Если хорошенько задуматься и сопоставить информацию, не трудно усмотреть определенный парадокс в несоответствии изученности Космоса и Земли. Начнем с Космоса.

На каком расстоянии в среднем летают искусственные спутники Земли?

Спутники связи и навигации летают на геостационарной орбите, на высоте 35 786 км в плоскости земного экватора [1].

Спутник должен обращаться в направлении вращения Земли на этой высоте над уровнем моря. Именно такая высота обеспечивает спутнику период обращения, равный периоду вращения Земли относительно звёзд (Звёздные сутки: 23 часа 56 минут 4,091 секунды) [2].

Спутники-шпионы летают на высоте 200-1000 километров. Метеоспутники системы «ИТОС» функционируют на солнечно-синхронной круговой орбите высотой 1463 км. Спутник «Тирос-N» функционирует на приполярной круговой солнечно-синхронной орбите с номинальной высотой в диапазоне 833—870 км [1].

Наиболее хорошо освоен и изучен Космос на высотах, на которых работает Международная Космическая Станция. Высота орбиты МКС постоянно изменяется. В последнее время высота орбиты неуклонно повышается. 10 февраля 2011 высота полета МКС составила порядка 353 километров над уровнем моря. 15 июня 2011 увеличилась на 10,2 километра и составила 374,7 километра. 29 июня 2011 высота орбиты составила 384,7 километра [3].

Если говорить о самом глубоком проникновении космических аппаратов в глубины галактики, следует привести информацию о полетах «Вояджер 1» и «Вояджер 2», запущенных с Земли в 1977 году [4].

Вояджер-1 был первым космическим аппаратом, который сделал детальные снимки спутников Юпитера и Сатурна. В настоящее время это - самый далёкий от Земли и самый быстрый движущийся объект, созданный человеком. На 1 сентября 2013 года он находился на расстоянии в 18,745 млрд. км от Солнца.

Тем самым аппарат, продолжающий функционировать, удалился от Солнца на расстояние, примерно в 3 раза превышающее среднее расстояние от Солнца до самой далекой планеты Солнечной системы - Плутона. На таком расстоянии Солнце видится обычной, хотя и яркой, звездочкой!

Пока корабли летели через Солнечную систему, многие их функции были перепрограммированы, так что Вояджеры стали обладать большими ресурсами, чем те с которыми они стартовали. В результате исследованы все планеты-гиганты Солнечной системы, 48 их спутников, системы их колец, их магнитные поля.

Если бы миссия закончилась на Юпитере с Сатурном - она все равно принесла бы материал, вынуждающий переписывать учебники астрономии [5].

Нельзя не упомянуть о том, что на Луне было произведено бурение скважин с отбором керна станциями «Луна 16», «Луна 20» и «Луна 26» соответственно еще в 1970, 1972 и 1976 гг. Советский «Луноход» и астронавты США в ходе миссии «Аполло» также занимались бурением небольших скважин. Конечно, «лунные» скважины нельзя назвать глубокими, но по масштабу решенных задач они, конечно, сопоставимы. Начиная с 1998 г., в США развивается проект создания системы бурения на Марсе [6].

И, в то же время, изученность строения Земли не превышает 12 262 м (Кольская сверхглубокая) и то в одной точке. Зная, что средний радиус Земли равен 6371 км (экваториальный радиус 6378,1 км, полярный радиус 6356,8 км), легко рассчитать, сравнив Землю с яблоком, что Земля изучена в глубину, примерно, на толщину яблочной кожуры. На самом же деле, можно говорить о достаточно детальном изучении строения Земли (буровыми скважинами) на глубину не свыше 3 000 м. Геофизические и геохимические методы исследований, на которых базируются наши представления о строении Земли, не всегда являются достоверными и корректируются, подтверждаются или отвергаются по результатам бурения скважин. Истина, в данном случае, находится «на кончике бурового долота».

В XIII веке китайцам удавалось бурить скважины глубиной до 1200 метров. В 1930 году в Европе смогли превзойти этот рекорд, пробурив земную кору на глубину 3 км. В конце 50-х глубина пробуренных скважин увеличилась до 7 км.

В 1958 году была создана программа «Мохол» для бурения коры под Тихим океаном. Проект был так назван в честь хорватского ученого Андрея Мохоровичича, который исследовал земную кору и мантию. Часть названия «hole» переводится с английского языка на русский как «скважина». Однако работа в рамках проекта была прекращена в 1966 году из-за недостатка финансирования [7].

Бурение глубоких скважин с научными целями вели и в США по программе DOSECC с 1990 г. (глубины – менее 4000 м), в Швеции скважина Gravberg-1 достигла 6770 м, но крупнейшей зарубежной программой была КТБ в Германии, по которой в 1987 – 1994 гг. пробурили две скважины глубиной 4000 и 9001 м. В Японии бурение глубоких скважин развивалось для получения геотермальной энергии, но идеи их использования с научными целями всегда обсуждались. Наиболее глубокой и «горячей» была скважина WD-1A, пробуренная в 1995 г. до глубины 3729 м, где температура достигала 500°C. Прогноз землетрясений и мониторинг вулканов имеют для Японии не только научный, но и вполне практический интерес, однако научное бурение в океане было признано более эффективным инструментом, и было принято решение о строительстве бурового судна [6].

