Программа изучения глубинного строения недр

        проводится с целью исследования геол. строения, состава и состояния земной коры и верх. мантии, оценки нефтегазоносности и рудоносности глубоких участков недр на терр. СССР. Осуществляется с 1963 поэтапно и рассчитана до 2000 г. Организация, координация и практич. руководство исследованиями ведётся Межведомственным науч. советом ГКНТ (председатели: А. В. Сидоренко с 1963, А. С. Тимофеев 1965-73, Е. А. Козловский с 1975). Головная орг-ция - Мин-во геологии СССР (программными исследованиями занято ок. 150 науч. и производств. орг-ций), принимают участие также АН СССР и АН союзных республик, соответствующие мин-ва и ведомства. Исследования, согласно программы, включают широкое использование глубокого и Сверхглубокого бурения и комплексных геол.-геофиз. и геохим. глубинных методов.         
В первый и второй этапы исследования (1963-80) были проведены подготовит. работы к сверхглубокому бурению и начато бурение самой глубокой в мире Кольской сверхглубокой скважины с макс. автоматизацией процессов бурения и Саатлинской скважины (8,2 км). Автоматизация процесса бурения позволила в неск. раз увеличить коммерч. скорость бурения. Разработан и внедрён принципиально новый метод бурения опережающим открытым стволом оптим. 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 стр-ва на 50-60% за счёт бурения ствола только с оптим. радиальным размером (214 мм); существенно повысить информативность внутрискважинных исследований за счёт сохранения ствола открытым длит. время; корректировать все процессы бурения. Сконструированы породоразрушающие инструменты и забойные двигатели с соответствующей глубинным условиям характеристикой, в т.ч. с маслонаполненной герметизир. опорой, обеспечившие показатели отработки, превышающие средние проектные на 15-20%, а на больших глубинах - св. 70%. Созданы термостойкие редукторные турбобуры, устойчиво работающие при частоте вращения 80-200 об/мин.         
Разработана система контроля работы турбобуров на забое, основанная на гидравлич. линии связи (через буровой раствор). Внедрены в произ-во 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 техн. средств несерийного бурового технол. инструмента (расширители, калибраторы, противоаварийные инструменты и т.п.). Всего пром-стью освоено произ-во более 30 новых видов буровой техники. Создан ряд уникальных геофиз. приборов (всего св. 25 видов), что позволило обеспечить проведение наиболее полного в мировой практике комплекса науч. исследований. С помощью этой аппаратуры впервые в мировой практике на глуб. св. 10 км были получены данные по 28 параметрам пород и изучены закономерности их изменения по всему разрезу Кольской сверхглубокой скважины. Геол.-геофиз. результаты бурения Кольской скважины, достигшей к 1984 глуб. 12 066 м, позволили сделать ряд новых геол. выводов о строении, характере рудогенеза и эволюции докембрийской континентальной коры. Впервые в одном непрерывном геол. разрезе (от 3 до 1,6 млрд. лет) детально изучена метаморфич. зональность от пренитпумпеллитовой до амфиболитовой фаций, построен первый достоверный вертикальный геохим. разрез докембрийской земной коры. Впервые обнаружены в глубинных зонах континентальной земной коры минерализов. подземные трещинные воды и выявлена их гидрогеол. 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 пром. концентрациях на столь больших глубинах. Это заключение имеет фундаментальное значение для дальнейшего развития учения о п. и., теории и практики поиска на большой глубине новых рудных залежей. Принципиально важен вывод об исходном горизонтальном залегании никеленосных интрузий и их расчленении на отд. фрагменты в результате чешуйчатых перемещений тектонич. блоков, что расширяет перспективы обнаружения медно-никелевых руд в Печенгской структуре. Получены также данные о составе и физ. состоянии пород, к-рые имеют важное значение для разработки прогноза скрытых м-ний фосфатного сырья, жел. и медных руд, слюды и руд редких металлов. Установлено, что характер изменения физ. свойств г. п. и формирование геофиз. границ в земной коре в большой степени зависит от напряжённого состояния г. п. (его распределения по глубине), при этом границы резкого изменения напряжённого состояния г. п. соответствуют ступенчатым изменениям геотермич. градиента и теплового потока. Анализ напряжённого состояния недр показал чётко выраженную горизонтальную расслоённость земной коры, связанную с изменением локальных условий и механизмов деформации разл. глубинных горизонтов. Совместная интерпретация результатов комплексных геол. и геофиз. исследований позволили сделать вывод о том, что б.ч. наклонных сейсмич. границ, характерных для верх. части разреза, сопряжена с зонами катаклаза пород.         
Кольская скважина впервые в мире пересекла границу "гранитного" и "базальтового" слоев, к-рой соответствует скачкообразное изменение скоростей сейсмич. волн (Конрада границу). 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 г. п. и переходом от "гранитного" слоя к "базальтовому", а с разуплотнением г. п. 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 геол. природу глубоких сейсмич. границ и с принципиально новых позиций интерпретировать материалы региональных наземных и скважинных геофиз. исследований в р-нах распространения древних кристаллич. пород; объяснить природу и происхождение гидротермальных флюидов, механизм образования тектонич. 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 к-рой 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 методич. основах. Согласно программе, создаются системы увязанных друг с другом региональных геотраверсов с комплексом геофиз. исследований, опирающихся на сеть глубоких и сверхглубоких скважин (карта).

