Vorstoß zum Erdmittelpunkt: Ist dafür eine zehntausend Meter tiefe Erdkruste nötig?

Produziert von: Science Popularization China

Autor: Li Bo (Shaanxi Institut für biologische Landwirtschaft)

Hersteller: China Science Expo

Im Laufe der Geschichte wurden in China und im Ausland die Götter mit ihren grenzenlosen magischen Kräften in Mythen stets als geheimnisvoll und in der Lage beschrieben, in den Himmel zu fliegen und sich unter der Erde zu verstecken. „In den Himmel gehen“ und „in die Erde gehen“ waren schon immer die Träume der Menschheit, um die Geheimnisse der Natur zu lüften und die Grenzen der Erkenntnis zu erweitern.

Seit der Sowjetunion im Jahr 1957 erfolgreich den ersten künstlichen Satelliten ins All startete, hat die Menschheit unzählige erfolgreiche Erkundungen des Weltraums durchgeführt. Heute ist die Marssonde „Tianwen-1“ meines Landes erfolgreich auf der Marsoberfläche gelandet und auch unsere Raumstation „Tianhe“ reiste durch den Weltraum.

„In den Himmel zu kommen“ scheint für den Menschen keine schwierige Aufgabe mehr zu sein. Wie gut sind Menschen im Vergleich dazu in der Lage, „unter die Erde zu gehen“?

Warum ist es notwendig, „unterzutauchen“?

Die Erde ist die Heimat der Menschen, doch von Zeit zu Zeit bringt sie den Menschen verschiedene geologische Katastrophen wie Erdbeben, Vulkanausbrüche und Erdrutsche. Um ihres eigenen Überlebens willen möchten die Menschen die Erde verstehen. Von Dantes „Göttlicher Komödie“, in der imaginäre Szenen der Hölle dargestellt werden, bis hin zu Jules Vernes „Reise zum Mittelpunkt der Erde“, in dem die unterirdische Welt mit Ozeanen, Pilzwäldern und urzeitlichen Monstern beschrieben wird, offenbaren sie alle die Spekulationen, die Vorstellungskraft und die starke Neugier der Menschen hinsichtlich der tiefen Geheimnisse der Erde.

Tatsächlich stammen alle materiellen Ressourcen, die bislang für die menschliche Entwicklung erforderlich waren, aus der Erde. Bisherige wissenschaftliche Forschungsergebnisse zeigen, dass sich in einer Tiefe von zwei Kilometern unter der Erde Grundwasservorkommen und für den Menschen nutzbarer Raum befinden; In einer Tiefe von etwa 5.000 bis 10.000 Metern liegt der Energie- und Rohstoffraum, in dem es reiche Vorkommen an Öl, Gas, Mineralien und geothermischen Ressourcen gibt. Schätzungen zufolge könnten sich die Mineral-, Öl- und Gasvorkommen meines Landes gegenüber dem aktuellen Niveau verdoppeln, wenn die durchschnittliche Abbautiefe 2.000 Meter unter der Erde erreichen würde. In den letzten Jahren hat mein Land im Tarimbecken kontinuierlich eine Reihe ultratiefer Gasfelder entdeckt, die meisten davon in einer Tiefe zwischen 9.000 und 10.000 Metern.

Abbildung 1 Der Abgrund der Hölle, eine Illustration von Botticelli für Dantes Göttliche Komödie aus dem Jahr 1480, heute in der Vatikanischen Bibliothek in Rom

(Fotoquelle: Zentrale Akademie der Schönen Künste)

Da das Problem der globalen Erwärmung immer ernster wird, rückt auch die Nutzung geothermischer Energie in den Fokus. Der Ersatz dieser tief verborgenen Wärmeenergie durch Stromerzeugung oder ihre direkte Nutzung in Produktion und Leben ist für die zukünftige nachhaltige Entwicklung der Menschheit von großer Bedeutung.

Gleichzeitig liegt 10.000 Meter unter der Oberfläche der Raum, in dem Naturkatastrophen wie Erdbeben und Vulkanausbrüche auftreten. Die Erforschung des Erdinneren wird nicht nur dazu beitragen, den Ressourcen- und Energiebedarf der Menschheit zu decken. Um geologische Katastrophen rechtzeitig vorhersagen und auf die globale Klimakrise wirksam reagieren zu können, müssen auf lange Sicht auch die im Untergrund vergrabenen Gesteine ​​Antworten liefern.

