Ny superborr löser jordens största gåtor

1970 började började man borra i ett kargt område av Sovjetunionen, och även om borrningen slog världsrekord blev Kola Superdeep ingen riktig succé eftersom jorden fortfarande dolde sina hemligheter. Det ska en ny borrteknik nu ändra på.

1970 började började man borra i ett kargt område av Sovjetunionen, och även om borrningen slog världsrekord blev Kola Superdeep ingen riktig succé eftersom jorden fortfarande dolde sina hemligheter. Det ska en ny borrteknik nu ändra på.

claus lunau

Med ett infernaliskt oväsen når fyra roterande borrkronor det hårda, eoner gamla berget på Kolahalvön i Ryssland.

Forskare, ingenjörer och borrare samlas runt utrustningen och ser på medan hålets första meter borras upp. Det är en viktig dag för Sovjetunionen.

När ryssarna börjar borra SG-3 den 24 maj 1970 är målet att nå 15 000 meter ner i marken. Det är betydligt djupare än det tidigare amerikanska rekordet, drygt 5 500 meter.

Siffran 15 000 sätts till och med upp i manshöga bokstäver på byggnaden där borrtornet står. Alla räknar med att man kommer att ställas inför ut­maningar på vägen, för tekniken pressas till det yttersta. Ändå tvingas ryssarna under de kommande årtiondena inse att vår planet är ännu mer ovillig att avslöja sina djupa hemligheter än någon hade kunnat drömma om.

Jordens djup är okänt territorium

Officiellt var ryssarna på jakt efter en djupare förståelse av jorden och de resurser som marken erbjuder. Politik utgjorde dock en central del av beslutet om SG-3.

Året innan, 1969, förlorade Sovjetunionen det viktigaste slaget i rymdkapplöpningen – ja, kanske i hela kalla kriget – när amerikanen Neil Armstrong tog människans första steg på månen.

Med SG-3 hoppades ryssarna kunna vinna den nedåtriktade kapplöpningen mot jordens mitt. Den ultimata mållinjen i denna omvända kapplöpning var Mohorovičić-diskontinuiteten (Moho), gränsen mellan jordens hårda skorpa och den underliggande mjuka manteln, 45 procent av vägen till jordens mittpunkt.

År 1961 försökte amerikanerna avgöra kapplöpning­en mot djupet i Stilla havet utanför Mexiko med hjälp av borrfartyget CUSS 1.

De valde att borra i havsbottnen eftersom jordens skorpa är betydligt tunnare under världshaven än under kontinenterna, på vissa håll bara 5 000 meter, och det därmed var betydligt enklare att nå Moho – trodde man.

Vattendjupet var 3 800 meter och CUSS 1 gungade och drev ur position. Efter fyra misslyckade försök var den djupaste borrningen bara 183 meter. Det stod klart att amerikanerna inte behärskade tekniken.

Visa av konkurrenternas misstag beslutade sig ryssarna för att borra på land när de satte i gång år 1970. Valet föll på Kolahalvön och den massiva, 4 500 meter tjocka fennoskandiska urbergsskölden, som utgör berggrunden i Norge, Sverige, Finland och Rysslands nordvästra hörn.

Rysk framgång på Kolahalvön

Det har varit lätt att få tag på borrare. Här uppe i norr, nära gränsen till Norge, frodas gruvdriften, så forskarna bakom SG-3 har utan problem kunnat samla en grupp professionella arbetare till Sovjets nya prestigeprojekt.

Och man skördar snabbt framgångar.

Redan 1 600 meter ner stöter borren på så höga koncentrationer av koppar- och nickelmalm att den kan utvinnas. Därmed har man uppnått ett av projektets officiella mål.

Borrningen ger emellertid mycket mer än bara ett löfte om råmaterial till den sovjetiska industrin.

Meter för meter och dag för dag når SG-3 allt djupare ner i berget. Borrstång efter borrstång monteras och forskarna samlar in, analyserar och packar in de fragment av berget som kommer upp med borrmudden.

Borrningarna är geologins hörnstenar

Borrningar är visserligen långt ifrån den enda metod som står till buds för att avslöja vår planets djupa hemligheter – men de är centrala.

