Superboor lost diepe raadsels van de aarde op

In 1970 graaft een boor in een koude uithoek van de Sovjet-Unie zich diep de grond in. Maar hoewel de boring een wereldrecord vestigt, is het superdiepe boorgat van Kola maar gedeeltelijk een succes, want de aarde geeft haar geheimen niet prijs. Dat moet nu veranderen.

In 1970 graaft een boor in een koude uithoek van de Sovjet-Unie zich diep de grond in. Maar hoewel de boring een wereldrecord vestigt, is het superdiepe boorgat van Kola maar gedeeltelijk een succes, want de aarde geeft haar geheimen niet prijs. Dat moet nu veranderen.

claus lunau

Met een afgrijselijk gejank raken vier roterende boorkoppen het harde, oeroude gesteente van het Russische schiereiland Kola.

Onderzoekers, ingenieurs en boormedewerkers staan te kijken hoe de eerste meters van het gat zich openen. Het is een trotse dag voor de Sovjet-Unie. Als de Russen op 24 mei 1970 met het superdiepe boorgat van Kola beginnen, is het doel 15 kilometer diep te boren. Dat zou het Amerikaanse diepterecord met ruim 5,5 kilometer verbeteren.

Het getal 15.000 staat zelfs met manshoge letters op het boortorengebouw. Dat er onderweg uitdagingen zullen zijn, wordt verwacht, aangezien de technologie tot het uiterste gedreven wordt.

Toch moeten de Russen in de decennia die volgen inzien dat de aarde nog onwilliger is om haar diepste geheimen prijs te geven dan gedacht.

Binnenste van de aarde is onbekend terrein

Officieel wilden de Russen meer leren over de aarde en over de hulpbronnen in de bodem. Maar politiek speelde ook een belangrijke rol bij het besluit rond de boring.

Een jaar eerder had de Sovjet-Unie de belangrijkste slag in de ruimtewedloop en mogelijk van heel de Koude Oorlog verloren, toen de Amerikaan Neil Armstrong voet op de maan zette. Maar met het Kola-project hoopten de Russen succes te behalen in de race naar het binnenste van de aarde.

De ultieme eindstreep in de omgekeerde ruimtewedloop was de grens ‘Moho’ tussen de harde aardkorst en de zachte mantel eronder, die 45 procent van het traject naar het centrum van de aarde vormt.

In 1961 hadden de VS de race naar de diepte proberen te winnen in de Stille Oceaan bij Mexico met het boorschip CUSS 1. Ze kozen ervoor in de zeebodem te boren, omdat de aardkorst onder zee dunner is dan onder de continenten – op bepaalde plekken maar 5 kilometer dik.

Zo was Moho dus makkelijker te bereiken – dachten ze. Het water was 3800 meter diep en het schip schommelde en dreef af.

Toen de Amerikanen na vier mislukte pogingen nog maar 183 meter ver waren, gaven ze het op. Wijs geworden door het debacle van hun concurrent besloten de Russen in 1970 op het land te boren.

De keus viel op het schiereiland Kola en het 45 kilometer dikke Baltisch Schild, dat het gesteente in Noorwegen, Zweden, Finland en het noordwesten van Rusland vormt.

Kola brengt Russen succes

Aan boormedewerkers was hier makkelijk te komen. De noordelijke regio nabij de grens met Noorwegen was een echte mijnstreek, en de onderzoekers hadden dan ook al snel een team professionele arbeiders bij elkaar voor het prestigeproject.

En die boekten succes.

Op 1,6 kilometer stuitte de boor op concentraties koper- en nikkelerts die groot genoeg waren om ze te kunnen winnen.

Maar de boring bracht meer dan alleen de belofte van grondstoffen voor de Russische industrie. Meter na meter en dag na dag drong de boor dieper door in het gesteente.

De ene na de andere boorstang werd erop gemonteerd en de geologen verzamelden, analyseerden en verpakten de brokken steen (cavings) die door de boorvloeistof omhoog werden gebracht.

Boringen zijn hoeksteen van de geologie

Hoewel boren bij lange na niet de enige methode is om de diepste geheimen van de aarde te ontraadselen, is het wel een belangrijke. Boringen leveren de pijlers waar de overige methoden op kunnen voortbouwen.

