Nyt superbor løser klodens dybeste gåder

I 1961 forsøgte amerikanerne at afgøre det dybe kapløb i Stillehavet ud for Mexico med boreskibet CUSS 1. De valgte at bore ned i havbunden, fordi Jordens skorpe er meget tyndere under oceanerne end under kontinenterne – nogle steder blot 5 km – og Moho dermed var langt nemmere at nå. Troede de.

Vanddybden var 3800 m, og CUSS 1 gyngede og drev ud af position.

Efter fire fejlslagne forsøg var den dybeste boring blot 183 m, og det stod klart, at amerikanerne ikke magtede teknikken.

Belært af konkurrenternes fejl besluttede russerne at bore på land, da de i 1970 gik i gang. Valget faldt på Kolahalvøen og det massive, 45 km tykke fennoskandiske skjold, der udgør grundfjeldet i Norge, Sverige, Finland og det nordvestlige hjørne af Rusland.

Kola leverer russisk succes

Borebisserne har været lette at opdrive. Her højt mod nord nær grænsen til Norge trives minedriften, og uden besvær har forskerne bag Kola Superdeep samlet et hold af professionelle arbejdsmænd til Sovjets nye prestigeprojekt.

Og de producerer hurtigt succeser.

Allerede 1,6 km nede støder boret på kobber- og nikkelmalm i så høje koncentrationer, at den kan udvindes. Dermed er et af de officielle mål for projektet nået. Men boringen leverer meget mere end et løfte om råstoffer til den sovjetiske industri.

Meter for meter, dag for dag når Kola Superdeep dybere ned i klippen.

Borestang på borestang monteres, og forskerne samler, analyserer og pakker de stumper af klippen, som kommer op med boremudderet – de såkaldte cavings.

Boringer er geologiens hjørnesten

Selvom boringer langtfra er den eneste metode til at afsløre klodens dybe hemmeligheder, så er de centrale. Boringer leverer nemlig helt nødvendige holdepunkter, som de øvrige metoder kan hænges op på.

En af de teknikker, geologerne ofte benytter, er seismik. Her måler forskerne rejsetiderne for rystelser fra enten kontrollerede eksplosioner eller jordskælv.

Nogle lag er gode reflektorer og sender rystelserne hurtigt og effektivt tilbage som bølger i klippen, mens andre er dårlige og lader de fleste bølger passere.

Ved at samle de mange data på rejsetiderne for bølgerne kan forskerne tegne kort over undergrunden, som fx viser markante overgange mellem forskellige geologiske lag.

I mange seismiske profiler fra kontinentalskorpen ser geologerne en markant reflektor nogle km nede kaldet Conrad-diskontinuiteten. Den markerer overgangen mellem den øvre og den nedre skorpe. På Kolahalvøen ligger Conrad-diskontinuiteten i en dybde af ca. 7 km.

Tidligere blev grænsen tolket som et skift fra let granit til den tungere vulkanske bjergart basalt, men Kola Superdeep viste, at det forholder sig noget anderledes.

Sonder sænkes ned i borehullet

De sovjetiske geologer følger boringen tæt, men må pænt holde sig på afstand indtil den årlige, månedlange pause i arbejdet.

Borebisserne løfter boreudstyret væk, og borehullet spules rent. Nu er det endelig forskernes tur. Pakker med udstyr bliver firet ned i kilometerlange kabler og måler temperatur, strålingsniveau, elektrisk ledningsevne og afgasning fra klippen.

Hver centimeter af den kilometerdybe brønd kortlægges i detaljer. Forskerne opdager i 1972, at prøver fra ca. tre kilometer nede svarer præcis til kemien i de prøver, som sovjetiske månesonder har bragt med tilbage til Jorden i begyndelsen af 1970’erne.

Det avancerede laboratorium knyttet til Kola Superdeep står for at analysere måne­stenene, og ligheden med de jordiske prøver er slående. Tilsammen understøtter de den fremherskende teori om Månens dannelse, hvor en meget ung Jord blev ramt af et andet himmellegeme, og dele af den tidlige jord­skorpe blev slynget ud i rummet og skabte Månen.