        Используются также данные космогеол. и аэрогеофиз. съёмок, что при комплексной интерпретации материалов позволит в дальнейшем создать объёмные геол.-геофиз. модели разных порядков для страны в целом (рис. 1).

Рис. 1. Схема регионального изучения земной коры и верхней мантии территории СССР.
        В общей сложности было выполнено более 18 тыс. км профилей глубинного сейсмич. зондирования, по данным к-рого прослежены гипсометрич. положение и рельеф поверхности Мохоровичича, дорифейского фундамента в Вост. Сибири, выявлена серия промежуточных границ в консолидир. коре и осадочном чехле, установлены зоны разломов и их амплитуды, уточнены региональные границы и глубинная структура положит. и отрицат. тектонич. элементов, перспективных для эндогенной минерализации, а также нефте- и газонакопления. Получены новые сведения о строении и физ. параметрах верх. мантии Земли в пределах Вост.-Европейской и Сибирской платформ, обрамляющих их молодых плит и складчатых сооружений. Составлены скоростные разрезы до глуб. ок. 400 км, изучены поглощающие свойства геол. сред, дана обобщённая геол. интерпретация выделенных площадных аномалий скоростей продольных сейсмич. волн, возбуждаемых крупными пром. взрывами. Рассчитаны теоретич. модели коры и мантии для ряда крупных тектонич. единиц терр. СССР (в т.ч. для Зап. Сибири). Проведённая комплексная интерпретация разнородных геофиз. материалов для разл. геотектонич. зон позволила сделать выводы о том, что сложившиеся ранее представления о моделях изучаемых сред, на основе к-рых интерпретировались геофиз. данные, оказались упрощёнными. Так, были установлены значительные вертикальная и горизонтальная неоднородности в строении земной коры и литосферы; выявлены сложные соотношения глубинного строения с приповерхностн. геол. структурами. В земной коре и верх. мантии Земли наряду с геол. (структурно-вещественными) границами выявлены границы, по-видимому, разл. геодинамич. состояния. Практич. итогом проведения многолетних исследований была подготовка серии карт для терр. СССР, отражающих осн. черты строения глубинных недр Земли. В 1981-86 для прогнозирования и выявления глубинного оруденения и нефтегазонакопления недр в разных р-нах страны начато бурение др. сверхглубоких скважин: Уральской (проектная глуб. 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 геодинамич. процессов и изучения процессов осадконакопления, процессов дифференциации магматич. очагов, генезиса и миграции флюидов (растворов и газов) в земной коре, совр. геотермич. и геодинамич. режимов. Комплексные исследования на крупных геодинамич. полигонах будут осуществляться в тесной связи с бурением глубоких скважин в важнейших рудных р-нах (рис. 2). Предусмотрено дальнейшее развитие сети региональных геотраверсов (при этом комплексные исследования по геотраверсам будут опережать проходку глубоких и сверхглубоких скважин).

Рис. 2. Схема вскрытия стратиграфического разреза глубокими и сверхглубокими скважинами: 1 - возраст отложений и интервал, пройденный скважинами; 2 - предполагаемые залежи нефти и газа; 3 - установленные рудные залежи; 4 - предполагаемые рудные залежи.
        Реализация программы позволит получить принципиально новые данные для создания фактографически обоснованных глобальных моделей геотектоники, нефтегазоносности и металлогении. Наиболее интересны след. направления: изучение горизонтальной расслоённости литосферы и её природы, специфики докембрийского развития Земли, теплового и радиационного потоков, совр. геодинамич. активности, изменения свойств пород на разл. 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-измерит. аппаратура и буровое оборудование для больших глубин. В перспективе будет разработана комплексная автоматизир. система (геосистема) сбора и обработки геол., геофиз. и геохим. информации, получаемой на 4 уровнях "космос - воздух - земля - скважина".         
Реализация системы повысит в первую очередь геол. эффективность работ и сократит затраты на всех стадиях геол.-разведочных работ за счёт оптимизации и новых организац. и техн. решений. Проведение П.и.г.с.н. 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.

Литература: Козловский E. A., Комплексная программа глубинного изучения земных недр, "Советская геология", 1982, No 9; его же, Перспективы комплексного изучения недр Земли на период до 2000 года, "Советская геология", 1986, No 12; Кольская сверхглубокая, М., 1984.

Е. А. Козловский.