Nytt superbor løser klodens dypeste gåter

I 1961 forsøkte amerikanerne å avgjøre det dype kappløpet i Stillehavet utenfor Mexico med boreskipet CUSS 1. De valgte å bore ned i havbunnen fordi jordens skorpe er mye tynnere under havene enn under kontinentene – noen steder bare 5 kilometer – og Moho skulle dermed være mye lettere å nå. Trodde de.

Vanndybden var 3800 meter, og CUSS 1 gynget og drev ut av posisjon.

Etter fire feilslåtte forsøk var den dypeste boringen bare 183 meter, og det sto klart at amerikanerne ikke mestret teknologien.

Etter å ha lært av konkurrentenes feil bestemte russerne seg for å bore på land da de gikk i gang i 1970. Valget falt på Kolahalvøya og det massive, 45 kilometer tykke fennoskandiske skjoldet som utgjør grunnfjellet i Norge, Sverige, Finland og det nordvestlige hjørnet av Russland.

Kola leverer russisk suksess

Borearbeidere var det nok av. Her høyt mot nord nær grensen til Norge er det mye gruvedrift, og forskerne bak Kola Superdeep kunne samle et team av profesjonelle arbeidsfolk til Sovjetunionens nye prestisjeprosjekt.

Og de produserer raskt suksesser.

Allerede 1,6 kilometer nede støter boret på kobber- og nikkelmalm i så høye konsentrasjoner at den kan utvinnes. Dermed er et av de offisielle målene for prosjektet nådd.

Men boringen leverer mye mer enn et løfte om råstoffer til den sovjetiske industrien. Meter for meter, dag for dag, når Kola Superdeep dypere ned i fjellet.

Borestang på borestang monteres, og forskerne samler, analyserer og pakker de fragmentene av stein som kommer opp med boreslammet – de såkalte cavings.

Boringer er en av geologiens hjørnesteiner

Selv om boringer slett ikke er den eneste metoden til å avsløre klodens dype hemmeligheter, så er det helt sentralt. Boringer leverer nemlig helt nødvendige holdepunkter som de andre metodene kan henges på.

En av de teknikkene geologene ofte bruker, er seismikk. Da måler forskerne reisetidene for vibrasjoner fra enten kontrollerte eksplosjoner eller jordskjelv.

Noen lag er gode reflektorer og sender vibrasjonene raskt og effektivt tilbake som bølger, mens andre er dårlige reflektorer og lar de fleste bølgene passere.

Ved å samle store mengder data om reisetidene for bølgene kan forskerne tegne kart over undergrunnen, som for eksempel viser markante overganger mellom ulike geologiske lag.

I mange seismiske profiler fra kontinentalskorpen ser geologene en markant reflektor noen kilometer nede, den såkalte Conrad-diskontinuiteten.

Den markerer overgangen mellom den øvre og den nedre skorpen. På Kolahalvøya ligger Conrad-diskontinuiteten om lag 7 kilometer ned.

Tidligere ble grensen tolket som en endring fra lett granitt til den tyngre vulkanske bergarten basalt, men Kola Superdeep viste at det forholder seg litt annerledes.

Sonder senkes ned i borehullet

De sovjetiske geologene følger boringen tett, men må pent holde seg på avstand fram mot den årlige måneds­lange pausen i arbeidet.

Borearbeiderne løfter vekk boreutstyret, og borehullet spyles rent. Nå er det endelig forskernes tur. Pakker med utstyr blir firt ned i kilometerlange kabler og måler temperatur, strålingsnivå, elektrisk ledningsevne og avgassing fra grunnfjellet.

Hver centimeter av den kilometerdype brønnen kartlegges i detalj.
Forskerne oppdager i 1972 at prøver fra om lag tre kilometer nede svarer akkurat til kjemien i de prøvene som sovjetiske månesonder har brakt med tilbake til jorden på begynnelsen av 1970-tallet.

