Dziura jak Marzenie. O chętnych do wiercenia w głąb Ziemi

Oto statek legenda. „JOIDES Resolution” zwykle odbywał 3–4 rejsy badawcze w roku. Na każdy zabierał ok. 60 naukowców. Łącznie odbył prawie 200 wypraw, przywożąc ponad 370 km rdzeni z otworów, które nawiercał w dnie morskim. Rdzeń skalny to walec o średnicy kilkunastu centymetrów, dzięki któremu warstwa po warstwie można odtwarzać historię oceanów i skorupy ziemskiej. Dziś, pocięte na półtorametrowe segmenty, są przechowywane w specjalnych repozytoriach w trzech miejscach na świecie, a pozyskane z nich informacje trafiają co roku do setek publikacji naukowych. To dzięki ekspedycji „JOIDES Resolution”, zorganizowanej wiosną 2023 r., naukowcy wreszcie przewiercili na wylot skorupę ziemską. Dziura ma rekordową głębokość 1268 m.

Gdy znikło Morze Śródziemne

Wylądowaliśmy na Księżycu, wysłaliśmy sondy kosmiczne na odległe globy, ale dopiero półtora roku temu udało nam się przebić do przedsionka drugiej z kolei warstwy naszego globu zwanej płaszczem Ziemi. Dokonano tego, nawiercając dno Atlantyku ok. 1,5 tys. km na południe od Azorów. Z oceanicznej równiny wznosi się tam podmorski grzbiet, masyw Atlantis, gdzie skorupa ziemska jest bardzo cienka. Po kilkunastu miesiącach opublikowano wyniki badań rdzenia. Odkryto skały przeobrażone chemicznie w wyniku reakcji z krążącą w nich wodą morską. Uwalniają się wówczas wodór i metan, źródło energii dla mikrobów. Stwierdzono więc istnienie warunków do powstania życia ponad kilometr pod dnem morskim. Czy w podobnych miejscach mogło się ono narodzić przed miliardami lat? Badacze postulują kontynuowanie wierceń, aby zobaczyć, jak głęboko może sięgać taka strefa potencjalnego życia.

Nieco wcześniej, w grudniu 2022 r., inna grupa naukowców weszła na pokład „JOIDES Resolution”, aby przez kilkanaście tygodni nawiercać dno Morza Egejskiego wokół greckiej wyspy Santorini. Jest ona pozostałością wulkanu, który pogrążył się w wodzie ponad 3,5 tys. lat temu w wyniku jednej z największych erupcji w historii ludzkości. Wciąż jest aktywny. Nie on jeden. W pobliżu znajduje się ok. 20 podmorskich wulkanów. Jeden z nich, Kolumbo, eksplodował w 1650 r., wzbudzając falę tsunami o wysokości 20 m. Dzięki odwiertom naukowcy zrekonstruowali wulkaniczną historię tego regionu w ciągu ostatniego pół miliona lat. Zidentyfikowali pięć gigantycznych erupcji, które dziś miałyby katastrofalne skutki dla ludzi. „W przeszłości było tu znacznie bardziej niespokojnie niż dziś, ale tutejsze stożki, jak wszystkie duże systemy wulkaniczne, odradzają się co pewien czas i dlatego są niebezpieczne” – napisali parę miesięcy temu naukowcy w publikacji podsumowującej wyniki ekspedycji.

Tymczasem „JOIDES Resolution” zdążył spenetrować dno oceaniczne w pobliżu Grenlandii i Islandii, a następnie powrócił na Morze Śródziemne, tym razem do jego zachodniej części, aby zrekonstruować przebieg jednej z najbardziej niezwykłych katastrof geologicznych w najnowszych dziejach globu, czyli zniknięcia Morza Śródziemnego. Stało się to przed ok. 6 mln lat, gdy wielki akwen został odcięty od Atlantyku i wysechł. Pozostała po nim głęboka na 3 km dziura, na dnie której połyskiwały zbiorniki solanki. Tak było przez ponad pół miliona lat, aż nagle morze zostało wskrzeszone dzięki powstaniu Cieśniny Gibraltarskiej. Ocean wlał się przez nią z hukiem i zaczął wypełniać depresję. To była powódź, jakiej na planecie dawno nie widziano. Dlaczego Morze Śródziemne najpierw znikło, a potem wróciło? Oto pytania, które zadawali sobie uczestnicy ekspedycji. Analizy rdzeni pozyskanych wiosną 2024 r. jeszcze trwają.