Een veelgebruikte techniek is seismiek. Hierbij wordt gemeten hoe lang trillingen van een opgewekte explosie of een aardbeving onderweg zijn.

Sommige lagen zijn goede reflectoren en sturen de trillingen snel en effectief terug als golven in het gesteente, terwijl andere de meeste golven laten passeren.

Op basis van de data van de ‘reistijd’ van de golven wordt een kaart getekend van de ondergrond met daarop bijvoorbeeld markante overgangen tussen geologische lagen.

© CLAUS LUNAU

Trillingen leggen de aardmantel bloot

Als geologen diep in de aarde kijken, is seismische tomografie hunoog. Daarmee wordt de reistijd gemeten van trillingen, zoals golven van aardbevingen. Door seismische data van diverse meetstations te combineren, kan een 3D-kaart van de mantel worden gemaakt.

Aardbeving zendt trillingen uit

Om in de mantel te kijken, is alleen het signaal van aard­bevingen krachtig genoeg. Ze zenden trillingsgolven uit.

Gesteente kaatst de golven terug

De trillingsgolven planten zich voort. Als ze de grens tussen twee typen materiaal overgaan, veranderen ze van snelheid en richting.

Golven vormen samen een 3D-beeld

De trillingen bereiken de meetstations niet allemaal tegelijk. Op basis van de aankomsttijden wordt een 3D-beeld van de mantel gemaakt.

Veel seismische profielen van de continentale korst laten op enkele kilometers diepte een opvallende reflector te zien, de Conraddiscontinuïteit.

Deze markeert de grens tussen de boven- en de onderkorst en ligt op Kola op 7 kilometer diepte. Eerder werd de grens wel gezien als een overgang van licht graniet naar het zwaardere vulkanische gesteente basalt, maar het superdiepe boorgat van Kola liet zien dat het net iets anders in elkaar zit.

Sondes worden neergelaten in boorgat

De Russische geologen volgden de boring op de voet, maar moesten op afstand blijven tot de jaarlijkse winterpauze. De boormedewerkers hesen de boor weer op en spoelden het gat schoon. Nu mochten de geologen. Ze lieten apparatuur neer aan kilometerslange kabels en maten de temperatuur, de conductiviteit, het stralingsniveau en de ontgassing van het gesteente.

Zo werd elke centimeter van de put in kaart gebracht.
In 1972 ontdekten ze dat de monsters van circa 3 kilometer diepte dezelfde chemische samenstelling hadden als monsters die Russische maansondes kort daarvoor mee terug hadden gebracht naar de aarde.

Het laboratorium dat was verbonden aan het boorgat van Kola analyseerde de maanstenen, en de gelijkenis was treffend. Dat steunde de heersende theorie over het ontstaan van de maan: dat de jonge aarde door een ander hemellichaam werd geraakt, waardoor delen van de korst de ruimte in werden geslingerd en de maan vormden.

Toen de boor in 1975 de Conraddiscontinuïteit bereikte, kon de gangbare theorie over de overgang van graniet naar basalt voor het eerst worden getest.

Maar er zat geen basalt in de dikke boorvloeistof die steeds naar beneden werd gepompt en met cavings weer omhoog kwam. Wat er wel meekwam: een ander soort graniet, dat door de druk en de temperatuur was veranderd.

Die ontdekking zou een revolutie betekenen voor onze kennis van de vorming van de continenten.

Vondst toont continentale drift aan

Halverwege de jaren 1970 waren de onderzoekers ervan overtuigd dat het onderste deel van de continentale korst werd gevormd door een dikke laag basalt.

Van tijd tot tijd zou dit basalt deels smelten en worden omgezet in granitisch magma, dat vervolgens opsteeg en het bovenste deel van de continentale korst vormde.

Maar de Kola-boring liet zien dat het onderste deel van de korst niet overal basalt bevat. De continentale korst moet dus op een meer complexe manier zijn gevormd, waarbij platentektoniek of continentale drift betrokken is.

Op basis van de Kola-boring denkt de wetenschap nu dat continentale korsten allereerst worden gevormd boven subductiezones, waar de oceanische korst omlaag duikt en in de aardmantel verdwijnt.

De gezonken plaat trekt sedimenten en water mee de diepte in, die daar de samenstelling veranderen en het smeltpunt verlagen.

