Мегапроекты XX века: Кольская сверхглубокая
К юбилею начала бурения самой глубокой исследовательской скважины мира
Период вокруг 2020х богат круглыми памятными датами. 12 апреля 2021 года отметили 60-летие первый полёт человека в космос. До этого, 17 ноября 2020 года, праздновали юбилей запуска на Луну первого автоматического аппарата Луноход-1. 30 октября этого года минет 60 лет с момента взрыва «Царь-бомбы», самой мощной водородной бомбы в истории человечества. Испытание этого оружия ознаменовало рубеж, после которого военное соперничество двух тогдашних сверхдержав, СССР и США, перешло в идеологическую фазу и продолжалось следующие 30 лет психологическими и экономическими средствами, получив название Холодной войны. Закончилась Холодная война поражением Советского Союза, после чего был произведён насильственный демонтаж страны и последовавший 30-летний период безвременья, закончившийся только месяц назад.
Взлёт технократии в обеих сверхдержавах обязан беспрецедентым развитием науки и техники в первой половине XX века. Такого количества научных открытий и прорывных (в прямом, а не в нынешнем карикатурном смысле) изобретений человечество более не знало. Вторая Мировая война вызвала к жизни ускорение перехода фундаментального научного знания в плоскость технологий. Во многом этому способствовало распределение между державами-победительницами, СССР и США, технического наследия Третьего Рейха. Великобритания «постаралась», чтобы Советам и Америке достались разные фрагменты двух паззлов, известных как Атомный и Космический проекты. В частности, нам достался разработчик технологии обогащения урана Манфред фон Арденне; американцы же довольствовались двумя атомными бомбами, предположительно немецкого производства, которые и были сброшены на Хиросиму и Нагасаки. Официальный атомный проект Оппенгеймера и его сподвижников в тот момент с треском провалился. Что касается баллистических ракет, то здесь расклад был иным. Вернер фон Браун с командой инженеров был направлен в США и там вёл самую настоящую войну с американскими конструкторами до победы своей ракеты в середине 1960х, после чего в конце жизни был назначен начальником первого космодрома на мысе Канаверал. Нам же слили технологию изготовления ракет, которую затем, каждый по-своему талантливо, развили Сергей Королёв и Владимир Челомей.
К 1960м и началу 1970х годов относятся и менее известные, но от этого не менее впечатляющие достижения практически во всех областях науки и техники. К ним относится и мегапроект в области геологии - Кольская сверхглубокая скважина. Официально бурение началось 24 мая 1970 года. Ковид отвлёк нас от празднования юбилея этого выдающегося события. Отдадим дань этому триумфу нашей науки и техники сегодня.
История Кольской сверхглубокой выбрана мной неспроста. Подоплёка исследования строения Земли уходит корнями в начало XX века, когда русская наука переживала подъём, а бесславное окончательное закрытие скважины в 1997 году состоялось на пике разрушения советского государства и отказа от научно-технического наследия. Как показывает мой анализ, последовательность событий до и после этого прорыва советской геологии и инженерии отнюдь не случайна.
Кольская сверхглубокая имеет глубину 12 262 метра. Она оставалась самой глубокой скважиной в мире до 2016 года, когда сначала норвежские нефтедобытчики, а затем в 2017 году участники нефтегазового консорциума на Сахалине пробурили более глубокие скважины на шельфе. Сейчас рекорд в 15 км принадлежит сахалинской Чайво. Отличие Кольской сверхглубокой в том, что её бурили для научных целей. Для этого выбрали уникальное место на Кольском полуострове недалеко от города Заполярный в Мурманской области: именно в этом месте расположен участок выхода древнейших горных пород на планете. Бурение продолжалось с перерывами почти двадцать лет. В 1992 году оно было остановлено, остатки уникальной буровой установки были брошены, а в 1997 году скважина была законсервирована навсегда.
За два десятилетия советским учёным и инженерам удалось сделать множество открытий, некоторые из которых произвели революцию в геологии. Часть результатов, вероятно, стало сенсацией и в экономической сфере, породив смелые гипотезы относительно ценных полезных ископаемых, в частности, золота.
Официальной целью бурения скважины было дойти до верхних слоёв мантии Земли, предположительно состоявшей из расплавленных пород, и проверить популярную гипотезу о формировании и составе земной коры. Главной задачей было выявление особенностей щита и определение границ между слоями земной коры.