Borrningar ger nämligen viktiga hållpunkter på vilka de övriga metoderna kan hängas upp.

Seismik är en av de tekniker som geologerna ofta använder. Då mäter forskarna hur lång tid det tar för skakningar från antingen kontrollerade explosioner eller jordskalv att röra sig genom marken.

Vissa lager är bra reflektorer och för vidare skakningarna snabbt och effektivt som vågor i berget, medan andra är dåliga reflektorer.

Genom att samla in data om detta kan forskarna rita kartor över marken som till exempel visar tydliga övergångar mellan olika geologiska lager.

© CLAUS LUNAU

Skakningar ger fakta om manteln

När geologerna ser djupt in i jorden fungerar seismisk tomografi som deras ögon. Denna teknik bygger på mätningar av hur lång tid det tarför skakningar, exempelvis jordskalvsvågor, att färdas genom marken. Genom att kombinera seismiska data från flera mätstationer kan forskarna rita en ­tredimensionell karta över manteln.

Djupt jordskalv ­orsakar skakningar

För att kunna se ända ner till manteln är det bara jordskalv som är starka nog att ge en signal. Jordskalv orsakar skakningar.

Berget reflekterar vågorna

Skakningarna sprids. Hastigheten och riktningen förändras när vågorna passerar gränsen mellan två typer av material.

Vågor kombineras till tredimensionell bild

Skakningarna når mätstationer vid olika tidpunkter. Genom att mäta tidsskillnaden kan forskarna bygga upp en tredimensionell bild av marken.

I många seismiska profiler från kontinentalskorpan ser geologerna en tydlig reflektor några kilometer ner i marken, Conrad-diskontinuiteten, som markerar övergången mellan skorpans övre och nedre del.

På Kolahalvön ligger Conrad-diskontinuiteten på cirka 7 000 meters djup. Tidigare tolkades gränsen som en övergång från lätt granit till den tyngre vulkaniska bergarten basalt, men SG-3 visade att det inte är riktigt så.

Sonder sänks ner i borrhålet

De sovjetiska geologerna följer borrningen noga, men tvingas hålla sig borta tills det årliga, månadslånga uppehållet i arbetet.

Då lyfter borrarna bort utrustning­en, varefter borrhålet spolas rent. Nu är det äntligen forskarnas tur. Paket med utrustning firas ner i kilometerlånga kablar och mäter temperatur, strålnings-nivå, elektrisk ledningsförmåga och gasutsläpp från berget.

Varenda centimeter av den kilometerdjupa brunnen kartläggs in i minsta detalj.

År 1972 upptäcker forskarna att prover från cirka 3 000 meters djup motsvarar kemin i de prover som de sovjetiska månsonderna i början av 1970-talet förde med sig tillbaka till jorden.

Det avancerade laboratoriet som är knutet till SG-3 analyserar även månstenarna, och likheten med de jordiska proverna är slående. Tillsammans ger de stöd åt den rådande teorin om månens bildande, enligt vilken en ung jord träffades av en annan himlakropp och delar av den tidiga jordskorp­an slungades ut i rymden och skapade månen.

År 1975 har borren nått ner till Conrad-diskontinuite­ten. För första gången ska teorin om en övergång från granit till vulkanisk basalt testas. Det finns emellertid ingen basalt i den tjocka borrmudd som hela tiden pumpas ner och stiger upp med fragment av berget.

I stället får de förvånade forskarna se en särskild sorts granit som har omvandlats på grund av trycket och temperaturen. De inser att deras upptäckt kommer att revolutionera förståelsen av hur kontinenterna har bildats.

Fynd bevisar kontinentaldriften

I mitten av 1970-talet var forskarna övertygade om att kontinentalskorpans nedre del bestod av ett tjockt basaltlager.

Emellanåt smälte basalten delvis och omvandlades till granitisk magma som steg upp och utgjorde kontinentalskorpans övre del.

Borrningen på Kolahalvön visade dock att skorpans nedre del inte alltid innehåller basalt. Därför måste kontinentalskorpan ha bildats på ett mer komplicerat sätt genom plattektoniska rörelser

Mot bakgrund av resultaten från SG-3 tror forskarna i dag att kontinentalskorpan huvudsakligen bildas ovanför så kallade subduktionszoner, där havsskorpa sjunker ner i manteln.

