Wczesną wiosną 1961 roku grupa geologów rozpoczęła wiercenie otworu w dnie morskim u wybrzeży Pacyfiku w Baja California. Ekspedycja ta, pierwsza w swoim rodzaju, była początkową fazą projektu mającego na celu przebicie się przez skorupę ziemską i dotarcie do leżącego pod nią płaszcza. Nie wiedzieli, że ich wysiłki zostaną wkrótce przyćmione, gdy John F. Kennedy rozpoczął wyścig na Księżyc w maju tego samego roku.

Do końca 1972 roku, po wydaniu miliardów dolarów i dzięki zbiorowemu wysiłkowi tysięcy naukowców i inżynierów, sześć misji Apollo wylądowało na orbitalnym towarzyszu Ziemi i przywiozło do domu ponad 841 funtów księżycowych skał i gleby.

W międzyczasie ziemscy geolodzy, którzy marzyli o uzyskaniu wglądu w wewnętrzne funkcjonowanie Ziemi, zostali pozostawieni z pustymi rękami z pozostałościami różnych programów dzięki cięciom budżetowym.

Od lat sześćdziesiątych naukowcy próbowali wwiercić się w płaszcz Ziemi, ale nie odnieśli jeszcze sukcesu. Niektóre próby zakończyły się niepowodzeniem z powodu problemów technicznych; inne padły ofiarą różnego rodzaju pecha – w tym, jak odkryto po fakcie, wybrania nieodpowiednich miejsc do wiercenia. Niemniej jednak, próby te pokazały, że istnieje technologia i doświadczenie pozwalające na wiercenia w płaszczu. A teraz pierwsza faza najnowszej próby dotarcia do tej ważnej części naszej planety przewierca się przez cienki fragment skorupy oceanicznej w południowo-zachodniej części Oceanu Indyjskiego.

Nie martw się: Kiedy wiertnicy w końcu przebiją płaszcz, gorąca stopiona skała nie popłynie w górę otworu i nie wyleje się na dno morza w erupcji wulkanicznej. Chociaż skały płaszcza płyną, robią to z prędkością zbliżoną do tempa wzrostu paznokcia, mówi Holly Given, geofizyk ze Scripps Institution of Oceanography w San Diego.

Płaszcz jest największą częścią tej planety, którą nazywamy domem, jednak naukowcy wiedzą o nim stosunkowo niewiele dzięki bezpośredniej analizie. Cienka warstwa skorupy, na której żyjemy, stanowi około jednego procenta objętości Ziemi. Wewnętrzne i zewnętrzne jądro – stałe i płynne masy, które składają się głównie z żelaza, niklu i innych gęstych pierwiastków – zajmuje tylko 15 procent objętości planety. Płaszcz, który leży pomiędzy zewnętrznym jądrem a skorupą, stanowi szacunkowo 68 procent masy planety i aż 85 procent jej objętości.

Pomyśl o płaszczu jako o lampie lawowej wielkości planety, w której materiał odbiera ciepło na granicy jądro-skorupa, staje się mniej gęsty i wznosi się w wypornych pióropuszach do dolnej krawędzi skorupy ziemskiej, a następnie płynie wzdłuż tego stropu, aż ochłodzi się i opadnie z powrotem w kierunku jądra. Cyrkulacja w płaszczu jest wyjątkowo powolna: Według jednego z szacunków, podróż w obie strony od skorupy do jądra i z powrotem może trwać aż 2 miliardy lat.

Uzyskanie dziewiczego kawałka płaszcza jest ważne, ponieważ pomogłoby naukowcom planetarnym lepiej ustalić surowce, z których Ziemia akreowała, gdy nasz Układ Słoneczny był młody. “Byłaby to prawda o tym, z czego zbudowany jest świat” – mówi Given. Jego skład dostarczyłby również wskazówek na temat tego, jak Ziemia początkowo uformowała się i jak ewoluowała w wielowarstwowy orbital, który zamieszkujemy dzisiaj, mówi.