_______________
Вспомним из школьного курса географии, как устроена Земля. Под земной корой расположена мантия, которая окружает ядро планеты, сформировавшаяся в течение 4,5 млрд. лет. На долю мантии приходится две трети массы всей планеты, а состоит она из тяжелых минералов, включающих в основном железо и магний. Из других наиболее распространенных химических элементов можно выделить кислород, кремний, алюминий, кальций, натрий, калий и их оксиды. Мантия состоит из трёх слоёв. Верхний участвует в движении литосферных плит, на которых расположены материки и океаны. Средний имеет аморфную структуру, состоит из пластичного вещества и является главным источником вулканической магмы. Нижний слой богат никелем и железом. Однако сказанное является лишь предположением. Несмотря на все успехи естественных наук, внутренняя структура Земли практически не изучена.
_________________
Здесь стоит сделать отступление и вспомнить нашего выдающегося соотечественника академика Владимира Афанасьевича Обручева (1863-1956). Это был человек разнообразных дарований, однако неспециалистам он знаком как основоположник русской геологии и писатель-фантаст. Сын военного, Обручев выбрал профессию геолога, которая на стыке XIX и XX веков была сопряжена с активными изысканиями в одних из самых труднодоступных мест Российской империи. Царскому правительству требовались новые месторождения полезных ископаемых, а также естественнонаучные сведения о своих владениях на бескрайних евразийских просторах. Обручев не только провёл геологические исследования в малодоступных районах Центральной Азии и участвовал в выборе места для проведения Транссибирской магистрали, но и обобщил свои наблюдения в научных трудах по геологии и минералогии. В 1901-1912 гг. преподавал в Томском университете, стал первым деканом горного факультета. За свои симпатии к социал-демократам был отстранён от преподавания, но изысканий не прекратил.
Оставаясь признанным специалистом-геологом, состоя в десятке геологических обществ мира и являясь автором более 450 научных работ, Обручев с 1911 года занимается просветительской деятельностью и популяризацией науки. В 1915 году, по мотивам произведений Жюля Верна, он публикует научно-фантастический роман «Плутония» о путешествии к центру Земли. Гипотезы о строении Земли, высказанные в литературной форме, сформируют в дальнейшем научную основу для исследований на Кольской сверхглубокой. В 1924 году Обручев публикует другое сочинение, сделавшее его знаменитым за пределами науки, - «Землю Санникова» о легендарном острове с реликтовым тёплым климатом, находящемся за Полярным кругом. По мотивам романа в 1973 году был снят одноимённый советский фильм, имевший ошеломительный успех - его посмотрели более 40 млн. чел.
В основе гипотез академика Обручева лежал не только опыт уникальных экспедиций, но и острый научный ум, позволивший ему опередить своё время на десятилетия. К примеру, Обручев первым высказал предположение о том, что Байкал является трещиной между тектоническими плитами и через миллионы лет станет новым океаном.
Именно Обручев был сторонником научных исследований земной коры без привязки к поиску конкретных месторождений. В советское время он разрабатывал программу глубинного бурения в местах выхода древних горных пород, которые могли бы подтвердить его революционную гипотезу о формировании слоя золота и редких металлов. Учёный считал, что под сравнительно тонким, в десятки метров, гранитно-базальтовым основанием литосферы (верхней части земной коры) находится расплав различных соединений, среди которых повсеместно, на всей территории земного шара (!) встречаются драгоценные металлы и другие полезные вещества. Обеспечив доступ к этому геологическому горизонту, человечество сможет обеспечить себя запасами золота, серебра, драгоценных камней и полезных ископаемых практически навечно. Именно эта гипотеза под названием «оливиновый пояс» получила популярность после опубликования Алексеем Толстым своего знаменитого романа «Гиперболоид инженера Гарина». (Оливином называется породообразующий минерал, состоящий в основном из силиката магния и железа, из-за чего он имеет характерный зелёный, оливковый цвет.)
Казавшиеся в 1920х годах фантастическими, предсказания Владимира Обручева сбылись. Согласно постулатам современной геологии, горные породы, насыщенные оливином, являются верным признаком наличия залежей алмазов, платины, хрома, титана и никеля. Эти минералы не менее ценны, чем золото, описанное в романе Толстого. Так, одним из крупнейших месторождений алмазов в мире являются залежи Аргайл в Австралии. Они состоят из пород вулканического происхождения - оливиновых туфов. Присутствие в минералах силиката магния и железа, поступающих из метафорического оливинового пояса, указывает на высокое содержание драгоценных алмазов. А впервые существование такого слоя было доказано при бурении Кольской скважины.