I 1975 er boret langt om længe nået ned til Conrad-diskontinuiteten, og for første gang skal den udbredte teori om et skift fra granit til vulkansk basalt testes. Men der er ingen basalt i det tykke boremudder, som hele tiden pumpes ned og stiger op igen med stumper af klippen.

I stedet kigger forskerne med undren på en anderledes granit, som er omdannet på grund af tryk og temperatur. De indser, at deres opdagelse vil revolutionere forståelsen af, hvordan kontinenterne er dannet.

Fund beviser kontinentaldrift

I midten af 1970'erne var forskerne overbeviste om, at den nedre del af kontinentalskorpen blev udgjort af et tykt tæppe af basalt. Fra tid til anden smeltede basalten delvist og blev omdannet til granitisk magma, der bagefter steg op og udgjorde den øvre del af kontinentalskorpen.

Men Kola-boringen afslørede, at den nedre del af skorpen ikke konsekvent indeholder basalt.

Derfor må kontinentalskorpen være dannet på en mere kompliceret måde, der involverer pladetektoniske bevægelser eller i daglig tale: kontinentaldrift.

På baggrund af resultaterne fra Kola Superdeep mener forskerne i dag, at kontinentalskorpe først og fremmest dannes over såkaldte subduktionszoner, hvor oceanskorpe synker ned og forsvinder i Jordens kappe.

Den nedsynkende plade trækker sedimenter og vand med ned i dybet, hvor de ændrer kemien og sænker smeltepunktet.

Resultatet er bobler af let magma, som stiger op, danner vulkaner og til sidst resulterer i en såkaldt øbue af kontinentalskorpe, fx Japan.

Over millioner og milliarder af år bliver øbuerne banket sammen, indtil de til sidst udgør store kontinenter.

Kola-forskere tror ikke deres egne øjne

Allermest forbløffede bliver de russiske geologer dog, da de undersøger prøverne hentet op fra godt 6,4 kilometers dybde.

Velbevaret i små kugler af kulstof ligger noget, der ved første øjekast ligner plankton.

Nærmere undersøgelser viser, at der er tale om over 20 forskellige arter af mikrofossiler. Men idéen er absurd for forskerne, som mener, at prøverne må være forurenet med materiale fra overfladen.

Det er den logiske forklaring, for trykket og temperaturen burde øjeblikkeligt destruere organisk materiale.

Ingen følger derfor op på fundet, hvis betydning først står klart mange år senere.

Skorpen myldrer med liv

Senere undersøgelser – blandt andet Deep Carbon Observatory, der frem til 2018 analyserede kulstofs rolle i jorden – har vist, at undergrunden har et unikt og righoldigt liv.

Et af de mest epokegørende fund kom i 2010, hvor en gruppe forskere under ledelse af Steven D’Hondt fra The University of Rhode Island fandt organismer i sedimentet dybt under det sydlige Stillehav.

Mikroorganismerne var omkring 100 millioner år gamle, men stadig levende.

Deres livsprocesser var bare bremset ned til så lavt et tempo, at kun omhyggelige analyser afslørede, at de fortsat var i gang.

Siden har forskerne fundet liv i stort set alle dybe prøver af jorden og er begyndt at tale om et “undergrundens Galápagos”.

Beregninger fra Deep Carbon Observatory viser, at den dybe biosfære er dobbelt så stor som alle Jordens oceaner tilsammen og indeholder omkring 70 procent af alt mikroskopisk liv på Jorden.

Hvor dybt ned i skorpen den underjordiske biosfære går, er endnu uvist, men organismer er fundet helt ned i 4,8 kilometers dybde. Nogle bakterier kan klare temperaturer på 132 grader, før de dør, og da temperaturen ned gennem skorpen kun stiger 15-25 grader pr. kilometer, er liv helt ned i otte kilometers dybde teoretisk muligt.

