Программу изучения глубинного строения недр проводят с целью исследования геологического строения, состава и состояния земной коры и верхней мантии, оценки нефтегазоносности и рудоносности глубоких участков недр. Исследования, согласно программе, включают использование сверхглубокого бурения, а также комплексных геолого-геофизических и геохимических глубинных методов изучения.

24 мая 1970 г. было начато бурение самой глубокой скважины в мире – Кольской сверхглубокой или СГ-3. Место бурения сверхглубокой скважины СГ-3 было выбрано неспроста. Кольский полуостров – одно из немногих мест на материковой поверхности Земли, где чехол осадочных пород полностью отсутствует и поверхность сложена породами очень древнего происхождения (около 3 млрд лет).

Первая часть скважины была пробурена серийной установкой «Уралмаш-4Э», которую обычно использовали для бурения нефтяных скважин. Модификация установки позволила достичь глубины 7 263 м за 4 года. Затем установку сменили на «Уралмаш-15000», названную в честь запланированной глубины скважины – 15 км и разработанную специально для бурения Кольской сверхглубокой скважины. 

Автоматизация процесса бурения позволила в несколько раз увеличить коммерческую скорость бурения. Разработан и внедрен принципиально новый метод бурения опережающим открытым стволом оптимального диаметра, что позволило в 5-6 раз сократить металлоемкость конструкции скважины.

За время бурения происходил ряд аварии из-за постепенного роста температуры и давления при увеличении глубины. При температурах свыше 150-160°С сталь серийных труб размягчается и хуже держит многотонные нагрузки, из-за чего возрастает вероятность обрыва колонны, поэтому инженеры выбрали более легкие и термостойкие алюминиевые сплавы. Но даже специально разработанные материалы не выдерживали условий бурения. После первого 7-километрового слоя, состоящего из однородных прочных гранитов, на дальнейшее бурение до отметки 12 км ушло почти 10 лет и более 50 км труб. Инженеры столкнулись с тем, что ниже 7 км породы стали менее прочными и трещиноватыми, при прохождении через которых ствол скважины стал осыпаться с образованием каверн. В результате чего несколько раз колонна обрывалась, и, не имея возможности поднять ее обратно, инженеры вынуждены были бетонировать ответвление скважины и проходить ствол заново, теряя годы работы. Одна из таких крупных аварий заставила буровиков в 1984 г. забетонировать ответвление скважины, достигшее глубины 12 066 м. Бурение пришлось начать заново с 7-километровой отметки.

Вновь достигнуть 12-километровой отметки буровикам удалось лишь к 1990 г., тогда же был установлен рекорд – 12 262 м, что составляет 0,2% от радиуса нашей планеты. Затем произошла новая авария и работы на скважине были остановлены.

Скважину исследовали целым набором геологических и геофизических методов, от отбора керна до радиационных и сейсмологических исследований.

Был создан ряд уникальных геофизических приборов (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.

Результаты исследований материалов, полученных в ходе бурения Кольской сверхглубокой скважины:

-                   На небольших глубинах геологи нашли горизонт медно-никелевых руд, пригодных к добыче, а на глубине 9,5 км обнаружился слой геохимической аномалии золота, в породе присутствовали микрометровые зерна самородного золота. Существование и свойства золотоносного слоя позволили уточнить модели эволюции минералов – петрогенеза.

-                   Ученые ожидали, что на глубине 7 км ствол войдет в базальтовые породы, однако они не встретились и на 12-километровой отметке. Но вместо базальта геологи обнаружили породы, обладавшие большим количеством трещин и низкой плотностью, чего совсем не ожидали от многокилометровой глубины.

-                   При геотермических исследованиях было выявлено, что вблизи поверхности скорость роста температуры составляла 11°С на км, до глубины 2-х км – 14°С на км, в интервале от 2,2 до 7,5 км – 24°С на км (ожидалась в 1,5 раза меньшая величина). На 5-километровой глубине приборы фиксировали температуру в 70°С, а к 12 км это значение достигло 212°С. Это были гораздо более высокие температурные градиенты, нежели ожидалось увидеть.

-                   Геолого-геофизические результаты бурения Кольской скважины позволили сделать ряд новых геологических выводов о строении, характере рудогенеза и эволюции докембрийской континентальной коры, построить первый достоверный вертикальный геохимический разрез докембрийской земной коры.

-                   Впервые обнаружены в глубинных зонах континентальной земной коры минерализованные подземные 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).

-                   Получены 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.

-                   Следы древнейших микроорганизмов присутствуют на гораздо большей глубине чем предполагалось ранее и т.д.

На максимальной глубине температура достигла 220°C, дальше пробурить скважину так и не удалось. Бурение окончательно прекратили в 1992 г., скважину законсервировали. В 2008 г. научно-производственный центр при СГ-3 был официально ликвидирован, и с тех пор комплекс построек заброшен.