Warum haben die Russen das Kola-Superdeep-Bohrloch versiegelt?

Während sich die Vereinigten Staaten und die UdSSR während des großen Wettlaufs ins All in den 1960er-Jahren auf die Erforschung des Weltraums konzentrierten, wetteiferten die Amerikaner und die Sowjets auch um die Vorherrschaft anderer Art: um die Vorherrschaft im Mittelpunkt der Erde oder zumindest so nah wie möglich daran .

Im Jahr 1958 starteten die Amerikaner das Projekt Mohole, einen Plan zur Gewinnung einer Probe aus dem Erdmantel durch Bohrungen auf dem Meeresgrund vor der Insel Guadalupe in Mexiko. Mit Mitteln der National Science Foundation bohrten sie 601 Fuß (183 Meter) in den Meeresboden, bevor das Projekt 1966 vom US-Repräsentantenhaus zurückgezogen wurde.

1970 starteten die Sowjets ihren Versuch, in Murmansk, Russland, etwas außerhalb der norwegischen Grenze nahe der Barentssee in die Erde zu bohren. Es ist als „Kola Superdeep Borehole“ bekannt und war erfolgreicher, da es viel tiefer in die Erde vordrang und Proben sammelte, die Wissenschaftler noch heute in Erstaunen versetzen.

Warum so tief in die Erde graben? „Um wichtige wissenschaftliche Fragen zu beantworten“, die Antworten auf einige der größten Rätsel der Wissenschaft über unseren Planeten geben könnten, sagt Dr. Ulrich Harms. Harms ist Direktor des German Scientific Earth Probing Consortium am Deutschen GeoForschungsZentrum in Potsdam. Er hat das Kola-Bohrloch besucht, das Lager mit Kernproben durchsucht und sogar den inzwischen stillgelegten Bohrlochkopf in die Hand genommen.

Und obwohl das Kola-Superdeep-Bohrloch nie über die Erdkruste hinaus reichte, bleibt es das tiefste von Menschenhand geschaffene Loch der Welt.

Versteckt auf einer verlassenen Bohrstelle zwischen verrottendem Holz und Schrottblechen – Überreste des Bohrturms und der Gehäuse, die einst in Russland standen – liegt eine kleine, unscheinbare, robuste Wartungslochabdeckung, die mit einem Dutzend großer, rostiger Bolzen befestigt ist. Darunter – und vom Boden aus praktisch nicht sichtbar – befindet sich mit einem Durchmesser von nur 23 Zentimetern das tiefste Bohrloch der Welt.

Das Kola Superdeep-Bohrloch verläuft etwa 40.230 Fuß (12.262 Meter) oder 7,6 Meilen (12,2 Kilometer) in die Erdoberfläche. Zur Veranschaulichung: Die Tiefe des Lochs entspricht der Höhe des Mount Everest und des Mount Fuji, die übereinander liegen. Es ist auch tiefer als der tiefste Punkt des Ozeans, der Marianengraben, der 11.034 Meter (36.201 Fuß) unter dem Meeresspiegel liegt.

Zur Veranschaulichung: Die äußerste Schicht der Erde – der Boden, auf dem wir stehen – die sogenannte Kontinentalkruste, ist etwa 25 Meilen (40 Kilometer) dick.

Die nächste Schicht, der Mantel, erstreckt sich über weitere 2.896 Kilometer. Der äußere Kern erstreckt sich über etwa 1.400 Meilen (2.250 Kilometer), bevor er den inneren Kern der Erde erreicht, eine heiße, dichte, größtenteils aus Eisen bestehende Kugel mit einem Radius von etwa 758 Meilen (1.220 Kilometer). Von Ihrem Standort aus befindet sich der Erdkern etwa 2.900 Kilometer unter Ihren Füßen.

Obwohl Kola ein beeindruckend tiefes Bohrloch ist, ist es im Vergleich zur Erdtiefe überraschend flach. Insgesamt durchdringt Kola nur etwa ein Drittel der Erdkruste und 0,2 Prozent der gesamten Entfernung zum Erdmittelpunkt.

Es hat auch eine Weile gedauert. Tatsächlich Jahre. Die Bohrungen in Kola begannen am 24. Mai 1970. Ziel war es, so weit wie möglich zu gehen, was Wissenschaftler damals mit etwa 15 Kilometern schätzten. Bis 1979 hatte das Projekt mit einer Länge von mehr als 6 Meilen (9,5 Kilometer) alle Weltrekorde für künstliche Löcher gebrochen.

