Das tiefe Innere der Erde erforschen und den Untergrund Chinas verstehen

„Zum Himmel aufsteigen, in die Erde und ins Meer vordringen“ sind die drei großen Leistungen der menschlichen Erforschung der Natur. Dabei ist die Schwierigkeit, „auf die Erde zu gelangen“, nicht geringer als die, „in den Himmel aufzusteigen“. Die Erforschung tiefer Erdschichten ist zu einer der letzten Grenzen in der Entwicklung der Geowissenschaften geworden.

Vor dem 20. Jahrhundert gab es in Geologie-Lehrbüchern eine Theorie der kalten Kontraktion. Darin heißt es, dass die Erde, auf der wir leben, wie ein verschrumpelter Apfel ist. Durch die Verdunstung des Wassers aus seinem Inneren sind Falten auf der Oberfläche entstanden. Beim Abkühlen zog sich die Erde zusammen, und auf ihrer Oberfläche bildeten sich faltige Berge. Wie der Heliozentrismus ist diese Theorie anschaulich, intuitiv und „leicht verständlich“ und hat daher einen großen Einfluss.

Doch im frühen 20. Jahrhundert begannen solide Theorien über Land und Meer, wie etwa die Theorie der kalten Kontraktion und die Theorie des ewigen Ozeans, mit der Anhäufung vielfältiger geologischer Daten und dem Fortschritt der Forschungsergebnisse an Glaubwürdigkeit zu verlieren. Geophysiker wie Pratt und Dutton schlossen aus den Ergebnissen der Schwerkraftmessungen, dass die Materialzusammensetzung von Land und Meer unterschiedlich sei: Von den dicksten orogenen Gürteln bis zu den dünnsten ozeanischen Regionen kann die Dicke der Kruste um mehr als 70 Kilometer variieren. Sie glaubten, dass es eine Schnittstelle geben müsse, die dafür sorgt, dass der Druck des Gesteins auf den Erdmantel überall gleich groß ist, und begründeten auf dieser Grundlage die Theorie der Krustenisostasie.

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Wie andere Wissenschaften auch, macht die Geologie angesichts neuer Erkenntnisse Schritt für Schritt Fortschritte und kommt der ursprünglichen Wahrheit näher. Auf Grundlage der Arbeiten von Pratt und anderen stellte der deutsche Meteorologe Wegener im Jahr 1912 die Theorie der Kontinentaldrift auf: Er stellte fest, dass die Ostküstenlinie des heutigen südamerikanischen Kontinents und die Westküstenlinie des afrikanischen Kontinents gut zusammenpassen würden, wenn man sie zusammenlegte. Wenn wir davon ausgehen, dass es ursprünglich einen riesigen „Superkontinent“ gab und dieser „Superkontinent“ später wie Papier zerrissen und mitten im Ozean verstreut wurde, kann die Übereinstimmung der Küstenlinien des östlichen und des westlichen Kontinents perfekt erklären, dass sie einst zusammen gehörten. Wegener zitierte umfangreiche Beweise aus vielen verschiedenen Bereichen, darunter Geologie, Paläontologie und Paläoklimatologie. In „The Origin of Land and Sea“ erwähnt er eine Regenwurmart, die von Japan bis Spanien weit verbreitet ist, aber nur im Osten der Vereinigten Staaten westlich des Atlantischen Ozeans vorkommt. Da es für Regenwürmer unmöglich ist, den Ozean zu überqueren, könnten die beiden Regionen einst miteinander verbunden gewesen sein und zum selben Land gehört haben.

Trotzdem stießen Wegeners Ansichten als Meteorologe immer noch auf Widerstand bei den Geologen. Darüber hinaus weist die Theorie der Kontinentaldrift Mängel bei der Erklärung des Mechanismus der Kontinentaldrift auf: Es ist für die Menschen schwer vorstellbar, wie der starre Granit, aus dem die kontinentale Kruste besteht, auf dem starren Basalt, aus dem die ozeanische Kruste besteht, driften kann.