Daardoor ontstaan bellen van licht magma die opstijgen, vulkanen vormen en resulteren in een zogenoemde eilandboog van continentale korst, zoals Japan. In de loop van miljoenen en miljarden jaren worden de bogen tegen elkaar geduwd en vormen ze grote continenten.

Kola-onderzoekers geloven hun ogen niet

De Russische geologen stonden nog het meest versteld toen ze monsters van meer dan 6,4 kilometer diepte bestudeerden. Verstopt in bolletjes koolstof zat iets wat op het eerste gezicht op plankton leek.

Nader onderzoek wees uit dat er sprake was van ruim 20 soorten microfossielen.

Dat vonden de onderzoekers zo absurd dat ze dachten dat de monsters vervuild moesten zijn met materiaal van de oppervlakte.

Organisch materiaal is namelijk niet bestand tegen de druk en de temperatuur op zo grote diepte.

Ze deden daarom niets met de vondst en het belang ervan werd pas jaren later duidelijk.

Korst krioelt van leven

Uit later onderzoek, onder andere van Deep Carbon Observatory, dat tot 2018 de rol van koolstof in de aarde bestudeerde, blijkt dat de aardkorst rijk, uniek leven bevat.

Een van de opzienbarendste vondsten werd in 2010 gedaan, toen een onderzoeksteam onder leiding van Steven D’Hondt van The University of Rhode Island (VS) organismen ontdekte in het sediment diep onder de zuidelijke Stille Oceaan.

De microben waren zo’n 100 miljoen jaar oud, maar leefden nog. Hun biologische processen waren alleen zozeer vertraagd dat er nauwkeurige analyses nodig waren om ze waar te nemen.

Berekeningen laten zien dat de diepe biosfeer 70 procent van al het microscopische leven op aarde bevat.

Sindsdien is er leven aangetroffen in vrijwel alle monsters uit de aardkorst en wordt wel gesproken van de ‘Galapagos van de diepte’. Berekeningen van Deep Carbon Observatory laten zien dat de diepe biosfeer twee keer zo groot is als alle oceanen bij elkaar en circa 70 procent van al het microscopische leven op aarde bevat.

Tot hoe diep in de korst de biosfeer reikt, is nog onduidelijk, maar er zijn zelfs op 4,8 kilometer diepte nog organismen gevonden.

Sommige bacteriën sterven pas bij 132 °C, en doordat de temperatuur op weg omlaag door de korst met slechts 15 à 25 graden per kilometer stijgt, is leven tot 8 kilometer diep in theorie mogelijk.

Hoe meer onderzoek we doen naar de biologie onder onze voeten, hoe meer invloed dit heeft op wat we denken te weten over het leven. Sommige onderzoekers opperen zelfs dat het leven in de aarde is ontstaan en pas daarna de zee, het land en de lucht veroverde.

Dieper boren dankzij nieuw systeem

De Kola-boorders voerden de eerste 7263 meter uit met traditionele olieboorinstallaties. Ondertussen werkten ingenieurs en onderzoekers samen met het bedrijf Uralmash om een speciaal systeem te ontwikkelen dat minstens 15 kilometer diep kon boren. Dit systeem, Uralmash-15000, was zeer geavanceerd voor zijn tijd en paste diverse innovaties uit de boorwereld toe.

De Russen gebruikten als eersten boorstangen van aluminium. Dit metaal is zo’n 50 procent lichter dan staal en voorkomt dat de kilometerslange boor afbreekt onder zijn eigen gewicht.

Ook werd het aankoppelen van de 40 meter lange boorstangen voor een groot deel geautomatiseerd. Bovendien hielp het systeem de boor weer omhoog te trekken, want sommige gesteentelagen waren zo hard dat de boorkop na 20 meter al versleten was en moest worden vervangen.

Om de rotatiekracht over te brengen op de lange boor, monteerden de Russen de laatste 46 meter vóór de boorkop propellerbladen op de boorstangen. Wanneer de boorvloeistof omlaag werd gepompt, werd de druk van boven overgebracht op de propellers en vandaar als rotatie op de boorstangen. Het systeem was simpel en doet denken aan een omgekeerde scheepsschroef.

In feite fungeerde elk propellerblad onder aan de boor als een lokaal motortje voor het boren.

Hoe dieper de boor kwam, hoe langzamer het ging – zelfs met het nieuwe systeem. Op 6 juni 1979 bereikte de boor de 9583 meter. Dat was het record van het tot dan toe diepste boorgat, het Bertha Rogers-­gat in Washita County (VS), en dus een belangrijke grens.