Den sjunkande plattan drar med sig sediment och vatten ner i djupet, där den förändrar kemin och sänker smältpunkten.

Resultatet är bubblor av lätt magma som stiger upp, bildar vulkaner och till sist resulterar i en så kallad öbåge av kontinentalskorpa – som exempelvis Japan.

Under miljontals och miljardtals år pressas öbågarna ihop tills de bildar kontinenter.

Forskarna tror inte sina ögon

Allra mest förvånade blir de ryska geologerna när de studerar proverna som tagits upp från drygt 6 400 meters djup.

Välbevarade i små kulor av kol ligger någonting som vid en första anblick ser ut som plankton.

Närmare studier visar att det rör sig om drygt 20 olika arter av mikrofossil. Det framstår som helt absurt för forskarna, som tänker att proverna måste ha förorenats med material från ytan.

Det är den enda logiska slutsats­en eftersom trycket och temperaturen borde utplåna allt organiskt material. Därför följer ingen upp fyndet, vars betydelse blir tydlig först många år senare.

Skorpan myllrar av liv

Senare studier, bland annat i Deep Carbon Observatory som fram till år 2018 analyserade kolets roll i marken, har visat att marken har ett unikt och rikt liv.

Ett av de viktigaste fynden gjordes år 2010, då en forskargrupp ledd av Steven D’Hondt vid University of Rhode Island i USA hittade organismer i sediment långt under södra Stilla havet.

Mikroorganismerna var cirka 100 miljoner år gamla, men levde fortfarande. Deras livsprocesser hade bara saktats ner så mycket att det krävdes noggranna analyser för att visa att de fortfarande pågick.

Beräkningar visar att de djupa biosfärerna innehåller 70 procent av allt mikroskopiskt liv på jorden.

Senare har forskarna hittat liv i nästan alla djupa prover i marken. Man har till och med börjat tala om ”ett underjordiskt Galápagos”.

Beräkningar från Deep Carbon Observatory visar att den djupa biosfären är dubbelt så stor som alla jordens världshav tillsammans och innehåller cirka 70 procent av allt mikroskopiskt liv på jorden.

Det är ovisst hur långt ner i skorpan den underjordiska bio­sfären sträcker sig, men forskarna har hittat organismer på 4 800 meters djup.

Vissa bakterier tål 132 graders värme, och eftersom temperaturen i skorpan bara stiger med 15–25 grader per kilometer är liv ner till 8 000 meter teoretiskt möjligt.

Ju mer vetenskapen studerar biologin under våra fötter, desto mer tycks allt som vi tror att vi visste om livet förändras. Vissa forskare går så långt som att föreslå att livet kanske började där nere och först därefter intog haven, marken och luften.

Ny teknik fördjupar borrningen

Borrarna på Kolahalvön arbetar vidare och avverkar de första 7 263 meterna med traditionell oljeborrningsutrustning.

Under tiden samarbetar ingenjörerna och forskarna med företaget Uralmash om att utveckla specialutrustning som kan borra minst 15 000 meter ner i marken.

Det nya systemet, Uralmash-15000, är super­avancerat för sin tid och använder flera banbrytande innovationer i borrvärlden.
Ryssarna är först med att använda borrstänger av aluminium. Denna metall, som är cirka 50 procent lättare än stål, gör att den tusen meter långa borrsträngen inte bryts av sin egen vikt.

Samtidigt automatiseras en stor del av arbetet med att häkta på de 40 meter långa borrstängerna. Systemet fungerar även omvänt och kan användas för att dra upp borren. Vissa lager av berget är så hårda att borrkronan bara klarar 20 meters borrning innan den är utsliten och måste bytas ut.

För att överföra rotationskraft till slutet av den tusen meter långa strängen har ryssarna monterat propellerblad på borrstängerna de sista 46 meterna före borrkronan.

När den så kallade borrmudden pumpas ner från ytan överförs trycket ovanifrån till propellrarna och därmed till borrstängerna i form av rotation.

Systemet är enkelt och påminner om en fartygspropeller. I praktiken fungerar varje propellerblad på den nedre borrsträngen som en liten lokal motor till borrningen.