Bohrungen beweisen, dass die Drifttheorie siegreich ist

Erst in den 1960er Jahren entwickelte sich die geologische Theorie der „Plattentektonik“ rasant weiter, was der Theorie der Kontinentaldrift neues Leben einhauchte. Diese neue Theorie erweiterte den ursprünglichen Driftteil auf eine etwa 100 Kilometer dicke Schicht aus Grundgestein, einschließlich der Kruste und des oberen Erdmantels. Die Lithosphäre schwimmt aufgrund ihrer geringeren Dichte auf der Mantelasthenosphäre und kann driften; Aufgrund ungleichmäßiger Temperaturen kommt es in der Asthenosphäre zu Dichteunterschieden. Um die Lücke zu füllen, beginnt die Asthenosphäre langsam zu fließen. Auf der Erdoberfläche sind mehr als ein Dutzend Platten unterschiedlicher Größe verteilt, die sich alle langsam unter dem Druck der Asthenosphäre des Erdmantels bewegen, und die Kontinente sind wie „Eisberge“, die aus dem Wasser ragen und mit den Platten treiben. Fast zeitgleich begann sich eine Theorie mit der Bezeichnung „Ocean Floor Spreading Theory“ durchzusetzen. Diese Theorie besagt, dass die Mittelozeanischen Rücken der Ozeane neuen Meeresboden bilden und sich ständig nach beiden Seiten ausdehnen. Diese beiden haben maßgeblich zur Entwicklung der „Kontinentaldrifttheorie“ beigetragen.

Nach der Mitte des 20. Jahrhunderts verliehen immer mehr Beweise der „Drifttheorie“ neues Leben. Doch die Authentizität hängt immer noch vom Prinzip „Sehen ist Glauben“ ab. Daher begannen die Wissenschaftler, nach intuitiveren Beweisen zu suchen. Im Juni 1966 begannen die Vereinigten Staaten mit der Umsetzung eines langfristigen Bohrprogramms, das darauf abzielte, die Geheimnisse der oberen Kruste des Meeresbodens zu lüften – das Deep Sea Drilling Program (DSDP). Im Rahmen dieses Programms wurden mit dem wissenschaftlichen Bohrschiff Glomar Challenger 1.092 flache Bohrlöcher in den Weltmeeren gebohrt. Im Rahmen des Programms wurden schließlich Bohrungen in allen Weltmeeren durchgeführt und Kerne mit einer Gesamtlänge von über 9.500 Metern gewonnen.

Im Jahr 1968 führte das DSDP 39 Bohrlöcher durch, um Kerne auf einer Gesamtlänge von 64.000 Kilometern des Mittelatlantischen Rückens zu bohren. Untersuchungen an Bohrproben haben gezeigt, dass das Alter der ozeanischen Kruste umgekehrt proportional zur Entfernung vom Mittelozeanischen Rücken ist. Das Alter der Ozeanbodenkruste nimmt regelmäßig zu, wenn man sich von der Achse des Mittelozeanischen Rückens entfernt. Aus dem vertikalen Abstand der Bohrung von der Achse des Mittelozeanischen Rückens und dem Alter des Meeresbodens an dieser Stelle lässt sich die Ausdehnungsrate dieser Stelle berechnen: Seit 80 Millionen Jahren dehnt sich der Meeresboden im Bohrloch gleichmäßig mit einer Rate von zwei Zentimetern pro Jahr aus.

Die ältesten durch Tiefseebohrungen in den Weltmeeren gewonnenen Sedimente sind höchstens 170 Millionen Jahre alt. Verglichen mit dem Alter der ältesten bekannten kontinentalen Gesteine ​​von 3,8 Milliarden Jahren ist die Kruste des Ozeanbodens recht jung. Dies deutet darauf hin, dass der Ozeanboden tatsächlich ständig wächst und sich erneuert. Durch die Analyse der entnommenen Gesteinskerne stellten die Wissenschaftler außerdem fest, dass die Dicke der Meeresbodensedimente entlang der Achse des Rückens ebenfalls eine regelmäßige Verteilung aufweist: Auf der Oberseite des jungen Rückens ist die Sedimentschicht dünner; Auf beiden Seiten hingegen wird die Sedimentschicht mit zunehmendem Alter des Meeresbodens allmählich dicker.

DSDP überprüft unter anderem die relative horizontale Bewegung zwischen ozeanischen und kontinentalen Platten. DSDP-Probenmessungen im Indischen Ozean zeigen, dass die Indische Platte während der Oberkreide und am Ende des Eozäns (vor 36,5 bis 65 Millionen Jahren) mit einer Geschwindigkeit von 10 cm pro Jahr nach Norden driftete. Nach der Kollision der Indischen Platte mit der Eurasischen Platte verlangsamte sich die Geschwindigkeit der Nordwärtsbewegung der Indischen Platte auf 5 cm pro Jahr. In fast 65 Millionen Jahren hat er sich 4.500 Kilometer nach Norden bewegt. Als die Platten kollidierten, schob sich die Indische Platte unter die Eurasische Platte und wurde stark nach Norden gedrückt. Durch die gewaltige Kraft hob sich die Vorderkante der Eurasischen Platte zu einem Gebirge, und vor 25 Millionen Jahren begann sich der Himalaya zu bilden. Durch Tiefseebohrungen konnten nicht nur die Theorien zur Ausbreitung des Meeresbodens und zur Plattentektonik bestätigt werden, sondern auch ein umfassendes Bild des dynamischen Gleichgewichts der Materie auf globaler Ebene gewonnen werden. Diese Schlussfolgerung reicht als Trost für Wegener aus, den „Vater der Kontinentaldrifttheorie“, der 1930 während einer wissenschaftlichen Expedition in Grönland ums Leben kam.