IJslanders boren in magma

Het boorgat op Kola was in 1979 dus het diepste gat ter wereld. Maar hoewel de temperatuur de 200 °C naderde, is het lang niet de warmste boring.

In IJsland is namelijk meermaals vloeibaar magma bereikt – voor het eerst in 2009, toen een zoektocht naar warm water per ongeluk in een magmakamer eindigde.

Dat leidde niet zoals gevreesd tot een door mensen ge­maakte vulkaan, want het magma kwam maar een paar meter omhoog voor het stolde en het boorgat afsloot.

IJslandse boorders bereikten na ongeveer zes maanden op 5 kilometer diepte een magmakamer.

De uitgebleven ramp gaf de boorders durf. Sinds het ongeluk in 2009 hebben ze vol overgave heel dicht bij magma geboord om inzicht te krijgen in de geofysische verschijnselen op de overgang tussen vast en vloeibaar materiaal. Andere experimenten richtten zich op superkritisch water, dat bij voldoende hoge temperatuur en druk in de aarde ontstaat. De eigenschappen van water veranderen daarbij radicaal.

Het gedraagt zich nog wel als een vloeistof, maar bevindt zich in een fase tussen gas en vloeistof in en kan net als een gas door vaste stoffen heen dringen.

Ook bevat het heel veel energie, wat het gewild maakt voor geothermische projecten, waarbij water uit de aarde wordt gewonnen voor groene energie.

Feest is funest voor het boorgat

Toen het boorgat van Kola in 1983 de 12.000-metergrens passeerde, werd het werk stilgelegd om de mijlpaal te vieren.

Nadat de boor 12 kilometer diep de aardkorst in was gedrongen, maakte hard, kleverig gesteente een einde aan de Kola-boring.

© ALAMY

Een voor een kwamen er groepjes vertegenwoordigers langs van de ruim 150 onderzoeksinstellingen en bedrijven die een aandeel hadden in het project. Politici, zoals de minister van Geologie en Grondstoffen, kwamen uit Moskou over en de feestelijkheden duurden een jaar.

Op 27 september 1984 werd het boren dan eindelijk hervat. Maar zo’n lange pauze verstoort een boring, want gesteente is dynamisch en bijna levend. Het gat was op bepaalde plekken wijder geworden en op andere pekken juist nauwer, waardoor de boorkop vastliep.

De boor had al eerder vastgezeten, en de ingenieurs hadden er telkens iets op gevonden. Maar nu was het einde verhaal. Op 7 kilometer diepte brak een zwakke koppeling tussen twee boorstangen. In het gat zaten nu een 5 kilo­meter lange boor plus boorkop, die de weg versperden. De gevolgen waren niet te overzien.

Microgolven moeten Kola overtreffen

Sinds het superdiepe boorgat van Kola zijn we nog geen centimeter opgeschoten. Maar daar moet een gloednieuwe technologie verandering in brengen.

In plaats van het gesteente weg te slijpen met roterende kaken op een boorkop moet een microgolfgenerator de steen verdampen bij een temperatuur van ruim 3000 °C.

De Swarm-constellatie van drie magneetveldmetende satellieten behoort tot onze belangrijkste hulpmiddelen om inzicht te krijgen in de aardkern.

© Esa/ATC MEDIALAB

Snavels meten magneetveld

Elke Swarm-satelliet is uitgerust met magnetometers, die de sterkte en de richting van het aardmagnetisch veld meten. Om foutmetingen te voorkomen, houdt een ‘snavel’ de gevoelige meetinstrumenten ver weg van de elektriteitskabels in de romp

© Esa/ATC MEDIALAB

Meerdere banen voor 3D-beeld

De satellieten Alpha en Charlie bevinden zich naast elkaar in een baan op 450 km hoogte, terwijl Bravo op 530 km hoogte staat. Bravo verandert zijn baan steeds ten opzichte van de andere twee, wat leidt tot een driedimensionaal beeld van het magneetveld.

© Esa/ATC MEDIALAB

Satellieten maken magneetkaart

Op basis van de metingen zijn meerdere grote ontdekkingen gedaan, zoals een snelstromende rivier van vloeibaar ijzer dicht bij de grens van de mantel. Swarm is ook verantwoordelijk voor de mondiale magnetische kaarten die aan de basis liggen van o.a. gps.

