Een loodlijn door de aardkorst

George Beekman

Duitse geofysici boren in Noord-Beieren een gat van zo'n tien kilometer diepte. Het experiment wekt grote wetenschappelijke belangstelling en trekt honderduizenden toeristen. Op zoek naar de Europese platentektoniek van meer dan 300 miljoen jaar geleden

Ongeveer 300 tot 350 miljoen jaar geleden botsten in wat nu Midden-Europa heet twee op de aardmantel drijvende schollen tegen elkaar. Hoewel de ontmoeting zeer rustig verliep, met een snelheid van slechts enkele centimeters per jaar, waren de gevolgen ingrijpend. Stukken korst schoven over elkaar heen, zodat gesteenten vervormden en veranderden, diepliggende korst naar het oppervlak kwam en gebergten werden gecreëerd. Tevens verdween toen een oude Middeneuropese oceaan, Paleotethys geheten, die Europa van Afrika scheidde.

Nu wordt in het geologisch meest interessante deel van dit gebied, in de Oberpfaltz in het noorden van Beieren, door Duitse onderzoekers een diep gat in de aardkorst geboord. Doel is het verkrijgen van een beter inzicht in de chemische en fysische samenstelling van de korst op grote diepte en van de processen die Midden-Europa hebben gemaakt tot wat het nu is. Want al klinkt de bovenstaande samenvatting heel volledig, van de details is nog weinig bekend.

Uit gesteenten die men aan het aardoppervlak ziet, seismische trillingen die door de aardkorst bewegen (van aardbevingen of kunstmatige explosies) en geringe veranderingen in de sterkte van de zwaartekracht en het magnetische veld, kan men veel over de diepere korst afleiden. Maar pas door boringen kan worden uitgemaakt in hoeverre deze waarneembare verschijnselen de situatie in de diepte weerspiegelen.

De boring vindt plaats bij Windischeschenbach, een stadje van ruim zesduizend inwoners in het noorden van Beieren. Het is sinds lang bekend om haar Eschenbach-porselein en om enkele omringende natuurparken. Maar tegenwoordig staat het vooral sterk in de belangstelling door de boring, die wereldwijd grote bewondering oogst. Het is namelijk geen sinecure om in korte tijd in verraderlijk, heet gesteente een kaarsrecht gat tot 10.000 meter diepte te boren.

Het porseleinstadje is inmiddels door de aardboring door meer dan een half miljoen toeristen bezocht. De boorlokatie is aangegeven op de nieuwste kaart nummer 17 van de Duitse General Karte en op het etiket van flesjes lokaal gebrouwen bier prijkt nu achter de kerk een boortoren. De top van deze boortoren is inderdaad vanaf het stadje te zien, maar het vereist een wandeling van drie kwartier om hem in zijn volle glorie te aanschouwen.

"Met zijn hoogte van 83 meter is dit de hoogste boortoren ter wereld voor landboringen', zegt Wolfgang Dorn, leider van het onderzoeks- en informatiebureau. Hij verontschuldigt zich voor de chaos in zijn kantoor, er wordt 24 uur per etmaal gewerkt en onder een flinke druk. Eind 1994 moet een diepte van 10.000 meter zijn bereikt, zodat nu nog 1900 meter is te gaan.

Verschuiving

Al enkele decennia bestuderen geofysici de diepere delen van de aardkorst. Aanvankelijk betrof het vooral de korst onder oceanen, omdat die interessante informatie oplevert over het verschijnsel van de verschuiving der continenten. Deze ontstaat door langzame bewegingen in de onderliggende, halfvloeibare mantel. Op sommige plaatsen komt dit materiaal aan het aardoppervlak, zodat oceaanbodemkorst ontstaat. Op andere plaatsen verdwijnt deze oceanische korst in de diepte.