Целью бурения сверхглубоких скважин было, прежде всего, достижение горизонта Мохоровичича и вход в Мантию Земли.

Поэтому несколько слов о строении Земли.

Мантия Земли недоступна непосредственному исследованию: она не выходит на земную поверхность и не достигнута глубинным бурением. Поэтому большая часть информации о мантии получена геохимическими и геофизическими методами. Данные же о её геологическом строении очень ограничены [8].

МАНТИЯ ЗЕМЛИ (от греческого mention — покрывало, плащ) — геосфера, расположенная между земной корой и ядром. Составляет 83% объёма и 67% массы Земли. Верхняя граница проходит на глубине от нескольких километров (под океанами) до 70 км (под континентами) по поверхности Мохоровичича, нижняя — на глубине 2900 км.

Предполагают, что мантия Земли сложена в основном оливином. Химический состав мантии близок к составу первичной Земли. С глубиной в мантии Земли, по-видимому, растёт концентрация тяжёлых элементов, в частности, железа.

Вещество мантии способно медленно течь (со скоростями до десятков сантиметров в год). С процессами в мантии земли связаны тектонические движения, магматизм и вулканизм в земной коре.

На границе Мохоровичича происходит резкое увеличение сейсмических скоростей — от 7 до 8—8,2 км/с.

В начале ХХ века активно обсуждалась природа границы Мохоровичича. В настоящее время превалирующей является точка зрения о том, что резкое увеличение скоростей сейсмических волн объясняется изменением состава пород — от относительно лёгких кóровых кислых и основных к плотным мантийным ультраосновным породам.

Отличие состава земной коры и мантии — следствие их происхождения: исходно однородная Земля в результате частичного плавления разделилась на легкоплавкую и лёгкую часть — кору и плотную и тугоплавкую мантию [9].

Кольская сверхглубокая скважина (СГ-3) — параметрическая, пробурена исключительно с научно-исследовательскими целями в том месте, где граница Мохоровичича подходит близко к поверхности Земли. Самая глубокая скважина в мире пробурена Научно-производственным центром «Недра». Находится в Мурманской области, в 10 километрах к западу от города Заполярный. Координаты скважины: 69°23′46″ с. ш. 30°36′31″ в. д.

Её глубина составляет 12 262 метра; диаметр верхней части скважины (устье) — 92 см, диаметр нижней части (забой) — 21,5 см.

24 мая 1970 года началось собственно бурение.

Сначала бурение велось серийной буровой установкой «Уралмаш-4Э», которую применяют для бурения скважин при поиске и разведке месторождений нефти и газа. С глубины 7263 метра бурение продолжили установкой «Уралмаш-15000».

Буровая колонна ниже 2000 метров была собрана трубами из лёгких алюминиевых сплавов (стальная просто разорвалась бы от своего веса). Максимальный вес колонны составлял около 200 тонн.

Для вращения породоразрушающего инструмента использовался многосекционный турбобур длиной 46 метров, действующая от давления бурового раствора, вращает буровую коронку (долото).

При бурении использовались обычные буровые коронки из твёрдого сплава. Одна коронка служила приблизительно 4 часа, за это время удавалось пробурить 7—10 метров. После этого для замены коронки производился подъём и спуск колонны труб, на что уходило до 18 часов.

До глубины в 7 000 метров бурение проходило относительно спокойно, буровой снаряд проходил через однородные прочные граниты. После этой глубины забой скважины вошел в менее прочные слоистые породы. При прохождении через них ствол скважины стал осыпаться с образованием каверн.

В результате буровую колонну заклинивало породой, и происходили обрывы при попытке подъёма. Потерянная часть буровой колонны цементировалась, бурение продолжалось с отклонением бурового инструмента. Такие аварии случались неоднократно, поэтому бурение продолжалось в течение нескольких лет.

6 июня 1979 года скважина побила рекорд в 9583 метра, ранее принадлежавший нефтяной скважине Берта Роджерс (Оклахома).

В лучшие годы на Кольской сверхглубокой скважине работало 16 исследовательских лабораторий, их курировал лично министр геологии СССР.

В 1983 году пробурили 12 066 метров и временно остановились.

27 сентября 1984 года бурение было продолжено. При первом же спуске произошла авария — оборвалась буровая колонна. Бурение возобновили с глубины 7000 м — и к 1990 году новое ответвление достигло глубины 12 262 метров. Колонна снова оборвалась, и бурение было завершено.

Скважина показала, что почти все не все прежние знания о строении земной коры верны. Выяснилось, что Земля вовсе не похожа на слоеный пирог.

Кольские бурильщики поставили под сомнение теорию послойного строения земной коры – по крайней мере, в интервале до 12 262 метра.

Граниты оказались на 3 километра ниже, чем рассчитывали. Дальше должны были быть базальты. Их вообще не оказалось. Все бурение прошло в гранитном слое. Это сверхважное открытие, ибо с теорией послойного строения Земли связаны все наши представления о возникновении и размещении полезных ископаемых.

