Vroeg in de lente van 1961 begon een groep geologen een gat in de zeebodem te boren voor de Pacifische kust van Baja California. De expeditie, de eerste in haar soort, was de eerste fase van een project om door de aardkorst te boren en de onderliggende mantel te bereiken. Ze wisten niet dat hun inspanningen spoedig zouden worden overschaduwd toen John F. Kennedy in mei van dat jaar de race naar de maan lanceerde.

Tegen het einde van 1972, na het uitgeven van miljarden dollars en via de collectieve inspanning van duizenden wetenschappers en ingenieurs, landden zes Apollo-missies op de baangenoot van de aarde en brachten meer dan 841 pond aan maanstenen en aarde mee naar huis.

Terwijl bleven de aardse geologen die ervan droomden een glimp op te vangen van het inwendige van de aarde, door bezuinigingen met lege handen achter met de restanten van diverse programma’s.

Sinds de jaren zestig hebben onderzoekers geprobeerd in de aardmantel te boren, maar nog niet met succes. Sommige pogingen zijn mislukt als gevolg van technische problemen; andere zijn ten prooi gevallen aan verschillende soorten van pech – met inbegrip van, zoals achteraf ontdekt, het kiezen van ongeschikte plekken om te boren. Niettemin hebben deze pogingen aangetoond dat de technologie en de deskundigheid om naar de aardmantel te boren voorhanden zijn. En nu wordt in de eerste fase van de meest recente poging om dit belangrijke deel van onze planeet te bereiken, geboord door een dun stuk oceaankorst in het zuidwesten van de Indische Oceaan.

Gelieve niet bang te zijn: wanneer de boormachines uiteindelijk de mantel doorboren, zal heet gesmolten gesteente niet door het gat omhoog stromen en in een vulkaanuitbarsting op de zeebodem terechtkomen. Hoewel mantelgesteenten wel vloeien, doen zij dit met een snelheid die verwant is aan de groeisnelheid van een vingernagel, zegt Holly Given, een geofysicus aan het Scripps Institution of Oceanography in San Diego.

De mantel is het grootste deel van deze planeet dat wij ons thuis noemen, maar toch weten wetenschappers er relatief weinig over door middel van directe analyse. Het dunne korstlaagje waarop wij leven, maakt ongeveer één procent uit van het aardoppervlak. De binnen- en buitenkern – vaste en vloeibare massa’s die grotendeels uit ijzer, nikkel en andere dichte elementen bestaan – beslaan slechts 15 procent van het volume van de planeet. De mantel, die tussen de buitenkern en de korst ligt, maakt naar schatting 68 procent van de massa van de planeet uit en maar liefst 85 procent van zijn volume.

Beschouw de mantel als een lavalamp ter grootte van een planeet, waar materiaal warmte oppikt bij de grens tussen kern en mantel, minder dicht wordt en in drijvende pluimen opstijgt naar de onderrand van de aardkorst, en dan langs dat plafond stroomt totdat het afkoelt en weer naar de kern zinkt. De circulatie in de aardmantel is uitzonderlijk traag: Volgens één schatting kan een rondreis van korst naar kern en weer terug wel 2 miljard jaar duren.

Het verkrijgen van een ongerept brok van de mantel is belangrijk omdat het planetaire wetenschappers zou helpen beter te achterhalen uit welke grondstoffen de aarde is opgebouwd toen ons zonnestelsel nog jong was. “Het zou de grondwaarheid zijn voor waar de wereld van gemaakt is,” zegt Given. De samenstelling ervan zou ook aanwijzingen geven over hoe de aarde aanvankelijk is gevormd en hoe zij is geëvolueerd tot de veelgelaagde bol die we nu bewonen, zegt ze.

Wetenschappers kunnen veel afleiden over de mantel, zelfs zonder een monster. De snelheden en paden van door aardbevingen opgewekte seismische golven die door de planeet gaan, geven inzicht in de dichtheid, de viscositeit en de algemene kenmerken van de mantel, en ook in hoe die eigenschappen van plaats tot plaats verschillen. Dat geldt ook voor de snelheid waarmee de aardkorst omhoog komt na te zijn neergedrukt door massieve ijskappen die onlangs (in geologische termen) zijn gesmolten.

Metingen van de magnetische en zwaartekrachtsvelden van onze planeet leveren nog meer informatie op, en beperken de soorten mineralen die in de diepte kunnen worden gevonden, zegt Walter Munk, een fysisch oceanograaf bij Scripps. De wetenschapper, nu 98 jaar oud, maakte deel uit van een kleine groep onderzoekers die in 1957 voor het eerst het idee opperde om in de aardmantel te boren. Maar deze indirecte methoden kunnen een wetenschapper maar weinig vertellen, merkt hij op. “Er is geen vervanging voor het in handen hebben van een brok van wat je wilt analyseren.”