Welche wissenschaftliche Bedeutung hat das Bohren?

Das weltweit erste wissenschaftliche Bohrprogramm war das „Moho Drilling Program“ der USA, das in den 1950er Jahren mit dem Ziel begann, durch die Moho-Oberfläche (die Schnittstelle zwischen Erdkruste und Erdmantel) zu bohren und so einen großen Durchbruch in der geologischen Forschung zu erzielen. Aufgrund technischer und finanzieller Probleme wurde das Projekt jedoch kurz nach Projektbeginn abrupt abgebrochen, nachdem lediglich 315 Meter tief in den Meeresboden gebohrt worden waren. Im Juni 1966 begannen die Vereinigten Staaten mit der Umsetzung des berühmten DSDP. Dieser Plan rächte seinen vorherigen Misserfolg und führte zu einer Welle wichtiger Durchbrüche in der Geowissenschaft nach der anderen.

Im Vergleich zu den Bohrungen im Meer begannen die wissenschaftlichen Bohrungen auf dem Kontinent etwas später. In den 1970er Jahren begannen die ehemalige Sowjetunion und andere Länder mit wissenschaftlichen Bohrungen auf dem Kontinent. Darunter ist das Kola Superdeep Borehole auf der Kola-Halbinsel 12.262 Meter tief. Bis heute ist dies die tiefste Bohrung der Welt und das erste Tiefenlabor (Observatorium) der Welt.

Daten aus dem Kola-Superbohrgerät haben Zweifel an bislang allgemein akzeptierten Theorien wie der Krustengleichgewichtstheorie aufkommen lassen. Seismische Daten von der Kola-Halbinsel deuten darauf hin, dass sich die Conrad-Diskontinuität in diesem Gebiet 7 Kilometer unter der Oberfläche befinden dürfte, wo man auf die Basaltschicht stoßen dürfte. Die tatsächlichen Ergebnisse waren jedoch unerwartet. Das Bohrloch durchquerte immer wieder eine einzelne metamorphe Granit-Gneis- und Amphibolitschicht, und die Conrad-Fläche war nirgends zu finden. Neben einer Reihe geologischer Explorationsergebnisse brachte der Kola Super Drill auch zahlreiche beachtliche Ressourcen. Als die Bohrtiefe beispielsweise 9.500 Meter überschritt, betrug der Goldgehalt des gewonnenen Erdkerns bis zu 80 Gramm pro Tonne, während es zu dieser Zeit selten war, Mineralschichten mit mehr als 10 Gramm pro Tonne auf der Erdoberfläche zu finden.

Wissenschaftliche Bohrungen können uns einerseits dabei helfen, die geologische Struktur zu verstehen, andererseits können sie uns dabei helfen, über ein größeres Gebiet nach Ressourcen zu suchen. Dies ist der direkteste und effektivste Weg, Informationen über das Erdinnere zu erhalten. In unserem Land begannen die wissenschaftlichen Bohrungen auf dem Kontinent in den 1990er Jahren. Im Jahr 1996 trat mein Land der Internationalen Kommission für kontinentale wissenschaftliche Bohrungen (ICDP) bei und führte zu verschiedenen Zwecken wissenschaftliche Bohrungen im Songliao-Becken, im Ostchinesischen Meer von Jiangsu, im Lijiang-Gebiet von Yunnan und im Qinghai-See durch.

Es ist schwer, in den Boden zu gelangen

Ziel tiefer wissenschaftlicher Bohrungen ist es, die geologischen Bedingungen im Untergrund zu erforschen. Dies unterscheidet sich von der Öl- und Gasförderung, bei der das Ziel durch das Auffinden von Öl- und Gasschichten erreicht wird. Die Bohrlöcher werden im Allgemeinen in kristallinen Gesteinsbereichen ausgewählt, in denen die Kruste möglichst freiliegt und vollständige Kernproben benötigt werden.