Zeer succesvol bij dit onderzoek was het Amerikaanse boorschip Glomar Challenger en is haar opvolger, de Joides Resolution. Dit schip wordt nu gebruikt voor het internationale oceanische diepboorprogramma, het Ocean Drilling Program, waaraan ook Duitsland meewerkt. Dit land levert verder bijdragen aan het oceaan(bodem)onderzoek met eigen onderzoekschepen als Meteor, Polar Stern en Poseidon.

De korst van de oceaanbodem wordt, omdat zij steeds weer verdwijnt, maximaal zo'n 200 miljoen jaar oud. De korst onder de continenten neemt echter niet aan deze kringloop deel, is daardoor veel ouder en bovendien qua opbouw veel gecompliceerder. Zij bevat informatie over geologische processen die zich in een verder verleden afspeelden. Onder andere om die reden is sinds het einde van de jaren zeventig ook het onderzoek aan de continentale korst sterk in opkomst.

Het boren van diepe gaten in de aardkorst is op zichzelf niets nieuws. Aan het einde van de vorige eeuw werden tijdens het zoeken naar zout, ijzererts en steenkool al diepten van 2000 meter bereikt. Volgens internationale afspraak spreekt men bij een diepte van meer dan 4500 meter van een "diepe' boring. Deze grens werd in de jaren dertig gepasseerd. In de jaren zeventig kwam men tijdens het zoeken naar aardolie en aardgas in het gebied van de 9000 meter.

Het doel van het Kontinentales Tiefbohrprogramm (KTB) is niet het vestigen van een nieuw record. De toenmalige minister van onderzoek en technologie, Heinz Riesenhuber, die in september 1990 het officiële startsein voor de boring gaf, zei: "Wij willen de wetenschappelijk interessantste boring, niet het diepste gat'. Dat laatste zal echter ook niet meer lukken. Russische onderzoekers zijn op het schiereiland Kola na bijna twintig jaar boren al voorbij de 12.360 meter, zij het met enorm veel pijn en moeite (en roebels). Deze boring, in een heel ander en koeler geologisch gebied, was bovendien uitsluitend bedoeld voor het zoeken naar delfstoffen.

Het KTB is het eerste Duitse Groprojekt op het gebied van geofysisch onderzoek. Het wordt gefinancierd door het Bondsministerie voor Onderzoek en Technologie (BMFT), die voor de periode tot eind 1994 een bedrag van 528 miljoen DM ter beschikking heeft gesteld. Het wetenschappelijke deel wordt geleid door de Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) en de algehele leiding berust bij het Niedersächsische Landesamt für Bodenforschung in Hannover.

In september 1987 werd begonnen met een proefboring: een gat met een diameter van slechts 15 cm. "Doel hiervan was de verkenning van de eerste paar kilometer van het gebied, het vaststellen van moeilijke geologische lagen en het testen van nieuwe boor- en meettechnieken', vertelt Dorn. "Bovendien werden continu boorkernen opgehaald, aangezien dit tijdens het eerste deel van de hoofdboring door de grote diameter van het gat vrijwel niet mogelijk zou zijn'.

De proefboring werd in april 1989, na het bereiken van een diepte van 4000,1 meter, beëindigd. Eén van de grootste verrassingen was dat de temperatuur op die diepte, 118 8C, veel hoger dan was verwacht. Dit betekende dat men de geplande diepte van 14.000 meter voor de hoofboring niet zou kunnen halen. De meetapparatuur kan slechts functioneren tot een temperatuur van ongeveer 300 8C en die wordt nu op een diepte van 10 tot 12 km verwacht.

Het in het boorgat gemeten temperatuurverloop toonde aan dat de bovenste 500 meter van de aardkorst hier blijkbaar door grondwater sterker wordt gekoeld dan men had gedacht, zodat de gemeten temperaturen daar systematisch te laag zijn. Bovendien waren er aanwijzingen dat er méér warmte uit de aardmantel komt dan men had verondersteld. Waarschijnlijk hangt dit samen met vulkanische processen in de jongste geologische periode in dit gebied.