Хотя в процессе исследования получено много ценнейших сведений о земных недрах, результаты были во многом неожиданны, и на их основании не возникло чёткого понимания природы земной мантии и сущности поверхности Мохоровичича.

Были существенно скорректированы представления о геотермическом градиенте [7].

Геотермический градиент - (a. geothermal gradient) - величина, на которую повышается температура горных пород с увеличением глубины недр на 100 м. В среднем на каждые 100 м температура в недрах Земли возрастает на 3°С. Геотермический градиент зависит от геологического строения, теплопроводности горных пород, циркуляции подземных вод, близости вулканических очагов и т.п.[10] При бурении сверхглубокой скважины на Кольском полуострове обнаружено, что геотермический градиент первоначально увеличивается от 1°С/100 м в верхних горизонтах до 2,5°С/100 м на глубине 5 км, а затем уменьшается до 1,6°С/100 м на глубине 11 км [7].

Еще один сюрприз: жизнь на Земле возникла, оказывается, на 1,5 миллиарда лет раньше, чем предполагалось. На глубинах, где считалось, что нет органики, обнаружили 14 видов окаменевших микроорганизмов – возраст глубинных слоев превышал 2,8 миллиарда лет. На еще больших глубинах, где уже нет осадочных пород, появился метан в огромных концентрациях. Это если и не разрушило теорию биологического происхождения углеводородов, таких как нефть и газ, но, во всяком случае, подтвердило право на жизнь неорганической теории происхождения углеводородного сырья.

Были и другие интересные научные открытия. Когда в конце 70х годов советская автоматическая космическая станция привезла на Землю 124 грамма лунного грунта, исследователи Кольского научного центра установили, что он почти абсолютно совпадает с пробами с глубины трех километров.

Совершенно неожиданно для всех подтвердились прогнозы Алексея Толстого из романа «Гиперболоид инженера Гарина». На глубине свыше 9,5 километров обнаружили настоящий кладезь всевозможных ископаемых, в частности золота. Настоящий оливиновый пояс, гениально предсказанный писателем. Содержание золота в нем достигало 78 граммов на тонну [11].

Кстати, промышленная добыча возможна при содержании 3-4 грамма на тонну (зависит от многих факторов).

Список источников

1. На каком расстоянии в среднем летают искусственные спутники Земли? С сайта otvet.mail [Электронный ресурс]. URL: http://otvet.mail.ru/question/59481321 (Дата обращения: 15.12.2014);

2. Геостационарная орбита. Материал из Википедии — свободной энциклопедии. С сайта [Электронный ресурс]. URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/%C3%E5%EE%F1%F2%E0%F6%E8%EE%ED%E0%F0%ED%E0%FF_%EE%F0%E1%E8%F2%E0 (Дата обращения: 15.12.2014);

3. На какой высоте от поверхности земли находится МКС? С сайта otvet.mail [Электронный ресурс]. URL: http://otvet.mail.ru/question/76368096 (Дата обращения: 15.12.2014);

4. Самый дальний полет в истории. С сайта «borshec.ru» [Электронный ресурс]. URL: http://www.borshec.ru/news-view-419.html (Дата обращения: 15.12.2014);

5. 36 лет полёта Вояджеров. С сайта Исследовательской Творческой Группы «Солярис» [Электронный ресурс]. URL: http://itgsol.ucoz.com/news/36_let_poljota_vojadzherov/2013-09-05-357(Дата обращения: 15.12.2014);

6. Кольский телескоп во внутренний мир планеты, или Бурение с научными целями. C сайта «Бурение&Нефть» [Электронный ресурс]. URL: http://burneft.ru/archive/issues/2012-10/12 (Дата обращения: 10.10.2014);

7. Кольская сверхглубокая скважина. Материал из Википедии — свободной энциклопедии [Электронный ресурс]. URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/%CA%EE%EB%FC%F1%EA%E0%FF_%F1%E2%E5%F0%F5%E3%EB%F3%E1%EE%EA%E0%FF_%F1%EA%E2%E0%E6%E8%ED%E0(Дата обращения: 10.10.2014);

8. Мантия Земли. Материал из Википедии — свободной энциклопедии [Электронный ресурс]. URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/%CC%E0%ED%F2%E8%FF_%C7%E5%EC%EB%E8 (Дата обращения: 15.12.2014);

9. Мантия Земли. С сайта «Горная энциклопедия» [Электронный ресурс]. URL http://www.mining-enc.ru/m/mantiya-zemli/ (Дата обращения 16.12.2014);

10. Геотермический градиент. С сайта «Энциклопедии & Словари» [Электронный ресурс]. URL: http://enc-dic.com/enc_rock/Geotermicheski-gradient-2938.html (Дата обращения 22.12.2014);

11. Самая глубокая скважина в мире. С сайта fishki net [Электронный ресурс]. URL: http://fishki.net/1256275-samaja-glubokaja-skvazhina-v-mire.html (Дата обращения: 15.12.2014).