De zogeheten gyrotron produceert extreme energieën in de vorm van hoogfrequente microgolfstraling.

De technologie lijkt op die welke energieonderzoekers voor fusie-energieproeven gebruiken, waarbij gassen worden omgezet in plasma.

De temperatuur die ontstaat is zo hoog dat waterstofkernen versmelten tot helium. De microgolftechniek heeft diverse voordelen maar kent ook uitdagingen, vooral bij wetenschappelijke boringen.

Voordelen zijn dat de apparatuur niet slijt en hoeft te worden vervangen en dat er geen bovengrens is aan de temperatuur waarbij het systeem kan opereren.

Ook wordt de wand van het boorgat automatisch verzegeld met een harde, duurzame laag gesmolten gesteente, dat stolt tot glas. Dat is een groot pluspunt ten opzichte van traditionele boringen, waarbij het gat met een metalen buis wordt verstevigd, wat duur en tijdrovend is.

De binnen- en buitenkern van de aarde van ijzer en nikkel creëren het essentiële aardmagnetisch veld. De buitenkern is 4000 °C en vloeibaar, de binnenkern is 5000 °C en door de hoge druk vast.

© claus lunau & Julien Aubert, IPGP/CNRS/CNRS Photothèque

1. Bellen trekken aan magnetisch veld

Zo eens in de 10 jaar krult het aardmagnetisch veld om zichzelf in een ‘geomagnetische ruk’. In 2019 liet een model van stromingen in de buitenkern zien dat bellen kernmateriaal in 25 jaar tijd opstijgen vanaf de grens tussen de binnen- en buitenkern. De invloed van het magneetveld in dit model paste precies bij de waargenomen rukken.

© claus lunau & Julien Aubert, IPGP/CNRS/CNRS Photothèque

2. IJzerrivier in kern versnelt

In 2016 werd met behulp van de drie Swarm-satellieten een rivier van vloeibaar ijzer ontdekt, 3000 km onder Alaska en Siberië. De rivier heeft een stroomsnelheid van 5 meter per uur. Magnetische data laten zien dat die snelheid in de afgelopen 15 jaar is verdubbeld.

Voor onderzoekers die bijvoorbeeld de samenstelling van instromend water of ontgassing van het gesteente willen meten, is de natuurlijke verzegeling echter een belemmering. En als de boor zich een weg door de aarde brandt, komen er ook geen brokken steen meer omhoog die ze kunnen onderzoeken.

Maar mogelijk kunnen nieuwe instrumenten het gas analyseren dat ontstaat bij de verdamping en op die manier inzicht geven in de chemische samenstelling van de diverse lagen.

De grote wens is dat de nieuwe boringen bij kunnen dragen aan de energietransitie. Als het mogelijk wordt op elke willekeurige plek te boren voor een fractie van de huidige prijs, kunnen energiemaatschappijen de kolen van een kolencentrale snel vervangen door energie uit de grond.

Met een diep boorgat vlak bij de centrale kan de stoom voor de turbines dan namelijk uit de grond komen in plaats van van de verbranding van steenkool. Zo kan de centrale deels worden hergebruikt en in één klap klimaatneutraal worden.

Gat stort samen met de Sovjet-Unie in

Zeven maanden probeerde het team op Kola vergeefs de afgebroken boor te pakken te krijgen. Uiteindelijk werd er besloten tot plan B en maakten de ervaren boormedewerkers vlak boven de breuk een zijtak.

Maar ze hadden meer dan 5 kilometer verloren. Pas begin 1989, na ruim vier verspilde jaren, passeerde de boorkop weer de 12.000 meter – nu zonder feestelijkheden.

Het doel was datzelfde jaar de 13.500 meter te bereiken en eind 1990 de magische 15.000 meter.

Kola-boorgat is toeristische attractie geworden

Zo ver zou het echter niet komen. Vanaf 12.262 meter diepte ontstonden er zo veel problemen dat het team moest concluderen dat de technologie zijn grens bereikt had bij een temperatuur van zo’n 200 °C en een druk van 100 keer die aan de oppervlakte.

Na een schorsing van drie jaar werd het boorgat van Kola in 1992, een paar maanden na de val van de Sovjet-Unie, opgegeven.