Wie schwierig ist es, „den Boden zu betreten“?

Im Vergleich zum leeren Weltraum weist der 4,6 Milliarden Jahre alte blaue Planet, auf dem wir leben, jedoch eine ganz eigene Struktur und Materialverteilung auf. Wenn wir uns den Aufbau der Erde als dieses gesalzene Entenei vorstellen, entspricht die Erdkruste dieser dünnen Eierschalenschicht mit einer durchschnittlichen Dicke von etwa 33 Kilometern. Der derzeit tiefste Rekord für die menschliche Erforschung der Erde liegt bei 12.262 Metern und wurde Ende des letzten Jahrhunderts von der Sowjetunion auf der Kola-Halbinsel aufgestellt. Verglichen mit dem Erdradius von mehr als 6.000 Kilometern ist diese Entfernung wie ein kleines Loch in der Erdoberfläche.

Abbildung 2 Schematische Darstellung des Erdaufbaus

(Bildquelle: Veer-Fotogalerie)

Tatsächlich haben wir seit der Geburt der menschlichen Zivilisation hart daran gearbeitet, den Untergrund zu erforschen. Bereits um 1500 v. Chr. tauchte das Wort „Brunnen“ in den Orakelknocheninschriften der Shang-Dynastie in meinem Land auf. Dieses Piktogramm zeigt uns anschaulich, dass die Menschen einen zylindrischen Kanal von der Oberfläche nach unten gegraben haben. Der Zweck war einfach: die Gewinnung von Grundwasser.

Abbildung 3 Das Brunnenzeichen in der Orakelknochenschrift der Shang-Dynastie

(Fotoquelle: Museum für chinesische Schriftzeichen)

Manche Leute werden vielleicht überrascht sein. Das sogenannte „In-die-Erde-Graben“ bedeutet einfach, nach unten zu graben. Was ist daran so schwierig? Aber tatsächlich ist das leichter gesagt als getan. Nach mehr als 2.500 Jahren der Entwicklung hatten wir zur Zeit der Nördlichen Song-Dynastie nur eine Bohrtiefe von etwa 130 Metern erreicht, was damals bereits den weltweit höchsten Wert darstellte.

Es gibt drei Hauptgründe, warum das „Eindringen in den Boden“ schwierig ist: Der wichtigste Grund ist zunächst die harte Gesteinsbarriere auf der Erdoberfläche. Um diese harten Steine ​​weiter auszugraben, sind enorme personelle und materielle Ressourcen erforderlich. Der zweite ist die Temperatur. Bei jeder Verringerung der Bohrtiefe um 100 Meter steigt die Temperatur um 1–3 Grad Celsius und auch der Druck nimmt zu, was zu schweren Schäden an der Aushubausrüstung führt. Schließlich gibt es Druck. Im Vergleich zum „Flug ins All“, bei dem lediglich die Einflüsse der Schwerkraft und des Luftwiderstands überwunden werden müssen, ist die Situation beim „Eintreten in die Erde“ wesentlich komplizierter. Die Gesteinsschichten tief in der Erdkruste sind unterschiedlichen Belastungen aus allen Richtungen ausgesetzt. Daher wird beim Bohren in großer Tiefe zur Extraktion des Kerns das entstehende Bohrloch durch den Umgebungsdruck beeinflusst und kann leicht einstürzen und sich verformen, wodurch alle bisherigen Bemühungen umsonst sind. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass der Schwierigkeitsgrad des Bohrens exponentiell zunimmt, je weiter die Tiefe unter der Erde wächst.

Nehmen wir als Beispiel die Bohrung auf der Kola-Halbinsel, die wir zuvor erwähnt haben: Die Bohrung wurde 1970 begonnen und erreichte im Jahr 1983 eine Tiefe von 12.000 Metern. Es dauerte jedoch volle zehn Jahre, um von 12.000 Metern auf 12.262 Meter zu gelangen, also nur 262 Meter. Die Summen, die in der Menschheitsgeschichte für die Errungenschaft dieser Leistung aufgewendet wurden, sind unermesslich. Aufgrund technischer und finanzieller Probleme musste die Bohrung des Kola-Tiefbrunnens 1992 schließlich eingestellt werden.