Naukowcy mogą wnioskować wiele o płaszczu, nawet bez próbki. Prędkości i ścieżki generowanych przez trzęsienia ziemi fal sejsmicznych przechodzących przez planetę dostarczają informacji na temat gęstości, lepkości i ogólnych cech płaszcza, a także tego, jak te właściwości różnią się w zależności od miejsca. Podobnie jest z tempem, w którym skorupa ziemska sprężynuje w górę po tym, jak została obciążona przez masywne pokrywy lodowe, które niedawno (w kategoriach geologicznych) stopiły się.

Pomiary pól magnetycznych i grawitacyjnych naszej planety dają jeszcze więcej informacji, zawężając rodzaje minerałów, które można znaleźć w głębi, mówi Walter Munk, fizyczny oceanograf w Scripps. Ten 98-letni obecnie naukowiec należał do małej grupy badaczy, którzy jako pierwsi wpadli na pomysł wiercenia w płaszczu w 1957 roku. Ale te pośrednie metody mogą powiedzieć naukowcowi tylko tyle, zauważa. “Nie ma substytutu dla posiadania w rękach kawałka tego, co chcesz przeanalizować”.

Badacze mają próbki płaszcza w rękach, ale nie są one nieskazitelne. Niektóre z nich to kawałki skał wyniesione na powierzchnię Ziemi przez wybuchające wulkany. Inne zostały wyrzucone w górę przez zderzenia płyt tektonicznych. Jeszcze inne wzniosły się na dno morskie wzdłuż wolno rozprzestrzeniających się grzbietów śródoceanicznych, twierdzą geolodzy Henry Dick i Chris MacLeod. Dick, z Woods Hole Oceanographic Institution w Massachusetts, i MacLeod, z Cardiff University w Walii, są współprzewodniczącymi ekspedycji głębokiego wiercenia, która właśnie kończy się w południowo-zachodniej części Oceanu Indyjskiego.

Wszystkie obecne próbki płaszcza zostały zmienione przez procesy, które przyniosły je na powierzchnię Ziemi, wystawione na działanie atmosfery lub zanurzone w wodzie morskiej przez dłuższy czas – prawdopodobnie wszystkie z powyższych. Te próbki płaszcza wystawione na działanie powietrza i wody prawdopodobnie utraciły niektóre z ich łatwiej rozpuszczalnych pierwotnych pierwiastków chemicznych.

Stąd wielkie pragnienie uzyskania nieskażonego kawałka płaszcza, mówi Dick. Po uzyskaniu próbki naukowcy mogliby przeanalizować jej ogólny skład chemiczny, jak również mineralogię, ocenić gęstość skały i określić, jak łatwo przewodzi ona ciepło i fale sejsmiczne. Wyniki mogłyby zostać porównane z wartościami wywnioskowanymi z pomiarów pośrednich, potwierdzając lub podważając te techniki.

Wiercenie aż do płaszcza pozwoliłoby geologom przyjrzeć się temu, co nazywają nieciągłością Mohorovičića, w skrócie Moho. Powyżej tej tajemniczej strefy, nazwanej tak na cześć chorwackiego sejsmologa, który odkrył ją w 1909 r., fale sejsmiczne poruszają się z prędkością około 4,3 mil na sekundę, co jest zgodne z prędkością, z jaką fale podróżują przez bazalt, czyli schłodzoną lawę. Poniżej Moho fale poruszają się z prędkością około 5 mil na sekundę, podobną do tej, z jaką przemieszczają się przez ubogą w krzemionkę skałę zwaną perydotytem. Moho zazwyczaj leży od 3 do 6 mil pod dnem oceanu i od 12 do 56 mil pod kontynentami.

