Человечество отправляет аппараты к окраинам Солнечной системы и наблюдает за далекими галактиками, однако недра собственной планеты по-прежнему изучены лишь частично. Земная кора скрывает происходящее внутри, и ученые до сих пор не смогли получить прямой образец вещества мантии.
Сведения о глубоких слоях Земли в основном строятся на косвенных наблюдениях. О составе недр судят по сейсмическим волнам, данным гравиметрии и редким мантийным включениям, найденным в вулканических породах. Но исследование нетронутого материала мантии могло бы существенно изменить представления геологов и физиков о строении планеты.
Где проходит рубеж мантии
На поверхности земная кора воспринимается как огромный твердый слой, но в масштабе планеты она сравнима с тонкой скорлупой яйца. Сразу под ней начинается мантия, на которую приходится свыше восьмидесяти процентов земного объема.
Граница Мохоровичича
Переход от коры к мантии известен как поверхность, или граница, Мохоровичича. Здесь сейсмические волны резко меняют скорость: причина заключается в иной плотности и химическом составе пород. Именно этот подземный рубеж остается основной целью проектов сверхглубокого бурения.
Пересечение границы Мохо дало бы возможность исследовать первичное вещество, которое не было преобразовано плавлением и эрозией в земной коре. Такие образцы помогли бы уточнить возраст Земли, процессы движения литосферных плит и механизм формирования магнитного поля. Но добраться до этой точки оказалось труднее, чем вывести аппарат на околоземную орбиту.
Важно: Глубина границы Мохоровичича различается в зависимости от участка: под континентами она находится на отметках 30–70 километров, а под океанским дном может располагаться всего в 5–10 километрах.
Почему океан не решает проблему
Континентальная кора особенно мощная в пределах древних щитов и горных систем. Чтобы пробурить ее на требуемую глубину, необходимо пройти десятки километров гранитов и гнейсов. Поэтому работы на суше требуют огромных вложений и занимают много времени.
Под океанами кора заметно тоньше, поэтому морские участки выглядят более перспективными. Однако буровую установку приходится контролировать через многокилометровую толщу воды. Течения, качка судна и расстояние до дна резко усложняют управление инструментом.
Попытки добраться до Мохо
Во второй половине XX века несколько научных программ пытались достичь границы Мохоровичича. Тогда глубокое бурение стало частью соперничества научных школ и демонстрацией возможностей инженерии. Но реальные условия в недрах быстро показали, что первоначальные расчеты были слишком оптимистичными.
Кольская сверхглубокая скважина
Наиболее известным континентальным проектом стала Кольская сверхглубокая скважина в СССР. Работы начались в 1970 году и продолжались более двадцати лет. Скважина достигла вертикальной глубины 12 262 метра, и этот рекорд до сих пор не превзойден.
Исследования на Кольском полуострове опровергли ряд представлений того времени. Вместо ожидаемого перехода от гранитов к базальтам специалисты нашли трещиноватые породы, заполненные горячими минерализованными растворами. Когда параметры бурения стали критическими для доступного оборудования, проект остановили.
Проект «Мохол» и судно Chikyu
В 1960-х годах американские ученые начали проект «Мохол»: планировалось пробурить дно Тихого океана у побережья Мексики. Программу закрыли после роста расходов и технических проблем, возникших уже на сравнительно небольших глубинах. При этом полученный опыт стал важной основой для развития мирового глубоководного бурения.
В XXI веке работу продолжила Япония, построив специализированное буровое судно Chikyu. Оно получило мощную буровую вышку и сложные системы динамического позиционирования. Японские специалисты рассчитывают пройти океаническую кору в районах субдукции, но пока удалось преодолеть только часть намеченной дистанции.
Что разрушает оборудование в недрах
Главная трудность заключается не столько в расстоянии до мантии, сколько в условиях, которые встречают бурильщики по пути. С углублением привычные инженерные решения перестают работать: породы меняют свойства, а металл и электроника испытывают экстремальные нагрузки.
