Kola Superdype borehull

Hundretusener av borehull er blitt boret i jordskorpen i løpet av de siste ti årene av 20-hundretallet. Dette er ikke noe rart ettersom prospektering og utvinning av mineralressurser i våre dager er knyttet til dyp boring. Blant disse borehullene finnes det dypeste hull i hele verden - det legendariske Kola superdype (SD). Hullets dybde har vært uovertruffent og utgjør over 12 kilometer. I tillegg er SD ett av de få hull som ble boret ikke for utvinningen av råstoff, men til rent forskningsformål, nemlig å undersøke de eldste bergartene og forstå de hemmelige prosessene som foregår i kloden.
I dag er det ingen boring på Kola Superdype, den ble stanset i 1992. SD var ikke det første og eneste borehull egnet til forskning av jordens struktur. I utlandet har tre borehull nådd fra 9,1 til 9,6 km. Målet var at ett av dem (i Tyskland) ville overskride Kola Superdype borehull, men i likhet med SD ble boringen på alle de tre hullene stanset på grunn av flere uhell og kan ennå ikke gjenopptas av tekniske årsaker.
Boring av superdype hull kan sammenliknes med romfart, med en langvarig ekspedisjon til andre planeter. Steinprøvene trukket ut fra jordens indre er ikke av mindre interesse enn prøvene av månegrus. Grusen levert av den sovjetiske månevognen ble undersøkt ved forskjellige institutter, bl.a. på Kola Vitenskapelige Senter. Det visste seg at grusen nesten er identisk med bergartene trukket ut fra Kola borehull på 3 kilometers dybde.

Stedsvalg og prognose
Det ble arrangert en spesiell geologisk ekspedisjon for boringens formål og boringsstedet er selvsagt ikke valgt tilfeldig: det ligger på det Baltiske skjold ved Kolahalvøya. Her kommer opp til jordens overflate de eldste eruptive bergarter, over 3 milliarder år gamle (mens jorden selv er bare 4,5 milliarder år gammel). Det var spennende å bore i de eldste eruptive bergarter. Sedimentære bergarter ned til 8 kilometers dybde er nokså godt undersøkt ved oljeutvinning, mens eruptive arter vanligvis trekkes ut bare fra 1-2 kilometers dybde ved utvinningen. Det var en faktor til som bidro til stedsvalget: her finnes Petsjenga krumning - en svær skåleformet struktur som er liksom trykket inn i gamle bergarter. Årsaken til strukturen er knyttet til dypbrudd. Og det er her det finnes store kopper- og nikkelforekomster. Blant formålene til Kola geologiske ekspedisjon var å finne en rekke særegenskaper ved geologiske prosesser og fenomener, bl.a. malmdannelse, å definere naturen til grensene mellom lagene i jordskorpen, og å samle data om bergartenes innhold og fysiske tilstand.
Før boringen startet var det bygget et snitt i jordskorpen basert på seismologiske data. Den fungerte som prognose for jordlagene som borehullet gikk gjennom. Det forutsattes at det ligger granitt ned til 5 kilometers dybde og videre forventet man mer solide og eldre basaltarter.
Det ble altså valgt den nordvestlige delen av Kolahalvøya, 10 km fra Zapoljarnyj by ikke langt fra norskegrensen.

