В то время как Соединенные Штаты и СССР были сосредоточены на освоении космоса во время великой космической гонки 1960-х годов, американцы и Советы также соперничали за превосходство другого рода: до центра Земли или, по крайней мере, до как можно ближе к нему.
В 1958 году американцы запустили проект Mohole, план по извлечению образца из мантии Земли путем бурения на дне океана у острова Гуадалупе в Мексике. На средства Национального научного фонда они пробурили морское дно на 601 фут (183 метра) до того, как в 1966 году проект был остановлен Палатой представителей США..
В 1970 году Советы предприняли свою попытку, пробурив землю в Мурманске, Россия, недалеко от норвежской границы недалеко от Баренцева моря. Она известна какКольская сверхглубокая скважина и оказалась более успешной, проникнув намного глубже в Землю и собрав образцы, которые до сих пор удивляют ученых.
Зачем так глубоко копать землю? «Для решения ключевых научных вопросов», которые могут дать ответы на некоторые из самых больших загадок науки о нашей планете, говорит доктор Ульрих Хармс. Хармс является директором Немецкого научного консорциума по зондированию Земли в Немецком исследовательском центре наук о Земле в Потсдаме, Германия. Он посетил Кольскую скважину, просмотрел хранилище образцов керна и даже приложил руки к ныне несуществующему устью скважины.
И хотя Кольская сверхглубокая скважина так и не вышла за пределы земной коры, она остается самой глубокой рукотворной скважиной в мире.
Кольская скважина глубокая
Спрятанная на заброшенной буровой среди гниющего дерева и листов металлолома - остатков буровой вышки и корпуса, которые когда-то стояли в России - находится небольшая, непритязательная, прочная крышка отверстия для обслуживания, закрепленная на месте дюжиной больших, ржавые болты. Внизу - практически невидимая с уровня земли - диаметром всего 9 дюймов (23 сантиметра) находится самая глубокая скважина в мире.
Кольская сверхглубокая скважина проходит примерно на 40 230 футов (12 262 метра) или 7,6 миль (12,2 километра) вглубь поверхности Земли. Для перспективы глубина дыры равна высоте Эвереста и Фудзиямы, расположенных друг над другом. Это также глубже, чем самая глубокая точка океана, Марианская впадина, которая находится на глубине 11 034 метра (36 201 фут) ниже уровня моря.
Для перспективы, самый внешний слой Земли - земля, на которой мы стоим - называемая континентальной корой, имеет толщину около 25 миль (40 километров).
Следующий слой, мантия, продолжается еще 1 800 миль (2 896 километров). Внешнее ядро простирается примерно на 1 400 миль (2 250 километров), прежде чем достигает внутреннего ядра Земли, горячего, плотного, в основном железного шара с радиусом около 758 миль (1 220 километров). С того места, где вы стоите, ядро Земли находится примерно на 1 802 мили (2 900 километров) под вашими ногами.
Итак, хотя Кольская скважина и является впечатляюще глубокой, она на удивление мелкая по сравнению с глубиной Земли. В общей сложности Кольская пронизывает лишь около трети земной коры и 0,2 процента всего расстояния до центра Земли.
Это тоже заняло некоторое время. Годы на самом деле. Бурение на Кольском началось 24 мая 1970 года. Цель состояла в том, чтобы пройти как можно дальше, что ученые в то время рассчитывали составить около 9,3 миль (15 километров). К 1979 году проект побил все мировые рекорды по искусственным отверстиям, превысив примерно 6 миль (9,5 км).
В 1989 году бурение достигло глубины 40 230 футов (12 262 метра) по вертикали ниже поверхности Земли. Это самая глубокая точка, когда-либо достигнутая. Именно тогда температура в скважине увеличилась с ожидаемых 212 градусов по Фаренгейту (100 градусов по Цельсию) до 356 градусов по Фаренгейту (180 градусов по Цельсию). (Подробнее об этом через минуту.)
Зачем бурить землю так глубоко?
Огромные скважины бурятся по разным причинам, в первую очередь для добычи таких ресурсов, как ископаемое топливо и металлы. Некоторые другие глубокие примеры включают 100-летний медный рудник Бингем-Каньон в горах недалеко от Солт-Лейк-Сити, участок карьера, который простирается на три четверти мили (1,2 км) в глубину и простирается на 2,5 мили (4 км) в ширину., и алмазный рудник Кимберли, также известный как «Большая дыра», в Южной Африке, одна из самых больших дыр в мире, вырытая человеческими руками без какой-либо техники.
Ямы также выкапываются во имя науки, говорит Хармс, чтобы лучше понять такие вещи, как:
- Геоопасности, такие как землетрясения и извержения вулканов
- Георесурсы, такие как геотермальное тепло и энергия
- Эволюция Земли и жизни на ней
- Изменения окружающей среды в прошлом для лучшего прогнозирования будущего
«Одним из подробных примеров является то, что наблюдения в непосредственной близости от зоны землетрясения позволяют [исследователям] отслеживать возникновение и распространение даже самого незначительного землетрясения в ответ на стресс и напряжение», - говорит Хармс. «Мы хотим восстановить эти физические, химические и механические данные ближнего поля, чтобы фундаментально понять эти процессы, которые невозможно упростить в лабораторных экспериментах или компьютерных моделях».
