Egy geológuscsoport 1961 kora tavaszán elkezdett fúrni egy lyukat a tengerfenékbe Baja California csendes-óceáni partjainál. Az expedíció, amely a maga nemében az első volt, egy olyan projekt kezdeti fázisa volt, amelynek célja a földkéreg átfúrása volt, hogy elérje a földköpenyt. Nem is sejtették, hogy erőfeszítéseiket hamarosan beárnyékolja, amikor John F. Kennedy ugyanezen év májusában elindította a Holdra tartó versenyt.
1972 végére, dollármilliárdok elköltése után és több ezer tudós és mérnök közös erőfeszítése révén hat Apollo-küldetés landolt a Föld keringési pályatársán, és több mint 841 fontnyi holdkőzetet és földet hozott haza.
Eközben a földi geológusok, akik arról álmodoztak, hogy bepillantást nyerhetnek a Föld belsejébe, a költségvetési megszorításoknak köszönhetően üres kézzel maradtak a különböző programok maradványaival.
A hatvanas évek óta a kutatók megpróbáltak a Föld köpenyébe fúrni, de még nem jártak sikerrel. Egyes próbálkozások technikai problémák miatt kudarcot vallottak; mások különféle balszerencsék áldozatául estek – többek között, mint utólag kiderült, a fúráshoz alkalmatlan helyeket választottak. Mindazonáltal ezek az erőfeszítések megmutatták, hogy a köpenybe való fúráshoz szükséges technológia és szakértelem létezik. És most a bolygónk e fontos részének elérésére tett legújabb kísérlet első fázisa az óceáni kéreg egy vékony szakaszát fúrja át az Indiai-óceán délnyugati részén.
Ne aggódjunk: Amikor a fúrók végül átfúrják a köpenyt, a forró, olvadt kőzet nem fog a lyukon felfelé törni és vulkánkitörés formájában a tengerfenékre ömleni. Bár a köpeny kőzetek valóban áramlanak, ezt olyan sebességgel teszik, mint egy köröm növekedési üteme, mondja Holly Given, a San Diegó-i Scripps Institution of Oceanography geofizikusa.
A köpeny az otthonunknak nevezett bolygó legnagyobb része, a tudósok mégis viszonylag keveset tudnak róla közvetlen elemzéssel. A vékony kéregréteg, amelyen élünk, a Föld térfogatának körülbelül egy százalékát teszi ki. A belső és külső mag – szilárd és folyékony tömegek, amelyek nagyrészt vasból, nikkelből és más sűrű elemekből állnak – a bolygó térfogatának mindössze 15 százalékát foglalja el. A külső mag és a kéreg között elhelyezkedő köpeny a becslések szerint a bolygó tömegének 68 százalékát és térfogatának 85 százalékát teszi ki.
Gondoljunk a köpenyre úgy, mint egy bolygó méretű lávalámpára, ahol az anyag hőt vesz fel a mag-köpeny határon, kevésbé sűrűvé válik, és felhajtó erejű fúvókákban emelkedik a földkéreg alsó pereméig, majd a plafon mentén áramlik, amíg le nem hűl és vissza nem süllyed a mag felé. A köpenyben a keringés rendkívül lomha: Egy becslés szerint a kéregből a magba és vissza tartó körút akár 2 milliárd évig is eltarthat.
A köpeny egy érintetlen darabjának megszerzése azért fontos, mert segítene a bolygókutatóknak jobban megállapítani, hogy milyen nyersanyagokból gyűlt össze a Föld, amikor a Naprendszerünk fiatal volt. “Ez lenne az alapigazság arra vonatkozóan, hogy miből is áll a világ” – mondja Given. Az összetételéről azt is megtudhatnánk, hogyan alakult ki kezdetben a Föld, és hogyan fejlődött azzá a többrétegű gömbbé, amelyben ma élünk, mondja.
A tudósok sok mindenre következtethetnek a köpenyről, még minta nélkül is. A bolygón áthaladó, földrengések által keltett szeizmikus hullámok sebessége és útja betekintést nyújt a köpeny sűrűségébe, viszkozitásába és általános jellemzőibe, valamint abba, hogy ezek a tulajdonságok helyenként hogyan változnak. Ugyanígy azt is, hogy a földkéreg milyen ütemben rugózik felfelé, miután hatalmas jégtakarók nehezedtek rá, amelyek nemrég (geológiai értelemben) elolvadtak.
A bolygónk mágneses és gravitációs mezejének mérése még több információt közvetít, leszűkítve a mélyben fellelhető ásványok típusait, mondja Walter Munk, a Scripps fizikai oceanográfusa. A most 98 éves tudós tagja volt annak a kis kutatócsoportnak, amely 1957-ben először vetette fel a köpenybe való fúrás ötletét. De ezek a közvetett módszerek csak ennyit mondhatnak egy tudósnak – jegyzi meg. “Semmi sem helyettesítheti azt, ha a kezedben van egy darab abból, amit elemezni akarsz”.