To „JOIDES Resolution” tropił wędrówki kontynentów, przesuwanie się płyt litosfery, podnoszenie się i opadanie lustra wód oceanicznych, wyłanianie się i znikanie wysp oraz wybrzeży, dawne zmiany klimatyczne w różnych częściach globu, wahania zasięgu lodu morskiego w Arktyce i wokół Antarktydy czy też zmiany siły i kierunku prądów morskich. W Zatoce Meksykańskiej pomagał w rozwikłaniu zagadki zagłady dinozaurów – pobierał próbki skał z krawędzi kopalnego krateru, który powstał po uderzeniu meteorytu odpowiedzialnego, jak się wydaje, za ten kataklizm. Po tragicznym tsunami na Oceanie Indyjskim w 2004 r. wiertło „JOIDES Resolution” wgryzło się w dno w pobliżu epicentrum trzęsienia ziemi, które uruchomiło żywioł. Podobne badania przeprowadzono w pobliżu Japonii po zabójczym tsunami z 2011 r.

Czasami spod dna wydobywano tyle materiału do badań, że analizy trwały wiele lat. Dopiero kilka miesięcy temu w „Nature” ukazały się wyniki ekspedycji z maja 2019 r., której celem był Punkt Nemo, czyli miejsce na oceanie położone najdalej od jakiegokolwiek kawałka lądu. Znajduje się on na południowym Pacyfiku, mniej więcej w połowie dystansu między Nową Zelandią a Ameryką Południową. Ocean jest tu zwykle bardzo wzburzony, kilkunastometrowe fale nie są niczym nadzwyczajnym. Odpowiada za to potężny Antarktyczny Prąd Okołobiegunowy, który nigdy się nie zatrzymuje, okrążając Antarktydę z zachodu na wschód i izolując ją od pozostałych kontynentów. „JOIDES Resolution” wydobył spod dna, tu znajdującego się na głębokości aż 4 km, osady morskie pełne mikroskamieniałości, które gromadziły się przez miliony lat. Badania wykazały, że Antarktyczny Prąd Okołobiegunowy jest bardzo czuły na klimat ziemski. Gdy ten drugi się ocieplał, ten pierwszy przyspieszał. Rdzenie pokazały, że tak dzieje się teraz, tyle że znacznie szybciej niż w przeszłości. „Błyskawicznie wracamy do czasów sprzed 2,5–3 mln lat, gdy poziom oceanów był wyższy o kilkanaście metrów, a Grenlandia i Antarktyda Zachodnia nie były zlodzone” – napisali autorzy badań.

Zajrzeć pod płaszcz Ziemi

Wiosna 1961 r. obfitowała w ważne zdarzenia. 12 kwietnia w przestrzeń kosmiczną poleciał Jurij Gagarin, a sześć tygodni później prezydent John F. Kennedy ogłosił początek programu Apollo. W tym samym czasie w pobliżu leżącej na wschodnim Pacyfiku meksykańskiej wyspy Guadalupe rodziła się geologia podmorska. Grupa badaczy tworzących nieformalne stowarzyszenie American Miscellaneous Society, mniej formalnie określane „trunkowym klubem”, postanowiła przebić się do płaszcza Ziemi.

Powodów było wiele, ale wspólny mianownik jeden – chęć wyjaśnienia olbrzymiej aktywności geologicznej globu. To jej zawdzięczamy m.in. powstanie kontynentów, a więc i nas samych. Projekt nazwano MoHole, czyli „dziurą do Moho”. Dlaczego? Z czterech głównych warstw naszego globu – skorupy, płaszcza, jądra zewnętrznego i jądra wewnętrznego – najcieńsza jest ta pierwsza. Jej grubość pod lądami wynosi 30–60 km, a pod oceanami – kilka razy mniej. W niektórych miejscach ledwo przekracza 6 km. Na początku XX w. chorwacki sejsmolog Andrija Mohorovičić odkrył granicę między skorupą a płaszczem. Od jego nazwiska nazwano ją Moho. Kolejne pokolenia badaczy marzą o zajrzeniu pod Moho i wyciągnięciu stamtąd choćby skrawka płaszcza ziemskiego.