Ju längre ner borren kommer, desto långsammare går det – även med den nya, avancerade utrustningen. Den 6 juni 1979 når borren ner till 9 583 meter, samma djup som planetens hittills djupaste borrning, Bertha Rogers-hålet i Washita County i den amerikanska delstaten Oklahoma – en viktig gräns för ryssarna.

Islänningar borrar i magma

SG-3 var alltså planetens djupaste hål redan år 1979. Trots att temperaturen steg med djupet och nådde närmare 200 grader är borrningen långt ifrån den varmaste.

På Island har flera borrningar slutat i flytande magma. Första gången det hände var år 2009, då man av misstag hamnade i en magmakammare medan man letade efter varmt vatten.

Eftersom den smälta stenmassan bara nådde några meter upp i borrhålet innan den stelnade och förslöt hålet ledde episoden inte (som man befarade) till någon mänskligt skapad vulkan.

Det tog cirka sex månader för isländska borrar att nå cirka fem kilometer ned till en magmakammare.

Den uteblivna katastrofen gjorde att borrarna blev djärvare. Sedan olyckan år 2009 har de medvetet borrat nära ­magma för att lära sig mer om geofysiska fenomen i övergången mellan fast och flytande material.

I andra experiment har man fokuserat på det så kallade superkritiska vatten som uppstår i marken när temperaturen och trycket blir tillräckligt högt. Då förändras vattnets egen­skaper radikalt.

Trots att vattnet fortfarande beter sig som en vätska befinner det sig i en fas mellan gas och vätska och kan tränga igenom fasta ämnen som en gas.

Samtidigt innehåller vattnet stora mängder energi, vilket gör det särskilt efter­traktat i geotermiska projekt där värme från jordens inre utnyttjas som miljövänlig energi.

Firande förstörde borrhålet

När SG-3 år 1983 passerar 12 000 meter ombes borrarna göra ett uppehåll. Milstolpen ska firas

Segt, klistrigt berg satte stopp för Kolaborrningen efter det att den nått drygt 12 000 meter ner i jordskorpan.

© ALAMY

Representanter för de över 150 forskningsinstitut och företag som är engagerade i projektet anländer i olika grupper. Politiker, bland annat ministern för geologi och naturresurser, kommer hela vägen från Moskva, och innan alla festligheterna är över har det gått ett helt år.

Den 27 september 1984 startas slutligen borrarna igen. En borrning medger dock inte en så lång paus – berget är alltför dynamiskt för detta. På vissa ställen har hålet utvidgats, medan andra delar har dragit ihop sig och får borrkronan att fastna.

Borren har fastnat förr och oftast har ingenjörerna lyckats rädda situationen. Den här gången är emellertid katastrofen ett faktum. På 7 000 meters djup bris­ter en svag koppling mellan två borrstänger. I hålet sitter nu 5 000 meter borrsträng och en borrkrona som blockerar vägen. Konsekvenserna är oöverskådliga.

Mikrovågor ska överträffa SG-3

Sedan SG-3 borrades har forskarna inte kommit en centimeter längre ner i jordskorpan. Men det ska splitter ny teknik ändra på.

I stället för att slita sönder berget med en borrkronas roterande käkar ska en mikrovågsgenerator förånga stenmassan vid en temperatur på över 3 000 grader.

Den så kallade Swarmkonstellationen, som består av tre magnetfältsmätande satelliter, är ett av forskarnas viktigaste redskap för att lära sig mer om jordens kärna.

© Esa/ATC MEDIALAB

Snabler måler magnetfeltet

Var och en av Swarmsatelliterna har magnetometrar, som mäter jordens magnetfälts styrka och riktning. För att undvika felmätningar håller en ”snabel” de känsliga mätinstrumenten långt bort från ­elkablarna i satellitens kropp.

© Esa/ATC MEDIALAB

Skilda banor ökar precisionen

Satelliterna Alpha och Charlie kretsar jämsides på 450 kilometers höjd, ­medan satelliten Bravo kretsar på 530 kilometers höjd. Bravos bana förändras hela tiden i förhållande till de två andra satelliterna, vilket ger en tredimensionell bild av magnetfältet.