Im Jahr 1989 erreichten die Bohrungen eine Tiefe von 40.230 Fuß (12.262 Meter) vertikal unter der Erdoberfläche. Es ist der tiefste Punkt, der jemals erreicht wurde. Zu diesem Zeitpunkt stiegen die Temperaturen im Brunnen von den erwarteten 100 Grad Celsius auf 180 Grad Celsius. (Mehr dazu gleich.)

Aus verschiedenen Gründen werden riesige Löcher gebohrt, insbesondere zur Gewinnung von Ressourcen wie fossilen Brennstoffen und Metallen. Zu den weiteren tiefgreifenden Beispielen gehört die 100 Jahre alte Kupfermine Bingham Canyon in den Bergen in der Nähe von Salt Lake City, wo sich eine Grube mit einer Tiefe von dreiviertel Meile (1,2 Kilometer) und einer Breite von 2,5 Meilen (4 Kilometer) befindet und die Kimberley Diamond Mine, auch bekannt als The Big Hole, in Südafrika, eines der größten Löcher der Welt, das von Menschenhand und ohne Maschinen gegraben wurde.

Laut Harms werden auch im Namen der Wissenschaft Löcher gegraben, um Dinge besser zu verstehen wie:

„Ein Beispiel im Detail ist, dass Beobachtungen sehr nahe an einer Erdbebenzone es [Forschern] ermöglichen, die Entstehung und Ausbreitung selbst des kleinsten Erdbebens als Reaktion auf Stress und Belastung zu überwachen“, sagt Harms. „Wir wollen diese physikalischen, chemischen und mechanischen Nahfelddaten wiederherstellen, um diese Prozesse grundlegend zu verstehen, die in Laborexperimenten oder Computermodellen nicht vereinfacht werden können.“

1977 startete die NASA die Voyager 1 in den Weltraum und über das Sonnensystem hinaus in den interstellaren Raum. Bis August 2022 hat der Satellit 14,6 Milliarden Meilen (23,5 Milliarden Kilometer) in den Weltraum geflogen. Warum konnten Ingenieure in 20 Jahren nur ein paar Meilen tief in die Erde vordringen?

Es stellt sich heraus, dass die Reise zum Erdmittelpunkt etwas schwieriger ist, als die Forscher erwartet hatten. Als beispielsweise in den 1970er-Jahren am Standort Kola Superdeep Borehole mit den Bohrungen begonnen wurde, pflügte sich der Bohrer relativ mühelos durch das Granitgestein. Doch als die Bohrer eine Tiefe von etwa 4,3 Meilen (6,9 Kilometer) erreichten, wurden die Schichten dichter und schwieriger zu bohren.

Dadurch brachen Bohrer und das Team musste mehrmals die Bohrrichtung ändern. „In der Folge wurden mehrere Bohrpfade gebohrt, bis schließlich ein ziemlich vertikaler [Pfad] erreicht war“, sagt Harms. Das resultierende Bohrmuster ähnelt einer Art Weihnachtsbaum.

Die Ingenieure arbeiteten weiter, aber je tiefer die Bohrung ging, desto heißer wurde die Erde. Der Temperaturgradient entsprach bis zu einer Tiefe von etwa 100.000 Fuß (30.408 Metern) den Vorhersagen der Wissenschaftler. Aber jenseits dieses Punktes, als sie tiefer bohrten, verstärkte sich die Hitze, bis sie in etwa 12 Kilometern Tiefe Temperaturen von 356 Grad Fahrenheit (180 Grad Celsius) erreichte. Das war ein drastischer Unterschied zu den 212 Grad Fahrenheit (100 Grad Celsius), die sie erwartet hatten.

Als die Ingenieure die ersten 14.800 Fuß (4.511 Meter) durchpflügten, stellten sie außerdem fest, dass das Gestein viel mehr Porosität und Durchlässigkeit aufwies. Dies, gepaart mit den extrem hohen Temperaturen, führte dazu, dass sich das Gestein eher wie Kunststoff als wie Feststoff verhielt, was Bohren praktisch unmöglich machte.

Diese Temperaturen überstiegen die Möglichkeiten ihrer Bohrausrüstung, aber die Sowjets machten bis 1992 weiter, kamen aber nie tiefer als 1989. Den Bohrern blieb keine andere Wahl, als die Bemühungen abzubrechen, da sie ihre 9,3 Meilen (15 Kilometer) nicht mehr erreichten ) Ziel. Die Bohrstelle wurde 2005 offiziell geschlossen und das Loch versiegelt.