Det avanserte laboratoriet knyttet til Kola Superdeep står for å analysere månesteinene, og likheten med de jordiske prøvene er slående. Til sammen støtter de den framherskende teorien om månens opphav der en veldig ung jord ble rammet av et annet himmellegeme, og deler av den tidlige jordskorpen ble slynget ut i verdensrommet og dannet månen.

I 1975 er boret langt om lenge nådd ned til Conrad-diskontinuiteten, og for første gang skal den utbredte teorien om en endring fra granitt til vulkansk basalt testes.

Men det er ikke noe basalt i det tykke boreslammet som hele tiden pumpes ned og stiger opp igjen med fragmenter av stein. I stedet ser forskerne med undring på en annen type granitt som er omdannet på grunn av trykk og temperatur.

De innser at oppdagelsen vil revolusjonere forståelsen av hvordan kontinentene er dannet.

Funn beviser kontinentaldrift

På midten av 1970-tallet var forskerne overbevist om at den nedre delen av kontinentalskorpen ble utgjort av et tykt teppe av basalt.

Fra tid til annen smeltet basalten delvis og ble gjort om til granittisk magma som bak steg opp og utgjorde den øvre delen av kontinentalskorpen.

Men Kola-boringen avslørte at den nedre delen av skorpen ikke konsekvent inneholder basalt. Derfor må kontinentalskorpen være dannet på en mer komplisert måte som involverer platetektoniske bevegelser. Med andre ord: kontinentaldrift.

På bakgrunn av resultatene fra Kola Superdeep mener forskerne i dag at kontinentalskorpe først og fremst dannes over såkalte subduksjonssoner, der havskorpe synker ned og forsvinner i jordens mantel.

Den synkende platen trekker sedimenter og vann med ned i dypet, der de endrer kjemien og senker smeltepunktet.

Resultatet er bobler av lett magma som stiger opp, danner vulkaner og til slutt resulterer i en såkalt øybue av kontinentalskorpe, for eksempel Japan.

Over millioner og milliarder av år blir øybuene samlet sammen, helt til de til slutt utgjør store kontinenter.

Kola-forskere tror ikke sine egne øyne

Aller mest forbløffet blir de russiske geologene imidlertid når de undersøker prøvene hentet opp fra vel 6,4 kilometers dybde.

Godt bevart i små kuler av karbon ligger noe som ved første øyekast ligner plankton.

Nærmere studier viser at det er snakk om over 20 ulike arter av mikrofossiler.

Men ideen er absurd for forskerne, som mener at prøvene må være forurenset med materiale fra overflaten. Det er den logiske forklaringen, for trykket og temperaturen burde øyeblikkelig destruere organisk materiale. Ingen følger derfor opp funnet, og betydning blir først avslørt mange år senere.

Skorpen myldrer av liv

Senere studier – blant annet Deep Carbon Observatory, som fram til 2018 analyserte karbonets rolle i jorden – har vist at undergrunnen har et unikt og rikholdig liv.

Et av de mest epokegjørende funnene kom i 2010, da en gruppe forskere under ledelse av Steven D’Hondt fra University of Rhode Island fant organismer i sedimentet dypt under det sørlige Stillehavet.

Mikroorganismene var omkring 100 millioner år gamle, men fortsatt levende.

Livsprosessene var bare bremset ned til et så lavt tempo at bare omhyggelige analyser avslørte at de fortsatt var i gang.

Senere har forskerne funnet liv i stort sett alle dype prøver av jorden og har begynt å snakke om en «undergrunnens Galápagos».

Beregninger fra Deep Carbon Observatory viser at den dype biosfæren er dobbelt så stor som alle jordens hav til sammen og inneholder omkring 70 prosent av alt mikroskopisk liv på jorden.

Hvor dypt ned i skorpen den underjordiske biosfæren går, er fortsatt uvisst, men organismer er funnet helt ned i 4,8 kilometers dybde.

Noen bakterier kan tåle temperaturer på 132 grader før de dør, og siden temperaturen ned gjennom skorpen bare stiger med 15–25 grader per kilometer, er liv helt ned i åtte kilometers dybde teoretisk mulig.