Jo mere videnskaben undersøger biologien under vores fødder, jo mere ser det ud til at ændre alt, hvad vi tror, vi ved om livet.

Nogle forskere går så vidt som til at foreslå, at livet måske startede dernede – og først derefter indtog havet, landjorden og luftrummet.

Nyt udstyr uddyber boringen

Kola-borebisserne arbejder ufortrødent videre og udfører de første 7263 m med traditionelt olieboreudstyr.

Imens arbejder ingeniørerne og forskere sammen med firmaet Uralmash om at udvikle særligt grej, som kan bore mindst 15 km ned i undergrunden. Det nye system, Uralmash-15000, er superavanceret for sin tid og anvender flere banebrydende nyskabelser i boreverdenen.

Russerne benytter som de første borestænger af aluminium. Metallet er ca. 50 pct. lettere end stål og forhindrer, at den kilometerlange borestreng knækker under sin egen vægt.

Samtidig bliver en stor del af arbejdet med at hægte hver ny af de 40 m lange borestænger på borestrengen automatiseret. Systemet fungerer begge veje og hjælper også med at trække boret op igen. Nogle lag af klippen er så hårde, at et borehoved blot overlever 20 meters boring, før det er slidt ned og skal skiftes.

For at overføre rotationskraft til enden af den kilometerlange streng har russerne monteret propelblade på borestængerne de sidste 46 meter inden borehovedet. Når det såkaldte boremudder bliver pumpet ned fra jordoverfladen, bliver trykket oppefra overført til propellerne og derfra til borestængerne som rotation.

Systemet er simpelt og minder om en omvendt skibsskrue. I praksis fungerer hvert propelblad på den nedre borestreng som en lille lokal motor til boringen.

Jo længere ned boret kommer, jo langsommere går det – selv med det nye og avancerede udstyr. Den 6. juni 1979 når boret 9583 m. Det er dybden af klodens hidtil dybeste boring, Bertha Rogers-hullet i Washita County, Oklahoma, og dermed en vigtig grænse for russerne.

Islændinge borer i magma

Kola Superdeep var altså allerede klodens dybeste hul i 1979. Men selvom temperaturen steg med dybden og nåede tæt på 200 °C, er boringen langtfra den varmeste. På Island er flere boringer nemlig endt i flydende magma.

Første gang var i 2009, hvor søgning efter varmt vand ved et uheld endte i et magmakammer. Episoden førte dog ikke – som frygtet – til en menneskeskabt vulkan, da den smeltede klippemasse kun nåede få meter op i borehullet, inden den størknede og lukkede sig selv.

Den udeblevne katastrofe gjorde borebisserne mere vovemodige. Siden uheldet i 2009 har de med fuldt overlæg boret meget tæt på magma for at forstå de geofysiske fænomener i overgangen mellem fast og flydende materiale

Andre eksperimenter har rettet sig mod det såkaldte superkritiske vand, som opstår i Jorden, når temperaturen og trykket bliver højt nok.

Herved ændres vandets egenskaber radikalt. Selvom vandet stadig opfører sig som en væske, befinder det sig i en fase midt imellem gas og væske og kan gennemtrænge faste stoffer som en gas.

Samtidig indeholder vandet enorme mængder energi, som gør det særlig eftertragtet i geotermiske projekter, hvor varmen fra Jordens indre udnyttes som grøn energi.

Fejring ødelægger borehullet

Da Kola Superdeep i 1983 passerer 12.000 meter, bliver borebisserne bedt om at holde en pause. Milepælen skal fejres.

På skift og i grupper ankommer repræsentanter for de over 150 forskningsinstitutioner og virksomheder, som har en aktie i projektet. Politikere, bl.a. ministeren for geologi og råstoffer, kommer hele vejen fra Moskva, og før festlighederne er overstået, er der gået et helt år.