Weitere Versuche wurden im Laufe der Jahre von anderen Ländern unternommen, darunter Deutschland, Österreich und Schweden. Keines dieser Löcher ist tiefer als das Kola Superdeep Borehole, obwohl einige länger waren, da sie von ihrem vertikalen Verlauf abwichen.

Wissenschaftler haben im Kola Superdeep Borehole viel herausgefunden. Zunächst wurde ihnen klar, dass sie die Temperaturkarte für das Erdinnere aktualisieren mussten, da sie auf Temperaturen trafen, die viel höher waren als erwartet.

Sie waren auch überwältigt, dass es keinen Übergang von Granit zu Basalt gab, eine Grenzgeologe nennen sie „Conrad-Diskontinuität“, deren Existenz auf der Grundlage der Ergebnisse seismischer Reflexionsuntersuchungen begründet wurde.

Eine weitere Entdeckung war flüssiges Wasser, das viel tiefer lag, als man bisher angenommen hatte. „Eines der unerwarteten Ergebnisse war sicherlich das Auftreten offener, mit Salzwasser gefüllter Risse, was zeigt, dass die Kruste nicht dicht ist, sondern Wege vorhanden sind, die den Flüssigkeiten den Fluss ermöglichen“, sagt Harms. Die Forscher vermuteten, dass das Wasser möglicherweise durch den unglaublich hohen Druck im Erdinneren aus den Bergkristallen gepresst wurde.

Noch aufregender war die Entdeckung der biologischen Aktivität in den Gesteinen. In einer Tiefe von 7 Kilometern fanden Forscher Dutzende Fossilien einzelliger Meeresorganismen, die 2 Milliarden Jahre alt sind. Der deutlichste Beweis waren mikroskopisch kleine Fossilien, die in organischen Verbindungen eingeschlossen waren und trotz der extremen Drücke und Temperaturen des umgebenden Gesteins überraschend intakt waren.

Ja, irgendwann. Aber, so Harms, „hängt das Graben tiefer als 12 Kilometer (7,45 Meilen) von zwei entscheidenden Faktoren ab: der Temperatur und der Stabilität des Bohrlochs, wobei letztere von der Spannung, der Dehnung sowie der Zusammensetzung und dem Gewicht der Bohrflüssigkeit abhängt.“ Dafür ist eine ziemlich technologisch fortschrittliche Ausrüstung erforderlich, wenn man bedenkt, dass dort Temperaturen von bis zu 250 Grad Celsius vorhergesagt werden.

Der eigentliche Kuchen am Himmel – oder besser gesagt auf der Erde – würde den Erdmantel erreichen, die Schicht, die direkt hinter der Erdkruste beginnt, etwa 40 Kilometer unter unseren Füßen.

„Wir können viel über den Mantel erfahren, wenn wir durch Bohrungen Zugang erhalten“, sagt Harms. „Geowissenschaftler wollen Zugang zum echten In-situ-Mantel haben, um die Natur dieser Grenze zu verstehen, die immer noch umstritten ist und von der wir keine neuen Proben haben, die Informationen darüber enthalten, wie Kruste und Mantel interagieren und wie Flüssigkeiten und Magmatröpfchen aus dem Mantel entweichen.“ in die Erdkruste und letztendlich in unsere Hydrosphäre und wie sie die Biosphäre ernähren – oder wie Materie zurück in den Mantel entweicht.

„Diese großen Kreise, wie sich unser Planet entwickelt, bleiben entlang dieser Grenze rätselhaft und die Moho-Diskontinuität [die Grenze zwischen Erdkruste und Erdmantel] ist daher ein vorrangiges Ziel der Wissenschaft.“

Ein Versuch, in den Erdmantel zu bohren, wird von einer Gruppe internationaler Forscher in Zusammenarbeit mit der japanischen Agentur für Meeres- und Erdwissenschaften durchgeführt. Das Bohrschiff Chikyu der Agentur, das sich derzeit vor der Küste Ostasiens befindet, ist so ausgerüstet, dass es 2,5 Meilen (4 Kilometer) Meerwasser und 3,7 Meilen (6 Kilometer) Erdkruste durchbohren kann, um den Erdmantel zu erreichen. Das Projekt wird voraussichtlich mehr als 500 Millionen US-Dollar kosten.

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