Jatkuuko matka Maan sisuksiin?

Kilpailun aloittivat yhdysvaltalaiset vuonna 1961. Silloin CUSS 1 -porausalus alkoi kairata reikää merenpohjaan Tyynessämeressä Meksikon edustalla. Paikka valittiin siksi, että maankuori on merenpohjassa ohuempi kuin muualla – paikoin vain viisi kilometriä paksu – ja siksi Moho on siellä helpommin saavutettavissa.

Todellisuus oli toista. Kun matkaa vedenpinnasta pohjaan oli 3 800 metriä, aluksen pitäminen paikoillaan pohjaan nähden oli lähes mahdotonta.

Neljän epäonnistuneen yrityksen jälkeen pohjassa oli vain 183 metrin reikä ja yhdysvaltalaiset luovuttivat.

Venäläiset ottivat oppia vastapuolen vastoinkäymisistä ja päättivät porata kuivalla maalla. Paikaksi valittiin Kuolan niemimaa, jossa maankuoren muodostaa 45 kilometriä paksu Fennoskandian kilpi.

Poraushanke oli menestys

Asiantuntemusta maaperän poraamisesta Neuvostoliitossa oli yllin kyllin. Petsamossa oli entuudestaan kaivostoimintaa, ja arvovaltaiseen hankkeeseen oli helppo houkutella ammattilaisia kaikkialta Neuvostoliitosta.

Hanke alkoi myös nopeasti tuottaa tuloksia.

Ensimmäinen virallinen tavoite saavutettiin jo 1,6 kilometrin syvyydessä. Siellä tuli vastaan niin rikkaita kupari- ja nikkeliesiintymiä, että niiden hyödyntäminen oli taloudellisesti kannattavaa.

Tulokset eivät jääneet vain lupaukseksi raaka-aineista Neuvostoliiton teollisuudelle. Myös tieteellisiä saavutuksia syntyi sitä mukaa kuin pora painui yhä syvemmälle kallioperään.

Porausliejun mukana reiästä nousseet kivenlohkareet otettiin talteen, pakattiin ja lähetettiin tutkittaviksi.

Poraus on geologian perustyökalu

Vaikka Maan pinnan alle nykyään päästään kurkistamaan monella tavalla, poraaminen on edelleen keskeinen väline, kun yritetään selvittää, mitä Maan sisuksissa piilee. Kairauksilla voidaan myös tarkistaa muilla keinoilla saatuja tuloksia.

Yksi keino, jolla Maan sisuksia tutkitaan, ovat seismiset aallot. Ne ovat värähtelyjen aiheuttamia paineaaltoja, jotka kulkevat Maan läpi.

Niitä syntyy luonnostaan maanjäristyksissä ja tarkoituksellisesti suoritetuissa koeräjäytyksissä. Aaltojen etenemisnopeus riippuu siitä, millaisen aineen läpi ne kulkevat.

Toiset kerrokset heijastavat niitä takaisin tai uuteen suuntaan. Toisista taas suurin osa aalloista kulkee läpi. Mittaamalla aaltojen etenemistä voidaan päätellä, missä kohtaa eri kiviainesten ja kerrostumien rajat kulkevat.

Seismiset aallot ovat tuoneet esiin muun muassa niin sanotun Conradin rajapinnan, joka kulkee maankuoren ylemmän ja alemman kerroksen välissä noin seitsemän kilometrin syvyydessä.

Aiemmin oletettiin, että rajalla tapahtuu siirtymä kevyestä graniitista raskaampaan vulkaaniseen basalttiin. Kuolan syväreikä­poraus osoitti teorian vääräksi.

Luotaimia porausreikään

Neuvostoliittolaiset geologit seurasivat porauksen edistymistä tiukasti, mutta itse paikalle he pääsivät vain silloin, kun poraustöissä pidettiin kuukauden tauko kerran vuodessa. Silloin pora nostettiin pois reiästä ja reikä huuhdeltiin puhtaaksi.

Maankuoren kerroksia luodattiin laitteilla, jotka laskettiin porausreikään kilometrien pituisilla kaapeleilla. Niillä mitattiin maankuoren eri kohtien lämpötilaa, säteilyarvoja, sähkönjohtavuutta ja kaasujen pitoisuuksia. Porausreikä tutkittiin sentti sentiltä.

Vuonna 1972 tutkijat huomasivat, että kolmen kilometrin syvyydessä kemialliset olosuhteet ovat hyvin samanlaiset kuin niissä kivissä, joita neuvostoliittolaiset Luna-luotaimet toivat Kuusta 1970-luvun alussa.