Endelig – den 27. september 1984 – starter borebisserne op igen. Men en boring tilgiver ikke så lang en pause. Klippen er dynamisk og nærmest levende. Hullet har udvidet sig nogle steder, mens det i andre sektioner har trukket sig sammen, så borehovedet kører fast.

Boret har siddet fast før, og normalt har ingeniørerne held med deres redningsplaner. Men denne gang rammer katastrofen. En svag kobling mellem to borestænger knækker i syv kilometers dybde.

I hullet sidder nu 5 km borestreng og et borehoved, som blokerer for den videre færd nedad. Konsekvenserne er uoverskuelige.

Mikrobølger skal overgå Kola-boringen

Siden Kola Superdeep blev boret, er forskerne ikke kommet en eneste centimeter dybere i jordskorpen. Men det skal spritny teknologi ændre på.

I stedet for at slide klippen i stykker med roterende kæber på et borehoved skal en mikrobølgegenerator fordampe stenmassen ved en temperatur på over 3000 grader.

Den såkaldte gyrotron producerer ekstreme energier i form af en højfrekvent stråle af mikrobølger.

Teknologien ligner den, som energiforskere anvender i forsøg med fusionsenergi, hvor gasser ændres til plasma, og sikrer en temperatur, som er så høj, at brintkerner smelter sammen til helium.

Mikrobølgeteknikken har flere fordele, men også nogle udfordringer – særligt i forhold til videnskabelige boringer. Blandt fordelene er, at udstyret ikke bliver slidt og skal skiftes, ligesom der heller ikke er nogen øvre grænse for den temperatur, systemet kan operere ved.

Samtidig bliver væggene i borehullet automatisk forseglet med en hård og holdbar kappe af smeltet stenmasse, der størkner til glas. Det er en stor fordel i forhold til traditionelle boringer, hvor borehullet afstives med et metalrør, en såkaldt casing, der både er dyr og tidskrævende.

Men for forskere, som ønsker at måle fx kemien i indstrømmende vand eller afgasning fra klippen, er den naturlige glasforsegling imidlertid et problem.

At brænde sig vej gennem undergrunden betyder også, at der ikke længere kommer cavings – stumper af sten – med op, som forskerne kan undersøge. Men nyudviklede instrumenter kan potentielt analysere gassen, der opstår fra fordampningen, og på den måde sladre om den kemiske sammensætning af de lag, boringen passerer.

Drømmen er, at de nye boringer kan bidrage til den grønne omstilling.

Hvis det bliver muligt at bore hvor som helst til en brøkdel af den nuværende pris, kan energiselskaber på kort tid skifte kul i et kulfyret kraftværk ud med energi fra undergrunden. Med en dyb boring tæt ved værket kan dampen til turbinerne nemlig komme fra undergrunden i stedet for fra afbrænding af kul, og dermed kan dele af kraftværket genbruges og med ét gøres klimaneutralt.

Hullet kollapser sammen med Sovjet

I syv desperate måneder forsøger holdet bag Kola Superdeep at gribe fat i toppen af den knækkede borestreng og vriste den fri, men uden held.

Til sidst dropper de den gamle boring og tyr til plan B. De erfarne borebisser får startet en sidegren på det oprindelige hul lige over den knækkede borestang, men de er slået mere end 5 km tilbage mod start.

Først tidligt i 1989, efter mere end fire spildte år, passerer borehovedet 12.000 m – denne gang uden festligheder. Målet er at nå ned i 13.500 m allerede samme år og de magiske 15.000 m i slutningen af 1990.

Kola-borehullet er blevet en turistattraktion

Så langt når borebisserne imidlertid aldrig. Da boringen når 12.262 meter, rammer uheld efter uheld, og til sidst står det klart, at teknologien har nået sin grænse ved en temperatur på op mod 200 grader og et tryk 1000 gange højere end ved Jordens overflade.

Efter tre års stilstand bliver Kola Superdeep i 1992 opgivet i månederne efter Sovjetunionens kollaps.