Im Laufe der Geschichte haben die Menschen fast 4.000 Jahre damit verbracht, das Erdinnere bis zu einer Entfernung von weniger als 2‰ des Erdradius zu erforschen.

Abbildung 4: Gedenken an den Durchbruch des Kola-Tiefbohrlochs in einer Tiefe von 10.000 m im Jahr 1980

(Bildnachweis: pechenga)

Ein „Endoskop“, das ins Erdinnere reicht

Aufgrund der oben genannten Schwierigkeiten war die direkte Beobachtung des Erdinneren sehr eingeschränkt. Bisher wird der Großteil unseres Wissens über das Erdinnere durch indirekte Methoden wie die Geophysik gewonnen. Wenn wir die Geheimnisse der Erde möglichst direkt erforschen wollen, müssen wir daher tief ins Erdinnere vordringen, um Proben und verschiedene Informationen zu gewinnen. Wissenschaftliche Bohrungen sind die direkteste, effektivste und zuverlässigste Methode, um Materialien aus den Tiefen der Erde zu gewinnen und Informationen über das Erdinnere zu erhalten.

Durch wissenschaftliche Bohrungen von Tausenden oder sogar Zehntausenden Metern Tiefe können Wissenschaftler die Materialzusammensetzung und den Strukturaufbau der Erdkruste aufdecken, das tiefe Flüssigkeitssystem und die geothermische Struktur der Erde erforschen, Hinweise auf den Ursprung des Lebens entdecken usw. und so eine Reihe wichtiger grundlegender wissenschaftlicher Probleme lösen. Daher wird die wissenschaftliche Bohrung von Wissenschaftlern auch bildlich gesprochen als „endoskopische Untersuchung“ der Erde bezeichnet.

Wissenschaftliche Bohrungen werden hauptsächlich in Meeresbohrungen und Kontinentalbohrungen unterteilt. Die ersten wissenschaftlichen Bohraktivitäten der Welt begannen im Meer. In den späten 1950er Jahren starteten die Vereinigten Staaten ihr erstes wissenschaftliches Bohrprogramm, das Moho Drilling Program, mit dem Ziel, durch das Moho (die Schnittstelle zwischen Erdkruste und Erdmantel) zu bohren. Die Bohrungen für das Projekt begannen im März 1961, wurden jedoch im August 1966 aufgrund technischer Schwierigkeiten und hoher Kosten abgebrochen.

Anschließend starteten die Vereinigten Staaten das Deep Sea Drilling Program (1966–1983) und das Ocean Drilling Program (1985–2002). Diese beiden großen internationalen wissenschaftlichen Projekte unterstützen die Überprüfung der Kontinentaldrift und der Plattentektonik.

Die wissenschaftlichen Bohrungen auf dem Kontinent begannen in den 1970er Jahren, beginnend mit der bereits erwähnten Kola-Quelle in der Sowjetunion, die noch immer die tiefste Quelle der Welt ist. In der Folgezeit starteten auch Deutschland, Frankreich, die USA, Schweden, Kanada, Japan und andere Länder kontinentale wissenschaftliche Bohrprojekte.

Im Jahr 1996 wurde das von China, Deutschland und den USA gemeinsam initiierte Internationale Kontinentale Wissenschaftliche Bohrprogramm offiziell gestartet. In den vergangenen 27 Jahren haben fast 10.000 chinesische Experten, Wissenschaftler und technische Mitarbeiter mit starker Unterstützung der Partei und des Staates nacheinander eine Reihe großer wissenschaftlicher Projekte durchgeführt, darunter wissenschaftliche Bohrungen auf dem chinesischen Festland, wissenschaftliche Bohrungen in der Erdbebenzone von Wenchuan, wissenschaftliche Bohrungen in der Umwelt des chinesischen Festlandes und wissenschaftliche Bohrungen im Weihe-Becken, und dabei beispiellose Ergebnisse für die wissenschaftlichen Bohrungen meines Landes erzielt.