_________________
Вернёмся к истории бурения.
С начала 1950х годов бурение скважин глубиной 2-3 км для проведения геолого-разведочных работ было обычным делом. В СССР скважины глубиной 3-7 км назывались глубокими, свыше 7 км - сверхглубокими. В 1960-1962 годах была принята первая в мире комплексная научно-техническая программа «Изучение недр Земли и сверхглубокое бурение». В 1968 году было выбрано место для бурения скважины, призванной уйти в глубину по крайней мере на два десятка метров. Для этого бурить решили в месте печенегского прогиба Балтийского щита на северо-западе Восточно-Европейской платформы - одного самых древних образований на планете. Возраст выходящих здесь на поверхность пород насчитывал не менее трёх миллиардов лет, без обычной толщи осадочных пород.
Для создания скважины была создана уникальная команда учёных и инженеров; на скважине одновременно работали до 3 тыс. специалистов и 16 научно-исследовательских лабораторий. Бессменным начальником Кольской геологоразведочной экспедиции сверхглубокого бурения стал доктор технических наук Давид Губерман (старший брат поэта Игоря Губермана). Начальником буровой установки был назначен Алексей Батищев, главным инженером - Иван Васильченко; в команду вошли знаменитые геологи Юрий Кузнецов, Юрий Смирнов и Владимир Ланев.
Начало бурения приурочили к 100-летней годовщине Ленина, праздновавшейся в 1970 году. Официальным началом работ считается 24 мая. На первом этапе использовали серийную буровую установку «Уралмаш-4Э», использовавшуюся на нефтегазовых месторождениях. За первые четыре года с помощью этого оборудования удалось достигнуть глубины 7,2 км. Но далее требовались новые технологии, чтобы проходить через хрупкие породы в условиях стремительно нараставших температур.
Интересно, что в те годы разработчикам была поставлена задача производить все части конструкции бурового оборудования в СССР. И всего за год с небольшим была разработана новая уникальная буровая установка «Уралмаш-15000». Эта буровая представляла собой вышку с двадцатиэтажный дом, обшитую сверху листами фанеры (иначе нельзя было работать зимой). Советские инженеры использовали турбинное бурение - метод, по которому внутри скважины под давлением поступающей жидкости вращается только буровая коронка. Новое оборудование имело важные конструкционные и функциональные особенности: автоматизированная лебедка спуска и подъема; буровая колонна весом более 200 т, собранная 36-метровыми трубами-свечами из прочного и лёгкого титаново-алюминиевого сплава, вращалась не полностью - вращался только режущий инструмент на головке бура. На спуск и подъем колонны уходило порядка 18 часов, за одно погружение удавалось в течение четырех часов продвинуться вглубь на 7-10 метров. Для того, чтобы пройти первые семь километров, у буровиков ушло четыре года.
Рекордную отметку в 12 км удалось пройти уже в 1983 году, после чего работы приостановили - приближался Московский международный геологический конгресс, на котором были продемонстрированы совершённые на скважине открытия.
Бурить продолжили в 1984 году, но оказалось, что глубокую скважину нельзя оставлять без внимания надолго - в её структуре происходят изменения. Авария, отбросившая геологов на отметку в 7 км, произошла в первую же проходку 27 сентября 1984 года: произошел обрыв 200-тонной колонны. Все, что находилось ниже семи километров, было потеряно. Почти год геологи пытались достать трубы, но потом признали это невозможным и стали бурить обходной ствол. Основной трудностью стало то, что с глубины в 9 км порода начала крошиться и выемка керна стала проблематичной.
Максимальной глубины удалось достичь только в 1990 году. Давление на такой глубине составило 1000 атмосфер. После этого пришлось признать, что возможности существующей техники ограничены. В отличие от 1970х правительству «либеральной России» было не до науки - и после нескольких аварий работы свернули.
В 1995 году, якобы из-за нехватки финансирования, бурение было окончательно прекращено. В том же году в глубине скважины раздался мощнейший взрыв, природа которого так и не была установлена (!). После визита финских журналистов к месту происшествия в мире распространилась легенда о «колодце в ад», согласно которой бур оказался глубине более 14 км, в пустотах, где были были якобы слышны человеческие крики. В 1997 году скважина была законсервирована навсегда.
_________________
В чём же состояли открытия советских геологов?
1. До бурения считалось, что на глубине до 15 км температура коры меняется медленно. Обнаружилось обратное: на глубине в 5 км температура составляет 75 градусов, на 7-ми доходила до 120 градусов, а на глубине в 12 км - 220 градусов.