A kutatók kezében vannak ugyan minták a köpenyből, de ezek nem érintetlenek. Némelyikük a kitörő vulkánok által a földfelszínre hordott kőzetdarab. Másokat a tektonikus lemezek ütközése nyomta felfelé. Megint mások az óceánközépi gerincek mentén emelkedtek a tengerfenékre, mondják Henry Dick és Chris MacLeod geológusok. Dick, a massachusettsi Woods Hole Oceanográfiai Intézet munkatársa és MacLeod, a walesi Cardiffi Egyetem munkatársa, a délnyugati Indiai-óceánban most befejeződő mélyfúró expedíció társvezetője.
A jelenlegi köpenyminták mindegyike megváltozott a Föld felszínére került folyamatok következtében, a légkörnek volt kitéve vagy hosszabb időre tengervízbe merült – valószínűleg mindezek együttesen. A levegőnek és víznek kitett köpenyminták valószínűleg elvesztettek néhányat az eredeti, könnyebben oldódó kémiai elemekből.
Ez a nagy vágy egy makulátlan köpenydarab megszerzésére, mondja Dick. Amint rendelkezésre áll, a tudósok elemezhetnék a minta általános kémiai összetételét, valamint ásványtanát, felmérhetnék a kőzet sűrűségét, és meghatározhatnák, hogy mennyire könnyen vezeti a hőt és a szeizmikus hullámokat. Az eredményeket össze lehetne hasonlítani a közvetett mérésekből levezetett értékekkel, érvényesítve vagy megcáfolva ezeket a technikákat.
Az egészen a köpenyig tartó fúrás révén a geológusok betekinthetnének abba is, amit Mohorovičić-féle diszkontinuitásnak, vagy röviden Mohónak neveznek. E titokzatos zóna fölött, amelyet arról a horvát szeizmológusról neveztek el, aki 1909-ben felfedezte, a szeizmikus hullámok másodpercenként körülbelül 4,3 mérföldes sebességgel terjednek, ami megfelel annak, hogy ezek a hullámok bazalton, vagyis kihűlt láván keresztül haladnak. A Moho alatt a hullámok másodpercenként körülbelül 5 mérföldes sebességgel száguldanak, hasonlóan ahhoz a sebességhez, amellyel a kovasavban szegény, peridotitnak nevezett vulkáni kőzetben haladnak. A Moho jellemzően 3 és 6 mérföld között van az óceánfenék alatt, és 12 és 56 mérföld között a kontinensek alatt.
Ezt a zónát régóta a kéreg-köpeny határának tekintik, ahol az anyag fokozatosan lehűl és a felette lévő kéreghez tapad. Egyes laboratóriumi vizsgálatok szerint azonban lehetséges, hogy a Moho az a zóna, ahol a felette lévő kéregből leszivárgó víz reakcióba lép a köpenyperidotitokkal, és egy szerpentin nevű ásványtípust hoz létre. Dick és MacLeod szerint ez a lehetőség izgalmas. A szerpentint létrehozó geokémiai reakciók során hidrogén is keletkezik, amely aztán a tengervízzel reagálva metánt termelhet, ami egyes baktériumtípusok energiaforrása. Vagy, jegyzik meg a kutatók, a Moho lehet valami egészen más, a tudomány számára ismeretlen dolog.
A köpeny titkainak feltárásához a kulcs az, hogy megtaláljuk a megfelelő helyet, ahol fúrni lehet. A köpeny anyaga az óceánfenékre emelkedik az óceánközépi gerinceknél, ahol a tektonikus lemezek lassan szétnyomódnak. De ezek a minták egyszerűen nem elégségesek. Az óceánfenék alatti néhány mérföldnyi kéreg átfúrása jelentősen megváltoztatja az anyagot, így a köpenyminta nem lesz reprezentatív a Föld mélyén található anyagra nézve. És a mélyebb fúrás az egyik ilyen gerincnél szintén problémás, mondja Dick. “Egy óceáni gerincen vagy annak közvetlen peremén a kéreg túl forró ahhoz, hogy egy-két kilométernél mélyebbre fúrjunk.”
Ezért ő és kollégái az Indiai-óceán délnyugati részén, az Atlantis Bank nevű helyen fúrnak, amely Madagaszkártól mintegy 808 mérföldre délkeletre fekszik. Dick szerint számos tényező teszi ezt a helyszínt kiváló fúrási helyszínné az expedíció számára.
Ez a Denver méretű tengerfenék folt egy 11 millió éves óceáni kéreg tetején helyezkedik el, így elég hűvös ahhoz, hogy fúrni lehessen. Másrészt, a part teteje egy 9,7 négyzetmérföldes fennsík, amely 2300 lábnyira van az óceán felszínétől. Így az ottani óceánfenék megcsapolása, szemben a közeli 3,7 mérföld mély tengerfenékkel, nem okoz gondot. A térségben az erős óceáni áramlatok megakadályozták, hogy az üledékek felhalmozódjanak a tengerfenéken, így a kéreg nagyrészt szabadon marad. Viszonylag vékony is – a terület korábbi szeizmikus felmérése szerint a kéreg vastagsága mindössze 1,6 mérföld.