Kuukivet ja Kuolan porausnäytteet vahvistivat teo­rian, että Kuu on syntynyt kolarissa, jossa varhaiseen Maahan törmäsi toinen taivaankappale ja osa Maan kuoresta päätyi kiertämään Maata ja muovautui Kuuksi.

Vuonna 1975 pora ylti jo Conradin rajapintaan. Silloin päästiin testaamaan teoria siitä, että rajapinta erottaa toisistaan maankuoren graniitti- ja basalttikerrokset.

Näytteissä ei kuitenkaan ollut merkkejä basaltista. Sen sijaan porausreiästä nousi toisenlaista graniittia, joka oli muuntunut kovassa paineessa ja kuumuudessa. Havainto pani uusiksi käsitykset maankuoren synnystä.

Reikä todisti laattojen liikkeet

1970-luvun puoleenväliin asti tutkijat olivat vahvasti sitä mieltä, että maankuoren alaosan muodosti paksu basalttikerros. Teorian mukaan aika ajoin osa basaltista suli ja muuttui graniittimagmaksi, joka nousi kohti pintaa ja muodosti kuoren yläkerroksen.

Petsamon poraus osoitti kuitenkin, että kuoren alaosa ei ainakaan kokonaan ole basalttia. Kuoren synnyn takana piti siis olla jokin toinen mekanismi.

Todennäköisimmäksi selitykseksi nousi laattatektoniikka eli maankuoren laattojen liike. Petsamon poraushankkeen tuottamat tiedot näyttävät vahvistaneen teorian, jonka mukaan uutta mantereista maankuorta syntyy niin sanotuissa vajoamisvyöhykkeissä.

Petsamon poraushankkeen tuottamat tiedot näyttävät vahvistaneen teorian, jonka mukaan uutta mantereista maankuorta syntyy niin sanotuissa vajoamisvyöhykkeissä.

Niissä merenpohjan laatta painuu vaippaan toisen alle ja vetää mukanaan pohjan kerrostumia ja vettä. Vaipassa kuoren ainekset aiheuttavat kemiallisen reaktion, josta syntyy magmakuplia.

Kuplat synnyttävät merenpohjaan tulivuoria, joista syntyy saaria ja saariketjuja. Tällainen vulkaaninen saariketju on muun muassa Japani.

Miljardien vuosien kuluessa saariketjut kasaantuvat yhteen ja muodostavat mantereita.

Tutkijat eivät olleet uskoa silmiään

Isoimman yllätyksen Kuolan reikä tarjosi, kun pora ulottui 6,4 kilometrin syvyyteen ja näytteet saatiin pinnalle.

Hiilipitoisten lohkareiden pinnalla oli jotakin, joka toi mieleen planktonin.

Kävi ilmi, että näytteissä oli yli 20:n eri eliölajin jäännöksiä. Venäläistutkijat eivät voineet uskoa, että niin syvällä olisi elämää, koska kuumuuden ja kovan paineen oletettiin tuhoavan kaikki eliöt.

Niinpä eliöiden jäännösten pääteltiin päätyneen porausreiän uumeniin pinnalta poranterän mukana. Löydön merkitys valkeni tutkijoille vasta monta vuotta myöhemmin.

Maankuori on täynnä elämää

Sittemmin on selvinnyt, että maankuoren uumenissa on hyvin rikas eliöstö.

Yksi merkittävimmistä löydöistä tehtiin vuonna 2010, kun yhdysvaltalaisen Rhode Islandin yliopiston tutkija Steven D’Hondt kollegoineen löysi eliöitä 100 miljoonaa vuotta vanhoista kerrostumista Tyynenmeren pohjasta.

Eliöt olivat yhä hengissä. Toisin niiden aineenvaihdunta oli niin hidasta, että vasta hyvin tarkka analyysi paljasti, että ne olivat elossa.

Myöhemmin elämää on löydetty lähes kaikista maankuoren sisältä otetuista näytteistä. Kansainvälinen tutkijaverkosto Deep Carbon Observatory, joka pyrkii kartoittamaan hiilen määrää, kiertoa ja vaikutusta maapallolla, on arvioinut, että Maan pinnan alainen biosfääri eli eliökehä on kaksi kertaa niin suuri kuin valtameret yhteensä.

Maankuoren biosfäärin on laskettu sisältävän 70 prosenttia kaikista Maan pieneliöistä.
Toistaiseksi ei osata varmasti sanoa, miten syvälle pinnanalainen biosfääri ulottuu, mutta elämää on löydetty jopa 4,8 kilometrin syvyydestä.

Osa bakteereista selviää elossa jopa 132 asteen kuumuudessa. Kun lämpötila maankuoressa nousee 15–25 astetta kilometriä kohti, on teoriassa mahdollista, että bakteerit pystyvät elämään vielä kahdeksan kilometrin syvyydessä.