Liderem MoHole był geofizyk Harry Hess. To on jako pierwszy doszedł do wniosku, że powierzchnia Ziemi jest podzielona na kilkanaście olbrzymich mobilnych płyt zbudowanych z lekkich, sztywnych skał. Dowodził, że te płyty są zmuszane do wędrówki przez energię cieplną generowaną wewnątrz planety i przenoszoną ku jej powierzchni za pomocą prądów konwekcyjnych. Tłumaczył, że podgrzewane od spodu płyty w jednych miejscach globu odsuwają się od siebie, w innych – zbliżają i zderzają, co prowadzi do trzęsień ziemi i wulkanizmu. W dłuższym czasie skutkiem ich wędrówki jest zmiana położenia kontynentów oraz powstawanie gór.

Jego teoria tektoniki płyt litosfery jest dziś powszechnie akceptowana, ale w latach 60. XX w. tak nie było. Żądano dowodów. Hess zaproponował więc wykonanie odwiertu i wyciągnięcie skał, które przekonałyby niedowiarków. Choć krytycy uznali pomysł za szalony, amerykańska Narodowa Fundacja Nauki dała naukowcowi pieniądze, za które w 1961 r. podjęto pionierską próbę „zdobycia” płaszcza. Wiertło pokonało 3800 m wody, a następnie wgryzło się w dno na głębokość 170 m. Dalej wiercić się nie dało. Skały były za twarde, a wiertło za słabe. Na dodatek koszty okazały się bardzo wysokie. Projekt MoHole zamknięto. Mimo to niezrażony Hess komentował: „To dopiero początek. Potrzebna jest pierwsza dziura, aby można było zrobić kolejne”.

Rzeczywiście, kilka lat później na morze wypłynął „Glomar Challenger”, pierwszy w historii statek przeznaczony do badań dna morskiego. Wraz z nim ruszył program Deep Sea Drilling Project realizowany wspólnie przez wiele amerykańskich uczelni i instytutów naukowych, a koordynowany przez „radę mędrców” zwaną JOIDES (od ang. Joint Oceanographic Institutions for Deep Earth Sampling) składającą się z 250 uczonych. Wiercenia podmorskie szybko wydały wspaniałe owoce. Wkrótce Drummond Matthews i Frederick Vine dowiedli, że młoda lawa podmorska wydostająca się w zapadliskach tektonicznych na dnie oceanów zwanych ryftami rozpycha na boki lawę, która wylała się wcześ­niej. Nazwano to rozszerzaniem się dna morskiego. Odkryto też, że stare dno oceaniczne nurkuje do wnętrza planety w wyniku procesu zwanego subdukcją, zachodzącego w rowach oceanicznych oraz w skorupie ziemskiej pod nimi. Nieprzerwana produkcja nowej lawy i usuwanie starej powodują, że ziemskie oceany są bardzo młode – ich dna liczą nie więcej niż 200 mln lat. Okazało się, że żyjemy na globie, którego oblicze jest nieustannie odmładzane przez siły wewnętrzne, a ponieważ subdukcji towarzyszą silne trzęsienia ziemi, często katastrofalne, jej dokładne zbadanie stało się jednym z głównych praktycznych celów wierceń.

Wraz z oczekiwaniami naukowców rosły wymagania sprzętowe. Zamówiono więc nowy statek i tak w styczniu 1985 r. w pierwszy rejs wypłynął „JOIDES Resolution”, nazwany tak na cześć „HMS Resolution” Jamesa Cooka. Nowa jednostka – wyposażona w wieżę wiertniczą o wysokości 62 m (licząc od lustra wody) oraz kilka laboratoriów – zrewolucjonizowała badania dna oceanicznego. Statek mógł wykonywać odwierty, unosząc się na wodzie o głębokości do 6 km, co oznaczało, że w jego zasięgu znalazło się 90 proc. dna oceanicznego. W skały potrafił się wwiercić na głębokość 2 km. Statki szukające ropy drążą znacznie głębsze dziury, ale ryją otwory w miękkich osadach. To nie to samo, co przebijanie się przez piekielnie twarde skały właściwej skorupy ziemskiej.

USA złomują, Chiny wodują

W tym samym roku, w którym „JOIDES Resolution” wyruszył na oceany, uruchomiono Ocean Drilling Program, zastąpiony w 2004 r. przez Integrated Ocean Drilling Program, a w 2014 r. przez International Ocean Discovery Program. Kolejne kraje zgłaszały akces i deklarowały wsparcie finansowe, a w zamian ich naukowcy mogli brać udział w ekspedycjach i analizach rdzeni. Tak w 2004 r. uczyniły Chiny, w 2006 r. – Korea Południowa, a w 2008 r. – Indie. Flagowym statkiem pozostawał przez te wszystkie lata „JOIDES Resolution”. Co prawda dwie dekady temu przybył mu towarzysz w postaci japońskiego statku badawczego „Chikyū” wyposażonego w wiertło mogące wwiercić się w dno na głębokość nawet 7 km, ale rzadko wypływał poza Pacyfik. Sporadycznie wykorzystywano go w międzynarodowych projektach.

