледната точка за сухите подпочви. Това беше открито за първи път по време на пробиване на супердълбоката Кола, други кладенци в древни кристални пластове потвърдиха факта, че на дълбочина от много километри скалите са разбити от пукнатини и проникват от множество пори, а водните разтвори се движат свободно под налягане от няколкостотин атмосфери. Това откритие е едно от най-важните постижения на свръхдълбокото сондиране. Това ни принуди отново да се обърнем към проблема за заравянето на радиоактивни отпадъци, които трябваше да бъдат поставени в дълбоки кладенци, което изглеждаше напълно безопасно. Като се има предвид информацията за състоянието на недрата, получена в хода на свръхдълбок сондаж, проектите за създаване на такива хранилища сега изглеждат много рискови.

В търсене на охладения ад

Оттогава светът се разболя от свръхдълбоко пробиване. В САЩ се подготвяше нова програма за изследване на океанското дъно (Deep Sea Drilling Project). Glomar Challenger, построен специално за този проект, прекарва няколко години във водите на различни океани и морета, пробивайки почти 800 кладенеца в дъното им, достигайки максимална дълбочина от 760 м. До средата на 80-те години резултатите от офшорните сондажи потвърждават теорията на тектониката на плочите. Геологията като наука се възражда. Междувременно Русия тръгна по своя път. Интересът към проблема, възбуден от успехите на САЩ, доведе до програмата „Изследване на вътрешността на Земята и свръхдълбоко сондиране“, но не в океана, а на континента. Въпреки многовековната си история, континенталното сондиране изглеждаше съвсем нов бизнес. В крайна сметка става дума за недостижими по-рано дълбочини - повече от 7 километра. През 1962 г. Никита Хрушчов одобрява тази програма, въпреки че се ръководи от политически, а не от научни мотиви. Той не искаше да изостава от САЩ.

Новосъздадената лаборатория към Института по сондажни технологии се ръководи от известния нефтен работник, доктор на техническите науки Николай Тимофеев. Той е инструктиран да обоснове възможността за свръхдълбоко сондиране в кристални скали – гранити и гнайси. Проучването отне 4 години и през 1966 г. експертите правят присъда - можете да пробивате, и не непременно с оборудването на утрешния ден, оборудването, което вече е там, е достатъчно. Основният проблем е топлината на дълбочина. Според изчисленията, докато прониква в скалите, изграждащи земната кора, температурата трябва да се повишава на всеки 33 метра с 1 градус. Това означава, че на дълбочина от 10 км трябва да се очаква около 300 ° С, а на 15 км - почти 500 ° С. Инструментите и устройствата за пробиване няма да издържат на такова нагряване. Трябваше да се търси място, където червата не са толкова горещи …

Намерено е такова място - древен кристален щит на Колския полуостров. Доклад, изготвен в Института по физика на Земята, гласеше: за милиардите години на своето съществуване щитът Кола е изстинал, температурата на дълбочина от 15 км не надвишава 150 ° C. И геофизиците подготвиха приблизителен участък от Колския полуостров. Според тях първите 7 километра са гранитни пластове от горната част на земната кора, след това започва базалтовият слой. Тогава идеята за двуслойна структура на земната кора беше общоприета. Но както се оказа по-късно, и физиците, и геофизиците са сгрешили. Мястото за сондиране е избрано в северния край на полуостров Кола близо до езерото Vilgiskoddeoayvinjärvi. На финландски означава „Под планината на вълка“, въпреки че на това място няма планини или вълци. Пробиването на кладенеца, чиято проектна дълбочина е 15 километра, започва през май 1970 г.

Инструмент за подземния свят

Пробиването на кладенец Кола SG-3 не изискваше създаването на принципно нови устройства и гигантски машини. Започнахме да работим с това, което вече имахме: агрегатът Уралмаш 4Е с товароподемност 200 тона и тръби от лека сплав. Това, което наистина беше необходимо по това време, бяха нестандартни технологични решения. Наистина, в твърди кристални скали до такава голяма дълбочина никой не е пробивал и какво ще се случи там, те са си представяли само в общи линии. Опитните сондажи обаче разбраха, че колкото и подробен да е проектът, истинският кладенец би бил много по-сложен. Пет години по-късно, когато дълбочината на кладенеца SG-3 надхвърли 7 километра, беше монтирана нова сондажна платформа Уралмаш 15 000, една от най-модерните по това време. Мощен, надежден, с автоматичен спусък, може да издържи на низ от тръби с дължина до 15 км. Сондажната платформа се е превърнала в напълно обшита стена с височина 68 м, устойчива на силните ветрове, бушуващи в Арктика. В близост са израснали мини-завод, научни лаборатории и хранилище за ядро.