Onderzoekers hebben wel monsters van de aardmantel in handen, maar ze zijn niet ongerept. Sommige zijn brokken steen die door uitbarstende vulkanen naar het aardoppervlak zijn gebracht. Andere zijn omhoog gestuwd door brokkelige botsingen tussen tektonische platen. Weer andere zijn naar de zeebodem gestegen langs langzaam uitspreidende mid-oceanische bergkammen, zeggen geologen Henry Dick en Chris MacLeod. Dick, van het Woods Hole Oceanographic Institution in Massachusetts, en MacLeod, van de Cardiff University in Wales, zijn mede-leiders van de diep-borings-expeditie die nu in het zuidwesten van de Indische Oceaan wordt afgerond.

Alle van de huidige mantelmonsters zijn veranderd door de processen die hen naar het aardoppervlak brachten, blootgesteld aan de atmosfeer of gedurende lange perioden ondergedompeld in zeewater – mogelijk al het bovenstaande. De mantelmonsters die aan lucht en water zijn blootgesteld, hebben waarschijnlijk enkele van hun gemakkelijker oplosbare oorspronkelijke chemische elementen verloren.

Vandaar het grote verlangen om een onbezoedeld brok mantel te verkrijgen, zegt Dick. Eenmaal beschikbaar zouden wetenschappers de algemene chemische samenstelling van een monster kunnen analyseren, evenals de mineralogie, de dichtheid van het gesteente beoordelen en bepalen hoe gemakkelijk het warmte en seismische golven geleidt. De resultaten zouden kunnen worden vergeleken met de waarden die zijn afgeleid uit indirecte metingen, waarmee die technieken zouden kunnen worden gevalideerd of betwist.

Boringen tot in de mantel zouden geologen ook een blik gunnen op wat zij de Mohorovičić-discontinuïteit noemen, kortweg Moho. Boven deze mysterieuze zone, genoemd naar de Kroatische seismoloog die hem in 1909 ontdekte, verplaatsen seismische golven zich met een snelheid van ongeveer 4,3 mijl per seconde, een snelheid die overeenkomt met golven die door basalt, of afgekoelde lava, reizen. Onder de Moho gaan de golven met een snelheid van ongeveer 5 mijl per seconde, vergelijkbaar met de snelheid waarmee ze door een siliciumarm stollingsgesteente, peridotiet genaamd, gaan. De Moho ligt meestal tussen 3 en 6 mijl onder de oceaanbodem en ergens tussen 12 en 56 mijl onder de continenten.

Deze zone is lang beschouwd als de korst-mantel grens, waar materiaal geleidelijk afkoelt en vastkleeft aan de bovenliggende korst. Maar sommige laboratoriumstudies suggereren dat het mogelijk is dat de Moho de zone is waar water dat uit de bovenliggende korst naar beneden sijpelt, reageert met peridotiet uit de aardmantel om een soort mineraal te vormen dat serpentijn wordt genoemd. Deze mogelijkheid is opwindend, aldus Dick en MacLeod. De geochemische reacties die serpentijn doen ontstaan, produceren ook waterstof, dat vervolgens met zeewater kan reageren om methaan te produceren, een energiebron voor sommige soorten bacteriën. Of, zo merken de onderzoekers op, de Moho zou iets geheel anders kunnen zijn dat de wetenschap nog niet kent.

De sleutel tot het ontsluieren van de geheimen van de mantel is het vinden van de juiste plaats om te boren. Mantelmateriaal komt op de oceaanbodem terecht bij de mid-ocean-ruggen, waar tektonische platen langzaam uit elkaar schuiven. Maar die monsters zijn gewoon niet genoeg. Door een paar kilometer korst onder de oceaanbodem te doorboren verandert het materiaal aanzienlijk, waardoor het mantelmonster niet representatief is voor wat er diep in de aarde zit. En dieper boren bij zo’n oceaanrug is ook problematisch, zegt Dick. “Bij een oceaanrug of de directe flanken daarvan is de korst te heet om verder dan een of twee kilometer te boren.”

Dus boren hij en zijn collega’s op een plek in het zuidwesten van de Indische Oceaan, de Atlantis Bank, die ongeveer 808 mijl ten zuidoosten van Madagaskar ligt. Vele factoren maken deze plek tot een uitstekende plek voor de expeditie om te boren, aldus Dick.

Enerzijds ligt dit stuk zeebodem ter grootte van Denver boven op oceaankorst die ongeveer 11 miljoen jaar oud is, waardoor het koel genoeg is om in te boren. De top van de bank is een 9,7 vierkante mijl groot plateau dat binnen 2.300 voet van het oceaanoppervlak ligt. Dat maakt het aanboren van de oceaanbodem daar, in tegenstelling tot de nabijgelegen 3,7 mijl diepe zeebodem, een no-brainer. Sterke oceaanstromingen in het gebied hebben ervoor gezorgd dat sedimenten zich niet ophopen op de zeebodem, waardoor de korst daar grotendeels blootligt. Het is ook relatief dun – een eerder seismisch onderzoek van het gebied wees uit dat de korst daar slechts 1,6 mijl dik is.