Sitä mukaa kuin tietämys Maan pinnanalaisesta elämästä on lisääntynyt, myös teoriat ovat tulleet hurjemmiksi.

Jotkut tutkijat ovat jo esittäneet, että elämä maapallolla sai alkunsa maankuoren uumenissa ja levisi sieltä meriin ja mantereille.

Uudella poralla entistä syvemmälle

Ensimmäiset 7 263 metriä Kuolan reiästä porattiin tavanomaisilla öljynporauslaitteilla. Samaan aikaan tutkijat etsivät kuitenkin uusia ratkaisuja, joilla tavoitteeksi asetettu 15 000 metrin rajapyykki voitaisiin saavuttaa. Yhteistyökumppanina oli Neuvostoliiton konerakennusteollisuuden huippuyritys Uralmash.

Se rakensikin aikansa kehittyneimmän kallioporajärjestelmän, joka sai nimekseen Uralmash-15000. Se oli monella tavalla aikakautensa huipputekniikkaa.

Petsamon porauksessa käytettiin ensimmäistä kertaa maailmassa alumiinisia poranterän varsia. Alumiini on noin puolet kevyempää kuin teräs, mikä on iso etu, kun poran varsi on kilometrien pituinen. Lisäksi otettiin käyttöön automatisoitu järjestelmä, jolla varteen liitettiin aina uusia 40 metrin pituisia jatkokappaleita. Järjestelmä helpotti myös poranterän vaihtamista.

Jotkin kalliokerrokset olivat niin kovia, että terä kului käyttökelvottomaksi jo 20 metrin matkalla.

Jotta poranterä saatiin pyörimään kunnolla, varren alimmassa 46 metriä pitkässä osassa oli potkureita. Niiden lavat panivat varren pyörimään, kun porausreikään pumpattiin ylhäältä porausliejua. Järjestelmä oli yksinkertainen ja toimiva.

Alapäästä pora oli ikään kuin akselinsa päällä seisova laivan potkuri. Varressa oli useita potkureita, jotka osaltaan toimivat poran moottorina.

Uudesta porasta huolimatta eteneminen oli sitä hitaampaa, mitä syvemmälle pora painui. Kesäkuun 6. päivänä 1979 saavutettiin silti tärkeä rajapyykki: 9 583 metriä. Se oli siihenastinen syvyysennätys, joka oli tehty Bertha Rogersin porausasemalla Yhdysvalloissa.

Islannissa porataan sulaan kiveen

Vuonna 1979 Neuvostoliitto siis ohitti Yhdysvallat, ja siitä lähtien Kuolan reikä on ollut maailman syvin. Porausreiästä mitattiin myös lähes 200 asteen lämpötila, mutta se ei ole maailmanennätys. Kuumimman reiän ennätys on Islannissa.

Islantilaiset ovat useita kertoja poranneet magmakammioon. Ensimmäisen kerran näin kävi vuonna 2009, kun etsittiin maanalaista kuumaa lähdettä.

Magmakammion puhkaiseminen ei kuitenkaan laukaissut tulivuorenpurkausta, vaan kivisula onneksi jähmettyi noustuaan porausreiässä vain muutaman metrin.

Kun pelättyä tulivuorenpurkausta ei tullut, poraajat ovat tulleet aina vain uskaliaammiksi. Kairauksilla on tutkittu muun muassa sulan magman ja kiinteän kiviaineksen rajavyöhykkeen ilmiöitä.

Porauksilla on etsitty uutta tietoa myös niin sanotusta superkriittisestä vedestä.

Se on erittäin kovassa paineessa ja kuumuudessa syntyvä tila, jossa vedellä on samaan aikaan nesteen ja kaasun ominaisuuksia. Tulivuorten superkriittiseksi kuumentama vesi sisältää myös valtavasti energiaa. Siksi siitä yritetään kehittää ympäristöystävällistä energianlähdettä.

Juhlavuosi pilasi porausreiän

Vuonna 1983 saavutettiin 12 000 metrin rajapyykki. Silloin poraaminen keskeytettiin, sillä saavutusta haluttiin juhlia kunnolla.

Porausasemalla kävi yhdessä ja erikseen edustajia yli 150 tutkimuslaitoksesta ja yrityksestä, jotka olivat jollakin tavalla mukana poraushankkeessa. Myös ministereitä ja muita päättäjiä Moskovasta tuli vierailulle. Kun kaikki juhlallisuudet oli saatu hoidettua, oli ehtinyt kulua vuosi.