Im August 2005 besuchten sieben Akademiker die Bohrstelle am Qinghai-See (von links nach rechts): Xu Houze, Teng Jiwen, Ding Guoyu, An Zhisheng, Chen Junyong, Zhong Dalai, Liu Jiaqi

(Bildquelle: Institut für Erdumwelt, Chinesische Akademie der Wissenschaften)

Die repräsentativste Errungenschaft ist der Songke-Brunnen Nr. 2, der unter der Leitung des Akademikers Wang Chengshan fertiggestellt wurde. Der Brunnen ist 7.018 Meter tief und damit der tiefste Brunnen, der seit der Gründung des „International Continental Scientific Drilling Program“ gebohrt wurde, und der weltweit erste wissenschaftliche Brunnen, der die Kreideschichten durchdrungen hat. Diese Bohrprojekte haben nicht nur zahlreiche wissenschaftliche Durchbrüche erzielt, sondern auch die Innovation und Entwicklung von Bohrgeräten und -technologien in meinem Land erheblich gefördert.

Abbildung 5: Akademiker Wang Chengshan zeigt den Kern, der aus 7018 Metern Tiefe in der Erde entnommen wurde

(Bildquelle: Institut für Wissenschaft und Technologie der Tsinghua-Universität (Peking))

Am 29. Mai 2023 wurde die Raumsonde Shenzhou 16 erfolgreich ins All gestartet. Gleich am nächsten Tag begannen die Bohrungen am Bohrloch Deep Earth Tako 1 der China National Petroleum Corporation in der Taklamakan-Wüste, was den Beginn der Ära der „10.000 Meter tiefen Bohrlöcher“ in meinem Land markierte. China ist im Begriff, das dritte Land der Welt zu werden, das an Land Bohrungen bis zu einer Tiefe von 10.000 Metern durchführt.

Abbildung 6: 10.000 Meter tiefer Brunnen – Bohrung des Brunnens Shendi Tako 1 begonnen. Foto von Yao Dong

(Fotoquelle: China Petroleum News)

Vorstoß zum Mittelpunkt der Erde!

Von Chang'e-Flügen ins All bis hin zu Tauchgängen 10.000 Meter in die Erde – im neuen Zeitalter beschreiten die Chinesen mit beispielloser Geschwindigkeit und Mut den Weg der wissenschaftlichen Erforschung und innovativen Entwicklung. Nach mehreren Generationen harter Arbeit von Geowissenschaftlern haben wir die Wissenschaft als unsere Waffe eingesetzt und unabhängig voneinander Geräte entwickelt, um durch die harten Gesteine ​​zu bohren, die sich über Milliarden von Jahren abgelagert haben. Heute können sich die Chinesen endlich wirklich mit den 4,6 Milliarden Jahren Erdgeschichte auseinandersetzen.

Vielleicht ist der Mittelpunkt der Erde ein Ort, nach dem wir uns sehnen, den wir jedoch nie erreichen können. Es erinnert uns jedoch ständig daran, dass die Reise der Menschheit nicht nur zu den Sternen und zum Meer führt, sondern auch in die Tiefen der Erde. Es ist noch ein langer Weg, das Unbekannte zu erkunden. Lasst uns an unseren Träumen festhalten und mutig zum Mittelpunkt der Erde vordringen!

Quellen:

【1】Zou Changchun et al. Einige Gedanken und Vorschläge zur Entwicklung wissenschaftlicher Tiefbohrungen auf dem chinesischen Festland. Moderne Geologie, 2023, 37(01): 1-14

【2】Xue Qianbing et al. Entwicklung und Trendanalyse der kontinentalen wissenschaftlichen Bohrtechnik, Drilling Engineering, 2021, 48(12): 1-6

【3】Wang Zhigang et al. Aktueller Stand und Aussichten der Bohrung und Fertigstellung von 10.000 Meter tiefen wissenschaftlichen Ultratiefbrunnen, 2022, 40(13): 27-35

【4】Xu Jingjing et al. Merkmale und Entwicklungstrends wissenschaftlicher Meeresbohrungen: eine vergleichende Analyse basierend auf dem wissenschaftlichen Rahmen des International Ocean Discovery Program, Ocean Development and Management, 2023, 40(03): 30-38

【5】Zhao Tianyu. Vorstoß zum Mittelpunkt der Erde: Die Geheimnisse wissenschaftlicher Bohrungen enthüllen, Beijing Science and Technology News, 19.04.2021