Программа изучения глубинного строения недр

ПРОГРАММА ИЗУЧЕНИЯ ГЛУБИННОГО СТРОЕНИЯ НЕДР — проводится с целью исследования геологического строения, состава и состояния земной коры и верхней мантии, оценки нефтегазоносности и рудоносности глубоких участков недр на территории СССР. Осуществляется с 1963 поэтапно и рассчитана до 2000 г. Организация, координация и практическое руководство исследованиями ведётся Межведомственным научным советом ГКНТ (председатели: А. В. Сидоренко с 1963, А. С. Тимофеев 1965-73, Е. А. Козловский с 1975). Головная организация — геологии СССР Министерство геологии СССР (программными исследованиями занято около 150 научных и производственных организаций), принимают участие также Академии Наук СССР и Академии Наук союзных республик, соответствующие министерства и ведомства. Исследования, согласно программы, включают широкое использование глубокого и сверхглубокого бурения и комплексных геолого-геофизических и геохимических глубинных методов.

В первый и второй этапы исследования (1963-80) были проведены подготовительные работы к сверхглубокому бурению и начато бурение самой глубокой в мире Кольской сверхглубокой скважины с максимальной автоматизацией процессов бурения и Саатлинской скважины (8,2 км). Автоматизация процесса бурения позволила в несколько раз увеличить коммерческую скорость бурения. Разработан и внедрён принципиально новый метод бурения опережающим открытым стволом оптимального диаметра, что позволило в 5-6 раз сократить металлоёмкость конструкции скважины (по сравнению со скважинами на нефть и газ); исключить износ зацементированных обсадных колонн, уменьшить вероятность возникновения тяжёлых осложнений; сократить сроки строительства на 50-60% за счёт бурения ствола только с оптимальным радиальным размером (214 мм); существенно повысить информативность внутрискважинных исследований за счёт сохранения ствола открытым длительное время; корректировать все процессы бурения. Сконструированы породоразрушающие инструменты и забойные двигатели с соответствующей глубинным условиям характеристикой, в т.ч. с маслонаполненной герметизированной опорой, обеспечившие показатели отработки, превышающие средние проектные на 15-20%, а на больших глубинах — свыше 70%. Созданы термостойкие редукторные турбобуры, устойчиво работающие при частоте вращения 80-200 об/мин.

Разработана система контроля работы турбобуров на забое, основанная на гидравлической линии связи (через буровой раствор). Внедрены в производство новые типы керноотборных снарядов с гидротранспортом керна. Разработана принципиально новая технология ликвидации тяжёлых призабойных осложнений методом безориентированной зарезки нового ствола без установки цементного моста. Создан комплекс технических средств несерийного бурового технологического инструмента (расширители, калибраторы, противоаварийные инструменты и т.п.). Всего промышленностью освоено производство более 30 новых видов буровой техники. Создан ряд уникальных геофизических приборов (всего свыше 25 видов), что позволило обеспечить проведение наиболее полного в мировой практике комплекса научных исследований. С помощью этой аппаратуры впервые в мировой практике на глубине свыше 10 км были получены данные по 28 параметрам пород и изучены закономерности их изменения по всему разрезу Кольской сверхглубокой скважины. Геолого-геофизические результаты бурения Кольской скважины, достигшей к 1984 глубины 12 066 м, позволили сделать ряд новых геологических выводов о строении, характере рудогенеза и эволюции докембрийской континентальной коры. Впервые в одном непрерывном геологическом разрезе (от 3 до 1,6 млрд. лет) детально изучена метаморфическая зональность от пренитпумпеллитовой до амфиболитовой фаций, построен первый достоверный вертикальный геохимический разрез докембрийской земной коры. Впервые обнаружены в глубинных зонах континентальной земной коры минерализованные подземные трещинные воды и выявлена их гидрогеологическая зональность. Установлено, что в формировании крупнейших структурно-формационных зон земной коры большую роль играют газы (с глубиной возрастает роль водорода, гелия и уменьшается роль углеводородных газов). Доказана принципиальная возможность формирования рудных минералов в промышленных концентрациях на столь больших глубинах. Это заключение имеет фундаментальное значение для дальнейшего развития учения о полезных ископаемых, теории и практики поиска на большой глубине новых рудных залежей. Принципиально важен вывод об исходном горизонтальном залегании никеленосных интрузий и их расчленении на отдельные фрагменты в результате чешуйчатых перемещений тектонических блоков, что расширяет перспективы обнаружения медно-никелевых руд в Печенгской структуре. Получены также данные о составе и физическом состоянии пород, которые имеют важное значение для разработки прогноза скрытых месторождений фосфатного сырья, железных и медных руд, слюды и руд редких металлов.

Установлено, что характер изменения физических свойств горных пород и формирование геофизических границ в земной коре в большой степени зависит от напряжённого состояния горных пород (его распределения по глубине), при этом границы резкого изменения напряжённого состояния горных пород соответствуют ступенчатым изменениям геотермического градиента и теплового потока. Анализ напряжённого состояния недр показал чётко выраженную горизонтальную расслоённость земной коры, связанную с изменением локальных условий и механизмов деформации различных глубинных горизонтов. Совместная интерпретация результатов комплексных геологических и геофизических исследований позволили сделать вывод о том, что большая часть наклонных сейсмических границ, характерных для верхней части разреза, сопряжена с зонами катаклаза пород.