Es ist ziemlich schwierig, aus mehreren tausend Metern Tiefe intakte Gesteine ​​zu bergen. Da kristallines Gestein relativ hart ist, steigt die Temperatur des Bohrers pro 100 Meter, die er in den Untergrund eindringt, um etwa 1 °C. Der Bohrer muss bei hohen Temperaturen (150–400 °C) und hohem Druck (100–150 MPa) funktionieren. Der Bohrer besteht normalerweise aus Diamant und der Bohrer und die Ortungsgeräte, die bis zum Boden des Lochs reichen, müssen gegen hohe Temperaturen und hohen Druck beständig sein. An der Oberfläche sind die Bohrwerkzeuge, die wir sehen, hart, aber mehrere tausend Meter unter der Erde werden sie zu Nudeln. Um diese „Nudel“ unter Kontrolle zu halten, müssen die Arbeiter bei jeder Bohrung die Tiefe und Neigung des Bohrlochs messen. Nach jeder Bohrung von drei bis vier Metern muss die Bohrstange angehoben werden, um den Kern zu entnehmen. Vor dem erneuten Bohren muss gemessen werden, ob das Bohrloch abweicht. Wenn eine Abweichung vorliegt, muss ein Weg gefunden werden, diese zu korrigieren. Im Jahr 2018 bohrte die in meinem Land unabhängig entwickelte 10.000-Meter-Bohranlage „Crust No. 1“ eine Tiefe von 7.018 Metern und markierte damit einen neuen Durchbruch in der unabhängigen Forschung und Entwicklung der wichtigsten Gerätetechnologie meines Landes. Mit „Crust No. 1“ ist unser Land das dritte Land der Welt, das über die Spezialausrüstung und die entsprechenden Technologien verfügt, um den 10.000 Meter langen Kontinentalbohrplan umzusetzen.

Entwicklung der Tiefenerkundung in meinem Land

Im Jahr 2008 startete mein Land ein vierjähriges Sonderprojekt mit dem Titel „Technologie für die Tiefenerkundung und experimentelle Forschung“ (Sinoprobe2008-2012). Dies ist das größte Programm zur Erforschung der Tiefen der Erde in der chinesischen Geschichte und hat zahlreiche Fortschritte in der wissenschaftlichen Forschung erzielt. So wurden beispielsweise etwa 6.000 Kilometer tiefe seismische Reflexionsprofile erstellt, wichtige Instrumente und Geräte eigenständig entwickelt und ein Erkennungstechnologiesystem etabliert, das für die komplexe Lithosphäre und Kruste des chinesischen Festlands geeignet ist. Dadurch ist mein Land zu einem der weltweit größten Länder für die Tiefenerkundung geworden. Basierend auf dem Sonderprojekt „Tiefenerkundungstechnologie und experimentelle Forschung“ gründete das ehemalige Ministerium für Land und Ressourcen im Jahr 2015 das China Deep Earth Exploration Center (Sinoprobe Center), das zur Basis für Chinas Tiefenerkundung und -forschung wurde. In den letzten Jahren hat das Zentrum eine Reihe von Tiefenerkundungs- und geologischen Untersuchungsprojekten durchgeführt.

Am 30. Mai 2023 wurde im Herzen der Taklamakan-Wüste im Tarim-Becken in Xinjiang offiziell die erste 10.000 Meter tiefe wissenschaftliche Erkundungsbohrung meines Landes gebohrt. Der Brunnen erhielt den Namen „Deep Earth Takko 1 Well“ und seine geschätzte Bohrtiefe beträgt 11.100 Meter. „Deep Earth Takko 1 Well“ soll mehr als 10 Formationen durchdringen und zu unserem „Teleskop“ für die Erforschung der tiefen Erde werden.

mein Land hat relativ spät mit der Tiefenerkundung begonnen, doch in den letzten Jahren hat die Intensität der Tiefenerkundung kontinuierlich zugenommen und es hat sich nach und nach ein eigener Vorsprung in den Bereichen Geochemie, magnetotellurische Beobachtung und wissenschaftliche Bohrungen herausgebildet.

Der Artikel wurde vom Science Popularization China-Starry Sky Project (Erstellung und Kultivierung) erstellt. Bei Nachdruck bitten wir um Quellenangabe.

Autor: Zhu Xinna, populärwissenschaftlicher Autor, unabhängiger Buchplaner und hervorragender Leseförderer in Peking

Gutachter: Zhang Yuxiu, Außerordentlicher Professor für Geologie, Fakultät für Erd- und Planetenwissenschaften, Chinesische Akademie der Wissenschaften