Скважина сквозь земную кору: зачем американские учёные отправили бур в открытый океан

В конце 1950-х годов американские учёные задумали одну из самых сложных геологических экспедиций своего времени. Они хотели пройти буром через земную кору, пересечь границу Мохоровичича и получить образцы верхней мантии. Программу назвали Project Mohole: в этом слове соединились сокращённое название границы — «Мохо» — и английское hole, то есть «скважина».

Бурить решили в открытом океане. Под материками кора имеет толщину в десятки километров, тогда как под океанским дном — в среднем около 5-7 километров. Но короткий путь через породу начинался под несколькими километрами воды. Судно требовалось удерживать над одной точкой без якорей, не сломав длинную бурильную колонну при качке.

В 1961 году эксперимент доказал, что такая работа возможна. Переоборудованное судно CUSS I пробурило дно под 3,5 километра воды и подняло керны базальта. Однако до мантии проект не приблизился: успешным был только первый технологический этап. За следующие пять лет его стоимость выросла более чем в десять раз, управление стало предметом споров, а специализированное судно так и не построили.

Зачем учёным понадобилась граница Мохоровичича

В 1909 году хорватский геофизик Андрия Мохоровичич заметил, что сейсмические волны от землетрясения распространяются в глубине Земли с разной скоростью. Он пришёл к выводу, что под корой находится вещество с другими физическими свойствами. Обнаруженную таким способом границу позднее назвали его именем.

Мохо нельзя представить как пустоту или чёткую оболочку. Это область резкого изменения скорости сейсмических волн, связанного с переходом от пород коры к более плотным породам мантии. Настоящий керн позволил бы проверить предполагаемый состав глубинных пород и лучше понять образование океанской коры.

Путь через материковую кору был слишком длинным для тогдашней техники. Океанская кора значительно тоньше, поэтому учёные предложили бурить с плавающей платформы. В толще воды должна была висеть тяжёлая колонна труб, которую заметное смещение корабля могло изогнуть или оборвать.

От идеи к трёхэтапной программе

Одними из инициаторов проекта стали геофизики Гарри Хесс и Уолтер Манк. Разработкой занялась неформальная группа American Miscellaneous Society, или AMSOC, в которую входили известные исследователи океана. Административную поддержку ей предоставила Национальная академия наук США, а финансирование — Национальный научный фонд.

Project Mohole разделили на три этапа: проверка глубоководного бурения с подвижного судна, усовершенствование оборудования и выбор площадки, а затем проходка всей океанской коры до Мохо.

Для первого опыта использовали CUSS I — бывшую морскую баржу, уже приспособленную для экспериментального бурения. Её название состояло из первых букв компаний Continental, Union, Superior и Shell. На судне установили буровую вышку, оборудование для отбора керна и необычную систему удержания позиции.

Как судно удерживали без якорей

На небольшой глубине буровую установку можно закрепить опорами или якорными линиями. В районе будущих испытаний до дна было более трёх километров, поэтому обычная система стала бы слишком тяжёлой и неудобной.

CUSS I оснастили четырьмя поворотными двигателями по краям корпуса. Вокруг точки бурения по кругу опустили шесть акустических буёв. Оператор получал информацию о положении судна относительно них и с центрального пульта вручную менял тягу двигателей, компенсируя ветер, течение и волнение.

Это был ранний вариант динамического позиционирования. В отличие от современных автоматических комплексов, на CUSS I основную работу выполнял человек. Сам принцип уже сформировался: корабль не связывали с дном, а непрерывно возвращали в заданную точку.

Тысячи метров стальных труб растягивались под собственным весом и двигались вместе с корпусом. Гибкие соединения и направляющие устройства уменьшали нагрузки, пока долото работало в породе.

Первый успех у острова Гуадалупе

После предварительных испытаний у Калифорнии CUSS I отправился к острову Гуадалупе, расположенному в Тихом океане к западу от Мексики. Работы проходили в марте и апреле 1961 года. Задачей экспедиции было не достижение мантии, а проверка техники в условиях открытого глубокого океана.