Кольская скважина впервые в мире пересекла границу "гранитного" и "базальтового" слоев, которой соответствует скачкообразное изменение скоростей сейсмических волн (Конрада граница). Однако базальтового слоя не было обнаружено, средний состав пород ниже границы скачка скоростей оказался примерно таким же, как и выше её. Как выяснилось, резкое изменение скоростей распространения волн связано не с изменением состава горных пород и переходом от "гранитного" слоя к "базальтовому", а с разуплотнением горных пород на больших глубинах. Это явление обусловлено тем, что в процессе метаморфизма происходит выделение свободного флюида из минеральных гидратов (хлорита, эпидота, слюд и т.д.). Открытие явления "гидрогенного разуплотнения" позволило понять геологическую природу глубоких сейсмических границ и с принципиально новых позиций интерпретировать материалы региональных наземных и скважинных геофизических исследований в районах распространения древних кристаллических пород; объяснить природу и происхождение гидротермальных флюидов, механизм образования тектонических нарушений, изменить представления о строении гидрогеосферы. В результате изучения материалов бурения Кольской скважины была прослежена эволюция докембрийской континентальной земной коры в интервале от 3 до 1,6 млрд. лет и создана объёмная модель коры, согласно которой архейская континентальная кора состоит из 3 слоёв: гранито-гнейсового (0-15 км), гранулито-гнейсового (15-30 км) и нижнего (30-40 км), представляющего собой протокору.

На протяжении третьего этапа, начавшегося в 1981, исследования ведутся на принципиально новых методических основах. Согласно программе, создаются системы увязанных друг с другом региональных геотраверсов с комплексом геофизических исследований, опирающихся на сеть глубоких и сверхглубоких скважин (карта).

Используются также данные космогеологических и аэрогеофизических съёмок, что при комплексной интерпретации материалов позволит в дальнейшем создать объёмные геолого-геофизические модели разных порядков для страны в целом (рис. 1).

В общей сложности было выполнено более 18 тысяч км профилей глубинного сейсмического зондирования, по данным которого прослежены гипсометрическое положение и рельеф поверхности Мохоровичича, дорифейского фундамента в восточной Сибири, выявлена серия промежуточных границ в консолидированной коре и осадочном чехле, установлены зоны разломов и их амплитуды, уточнены региональные границы и глубинная структура положительного и отрицательного тектонических элементов, перспективных для эндогенной минерализации, а также нефте- и газонакопления. Получены новые сведения о строении и физических параметрах верхней мантии Земли в пределах Восточно-Европейской и Сибирской платформ, обрамляющих их молодых плит и складчатых сооружений. Составлены скоростные разрезы до глубины около 400 км, изучены поглощающие свойства геологических сред, дана обобщённая геологическая интерпретация выделенных площадных аномалий скоростей продольных сейсмических волн, возбуждаемых крупными промышленными взрывами. Рассчитаны теоретические модели коры и мантии для ряда крупных тектонических единиц территории СССР (в т.ч. для Западной Сибири). Проведённая комплексная интерпретация разнородных геофизических материалов для различных геотектонических зон позволила сделать выводы о том, что сложившиеся ранее представления о моделях изучаемых сред, на основе которых интерпретировались геофизические данные, оказались упрощёнными. Так, были установлены значительная вертикальная и горизонтальная неоднородность в строении земной коры и литосферы; выявлены сложные соотношения глубинного строения с приповерхностными геологическими структурами. В земной коре и верхней мантии Земли наряду с геологическими (структурно-вещественными) границами выявлены границы, по-видимому, различного геодинамического состояния. Практическим итогом проведения многолетних исследований была подготовка серии карт для территории СССР, отражающих основные черты строения глубинных недр Земли. В 1981-86 для прогнозирования и выявления глубинного оруденения и нефтегазонакопления недр в разных районах страны начато бурение других сверхглубоких скважин: Уральской (проектная глубина 15 км), Криворожской (12 км), Кубанской (12 км), Тюменской (8 км), Днепрово-Донецкой (8 км), Прикаспийской (7 км), Мурунтауской (7 км) и др. До 2000 г. круг исследований будет расширен за счёт определения закономерностей строения и развития земной коры не только континентов, но и шельфовых и глубоководных областей океанов, выяснения источников геодинамических процессов и изучения процессов осадконакопления, процессов дифференциации магматических очагов, генезиса и миграции флюидов (растворов и газов) в земной коре, современного геотермического и геодинамического режимов. Комплексные исследования на крупных геодинамических полигонах будут осуществляться в тесной связи с бурением глубоких скважин в важнейших рудных районах (рис. 2). Предусмотрено дальнейшее развитие сети региональных геотраверсов (при этом комплексные исследования по геотраверсам будут опережать проходку глубоких и сверхглубоких скважин).

Реализация программы позволит получить принципиально новые данные для создания фактографически обоснованных глобальных моделей геотектоники, нефтегазоносности и металлогении. Наиболее интересны следующие направления: изучение горизонтальной расслоённости литосферы и её природы, специфики докембрийского развития Земли, теплового и радиационного потоков, современной геодинамической активности, изменения свойств пород на различных глубинах, распределения и перераспределения углеводородов и рудообразующих элементов по глубине, роли метаморфизма и нефте-, газо- и рудообразования, миграции вод на больших глубинах. Для выполнения поставленных задач создаётся более эффективная контрольно-измерительная аппаратура и буровое оборудование для больших глубин. В перспективе будет разработана комплексная автоматизированная система (геосистема) сбора и обработки геологической, геофизической и геохимической информации, получаемой на 4 уровнях "космос — воздух — земля — скважина".

Реализация системы повысит в первую очередь геологическую эффективность работ и сократит затраты на всех стадиях геологоразведочных работ за счёт оптимизации и новых организационных и технических решений. Проведение программы изучения глубинного строения недр позволит осуществлять комплексное изучение и прогнозирование техногенных процессов, а также разработку мер по снижению их влияния на окружающую среду и обеспечит получение большого числа разнообразных оперативных данных о наземной и околоземной обстановке.