Жара и выход из строя электроники
На больших глубинах геотермический градиент оказался выше, чем предполагали расчеты. На отметке двенадцать километров в Кольской скважине температура достигла ста восьмидесяти градусов Цельсия при ожидаемых ста. Вблизи мантии она может подняться выше трехсот и даже четырехсот градусов.
В такой среде смазки быстро выгорают, а буровые растворы начинают кипеть. Электронные системы навигации, размещенные в бурильной головке, также быстро отказывают. Для датчиков и кабелей, способных работать при подобном нагреве, нужны редкие сплавы и технологии охлаждения, применяемые в космической технике.
Важно: При температуре выше двухсот градусов Цельсия обычная электроника утрачивает полупроводниковые свойства, а резиновые уплотнители и изоляционные материалы разрушаются за считанные часы.
Давление и пластичность горных пород
На глубинах свыше десяти километров давление вышележащих пород достигает тысяч атмосфер. Под таким сжатием гранит и базальт перестают быть хрупкими, приобретая пластичность. Твердая порода медленно ведет себя почти как вязкая смола или пластилин.
После прохода бура стенки скважины начинают сжиматься и оплывать. Канал постепенно закрывается, а инструмент может оказаться зажатым намертво. Чтобы ствол оставался открытым, приходится подавать промывочные растворы очень высокой плотности, создающие огромную гидравлическую нагрузку на всю установку.
Трубы, вибрации и износ коронок
Бурильная колонна длиной десять-двенадцать километров представляет собой чрезвычайно тяжелую и гибкую конструкцию. Ее масса достигает сотен тонн, поэтому трубы работают почти на пределе прочности при растяжении. Передавать вращение с поверхности сложно: крутящий момент запаздывает и вызывает паразитные резонансные колебания.
Глубинные твердые породы быстро изнашивают даже алмазные коронки. Замена бура занимает несколько дней, поскольку многокилометровую колонну необходимо поднять, разобрать, а затем собрать вновь. Обрыв или поломка на забое может привести к потере скважины, и такие случаи уже происходили во время экспедиций.
Важно: Значительная доля энергии привода расходуется на трение колонны о стенки искривленного ствола, а соединительные замки из-за этого подвергаются усталостному разрушению.
Какие технологии могут приблизить мантии
Ограничения механического бурения заставляют исследователей искать другие способы проникновения в земные недра. Вращательное разрушение породы коронкой практически достигло своего предела на экстремальных глубинах. Чтобы добраться до мантии, потребуются новые физические подходы.
Термические зонды и разрушение без контакта
Среди перспективных направлений рассматриваются плазменное и гидротермальное разрушение породы. Струя нагретого газа или жидкости может раскалывать камень без непосредственного механического контакта. Это способно уменьшить износ коронок и снизить массу оборудования на забое.
Еще одна идея связана с автономными капсулами, которые самостоятельно погружаются в породу благодаря ядерному источнику тепла. Такой зонд должен плавить камень под собой и медленно опускаться под действием гравитации. Однако пока не существует способа вернуть аппарат с образцами на поверхность или передать сигнал через толщу расплавленной породы.
Естественные геологические окна
Некоторые исследовательские группы выбирают другой путь: ищут места, где мантия приблизилась к поверхности из-за природных процессов. В районах срединно-океанических хребтов тектонические разломы порой поднимают мантийные породы почти к самому морскому дну.
Там глубина бурения может сократиться до одного-двух километров. Но такие породы уже взаимодействовали с морской водой и гидротермальными источниками, поэтому их первоначальный химический состав меняется. Нетронутая «сухая» мантия все еще остается недоступной, ожидая технологий, которые смогут преодолеть жар, давление и текучесть раскаленных недр.
Путь в глубины Земли оказался сложнее полетов к другим планетам. Под поверхностью находится мощный барьер, созданный температурой, давлением и пластичным камнем. Новые композитные материалы и нестандартные методы бурения могут однажды позволить пересечь границу Мохоровичича и получить прямой доступ к важнейшему источнику сведений о геологической истории планеты.