I oto nagle wiosną 2023 r. Amerykanie poinformowali, że zamierzają zaprzestać finansowania „JOIDES Resolution” ze względu na rosnące koszty utrzymania. Zapowiedzieli, że ostatnia wyprawa odbędzie się latem 2024 r, a następnie rozpocznie się demontaż statku. To był szok dla naukowców. Szukano chętnych do wyłożenia dodatkowych 20–30 mln dol. rocznie, dzięki którym jednostka mogłaby nadal pływać, ale żaden kraj nie kwapił się ze wsparciem. To oznaczało, że od początku 2025 r. po raz pierwszy od wielu dekad nie będzie jednego wspólnego programu badań dna oceanów. „To fatalna wiadomość i ogromny błąd. Oceany zajmują dwie trzecie globu, a ich dna to skarbnica wiedzy nie tylko o wnętrzu planety, ale też o jej środowisku naturalnym, w tym o klimacie ostatnich epok. Pomagają także w ustaleniu granic życia. To nie są sprawy, które można z dnia na dzień odłożyć na półkę” – ubolewała Suzanne O’Connell, znana paleoklimatolożka. Miała nadzieję na rychłą zmianę decyzji.

Nic takiego nie nastąpiło, chociaż badacze wciąż nie składają broni, podpisując kolejne petycje do amerykańskiego Kongresu. Pojawiły się mgliste zapowiedzi zbudowania kolejnego statku za kilkanaście lat, co dodatkowo zirytowało naukowców uważających, że do tego czasu cała wiedza ekspercka związana z obsługą tak specjalistycznej jednostki wyparuje. Albo też zostanie kupiona. „The Guardian” bowiem napisał, że zainteresowanie zatrudnieniem niektórych doświadczonych członków załogi „JOIDES Resolution” już wyraziły Chiny.

Pod koniec 2024 r. zaprezentowały światu własny statek badawczy „Meng Xiang” („Marzenie”), który właśnie przygotowuje się do pierwszej misji. Jej cel to wydrążenie w skorupie pod­oceanicznej otworu o rekordowej głębokości 7 km. Podobno nie jest to kres możliwości tej ultranowoczesnej jednostki wybudowanej kosztem 470 mln dol., która w rejsy trwające cztery miesiące będzie zabierać nawet setkę badaczy. Jej wiertło, jak twierdzą Chińczycy, może zostać opuszczone aż 11 km poniżej lustra wody. Jeśli to prawda, łatwo znajdzie drogę do płaszcza w wielu miejscach, np. wszędzie tam, gdzie woda ma głębokość 3–4 km, a grubość skorupy ziemskiej nie przekracza 6–7 km.

Smutno oddawać pole

Badacze, którzy znajdą się na pokładzie tego statku o długości prawie 200 m, będą mogli korzystać z doskonale wyposażonych dziewięciu laboratoriów o łącznej powierzchni ok. 3 tys. m kw. „Zaproszono nas do Chin pod koniec listopada 2024 r. i pokazano nam to cudo. Byłem zielony z zazdrości” – mówił tygodnikowi „Science” amerykański geolog Henry Dick, który od trzech dekad próbuje się przewiercić przez podwodny grzbiet Atlantis Bank na Oceanie Indyjskim, znajdujący się zaledwie 700 m poniżej lustra wody, skąd do płaszcza jest tylko 2,5–3 km. Niby niewiele, ale dotychczas Dick pokonał tylko 789 m skał.

Chińczycy zadeklarowali, że są otwarci na współpracę międzynarodową. Zapowiedzieli 30 ekspedycji w latach 2025–2035. Mówili, że chętnie rozważą zagraniczne propozycje i obiecywali, że wydobyte rdzenie i wyniki badań będą udostępniane badaczom z całego świata. „Czas pokaże, jak to w praktyce będzie wyglądało, ale jako naukowiec cieszę się, że powstał taki statek, bo dzięki niemu ludzkość może dokonać wielu wspaniałych odkryć. Jednak dla USA jest to bardzo smutny moment, bo właśnie oddajemy innym pole, i to w dziedzinie, w której byliśmy pionierami i która była naszą domeną przez ponad pół wieku” – mówił Dick.