Boringens historie
Boringen startet i 1970. Graving til dybden på 7263 m tok 4 år. Den foregikk med en vanlig borerigg som ved olje- og gassboring. Boretårnet måtte dekkes med trepaneler helt til toppen på grunn av stadig vind og kulde. Ellers ble det umulig å arbeide for den som sto oppe under heising av borestrengen.
Etterpå ble det ett års pause på grunn av at et nytt tårn ble bygget og en spesiell borerigg (Uralmasj- 15000) montert. Det var den som ble brukt til videre superdyp boring. Det nye anlegget var utrustet med kraftigere automatisert utstyr. Man brukte turbinboring - det er når borestrengen står stille og bare borekronen roterer. Boreslamming ble pumpet med høyt trykk ned gjennom borestrengen og roterte en turbin med flere trinn. Turbinens totale lengde er 46 m. Den krones med en ringformet borekrone med diameter på 214mm, og i midten blir det dermed igjen en pæle av bergart som ikke er gjennomboret - en kjerne med 60mm diameter. Gjennom alle seksjonene i turbinen går det et rør - kjernemottaker der alle pælene av bergarten blir samlet. Den gjennomborete bergarten sammen med boreslamming kommer ut på overflaten.
Borestrengen sammen med boreslammingen senket i hullet veier ca. 200 tonn på tross av at det ble brukt spesielle rør av lette legeringer. Om borestrengen var laget av vanlige stålrør, ville den sprenges av egen vekt.
Det var mange og ofte helt uventete vanskeligheter mens man boret på store dybder og plukket opp kjerne.
En føring som defineres av hvor fort borekronen blir utslitt utgjør vanligvis 7-10 m. (En boresyklus inkluderer senking av borestreng, selve boringen og full heising av borestrengen). Selve boringen tar 4 timer. Å senke og så trekke opp borestrengen tar 18 timer. Ved heising av borestrengen demonteres den automatisk til flere seksjoner som er 33 m lange. Man klarte å bore gjennomsnittlig 60 m per måned. For å føre siste 5 km av borehullet brukte man 50 km rør. Så fort ble de utslitt.
Til ca. 7 kilometers dybde gikk borehullet gjennom solide, forholdsvis homogene bergarter, og derfor var sjakten jevn og tilsvarte nesten borekronens diameter. Arbeidet pågikk nokså rolig. Men på 7 km dybde kom det mykere og oppsprukne bergarter med små lag av solide bergarter - gneis og amfibolitt. Boringen ble vanskeligere. Sjakten fikk oval form, det oppsto masse hulrom. Uhellene begynte å skje oftere.
På bildet vises den opprinnelige prognosen av det geologiske snittet, og den som man fikk ved boringen. Det er verdt a merke seg at lagene i borehullet ligger i vinkel på 50 grader. Slik er det at bergartene fra hullet kommer opp på overflaten. I forbindelse med dette må vi huske oppsamlingene av geolog Ju. Smirnov. På den ene siden hadde han steinprøvene fra borehullet, på den andre - steinprøvene tatt fra overflaten på avstanden fra tårnet, der det tilsvarende laget kommer opp. Bergartene faller nesten fullstendig sammen.
I 1983 ble det satt rekord som ennå ikke er overtruffet: boredybden gikk over 12 km. Arbeidet ble midlertidig stoppet.
27. september 1984 er "den svarte dagen" i borehullets historie. Det skjedde et brudd og i borehullet ble både borestrengen og 5 km rør igjen…
I sju måneder forsøkte man å trekke dem opp igjen. Man mistet ikke bare 5 km rør, men også fem års arbeid.
Så stoppet man alle forsøk på å få igjen det som gikk tapt og startet boringen på nytt fra 7km dybde. Man kan si at det er etter 7 km at geologiske forhold blir ekstra vanskelige. Og fra 10 kilometers dybde blir de enda vanskeligere. Derfor forventes uhell hvert øyeblikk. Man forbereder seg til dem. Forebygger eliminasjonstiltak. Det typisk vanskelige uhell er brudd på borestrengen med en del borerør. Hovedmåte å eliminere problemet på er å bygge en avsats litt over den tapte delen og begynne boringen på nytt derfra. Til sammen ble det boret 12 slike omveissjakter. Fire av dem var fra 2200 til 5000 m lange. Prisen for slike uhell er årevis av tapt arbeid.
Etter det største uhellet i 1984 nådde man 12 km først 6 år senere. I 1990 nådde man det dypeste punktet - 12 262 m. Etter enda flere uhell ble man overbevist om at man ikke kan gå dypere. All mulig moderne teknikk ble benyttet. Det syntes som om jorden selv ikke ville åpne sine hemmeligheter. Boringen ble stoppet i 1992.