Meer nog, de oceaankorst onder Atlantis Bank vormde zich op een deel van de mid-ocean ridge waar de bovenste lagen van ontluikende korst zich in één richting van de rift verspreidden, terwijl de onderste lagen zich in de andere richting bewogen. Wetenschappers zijn er nog niet zeker van hoe of waarom dit gebeurde. Maar door deze zogenaamde asymmetrische verspreiding, die waarschijnlijk bij een aanzienlijk deel van de mid-oceanische bergkammen voorkomt, is de Atlantis Bank niet bedekt met broze lagen van de bovenste korst die tijdens het boren in een gat kunnen vallen, aldus Dick. Dergelijk puin kan de boor beschadigen of vastlopen, en het moeilijk maken om kleinere stukjes rots en modder uit het gat te spoelen.

Ondanks de voordelen van het boren op de Atlantis Bank, heeft de expeditie te kampen gehad met tegenslagen die gebruikelijk zijn bij veel oceaanboorprojecten. Problemen met het laden van het schip vertraagden het vertrek van het team uit Colombo, Sri Lanka met een dag. Eenmaal ter plaatse brak het team een boor, maar voordat zij de stukken uit hun gat konden vissen, moesten zij inpakken en een ziek bemanningslid naar het noorden richting Mauritius brengen om een helikopter aan land op te halen voor een medische evacuatie. Het schip, de JOIDES Resolution genaamd, keerde na bijna een week afwezigheid terug en moest toen een paar dagen met behulp van een sterke magneet proberen de stukken van hun gebroken boor terug te vinden.

Ze hebben die ontbrekende stukken nooit gevonden. Maar tijdens een laatste wanhopige poging om ze met behulp van een sterk vacuüm op te slurpen, bracht de expeditie misschien wel de grootste brok oceaankorst met de grootste diameter mee die ooit is teruggevonden. De cilinder van donker, grofkorrelig gesteente, gabbro genaamd, heeft een doorsnede van 7 inches, driemaal de normale grootte, en is 20 inches lang.

De beoogde diepte van het team voor deze expeditie was 4.265 voet in de korst, nauwelijks halverwege de mantel. Helaas hadden de boringen op 22 januari slechts een diepte van 2.330 voet onder de zeebodem bereikt.

Tegen de tijd dat dit artikel wordt gepubliceerd, zullen de booroperaties op de Atlantis Bank voor dit deel van het project worden beëindigd. Een tweede, reeds goedgekeurde deel van de missie zou hopelijk de taak te voltooien en aan te boren in de mantel. Maar dat kan nog wel twee tot vijf jaar duren. De concurrentie voor scheepstijd van andere teams die elders in de wereld willen boren, is hevig, zegt Dick.

Het wetenschapsteam zal echter niet met lege handen uit de eerste fase van dit project komen, zegt MacLeod. Het is ook belangrijk om monsters te nemen van de hele aardkorst. “We hebben geen idee wat de samenstelling van de oceaankorst is op welke plaats op aarde dan ook,” zegt Dick. Eerder geboorde gesteenten van de onderkorst op andere diepboringslocaties lijken in niets op wat onderzoekers hadden verwacht, zegt hij.

Het Atlantis Bank project zou een blik werpen op de chemische samenstelling van de onderkorst. En een volledig profiel door de hele laag zou wetenschappers helpen begrijpen hoe magma’s daar chemisch en fysisch worden getransformeerd – inclusief hoe mantelgesteenten kristalliseren en vast komen te zitten aan het onderste oppervlak van de korst.

Als onderzoekers uiteindelijk hun mantelmonster krijgen, kunnen andere teams op het project meeliften met hun eigen experimenten, zegt MacLeod. “Toekomstige expedities kunnen nog jaren instrumenten in het gat laten vallen. Seismologen kunnen bijvoorbeeld sensoren in het kilometers diepe gat sturen en dan rechtstreeks de snelheid meten van de seismische golven die door de aardkorst pulseren, in plaats van ze af te leiden via laboratoriumtests op kleine rotsmonsters. Onderzoekers kunnen ook een reeks temperatuursensoren in het gat laten zakken om de warmtestroom van het inwendige van onze planeet te meten.

Ongetwijfeld zullen de monsters van oceaankorst en mantel die uiteindelijk uit de Atlantis Bank worden opgehaald – evenals de gegevens die uit het achtergelaten gat worden verzameld – geologen en geofysici nog tientallen jaren bezighouden. Maar geduld is een schone zaak, en hun tijd afwachten is wat Dick, MacLeod en hun geofysische broeders al tientallen jaren doen.

Opmerking van de redacteur: Dit artikel is bijgewerkt om de toeschrijving van een seismisch onderzoek van de Atlantis Bank te corrigeren.