Strefa ta od dawna uważana jest za granicę skorupa-skorupa, gdzie materiał stopniowo stygnie i przykleja się do skorupy. Jednak niektóre badania laboratoryjne sugerują, że możliwe jest, iż Moho reprezentuje strefę, w której woda przesączająca się w dół z leżącej nad nią skorupy reaguje z perydotytami płaszcza, tworząc rodzaj minerału zwanego serpentynem. Ta możliwość jest ekscytująca, sugerują Dick i MacLeod. Reakcje geochemiczne, w wyniku których powstaje serpentynit, produkują również wodór, który może następnie reagować z wodą morską w celu wytworzenia metanu, źródła energii dla niektórych rodzajów bakterii. Albo, zauważają badacze, Moho może być czymś zupełnie innym, nieznanym nauce.

Kluczem do odkrycia tajemnic płaszcza jest znalezienie odpowiedniego miejsca, w którym można wiercić. Materiał płaszcza wznosi się na dno oceanu na grzbietach śródoceanicznych, gdzie płyty tektoniczne powoli rozsuwają się. Ale takie próbki po prostu nie wystarczą. Przebicie się przez kilka mil skorupy pod dnem oceanu znacznie zmienia materiał, sprawiając, że próbka płaszcza nie jest reprezentatywna dla tego, co znajduje się w głębi Ziemi. Wiercenie głębiej w jednym z takich grzbietów jest również problematyczne, mówi Dick. “Na grzbietach oceanicznych lub ich bezpośrednich bokach, skorupa jest zbyt gorąca, aby wiercić dalej niż jeden lub dwa kilometry.”

Więc on i jego koledzy wiercą w miejscu w południowo-zachodniej części Oceanu Indyjskiego zwanym Atlantis Bank, które leży około 808 mil na południowy wschód od Madagaskaru. Jak mówi Dick, wiele czynników sprawia, że jest to doskonałe miejsce do wierceń dla ekspedycji.

Po pierwsze, ten skrawek dna morskiego wielkości Denver leży na skorupie oceanicznej, która ma około 11 milionów lat, co sprawia, że jest wystarczająco chłodna, by można się w nią wwiercić. Po drugie, szczyt ławicy to płaskowyż o powierzchni 9,7 mil kwadratowych, który znajduje się w odległości 2300 stóp od powierzchni oceanu. To sprawia, że opukiwanie dna oceanu w tym miejscu, w przeciwieństwie do pobliskiego dna morskiego o głębokości 3,7 mil, nie stanowi żadnego problemu. Silne prądy oceaniczne w tym rejonie powstrzymują osady przed gromadzeniem się na dnie morskim, dzięki czemu skorupa ziemska pozostaje tam w dużej mierze odsłonięta. Jest ona również stosunkowo cienka – poprzednie badania sejsmiczne tego obszaru wykazały, że skorupa ma tam grubość zaledwie 1,6 mili.

Co więcej, skorupa oceaniczna pod Atlantis Bank uformowała się na odcinku grzbietu śródoceanicznego, gdzie górne warstwy rodzącej się skorupy rozprzestrzeniły się w jednym kierunku od szczeliny, podczas gdy dolne warstwy przesunęły się w drugim. Naukowcy nie są jeszcze pewni, jak i dlaczego do tego doszło. Jednak dzięki temu tak zwanemu asymetrycznemu rozprzestrzenianiu się, które prawdopodobnie występuje w znacznej części grzbietów śródoceanicznych na świecie, Atlantis Bank nie jest pokryty kruchymi warstwami górnej skorupy, które mogą się roztrzaskać i wpaść do otworu podczas wiercenia – mówi Dick. Takie odłamki mogą uszkodzić wiertło lub spowodować jego zatarcie, jak również utrudnić wypłukiwanie mniejszych kawałków skał i błota z otworu.