© Esa/ATC MEDIALAB

Satelliter skapar magnetkarta

Med mätningarnas hjälp har forskarna gjort flera vetenskapliga upptäckter, bland annat en strömmande flod av flytande järn nära gränsen till manteln. Swarm ligger även bakom de globala magnetiska kartor som utgör grund för gps och navigation.

Den så kallade gyrotronen producerar extrema energi­mängder i form av en högfrekvent stråle av mikro­vågor. Tekniken liknar den som energiforskare använder i försök med fusionsenergi, där gaser omvandlas till plasma och genererar en temperatur som är så hög att vätekärnor smälter samman till helium.

Mikrovågstekniken har flera fördelar, men även vissa utmaningar – framför allt när det gäller vetenskapliga borrningar.

Några av fördelarna är att utrustningen inte slits ut och behöver bytas samt att det inte finns någon övre gräns för vid vilken temperatur systemet kan operera.

Väggarna i borrhålet förseglas också automatiskt med en hård, hållbar mantel av smält stenmassa som stelnar till glas. Det är en stor fördel jämfört med traditionella borrningar där borrhålet behöver stagas upp med ett metallrör, något som är både dyrt och tidskrävande.

Jordens yttre och inre kärna av järn och nickel skapar planetens magnetfält. Den yttre kärnan är 4 000 grader varm och flytande, medan den inre kärnan är 5 000 grader varm och fast.

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

1. Bubblor sliter i magnetfältet

Cirka vart tionde år ­genomgår jordens ­magnetfält ett så ­kallat ­geomagnetiskt ryck. År 2019 ­visade en modell av strömningar
i jordens yttre kärna att bubblor av kärnmaterial under loppet av cirka 25 år stiger upp från gränsen ­mellan den inre och den yttre ­kärnan. Påverkan av magnetfältet i modellen stämde överens med de observerade geomagnetiska ­rycken.

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

2. Accelererande kärneflod av järn

Med hjälp av de tre ­Swarmsatelliterna påvisade en forskargrupp år 2016 en flod av flytande järn 3 000 kilometer under Alaska och Sibirien. Floden rinner med en ­hastighet av fem meter i timmen. Magnetiska
data visar att ­hastigheten har ­tredubblats de senaste 15 åren.

För forskare som vill mäta exempelvis kemin i inströmmande vatten eller gaser i berget är emellertid den naturliga glasförseglingen ett problem.

När man bränner sig fram genom marken kommer det inte heller upp någon småsten som forskarna kan undersöka. Ny-utvecklade instrument kan dock potentiellt analysera gasen som uppstår vid förångningen och på så sätt avslöja den kemiska sammansättningen i lagren som borrningen passerar.

Drömmen är att de nya borrningarna ska bidra till en grön omställning.

Om det blir möjligt att borra var som helst för en bråkdel av det nuvarande priset kan energibolag på kort tid ersätta kolet i ett koleldat kraftverk med markenergi. Med en djup borrning i närheten kan ångan till turbinerna komma från marken i stället för från förbränning av kol. På så sätt kan delar av kraft­verket återanvändas och bli klimatneutralt.

Hålet kollapsar med Sovjetunionen

Under sju desperata månader försöker gruppen bakom SG-3 få tag på den avbrutna borrsträngen och dra loss den, dock utan framgång. Till slut ger de upp och övergår till plan B.

De rutinerade borrarna börjar på en sidogren strax ovanför den avbrutna borrstång­en. De har dock tvingats backa över 5 000 meter.

Först i början av 1989, efter drygt fyra förlorade år, når borrkronan 12 000 meter, den här gången utan något firande. Målet är att nå ner till 13 500 meter redan samma år och magiska 15 000 meter i slutet av 1990.

Kola-borrhålet har blivit en turistattraktion

Så långt når borrarna emellertid aldrig. När borrning­en når 12 262 meter stöter man på olycka efter olycka och till slut står det klart att tekniken har nått sin gräns vid en temperatur på närmare 200 grader och tusen gång­er högre tryck än vid markytan.

Efter att ha stått still i tre år avbryts arbetet med SG-3 år 1992, under månaderna efter Sovjetunionens kollaps.