Трудно копать так глубоко
В 1977 году НАСА запустило «Вояджер-1» в космос и за пределы Солнечной системы в межзвездное пространство. По состоянию на август 2022 года спутник пролетел в космосе 14,6 миллиарда миль (23,5 миллиарда километров). Так почему же за 20 лет инженеры смогли углубиться в землю всего на несколько миль?
Оказывается, путешествие к центру Земли немного сложнее, чем предполагали исследователи. Например, когда в 1970-х годах началось бурение на участке Кольской сверхглубокой скважины, бур довольно легко пробивал гранитную породу. Но когда бурильщики достигли глубины примерно 4,3 мили (6,9 км), пласты стали более плотными, и бурить их стало труднее.
В результате сверла сломались, и бригаде пришлось несколько раз менять направление бурения. «Как следствие, было пробурено несколько траекторий бурения, пока, наконец, не была достигнута довольно вертикальная [траектория]», - говорит Хармс. Получившаяся схема сверления напоминает своего рода рождественскую елку.
Инженеры продолжали пахать, но чем глубже заходил бур, тем горячее становилась Земля. Градиент температуры соответствовал прогнозам ученых вплоть до высоты около 100 000 футов (30 408 метров). Но после этого момента, когда они бурили глубже, жар усиливался, пока не достиг температуры 356 градусов по Фаренгейту (180 градусов по Цельсию) на глубине около 7,5 миль (12 километров). Это было резкое отличие от 212 градусов по Фаренгейту (100 градусов по Цельсию), которые они ожидали.
Инженеры также обнаружили, когда они прошли первые 14 800 футов (4 511 метров), что порода имеет гораздо большую пористость и проницаемость. Это, в сочетании с чрезвычайно высокими температурами, сделало породу более похожей на пластик, чем на твердое тело, что сделало бурение практически невозможным.
Эти температуры были за пределами возможностей их бурового оборудования, но Советы продолжали настаивать до 1992 года, но так и не достигли глубины, достигнутой в 1989 году. Цель 9,3 мили (15 километров). Буровая площадка была официально закрыта, а скважина заделана в 2005 году.
Другие попытки были предприняты на протяжении многих лет другими странами, включая Германию, Австрию и Швецию. Ни одна из этих скважин не глубже Кольской сверхглубокой скважины, хотя некоторые из них были длиннее, поскольку отклонились от своего вертикального курса.
Что нашли в Кольской сверхглубокой скважине?
Ученые многое открыли из Кольской сверхглубокой скважины. Во-первых, они поняли, что им нужно обновить карту температуры недр Земли, так как они столкнулись с температурами намного выше, чем ожидалось.
Они также были поражены тем, что не было перехода от гранита к базальту, граница, которую геологи называют "прерывностью Конрада", существование которой основывалось на результатах сейсморазведки методом отражения.
Другим открытием стала жидкая вода намного глубже, чем они предполагали ранее. «Одним из неожиданных результатов, безусловно, стало появление открытых трещин, заполненных соленой водой, свидетельствующих о том, что кора не плотная, но существуют пути, позволяющие жидкости течь», - говорит Хармс. Исследователи подозревали, что вода могла быть выдавлена из горных кристаллов невероятно высоким давлением внутри Земли.
Еще более захватывающим было открытие биологической активности в горных породах. На глубине 4,4 мили (7 километров) исследователи обнаружили десятки окаменелостей одноклеточных морских организмов, возраст которых составляет 2 миллиарда лет. Самым ярким доказательством были микроскопические окаменелости, заключенные в органические соединения, которые были на удивление неповрежденными, несмотря на экстремальные давления и температуры окружающей породы.
Можем ли мы копнуть глубже?
Да, наконец. Но, по словам Хармса, «копание глубже 12 километров (7,45 миль) зависит от двух важнейших факторов: температуры и стабильности ствола скважины, последняя зависит от напряжения, деформации, состава и веса бурового раствора». Для этого потребуется довольно технологичное оборудование, учитывая, что температура там, по прогнозам, может достигать 500 градусов по Фаренгейту (250 градусов по Цельсию).
Настоящим пирогом в небе - или, скорее, на Земле - будет достижение земной мантии, слоя, который начинается сразу за земной корой, примерно в 25 милях (40 километрах) под нашими ногами.
«Мы можем многое узнать о мантии, если получим доступ через бурение», - говорит Хармс. «Ученым-землянам нужен доступ к реальной мантии in situ, чтобы понять природу этой границы, которая до сих пор обсуждается и от которой у нас нет свежих образцов, содержащих информацию о том, как взаимодействуют кора и мантия, как флюиды и капли магмы выходят из мантии. в земную кору и, в конечном счете, в нашу гидросферу, и как они питают биосферу, или как материя уходит обратно в мантию.
" Эти великие круги эволюции нашей планеты остаются загадочными вдоль этой границы, и разрыв Мохо [граница между земной корой и мантией] поэтому является главной целью науки."
Интересно
Одна попытка просверлить мантию Земли проводится группой международных исследователей, работающих с Японским агентством морских и земных наук и технологий. Буровое судно агентства Chikyu, в настоящее время находящееся у побережья Восточной Азии, оборудовано для бурения через 2.5 миль (4 километра) океанской воды и 3,7 мили (6 километров) земной коры, чтобы достичь мантии. Ожидается, что стоимость проекта превысит 500 миллионов долларов.