De hoofdboring, die in oktober 1990 op tweehonderd meter van het gat van de proefboring van start ging, vindt plaats met een speciaal voor dit ambitieuze project ontwikkelde boortoren. Hij is 83 meter hoog, heeft een takelblok met een hefvermogen van 800 ton en kan stukken boorstang hanteren die 40 meter lang zijn (samengeschroefd uit drie delen). De toren is gebouwd door een consortium van Duitse boorbedrijven, de Ultratief-Bohrgesellschaft (UTB).

Via de 14 cm dikke boorstang wordt de boorbeitel in het gat neergelaten. De beitel wordt door de boorstang met een kracht van 5 tot 20 ton op het gesteente gedrukt en draait met een snelheid van 60 tot 120 omwentelingen per minuut rond. Gemiddeld wordt één tot twee meter per uur geboord. Tot nu toe, na 8100 meter, heeft men ongeveer 180 boorbeitels versleten, wat betekent dat een beitel gemiddeld 45 meter mee gaat (maar dit hangt sterk af van het gesteente).

Draaitafel

Is een boorbeitel versleten, dan moet hij worden vernieuwd. Acht kilometer boorstang moet dan worden opgehaald, uit elkaar geschroefd en weggezet, om vervolgens via de omgekeerde weg met een nieuwe beitel in het gat te worden neerlaten. Om dit werk te versnellen is voor het KTB-project een automatische pipe handler gebouwd: een 53 meter hoge robot die de opgehaalde boorstang-buizen losschroeft en wegzet, of weer boven de draaitafel hangt en aan elkaar schroeft.

Volgens Dorn is dit de eerste robot die bij landboringen wordt gebruikt. "Verder wordt hij alleen nog toegepast in de modernste boorinstallaties op de Noordzee'. Voor het ophalen en neerlaten van de nu 8100 meter lange en 320 ton zware boorstang heeft de robot, die vanaf het boorplatform nauwlettend wordt gevolgd, bijna 20 uur nodig.

Tijdens de boring worden verschillende soorten beitels gebruikt, al naar gelang de diameter van het gat en het doel. Sommige verbrijzelen het gesteente over de volledige diameter van het gat, terwijl andere alleen de buitenste rand wegfrezen. Het "mooiste' boorgat levert de diamantbeitel, die een rand met nokken van hardmetaal en diamantsplinters heeft.

"In het centrum van deze beitel groeit een zuil van gesteente, de boorkern, die doorloopt in de holle boorstang', legt Dorn uit. "Bij een lengte van zes meter wordt die kern met behulp van een klemmechanisme losgetrokken en met boor en al opgehaald'. Ook het nemen van boorkernen is dus een tijdrovende bezigheid, vandaar dat dit alleen gebeurt op diepten die geologisch het meest interessant zijn.

Boorspoeling

Waar geboord wordt, moet ook worden gekoeld en gespoeld. Naast de boortoren bevinden zich daarom enorme opslagtanks met boorspoeling. Deze wordt door de boorstang naar beneden gepompt, treedt dan via openingen in de boorbeitel naar buiten, om vervolgens in de nauwe ruimte tussen boorstang en boorgat weer naar boven te komen. In de omgeving van de tanks hangt een zoetige, klei-achtige geur.

Dorn: "Geen enkele andere technische vloeistof heeft zoveel taken te vervullen als deze boorspoeling. Hij dient niet alleen voor het koelen van de boorbeitel, het naar boven brengen van het boorgruis, het smeren van de boorstang en het stabiel houden van het boorgat, maar ook voor het in onveranderde vorm mee naar boven brengen van de in de diepte in het gat sijpelende vloeistoffen en gassen'.

Dorn schudt met een flesje boorvloeistof om te laten zien aan wat voor eisen die nog meer moet voldoen. Tijdens het schudden gedraagt de vloeistof zich als water, maar daarna wordt het weer een dikke gelei. Deze eigenschap heet thixotropie. Het betekent dat de spoeling goed kan worden verpompt, maar dat bij stilstand (bijvoorbeeld tijdens het ophalen of neerlaten van de boorstang) de deeltjes die er in zitten op hun plaats blijven. Deze kunnen niet naar beneden zakken, om zich op de bodem van het gat op te hopen.