2. Популярная тогда геологическая теория считала, что наверху должен располагаться слойгранитов, под которыми залегают более древние базальты. Этот тезис был опровергнут. Слой гранитов оказался в несколько раз толще, чем предполагалось, а под ним залегали менее прочные трещиноватые породы, т.наз. «архейские гнейсы» возраста 2,5-4 млрд. лет. На глубине 9-12 км нашли глубинные водоносные горизонты, которых вообще не ожидали обнаружить. А всего в 1,5-2 км от поверхности располагался рудный горизонт - породы, богатые редкоземельными металлами. Их не обнаруживали раньше, так как на этой глубине обычно располагаются осадочные породы.
3. На глубине более 9 км был найден и оливиновый пояс (!), содержащий концентрацию золота, пригодную для разработки. При этом золото представляло собой не самородки и не песок, а гранулы. Вероятно, на такую форму металла повлияли высокие температуры и давление.
4. Образцы породы на глубине в 3 км полностью соответствовали лунному грунту, доставленному в рамках советской Космической программы. В 1970, 1972 и 1976 годах три станции «Луна» доставили на Землю в общей сложности 324 г лунного грунта. Сравнение породы из скважины с этими образцами подтвердило теорию о том, что Луна в свое время под воздействием удара астероида могла отколоться от Земли.
________________
В конце 2017 года «Российская газета» опубликовала заметку о том, что международная группа учёных из Чили, Австралии, Аргентины, Франции и Испании исследовала геологический механизм образования золота в одном из самых золотоносных районов в Патагонии. Оказалось, что золото рождается в мантии Земли и поднимается к поверхности под влиянием внутренних процессов планеты. По мнению учёных, в слое под крупнейшими месторождениями мантия может быть насыщена золотом. Граница слоя располагается примерно в 17 километрах от поверхности под океанами и 70 километрах - под континентами. Изучение мантии позволило бы проверить эту гипотезу, но технологии пока не позволяют проникнуть на такую глубину.
https://rg.ru/2017/11/25/raskryta-glavnaia-tajna-zolota.html
Помимо сугубо научных результатов и испытаний новой техники, успех советской геологии состоял в доказательстве гипотезы полувековой давности - драгоценные и редкоземельные металлы и другие полезные минералы не являются такой уж редкостью. Однако такой вывод представлял прямую опасность международным финансовым и политическим кругам, заинтересованным в стабильно высоких ценах на золото и некоторые другие вещества. Демонстрация достижений коллектива Кольской сверхглубокой на Международном геологическом конгрессе в 1983 году, возможно, предрешила драматическую судьбу этого советского мегапроекта.
Вспомним пророческие строки из романа Алексея Толстого:
<<Правительство обратилось к благоразумию населения:
«…Пусть верно то, о чём сообщил пресловутый бандит, выходец из Советской России, инженер Гарин. Но тем скорее нужно засыпать шахту на Золотом острове, уничтожить самую возможность иметь неисчерпаемые запасы золота. Что будет с эквивалентом труда, счастья, жизни, если золото начнут копать, как глину? Человечество неминуемо вернётся к первобытным временам, к меновой торговле, к дикости и хаосу. Погибнет вся экономическая система, умрут промышленность и торговля. Людям незачем будет напрягать высшие силы своего духа. Умрут большие города. Зарастут травой железнодорожные пути. Погаснет свет в кинематографах и луна-парках. Человек снова кремнёвым копьём будет добывать себе пропитание. Инженер Гарин - величайший провокатор, слуга дьявола. Его задача - девальвировать доллар. Но этого он не добьётся…»>>
Если Земля постоянно рождает в своих недрах драгоценные металлы и полезные ископаемые, а территория СССР в то время занимала 1/6 всей мировой суши, то напрашивался неутешительный, для мирового правительства, вывод: Советы могут в одночасье стать независимыми от финансового господства, отказавшись и от золотого стандарта Лондонского Сити, и от иглы нефтедоллара…
... В 2020 году был снят триллер "Кольская сверхглубокая", в котором повторена мифология 30-летней давности. Зачем? Вероятно, с той же целью - привить нынешнему поколению магический взгляд на историю и отвлечь от научных и технических достижений реального мегапроекта.
Сможет ли Россия на новом этапе возобновить такие масштабные исследования земной коры? Будет ли предпринята попытка возродить Кольскую сверхглубокую?