При пробиване на малка дълбочина на повърхността се монтира мотор, който завърта тръбната колона със свредло в края. Бормашината е железен цилиндър с диамантени или твърда сплав зъби - малко. Тази корона захапва скали и изрязва от тях тънка колона - ядро. За охлаждане на инструмента и отстраняване на малки отломки от кладенеца, в него се изпомпва сондажна течност - течна глина, която циркулира през цялото време по кладенеца, като кръв в съдовете. След известно време тръбите се издигат на повърхността, освобождават се от сърцевината, короната се сменя и колоната отново се спуска в долния отвор. Ето как работи конвенционалното пробиване.

А ако дължината на цевта е 10-12 километра с диаметър 215 милиметра? Низът от тръби се превръща в най-тънката нишка, която се спуска в кладенеца. Как да го управлявам? Как да видя какво става на лицето? Следователно, на кладенеца Кола, в долната част на сондажната колона, бяха монтирани миниатюрни турбини, те бяха стартирани чрез сондажна кал, изпомпвана през тръби под налягане. Турбините завъртяха твърдосплавни накрайници и изрязаха сърцевината. Цялата технология беше добре разработена, операторът от контролния панел виждаше въртенето на накрайника, знаеше скоростта му и можеше да контролира процеса.

На всеки 8-10 метра трябваше да се вдига многокилометрова тръбна колона. Слизането и изкачването отнеха общо 18 часа.

Коварството на числото "7"

7 километра - знакът за свръхдълбоката Кола фатална. Зад него започна несигурност, много аварии и непрекъсната борба със скалите. Цевта не можеше да се държи изправена. Когато изминахме 12 км за първи път, кладенецът се отклони от вертикалата с 21°. Въпреки че сондажите вече се бяха научили да работят с невероятната кривина на кладенеца, беше невъзможно да се стигне по-далеч. Кладенецът трябваше да бъде пробит от 7 км. За да получите вертикална дупка в твърди скали, имате нужда от много твърдо дъно на сондажната колона, така че тя да навлезе в червата като масло. Но възниква друг проблем - кладенецът постепенно се разширява, свредлото виси в него, като в стъкло, стените на кладенеца започват да се срутват и могат да притискат инструмента. Решението на този проблем се оказа оригинално – приложена е технологията на махалото. Свредлото беше изкуствено люлеено в кладенеца и потискаше силните вибрации. Поради това багажникът се оказа вертикален.

Най-често срещаният инцидент на всяка платформа е скъсване на тръбна струна. Обикновено те се опитват да уловят тръбите отново, но ако това се случи на голяма дълбочина, тогава проблемът става невъзстановим. Безполезно е да се търси инструмент в 10-километров сондаж, такъв сондаж е хвърлен и е започнат нов, малко по-висок. Счупване и загуба на тръба в SG-3 се случиха много пъти. В резултат на това в долната си част кладенецът изглежда като кореновата система на гигантско растение. Разклоняването на кладенеца разстрои сондажите, но се оказа щастие за геолозите, които неочаквано получиха триизмерна картина на впечатляващ сегмент от древни архейски скали, образували се преди повече от 2,5 милиарда години.

През юни 1990 г. SG-3 достига дълбочина 12 262 м. Кладенецът започва да се подготвя за сондиране до 14 км, а след това отново възниква авария - на кота 8 550 м се откъсва тръбната колона. Продължаването на работата изисква продължителна подготовка, подновяване на оборудването и нови разходи. През 1994 г. сондажът на Колския супердълбок е спрян. След 3 години тя влезе в Книгата на рекордите на Гинес и все още остава ненадмината. Сега кладенецът е лаборатория за изследване на дълбоки черва.

Тайни черва

SG-3 е секретно съоръжение от самото начало. Виновни са граничната зона, стратегическите находища в областта, научният приоритет. Първият чужденец, посетил сондажния обект, е един от ръководителите на Академията на науките на Чехословакия. По-късно, през 1975 г., в „Правда“е публикувана статия за Колската дълбочина, подписана от министъра на геологията Александър Сидоренко. Все още нямаше научни публикации за кладенеца Кола, но някаква информация изтече в чужбина. Според слуховете светът започна да научава повече - най-дълбокият кладенец се пробива в СССР.