Verder moet de vloeistof chemisch zo inert (niet-reactief) mogelijk zijn en bestand tegen temperaturen van 250 tot 300 8C. Om aan al deze eisen te kunnen voldoen werd voor dit project een speciale spoelvloeistof ontwikkeld, Dehydril HT. Het is een collodale oplossing van 1 procent van een kunstmatig kleimineraal en 1,5 procent van een speciale kunststof in water. Deze spoeling blijkt zo goed te voldoen dat hij inmiddels al bij vele boorprojecten wordt gebruikt.

Twee pompen met een vermogen van elk 1240 kilowatt pompen iedere minuut 1000 tot 4000 liter (afhankelijk van de gatdiameter) boorspoeling in een gesloten systeem rond. Boven de grond wordt de spoeling door middel van trilzeven, centrifuges en ontgassingsinrichtingen gezuiverd, zodat zij steeds opnieuw kan worden gebruikt. Bij een diepte van 8000 meter is ongeveer 800 kubieke meter spoeling in omloop.

Kaarsrecht

Waar deze boring echter het hoogst mee scoort is het feit dat het gat tot nu toe letterlijk kaarsrecht is. Dorn: "Dit werd vanaf het begin van het project ook gezien als een eerste vereiste voor het bereiken van een grote diepte. Sterke krommingen veroorzaken enorme buigkrachten in de boorstang en wrijvingen tussen gatwand en stang, waardoor deze laatste kan afbreken. Ook het ophalen en neerlaten van de boorstang, het aanbrengen van bekledingsbuizen en andere werkzaamheden zijn bij een gekromd boorgat veel moeilijker'.

Door de variërende hardheid en scheve ligging van gesteentelagen wijkt een boorbeitel normaliter steeds van de vertikaal af: de boor zoekt de weg van de minste weerstand. Bij de Russische Kola-boring werd de kromming van het gat zo groot, tot 308, dat men vanaf een diepte van 9600 meter opnieuw moest beginnen. Ook het tweede gat volgt echter weer een flinke bocht, zodat het de vraag is hoe ver men nog zal kunnen gaan.

Voor het Duitse boorproject is (door Eastman Teleco in Hannover) een vertikaal borend systeem ontwikkeld: een geheel zelfstandig werkend mechanisme dat zich direct boven de boorbeitel bevindt. Het detecteert met behulp van een versnellingsmeter en een magnetometer iedere afwijking van de vertikaal en zorgt er met behulp van tegen de gatwand drukkende "vinnen' voor dat iedere afwijking direct wordt gecorrigeerd.

Deze zelfsturende boor wordt niet aangedreven door de boorstang, maar door een eigen spoelingsmotor (mud-motor) die werkt op de druk van de boorspoeling: 240 tot 280 atmosfeer. Alle informatie over de werking en bewegingen van het boorsysteem wordt via de boorspoeling naar het oppervlak gezonden. Dit gebeurt door middel van drukgolven die worden opgewekt door magnetisch bediende kleppen. Deze manier van informatie-overdracht, die (evenals de spoelingsmotor) ook wordt toegepast bij aardolie-boringen, noemt men mud-pulsing.

Met behulp van dit systeem is het voor het eerst gelukt over een afstand van 7500 meter een vrijwel perfect vertikaal gat te boren. De maximale afwijking ten opzichte van de vertikaal is altijd onder de 10 meter gebleven. Bij de proefboring zat men er op 4000 meter diepte al 190 meter naast en bij de Kola-boring is zelfs een afwijking van bijna een kilometer bereikt.