Poraaminen päästiin aloittamaan uudestaan syyskuun 27. päivänä 1984. Pian pora kuitenkin jouduttiin taas pysäyttämään. Tauko oli ollut liian pitkä. Kallioperä elää koko ajan, ja porausreikä oli muuttunut. Toisista kohdista se oli laajentunut, toisista kutistunut. Niinpä pora juuttui kiinni.

Pora oli juuttunut aikaisemminkin, mutta se oli aina saatu uudelleen liikkeelle. Nyt se oli kiinni lopullisesti. Poran varren osien liitos murtui seitsemän kilometrin syvyydessä. Reiän pohjalla oli nyt tukkona poranterä ja viisi kilometriä vartta.

Mikroaaltopora yrittää ennätystä

Petsamon reikä on edelleen maailman syvin. Kehitteillä on kuitenkin uusi tekniikka, jolla matkaa alaspäin ehkä päästään jatkamaan.

Sen sijaan että maankuorta rouhittaisiin pyörivällä terällä, tarkoitus on höyrystää kallio pois kuumentamalla se mikroaalloilla yli 3 000-asteiseksi.

Porana toimii niin sanottu gyrotroni, joka tuottaa hyvin suuritaajuista mikroaaltosäteilyä. Samantyyppistä tekniikkaa käytetään fuusioreaktiokokeissa, kun luodaan plasmaa, jossa lämpötila saadaan pidettyä niin korkeana, että vety-ytimet yhdistyvät heliumiksi.

Mikroaaltotekniikalla on monia etuja tavanomaiseen poraamiseen verrattuna. Siinä poran osat eivät kulu eikä niitä siksi tarvitse vaihtaa kesken kaiken.

Käytettävällä lämpötilalla ei myöskään ole ylärajaa. Lisäksi porausreiän seinät ovat kestävämpiä kuin perinteisen porauksen jäljiltä.

Mikroaaltojen tekemän reiän seinämät jähmettyvät jäähtyessään kovaksi lasiksi. Tavanomaista porausreikää pitää vahvistaa tukirakenteilla, kuten metalliputkella, mikä on kallista ja aikaavievää.

Jos toisaalta porauksen tarkoitus on päästä tutkimaan eri kerrosten kemiallisia olosuhteita, kuten kivenhuokosista tihkuvaa vettä tai kaasuja, lasikerroksen syntyminen reiän seinämiin ei ole kovin toivottavaa.

Kun mikroaallot höyrystävät kiviaineksen tieltään, ei myöskään synny luonnostaan kivinäytteitä tutkittavaksi. Tilanne ei kuitenkaan välttämättä ole toivoton. Saattaa olla mahdollista kehittää laitteita, joilla poran läpäisemien kerrosten koostumus saadaan selville höyryn sisältämistä kaasuista.

Mikroaaltoporauksesta toivotaan apua myös ilmastoystävällisen energian tuotantoon. Jos kallioperän poraaminen on huomattavasti nykyistä halvempaa, myös kallioperässä piilevän geotermisen lämmön hyödyntäminen voi tulla edullisemmaksi.

On jopa esitetty, että nykyiset hiilivoimalat voitaisiin muuttaa käyttämään kallioperän lämpöä poraamalla syviä kaivoja voimalan läheisyyteen. Näin osa voimaloiden laitteistosta toimisi sellaisenaan ilmastoystävällisen energian tuotannossa.

Hanke haudattiin Neuvostoliiton mukana

Petsamon reiän tukkeeksi jäänyttä poraa yritettiin saada ylös seitsemän kuukauden ajan. Lopulta oli pakko luovuttaa ja ottaa käyttöön varasuunnitelma.

Venäläiset alkoivat porata reikään uutta haaraa siitä kohdasta, jossa poran varsi oli katkennut. Se tarkoitti sitä, että piti ottaa viisi kilometriä takapakkia. Vasta yli neljä vuotta myöhemmin, vuoden 1989 alussa, päästiin uudestaan 12 000 metriin. Tällä kertaa juhlat jätettiin väliin.

Tavoitteeksi otettiin päästä 13 500 metriin vielä saman vuoden aikana ja 15 000 metriin vuoden 1990 lopussa.

Kuolan porausreikä on nykyisin matkailukohde

Matka tyssäsi kuitenkin 12 262 metrin kohdalla. Vastoinkäyminen seurasi toistaan, ja lopulta oli ilmeistä, että perinteinen tekniikka oli tullut tiensä päähän, kun lämpötila oli yli 200 astetta ja paine tuhat kertaa niin kova kuin Maan pinnalla. Kun työt olivat olleet seisahduksissa kolme vuotta, hanke lopetettiin virallisesti vuonna 1992.

Neuvostoliitto oli lakannut olemasta muutamaa kuukautta aikaisemmin.