Jo mer vitenskapen undersøker biologien under føttene våre, jo mer ser det ut til å endre alt det vi tror vi vet om livet. Noen forskere går så langt som til å foreslå at livet kanskje startet der nede – og først deretter inntok havet, landjorda og luftrommet.

Nytt utstyr utdyper boringen

Kola-teamet arbeider ufortrødent videre og utfører de første 7263 meterne med tradisjonelt boreutstyr hentet fra oljeleting. Imens arbeider ingeniørene og forskere sammen med firmaet Uralmash om å utvikle spesielt utstyr som kan bore minst 15 kilometer ned i bakken. Det nye systemet, Uralmash-15000, er superavansert for sin tid og bruker flere banebrytende nyskapninger i boreverdenen.

Russerne er blant annet de første som bruker borestenger av aluminium. Metallet er om lag 50 prosent lettere enn stål og hindrer at den kilometerlange borestrengen knekker under sin egen vekt.

Samtidig blir en stor del av arbeidet med å hekte hver av de 40 meter lange borestengene på borestrengen automatisert.

Systemet fungerer begge veier og hjelper også med å trekke boret opp igjen. Noen lag av fjellet er så hardt at et borehode bare overlever 20 meter med boring før det er slitt ned og må skiftes.

For å overføre rotasjonskraft til enden av den kilometerlange strengen har russerne montert propellblader på borestengene de siste 46 meter før borehodet.

Når det såkalte boreslammet blir pumpet ned fra bakken, blir trykket ovenfra overført til propellene og derfra til borestengene som rotasjon.

Systemet er enkelt og minner om en omvendt skipspropell. I praksis fungerer hvert propellblad på den nedre borestrengen som en liten lokal motor til boringen. Jo lenger ned boret kommer, jo langsommere går det – selv med det nye og avanserte utstyret. 6. juni 1979 når boret 9583 meter. Det er dybden til klodens hittil dypeste boring, Bertha Rogers-hullet i Washita County i Oklahoma, og dermed en viktig grense for russerne.

Islendinger borer i magma

Kola Superdeep var altså allerede klodens dypeste hull i 1979. Men selv om temperaturen steg med dybden og nådde tett på 200 °C, er boringen slett ikke den varmeste. På Island er flere boringer nemlig endt i flytende magma. Første gang var i 2009, da leting etter varmt vann ved et uhell endte i et magmakammer.

Episoden førte imidlertid ikke – som fryktet – til en menneskeskapt vulkan, siden den smeltede steinmassen bare nådde noen få meter opp i borehullet før den størknet og lukket det av seg selv.

Siden det ikke ble noen katastrofe, ble ingeniørene modigere. Siden uhellet i 2009 har de med fullt overlegg boret veldig tett på magma for å forstå de geofysiske fenomenene i overgangen mellom fast og flytende materiale.

Andre eksperimenter har rettet seg mot det såkalte superkritiske vannet, som oppstår i jorden når temperaturen og trykket blir høyt nok.

Da endres vannets egenskaper radikalt. Selv om vannet fortsatt oppfører seg som en væske, befinner det seg i en fase midt mellom gass og væske og kan trenge gjennom faste stoffer som en gass.

Samtidig inneholder vannet enorme mengder energi, som gjør det særlig ettertraktet i geotermiske prosjekter der varmen fra jordens indre utnyttes som grønn energi.

Feiring ødelegger borehullet

Når Kola Superdeep i 1983 passerer 12 000 meter, blir borearbeiderne bedt om å ta en pause. Milepælen skal feires.

På skift og i grupper ankommer representanter for de over 150 forskningsinstitusjonene og bedriftene som har vært involvert i prosjektet.

Politikere, blant annet statsråden for geologi og råstoffer, kommer hele veien fra Moskva, og før festlighetene endelig er overstått, har det gått et helt år.