"Vanaf 7500 meter wordt overigens weer geboord met een passieve boor', aldus Dorn. "Deze zal in de loop der tijd dus wat van de vertikaal gaan afwijken, maar dat is voor het laatste stuk niet zo'n bezwaar'. Inmiddels heeft de aardolie-industrie ook belangstelling getoond voor het boorsysteem: daar is men juist genteresseerd in het heel gecontroleerd schuin en in bochten boren.

Om het boorgat tegen instorten te beschermen, wordt de wand op bepaalde trajecten met buizen bekleed. Dat gebeurt vooral op die plaatsen waar het gesteente door structuurveranderingen zwakker is. Daartoe worden stalen buizen in de boortoren aan elkaar geschroefd en in het gat neergelaten. Dit is een zenuwslopend werk, omdat de diameter van de buis slechts een paar centimeter kleiner is dan die van het gat.

Vervolgens moet er meer dan 100 kubieke meter cement door de boorstang kilometers omlaag en vervolgens in de centimeter-smalle ruimte tussen gatwand en bekledingsbuis omhoog worden geperst. Na iedere bebuizing is het boorgat wat kleiner geworden: de diameter neemt af van 71 cm aan het aardoppervlak tot 31 cm op 10 km diepte.

Het eerste onderzoek van al het materiaal dat uit het boorgat komt vindt plaats in het KTB-Feldlabor. Dit is een modern laboratorium, waar ongeveer veertig onderzoekers werken, en waar al het materiaal naar diepte gesorteerd wordt bewaard. Het verdere onderzoek vindt plaats in het kader van ongeveer 140 onderzoeksprojecten, waaraan ruim 350 wetenschappers uit twaalf landen deelnemen. Nederland is niet van de partij. Volgens Dorn komen wetenschappers zelf naar het laboratorium toe om er onderzoek te verrichten, maar wordt het materiaal op verzoek ook aan instituten uitgeleend.

Bemonsteringssysteem

Een deel van de terugkerende boorspoeling wordt enkele meters onder het aardoppervlak afgetapt en door een automatisch bemonsteringssysteem geleid. Hier wordt de chemische samenstellingen van de meegevoerde stoffen bepaald. "Uit de bekende snelheid van de spoelstroom kan precies worden berekend vanaf welke diepte die stoffen kwamen', vertelt Dorn. "De doorboorde gesteenten blijken een goede chemische "vingerafdruk' in de spoeling achter te laten, zodat aardlagen direct herkend en gelokaliseerd kunnen worden.

Het door de boorspoeling meegenomen boorgruis wordt door middel van trilzeven en centrifuges afgescheiden en in het laboratorium bestudeerd. Dat gebeurt ook met de opgehaalde boorkernen. Daarvan worden onder andere de elektrische en magnetische eigenschappen en natuurlijke radioactiviteit gemeten. Afgezaagde schijfjes worden vermalen tot poeder, dat wordt samengeperst tot tabletten. Met behulp van röntgenanalyse wordt dan de chemische samenstelling bepaald.

Sommige onderzoekingen moeten snel gebeuren, omdat enkele eigenschappen van van het gesteente snel veranderen. Gesteente dat in de diepte onder grote druk stond, heeft aan het aardoppervlak ongeveer tien dagen nodig om te "ontspannen'. Het tempo en de richting van uitzetting geeft informatie over de spanningstoestand in de aardkorst.

Om dezelfde reden moet ook de dichtheid van het gesteente snel worden gemeten, aangezien die door droging en scheurvorming verandert. De dichtheid is een belangrijke grootheid bij het interpreteren van metingen aan de zwaartekracht en seismische trillingen aan het aardoppervlak.

Tenslotte wordt ook het boorgat zelf bemonsterd. Dat gebeurt met een meetsonde die aan een stalen kabel in het gat afdaalt. Deze sonde meet precies de loop van het gat en de fysische en chemische eigenschappen van het gesteente. Ook kunnen (met een andere sonde) stukje gesteente uit de wand van het gat worden geboord en vloeistoffen en gassen die in het gat lekken ter plekke worden opgevangen en opgehaald.