Судно работало над участком глубиной около 3570 метров. Всего пробурили пять экспериментальных скважин. Самая глубокая достигла примерно 183 метров ниже поверхности дна. Бур прошёл около 170 метров осадочных пород, а затем углубился приблизительно на 13 метров в базальт.

До Мохо по-прежнему оставались километры. Однако CUSS I доказал, что незаякоренное судно способно сохранять положение, а длинная колонна труб — бурить и поднимать керн через несколько километров воды. Первый этап стоил около 1,5 миллиона долларов в ценах того времени и обошёлся без крупного перерасхода. На борту находился писатель Джон Стейнбек, позднее рассказавший об экспедиции широкой аудитории.

Почему удачный опыт не удалось продолжить

После испытаний масштаб задачи резко вырос. Переоборудованная баржа подходила для неглубоких экспериментальных скважин, но не для проходки нескольких километров твёрдой породы. Потребовалось специализированное судно, способное долго работать вдали от берега, хранить запас труб, точно возвращать инструмент в устье и поддерживать устойчивость глубокой скважины.

Одновременно изменилась система управления. Основная ответственность перешла к Национальному научному фонду, а в 1962 году главным подрядчиком выбрали инженерно-строительную компанию Brown & Root. У неё был опыт крупных промышленных проектов, но не было сопоставимого опыта научного глубоководного бурения. Процедура выбора вызвала споры, а отношения между подрядчиком, государственными заказчиками и научными консультантами постепенно ухудшались.

Учёные спорили и о стратегии. Одни настаивали на единственной скважине до мантии, другие предлагали множество менее глубоких скважин. Такой подход давал больше образцов, позволял постепенно совершенствовать оборудование и снижал риск программы.

Как проект подорожал более чем в десять раз

Раннюю стоимость программы оценивали примерно в 14 миллионов долларов. Эта сумма появилась до утверждения окончательной конструкции судна, места бурения и состава оборудования. По мере уточнения требований стало ясно, что необходимо создавать уникальный морской комплекс.

Платформу требовалось долго удерживать над одной точкой, менять долота, повторно попадать в устье на дне, предотвращать обрушение стенок и извлекать керн. Авария могла привести к потере труб, скважины и нескольких месяцев работы.

К середине 1960-х годов предполагаемая стоимость достигла примерно 160 миллионов долларов. Требования продолжали меняться, сроки отодвигались, а ответственность делили фонд, подрядчик и многочисленные комитеты. К моменту закрытия потратили около 57 миллионов долларов, но основное судно не построили и новый морской этап не начали.

В 1964 году AMSOC прекратило существование. Конгресс всё менее охотно выделял средства программе, которая требовала увеличения бюджета без ясной даты начала главной экспедиции. В 1966 году дальнейшее финансирование отклонили, после чего Project Mohole закрыли.

Программу остановили не сразу после успеха: между испытаниями CUSS I и закрытием прошло около пяти лет. Первый этап решил ограниченную инженерную задачу, но организаторы не смогли превратить технологию в убедительно рассчитанный проект скважины до мантии.

Наследие скважины, которой не было

Project Mohole не достиг границы Мохоровичича, однако разработанные для него решения получили продолжение. Динамическое позиционирование стало стандартной технологией научных и коммерческих буровых судов. Его современные системы автоматически удерживают корабли над скважинами на глубинах, где использование якорей невозможно.

В 1968 году началась программа Deep Sea Drilling Project. Судно Glomar Challenger бурило множество участков в разных океанах. Полученные керны помогли подтвердить расширение океанского дна и тектонику плит, а также стали источником данных об истории климата.

Главная цель Project Mohole остаётся невыполненной. Исследователи получали образцы мантийных пород там, где тектонические процессы приблизили их к морскому дну, но пройти буром всю неповреждённую океанскую кору и пересечь Мохо пока не удалось.