Forskningen. Formål og metoder.
Ett av de viktigste formålene ved boringen var å få kjerne med steinprøver fra hele hullets lengde. Og formålet ble nådd. Verdens lengste kjerne ble plassert på meterstokk og lagt inn i bokser. Oppå boksene sto nummeret på boksen og nummeret på prøvene. Totalt ligger det nesten 900 bokser på lageret.
Nå sto det igjen å forske på kjernen som var uunnværlig for å definere bergartens struktur, innhold, egenskaper og alder.
Men steinprøvene trukket opp har andre egenskaper enn de har i massivet. Her oppe er den fri fra svære mekaniske spenninger som finnes nede i dybden. Ved boringen sprakk den opp, ble gjennomtrukket av boreslam. Hvis man gjenskaper forholdene som er i dybden i et spesielt kammer så er det uansett forskjell mellom prøvens parametrer i kammeret og inne i massivet. Og et lite problem til: hver 100 m av boret hull gir ikke 100m kjerne. På SD utgjorde ytelsen av kjernen bare ca. 30 % på dybdene over 5 km, mens fra 9 kilometers dybde kom det ofte bare enkelte plater 2-3 cm tykke som tilsvarte de mest harde lagene.
Altså kjernen som ble trukket opp fra det superdype borehullet gir ikke full informasjon om dypbergartene.
Hullene ble boret med vitenskapelige formål, derfor brukte man hele komplekset av moderne forskningsmetoder. Bortsett fra opptrekking av kjernen undersøkte man bergartenes egenskaper i deres naturlige leiested. Den tekniske tilstanden av borehullet ble hele tiden kontrollert. Temperatur, naturlig radioaktivitet - gammastråler, rettet radioaktivitet etter impuls nøytronbestråling, elektriske og magnetiske egenskaper av bergarter, utbredelses hastighet av elastiske bølger, og innhold av gasser i borehullets væske ble målt langs hele sjakten.
Til dybden på 7 km ble nådd ble det brukt serieproduserte utstyr. Arbeidet på større dybder krevde spesielle varme- og trykkfaste instrumenter. Spesielt vanskelig ble det på siste boringstrinn, da temperaturen i borehullet nærmet seg 200оС og trykket oversteg 1000 atmosfærer.
Kort sagt ble borehullet undersøkt nokså nøye langs hele dybden. Man klarte å bygge en detaljert litologisk kolonne og vise bergartenes rekkefølge og egenskaper.

Resultatene
Formålene satt i prosjektet superdyp boring er nådd. Det er utarbeidet og laget spesielt utstyr og teknologi for superdyp boring, samt for å forske ekstra dype borehull. Det er fått informasjon om bergartenes fysisk tilstand, egenskaper og struktur i deres naturlige leiested, og om kjernen ned til 12 262 m.
Den geologiske prognosen av borehullet ble ikke som forventet. Borehullet viste at nesten all vår kunnskap om jordskorpens struktur er feil. Boringen på Kola har tvilsatt teorien om at jordskorpen er bygget opp av lag i hvert fall ned til 12 262 meter. Den klassiske modellen var slik: det finnes unge bergarter, granitter, basalter, mantelen og kjernen. Men granitten lå 3 km dypere enn beregnet. Videre skulle det ligge basalt. Men det ble ikke funnet i det hele tatt ned til 12km dybde.
Man forventet at grensen som gjenspeiles best ved seismisk sondering er laget der granitten overgår i et mer solid basaltlag. I virkeligheten visste det seg at der ligger det mindre harde og tette bergarter som arkeikum gneis. Dette var helt uventet. Og dette er en helt ny geologisk og geofysisk informasjon som gjør det mulig å tolke data fra dype geofysiske undersøkelser på en helt annen måte.
Hele boringen foregikk i granittlaget. Og dette er en utrolig viktig oppdagelse fordi all vår kunnskap om hvordan mineralressursene ble dannet og hvor de befinner seg er knyttet til teorien om at jordskorpen består av lag.
En overraskelse til: det viste seg at livet på Jorden oppstod 1,5 milliarder år tidligere enn før antatt. På dybdene der man trodde det ikke var noe organisk ble det oppdaget 14 arter fossile mikroorganismer, og alderen på lagene oversteg 2,8 milliarder år. På enda større dybdene der det ikke finnes sedimentære bergarter ble det oppdaget metan i store konsentrasjoner. Dette har fullstendig ødelagt teorien om at karbohydrater som olje og gass har biologisk opprinnelse.
Overraskende og helt ny var også informasjonen om malmdannelsen i jordskorpens dype lag. For eksempel på 9-12 km dybde kom man på porøse oppsprukne bergarter mettet med mineralisert vann. Og vannet er en av kildene til malmdannelse. Før ble det antatt at noe slikt var mulig bare på mindre dybder. Det var i dette mellomrommet at størst innhold av gull ble oppdaget - opp til 1g per 1 tonn bergart (konsentrasjon som ansees som passende for produksjon). Men vil det noen gang bli gunstig å utvinne gull på sånne dybder?

Etterord
Med Sovjet Unionens oppløsning ble det slutt på finansieringen av arbeidet på Kola superdype borehull. Men der finnes fremdeles mennesker som tror på at arbeidet kommer til å bli gjenopptatt på et høyere kvalitetsmessig nivå.