Pekelbrij

Hoewel de betrokken onderzoekers het nog te vroeg vinden om met definitieve uitspraken te komen, menen zij wel dat er al interessante vondsten zijn gedaan. Zo blijkt dat de aardlagen die op grond van seismisch onderzoek werden vermoed niet alle tijdens de boring werden teruggevonden. Omgekeerd zijn er steile, bijna vertikale structuren gevonden die niet uit de seismische metingen naar voren kwamen.

Een andere verrassing is de aanwezigheid van een soort pekelbrij in spleten in het gesteente op diepten tussen 4 en 6 km. Misschien is dit een restant van de Middeneuropese oceaan die hier ooit heeft gelegen. Ook microfossielen die in het gesteente zijn gevonden wijzen daarop. Maar aan de andere kant heeft men nog steeds geen tekenen gevonden van de ingrijpende geologische veranderingen die de grens zouden moeten markeren tussen de twee aardschollen die hier 350 miljoen jaar geleden tegen elkaar botsten.

Springlading

Ondanks alle technische hoogstandjes en voorzorgsmaatregelen gaan er dingen fout. Vorig jaar kwam de boorkop op een diepte van 6700 meter vast te zitten en moest hij met behulp van een springlading van de boorstang worden gescheiden. Het oppakken van het vastzittende deel met een soort grijper (vissen) lukte niet. Dus moest het onderste deel van het gat met beton worden gedicht en boorde men via een kleine omweg langs de plek des onheils heen.

Rond de 7000 meter, tijdens het passeren van een voorspelde, 400 meter dikke breukzone, verbrokkelde het boorgat zo sterk dat het stuursysteem van de boor niet meer kon functioneren. Driemaal moest de boor worden teruggetrokken, een stuk gat met beton worden dichtgegooid en om de zwakke plekken heen worden geboord.

Deze en enkele andere problemen veroorzaakten vertragingen, waardoor minder boorkernen konden worden opgehaald en het budget met 30 miljoen DM werd overschreden. Maar nadat twee Beierse Bondsdagafgevaardigden een dringend beroep hadden gedaan op de minister van financiën, Theo Waigel, werd dit laatste probleem opgelost. Op 4 augustus liet Waigel weten dat er 30 miljoen DM extra zal komen.

De kaarsrechte Duitse aardboring heeft alom bewondering gewekt. Vele geologen en geofysici zouden graag zèlf van de Duitse technologie gebruik willen maken en de Duitsers lijken op hun beurt genteresseerd om hun technologie via samenwerking te verkopen. Het Bondsministerie voor Onderzoek en Technologie denkt dat het Duitse KTB-project wellicht kan worden uitgebouwd tot een internationaal boorprogramma. Dat zou dan ongeveer dezelfde organisatiestructuur moeten krijgen als het internationale Ocean Drilling Program.

Dezer dagen wordt er in zowel Windischeschenbach als in Potsdam (op het Geo Forschungsinstitut, opgericht na de Duitse hereniging) in internationaal verband over de mogelijkheden van samenwerking gesproken. Als Duitsland de technologie en kennis zou leveren en één land het leeuwendeel van de financiering, zouden vele andere landen via kleinere bijdragen kunnen meedoen. Dan zou er ook in andere geologisch interessante gebieden kunnen worden geboord. Amerikaanse geofysici mijmeren natuurlijk al over een 10 km diep gat in de San Adreas Breuk.

Volgens Dorn zal ook nadat de KTB-boring zijn eindpunt heeft bereikt, hopelijk op een diepte van 10.000 meter maar misschien nog wat dieper, het veldlaboratorium blijven bestaan. Het boorgat en al het opgehaalde materiaal blijft beschikbaar voor onderzoek. En zolang de voorraad strekt zullen toeristen in de informatie- en expositieruimte als aandenken voor 3 DM een buisje "Origineel gesteente van meer dan 7.000 m diepte' kunnen kopen: met certificaat.