Завеса на тайната вероятно щеше да виси над кладенеца до самата "перестройка", ако Световният геологически конгрес не се беше състоял през 1984 г. в Москва. Те се подготвиха внимателно за такова голямо събитие в света на науката, дори беше построена нова сграда за Министерството на геологията - много участници очакваха. Но чуждестранните колеги се интересуваха преди всичко от супердълбоката Кола! Американците изобщо не вярваха, че го имаме. Дълбочината на кладенеца по това време достигна 12 066 метра. Вече нямаше смисъл да се крие обектът. Изложба на постиженията на руската геология очакваше участниците в конгреса в Москва, един от щандовете беше посветен на кладенеца SG-3. Експерти от цял свят гледаха с недоумение обикновена бормашина с износени карбидни зъби. И с това те пробиват най-дълбокия кладенец в света? Невероятен! Голяма делегация от геолози и журналисти отиде в селището Заполярни. На посетителите беше показана платформата в действие, а 33-метровите тръбни участъци бяха премахнати и изключени. Наоколо имаше купища точно същите бормашини като тази, която беше на щанда в Москва.

Известен геолог, академик Владимир Белоусов прие делегацията от Академията на науките. По време на пресконференция му беше зададен въпрос от публиката:

- Кое е най-важното, което показа Колският кладенец?

- Господа! Най-важното е, че показа, че не знаем нищо за континенталната кора, - честно отговори ученият.

Дълбока изненада

Разбира се, те знаеха нещо за земната кора на континентите. Фактът, че континентите са съставени от много древни скали, на възраст от 1,5 до 3 милиарда години, не беше опровергана дори от кладенеца Кола. Геоложкият разрез обаче, съставен на базата на ядрото SG-3, се оказа точно обратното на това, което учените са си представяли по-рано. Първите 7 километра са съставени от вулканични и седиментни скали: туфи, базалти, бреки, пясъчници, доломити. По-дълбоко лежеше така нареченият участък на Конрад, след което скоростта на сеизмичните вълни в скалите рязко се увеличи, което се интерпретира като граница между гранити и базалти. Този участък е минал много отдавна, но базалтите от долния слой на земната кора никога не са се появявали никъде. Напротив, започнаха гранити и гнайси.

Разрезът на Колския кладенец опроверга двуслойния модел на земната кора и показа, че сеизмичните участъци в недрата не са граници на слоеве от скали с различен състав. По-скоро те показват промяна в свойствата на камъка с дълбочина. При високо налягане и температура свойствата на скалите, очевидно, могат да се променят драстично, така че гранитите по своите физически характеристики стават подобни на базалтите и обратно. Но „базалтът“, издигнат на повърхността от 12-километрова дълбочина, веднага се превърна в гранит, въпреки че претърпя тежка атака на „кесонна болест“по пътя - ядрото се разпадна и се разпадна на плоски плаки. Колкото по-далеч отиваше кладенецът, толкова по-малко качествени проби попадаха в ръцете на учените.

Дълбочината съдържаше много изненади. Преди това беше естествено да се мисли, че с увеличаване на разстоянието от повърхността на земята, с увеличаване на налягането, скалите стават по-монолитни, с малък брой пукнатини и пори. SG-3 убеди учените в обратното. Започвайки от 9 километра, пластовете се оказаха много порести и буквално натъпкани с пукнатини, по които циркулираха водни разтвори. По-късно този факт беше потвърден от други свръхдълбоки кладенци на континентите. Оказа се, че на дълбочина е много по-горещо от очакваното: с цели 80 °! На отметката 7 км температурата на дъното беше 120 ° С, на 12 км вече беше достигнала 230 ° С. В пробите от кладенеца Кола учените откриха златна минерализация. Включения от благороден метал са открити в древни скали на дълбочина 9, 5-10, 5 км. Концентрацията на златото обаче била твърде ниска, за да се изисква депозит – средно 37,7 mg на тон скала, но достатъчна, за да се очаква на други подобни места.

По руската следа

Демонстрацията на кладенеца Кола през 1984 г. направи дълбоко впечатление на световната общност. Много страни започнаха да подготвят проекти за научни сондажи на континентите. Такава програма беше одобрена и в Германия в края на 80-те години. Свръхдълбокият кладенец KTB Hauptborung е пробиван от 1990 до 1994 г., според плана е трябвало да достигне дълбочина от 12 км, но поради непредвидимо високи температури е възможно да се стигне само до 9,1 км. Благодарение на откритостта на данните за сондажна и научна работа, добра технология и документация, ултра-дълбокият кладенец KTV остава един от най-известните в света.