Pomimo korzyści płynących z wiercenia na Atlantis Bank, ekspedycja doświadczyła niepowodzeń typowych dla wielu projektów wiercenia w oceanie. Problemy z załadunkiem statku opóźniły wyjazd zespołu z Colombo na Sri Lance o jeden dzień. Po dotarciu na miejsce zespół złamał wiertło, ale zanim zdołał wyłowić jego fragmenty z otworu, musiał się spakować i zabrać chorego członka załogi na północ w kierunku Mauritiusa, aby spotkać się z lądowym helikopterem w celu ewakuacji medycznej. Statek, nazwany JOIDES Resolution, powrócił po prawie tygodniowej nieobecności, a następnie musiał spędzić kilka dni używając silnego magnesu, aby spróbować odzyskać kawałki złamanego wiertła.

Nigdy nie znaleźli tych brakujących kawałków. Ale podczas ostatniego wysiłku przy użyciu silnej próżni, aby spróbować i wessać je, ekspedycja przyniosła z powrotem, co może być największą średnicę kawałek skorupy oceanicznej kiedykolwiek odzyskane. Cylinder ciemnej, gruboziarnistej skały, zwanej gabro, ma 7 cali średnicy – trzy razy więcej niż normalny rozmiar – i 20 cali długości.

Głębokość docelowa zespołu dla tej ekspedycji wynosiła 4,265 stóp w głąb skorupy, ledwie w połowie drogi do płaszcza. Niestety, do 22 stycznia wiercenia osiągnęły głębokość jedynie 2 330 stóp pod dnem morza.

W chwili publikacji tego artykułu, operacje wiertnicze w Atlantis Bank w tej części projektu zostaną zakończone. Drugi, już zatwierdzony etap misji, ma nadzieję zakończyć to zadanie i dotrzeć do płaszcza. Może to jednak nastąpić za dwa do pięciu lat. Konkurencja o czas na statku ze strony innych zespołów, które chcą wiercić w innych częściach świata, jest ostra, mówi Dick.

Zespół naukowy nie wyjdzie z pierwszej fazy tego projektu z pustymi rękami, mówi MacLeod. Odzyskanie próbek z całej skorupy ziemskiej jest również ważne. “Nie mamy pojęcia, jaki jest masowy skład skorupy oceanicznej w każdym miejscu na kuli ziemskiej” – mówi Dick. Jak mówi, skały dolnej skorupy, wydobyte wcześniej z innych miejsc głębokich wierceń, w niczym nie przypominały tego, czego spodziewali się badacze.

Projekt Atlantis Bank zapewni spojrzenie na skład chemiczny dolnej skorupy. A pełny profil przez całą warstwę pomógłby naukowcom zrozumieć, jak magmy są tam chemicznie i fizycznie przekształcane – w tym jak skały płaszcza krystalizują się i przylegają do dolnej powierzchni skorupy.

Gdy naukowcy w końcu dostaną swoją próbkę płaszcza, inne zespoły mogą wykorzystać ten projekt do własnych eksperymentów, mówi MacLeod. “Przyszłe ekspedycje mogą zrzucać instrumenty w dół otworu przez wiele lat”. Na przykład sejsmolodzy mogą wysyłać czujniki do głębokiego na milę otworu, a następnie bezpośrednio mierzyć prędkości fal sejsmicznych pulsujących w skorupie ziemskiej, zamiast wnioskować o nich za pomocą testów laboratoryjnych na małych próbkach skał. Naukowcy mogą również opuścić ciąg czujników temperatury do otworu, aby zmierzyć przepływ ciepła z wnętrza naszej planety.

Niewątpliwie próbki skorupy oceanicznej i płaszcza ostatecznie wydobyte z Atlantis Bank – jak również dane zebrane z otworu pozostawionego za nim – będą trzymać geologów i geofizyków zajętych przez kolejne dziesięciolecia. Ale cierpliwość jest cnotą, a czekanie na czas jest tym, co Dick, MacLeod i ich geofizyczni bracia robią od dziesięcioleci.

Uwaga redaktora: Ten artykuł został zaktualizowany, aby poprawić przypisanie badań sejsmicznych Atlantis Bank.