Az Atlantis Bank alatti óceáni kéreg ráadásul az óceánközi gerinc egy olyan szakaszán alakult ki, ahol a születő kéreg felső rétegei a hasadéktól az egyik irányba terjedtek, míg az alsó rétegek a másik irányba mozogtak. A tudósok még nem tudják biztosan, hogyan és miért történt ez. De ennek az úgynevezett aszimmetrikus terjedésnek köszönhetően, amely valószínűleg a világ óceánközépi gerinceinek jelentős részénél fordul elő, az Atlantis Bankot nem borítják törékeny felső kéregrétegek, amelyek a fúrás közben összetörhetnek és beleeshetnek a lyukba – mondja Dick. Ezek a törmelékek károsíthatják a fúrófejet vagy megakadhatnak, valamint megnehezíthetik a kisebb kőzetdarabok és az iszap kiöblítését a lyukból.
Az Atlantis Banknál végzett fúrás előnyei ellenére az expedíciót számos óceáni fúrási projektre jellemző kudarc érte. A hajó berakodásával kapcsolatos problémák egy nappal késleltették a csapat indulását a Srí Lanka-i Colombóból. A helyszínre érve a csapat eltörte a fúrófejet, de mielőtt kihalászták volna a darabokat a lyukból, össze kellett pakolniuk, és a legénység egyik beteg tagját északra, Mauritius felé kellett vinniük, hogy találkozzanak egy partra szállított helikopterrel az orvosi evakuáláshoz. A JOIDES Resolution nevű hajó közel egy hét távollét után tért vissza, majd néhány napot azzal kellett tölteniük, hogy egy erős mágnes segítségével megpróbálják visszaszerezni a törött fúrófej darabjait.
A hiányzó darabokat soha nem találták meg. De egy utolsó erőfeszítés során, amikor erős vákuumot használtak, hogy megpróbálják felszippantani őket, az expedíció visszahozta az óceáni kéreg talán legnagyobb átmérőjű darabját, amit valaha is megtaláltak. A gabbro nevű, sötét, durva szemcséjű kőzetből álló henger 7 hüvelyk átmérőjű – a szokásos méret háromszorosa – és 20 hüvelyk hosszú.
A csapat az expedíció célmélysége 4 265 láb volt a kéregben, alig félúton a köpeny felé. Sajnos január 22-ig a fúrás csak 2330 láb mélységig jutott a tengerfenék alatt.
Mire ez a cikk megjelenik, az Atlantis Banknál már befejeződnek a fúrási munkálatok – a projekt ezen szakasza. A küldetés második, már jóváhagyott szakasza remélhetőleg befejezi a feladatot, és megcsapolja a köpenyt. De ez még két-öt év múlva is bekövetkezhet. A hajóidőért nagy a verseny más csapatokkal, akik a világ más részein szeretnének fúrni, mondja Dick.
A tudományos csapat azonban nem fog üres kézzel távozni a projekt első szakaszából, mondja MacLeod. A földkéreg egészéből származó minták kinyerése is fontos. “Fogalmunk sincs arról, hogy a földgolyó bármely pontján milyen az óceáni kéreg ömlesztett összetétele” – mondja Dick. Szerinte a korábban más mélyfúrási helyekről kinyert alsó kéreg kőzetek egyáltalán nem olyanok, mint amire a kutatók számítottak.
Az Atlantis Bank projekt betekintést nyújtana az alsó kéreg kémiai összetételébe. A teljes réteg teljes profilja pedig segítene a tudósoknak megérteni, hogyan alakulnak át ott kémiailag és fizikailag a magmák – beleértve azt is, hogyan kristályosodnak ki és kapcsolódnak a köpeny kőzetek a kéreg alsó felszínéhez.
Mihelyt a kutatók végül megkapják a köpenymintát, más csapatok is csatlakozhatnak a projekthez saját kísérleteikkel, mondja MacLeod. “A jövőbeli expedíciók még évekig dobhatnak le műszereket a lyukba”. A szeizmológusok például érzékelőket küldhetnek le a kilométer mély lyukba, és közvetlenül mérhetik a földkéregben lüktető szeizmikus hullámok sebességét, ahelyett, hogy kis kőzetmintákon végzett laboratóriumi vizsgálatokkal következtetnének rájuk. A kutatók hőmérséklet-érzékelők sorát is leereszthetik a lyukba, hogy mérjék a bolygónk belsejéből származó hőáramlást.
Kétségtelen, hogy az Atlantis Bankból végül kinyert óceáni kéreg- és köpenyminták – valamint a hátrahagyott lyukból gyűjtött adatok – még évtizedekig lekötik a geológusokat és a geofizikusokat. De a türelem erény, és Dick, MacLeod és geofizikus testvéreik már évtizedek óta kivárják az időt.
Szerkesztői megjegyzés: Ezt a cikket frissítettük, hogy helyesbítsük az Atlantis Bank szeizmikus felmérésének tulajdonítását.