Мястото за пробиване на този кладенец е избрано в югоизточната част на Бавария, върху останките от древна планинска верига, чиято възраст се оценява на 300 милиона години. Геолозите смятали, че някъде тук има зона на съединяване на две плочи, които някога са били бреговете на океана. Според учените с течение на времето горната част на планините се е износила, разкривайки останките от древната океанска кора. Още по-дълбоко, на десет километра от повърхността, геофизиците откриха голямо тяло с необичайно висока електрическа проводимост. Надяваха се и да изяснят същността му с помощта на кладенец. Но основното предизвикателство беше да се достигне дълбочина от 10 км, за да се натрупа опит в свръхдълбоко сондиране. След като проучиха материалите на Kola SG-3, немските сондажи решиха първо да пробият тестов кладенец с дълбочина 4 км, за да получат по-точна представа за условията на работа в подпочвата, да тестват техниката и да вземат ядро. В края на пилотната работа голяма част от сондажното и научното оборудване трябваше да бъдат променени и нещо да бъде създадено отново.

Основният - свръхдълбок - кладенец KTV Hauptborung е положен само на двеста метра от първия. За работата е издигната 83-метрова кула и е създадена сондажна платформа с товароподемност 800 тона, най-мощната по това време. Много операции по пробиване са автоматизирани, главно механизмът за спускане и възстановяване на тръбната колона. Самонасочващата се система за вертикално пробиване направи възможно да се направи почти вертикален отвор. Теоретично с такова оборудване е било възможно да се пробива до 12 километра дълбочина. Но реалността, както винаги, се оказа по-сложна и плановете на учените не се сбъднаха.

Проблемите в кладенеца на KTV започнаха след дълбочина от 7 км, повтаряйки голяма част от съдбата на Колския супердълбок. Първоначално се смята, че поради високата температура системата за вертикално пробиване се е разрушила и дупката е тръгнала наклонено. В края на работата дъното се отклони от вертикалата с 300 м. След това започнаха по-сложни аварии - скъсване на сондажната колона. Както на Кола, трябваше да се пробият нови шахти. Определени трудности предизвика стесняването на кладенеца - в горната част диаметърът му беше 71 см, в долната част - 16,5 см. Безкрайните аварии и високата температура на дъното –270 ° C принудиха сондажите да спрат работа недалеч от заветната цел.

Не може да се каже, че научните резултати на KTV Hauptborung поразиха въображението на учените. На дълбочината са отложени предимно амфиболити и гнайси, древни метаморфни скали. Зоната на сближаване на океана и остатъците от океанската кора не са открити никъде. Може би са на друго място, тук има малък кристален масив, издигнат на височина от 10 км. На километър от повърхността е открито находище на графит.

През 1996 г. кладенецът на KTV, който струва на германския бюджет 338 милиона долара, попада под патронажа на Научния център по геология в Потсдам, превърнат е в лаборатория за наблюдение на дълбоки недра и туристическа дестинация.

Най-дълбоките кладенци в света

1. Aralsor SG-1, Каспийска низина, 1962-1971 г., дълбочина - 6, 8 км. Търсене на нефт и газ.

2. Biikzhal SG-2, Каспийска низина, 1962-1971 г., дълбочина - 6, 2 km. Търсене на нефт и газ.

3. Кола СГ-3, 1970-1994 г., дълбочина - 12 262 м. Проектна дълбочина - 15 км.

4. Саатлинская, Азербайджан, 1977-1990 г., дълбочина - 8 324 м. Проектна дълбочина - 11 км.

5. Колвинская, Архангелска област, 1961 г., дълбочина - 7 057 m.

6. Мурунтау SG-10, Узбекистан, 1984 г., дълбочина -

3 км. Проектната дълбочина е 7 км. Търсене на злато.

7. Timan-Pechora SG-5, Североизточна Русия, 1984-1993 г., дълбочина - 6904 m, проектна дълбочина - 7 km.

8. Тюмен СГ-6, Западен Сибир, 1987-1996 г., дълбочина - 7 502 м. Проектна дълбочина - 8 км. Търсене на нефт и газ.

9. Ново-Елховская, Татарстан, 1988 г., дълбочина - 5 881 m.

10. Воротиловски кладенец, Поволжието, 1989-1992 г., дълбочина - 5374 м. Търсене на диаманти, изследване на астроблема Пучеж-Катунская.

11. Кривой рог SG-8, Украйна, 1984-1993 г., дълбочина - 5 382 м. Проектна дълбочина - 12 км. Търсене на железни кварцити.

Урал SG-4, Среден Урал. Заложена през 1985 г. Проектна дълбочина - 15 000 м. Текуща дълбочина - 6 100 м. Търсене на медни руди, проучване на структурата на Урал. Ен-Яхтинская SG-7, Западен Сибир. Проектна дълбочина - 7 500 м. Текуща дълбочина - 6 900 м. Търсене на нефт и газ.