Endelig – 27. september 1984 – starter arbeidet opp igjen. Men et boreprosjekt tilgir ikke en så lang pause. Grunnfjellet er dynamisk og nærmest levende.

Hullet har utvidet seg noen steder, mens det i andre seksjoner har trukket seg sammen, slik at borehodet kjører seg fast.

Boret har sittet fast før, og normalt har ingeniørene hatt hell med redningsprosjektene sine. Men denne gang rammer katastrofen. En svak kobling mellom to borestenger knekker i sju kilometers dybde. I hullet sitter nå 5 kilometer borestrengt og et borehode, som blokkerer for den videre ferden nedover. Det ser mørkt ut.

Mikrobølger skal slå rekorden

Siden Kola Superdeep ble boret, har forskerne ikke kommet en eneste centimeter dypere i jordskorpen. Men det skal splitter ny teknologi nå endre på.

I stedet for å slite fjellet i stykker med roterende kjever på et borehode skal en mikrobølgegenerator fordampe steinmassen ved en temperatur på over 3000 grader.

Den såkalte gyrotronen produserer ekstreme energimengder i form av en høyfrekvent stråle av mikrobølger. Teknologien ligner den energiforskere bruker i forsøk med fusjonsenergi, der gasser endres til plasma med en så høy temperatur at hydrogenkjerner smelter sammen til helium.

Mikrobølgeteknologien har flere fordeler, men også noen utfordringer – særlig i forhold til vitenskapelige boringer.

Blant fordelene er at utstyret ikke blir slitt og må skiftes ut, og det er heller noen øvre grense for den temperaturen systemet kan operere ved. Samtidig blir veggene i borehullet automatisk forseglet med en hard og holdbar kappe av smeltet steinmasse som størkner til glass.

Det er en stor fordel i forhold til tradisjonelle boringer, der borehullet avstives med et metallrør, en såkalt casing, som er dyr og tidkrevende å montere.

Men for forskere som vil måle for eksempel kjemien i strømmende vann eller gasser fra grunnfjellet, er glassforseglingen imidlertid et problem.

Å brenne seg vei gjennom undergrunnen betyr også at det ikke lenger kommer cavings – stumper av stein – med opp, som forskerne kan undersøke. Men nyutviklede instrumenter kan kanskje analysere gassene som oppstår fra fordampingen, og på den måten fortelle om den kjemiske sammensetningen av de lagene boringen passerer.

Drømmen er at de nye boringene kan bidra til den grønne omstillingen. Hvis det blir mulig å bore hvor som helst til en brøkdel av den nåværende prisen, kan energiselskaper på kort tid skifte ut kull i et kullfyrt kraftverk med energi fra bakken.

Med en dyp boring nær ved kraftverket kan dampen til turbinene nemlig komme fra bakken i stedet for fra brenning av kull, og dermed kan deler av kraftverket gjenbrukes og med ett gjøres klimanøytralt.

Hullet kollapser med Sovjetunionen

I sju desperate måneder forsøker ingeniørene og arbeiderne ved Kola Superdeep å få tak i toppen av borestrengen og få den løs, men uten hell.

Til slutt dropper de den gamle boringen og tyr til plan B. De erfarne borearbeiderne får startet en sidegren på det opprinnelige hullet like over punktet borestangen knakk, men de må bore 5 kilometer om igjen.

Først tidlig i 1989, etter mer enn fire bortkastede år, passerer borehodet 12 000 meter – denne gang uten festligheter. Målet er å nå 13 500 meter allerede samme år og de magiske 15 000 meterne mot slutten av 1990.

Kola-borehullet har blitt en turistattraksjon

Så langt når de imidlertid aldri. Da boringen når 12 262 meter, rammer uhell etter uhell, og til slutt står det klart at teknologien har nådd en grense ved en temperatur på rundt 200 grader og et trykk 1000 ganger høyere enn ved jordens overflate.

Etter tre års stillstand blir Kola Superdeep i 1992 oppgitt i månedene etter Sovjetunionens kollaps.