Skarb Zaginionego Miasta, czyli czy wreszcie dotarliśmy do płaszcza Ziemi

Grzbiet Atlantis Massif ma rozmiary imponujące. Jego strome ściany wznoszą się ze względnie płaskiej równiny na wysokość ponad czterech kilometrów. Oglądany z góry ma kształt koła o średnicy prawie 16 km. Mimo to olbrzyma odkryto i zbadano dopiero ćwierć wieku temu. Wszystko przez jego położenie geograficzne. Masyw leży na 30 stopniu szerokości geograficznej północnej, czyli nieco na północ od zwrotnika Raka, oraz na 42 stopniu długości geograficznej zachodniej. To środek Oceanu Atlantyckiego.

Najwyższy punkt tego masywu znajduje się ok. 700 m pod wodą. Sam w sobie jest wielką gratką dla geologów, ale jeszcze większą atrakcją okazały się znajdujące się na jego szczycie białe wieże odkryte w 2000 r. Jest ich kilkadziesiąt. Połowa osiąga wysokość ponad 30 m, najwyższa liczy ok. 60 m (nadano jej nazwę Posejdon). Badaczom, którzy jako pierwsi zobaczyli je przez okrągłe okienka podwodnego pojazdu, skojarzyły się z drapaczami chmur. Zapewne dlatego miejsce określono mianem Zaginionego Miasta. I zrobiło ono oszałamiającą karierę wśród naukowców.

Lost City powstało w wyniku ruchów tektonicznych wzdłuż uskoku. Mniej więcej milion lat temu jedno z jego skrzydeł zostało wypchnięte do góry. Za sprawą tego kopniaka doszło do wydźwignięcia olbrzymich mas skalnych, które normalnie znajdują się na głębokości kilku kilometrów pod dnem oceanu. W ten sposób naukowcom trafiła się rzadka okazja zbadania najgłębszych warstw skorupy ziemskiej. Niektórzy nawet się wtedy rozmarzyli. Kto wie – pomyśleli – może właśnie w tym miejscu uda nam się dotrzeć jeszcze głębiej: do ukrytego pod skorupą płaszcza Ziemi. To marzenie właśnie się spełnia.

Przybliżenie

Amerykański statek badawczy „JOIDES Resolution” jest jedną z dwóch na świecie jednostek wyposażonych w specjalne świdry zdolne do wwiercania się w bardzo twarde skały tworzące dolną część ziemskiej skorupy. Od ćwierć wieku przemierza oceany, by wydobywać z dna morskiego rdzenie skalne, które na miejscu są analizowane przez kilkudziesięciu naukowców mających do swojej dyspozycji kilka doskonale wyposażonych laboratoriów. Oczywiście statki wiertnicze mają też firmy poszukujące podmorskich złóż ropy i gazu, ale ich świdry ryją otwory we względnie miękkich warstwach osadów, nie w twardych skałach wulkanicznych i magmowych budujących właściwą skorupę ziemską.

W połowie kwietnia „JOIDES Resolution” wypłynął w kolejny rejs badawczy – o numerze 399. Tym razem celem był Atlantis Massif. W planach nie było jednak przewiercania się do płaszcza, ale zbadanie jednego z najbardziej niezwykłych środowisk życia na naszym globie: Zaginione Miasto jest bowiem zamieszkane. Lokatorami są tu jednokomórkowe organizmy, które jako źródło energii wykorzystują wodór i metan, powstające w wyniku reakcji chemicznych zachodzących pomiędzy wodą morską a perydotytami (skałami płaszcza ziemskiego). Woda nurkuje pod dno oceanu na głębokość wielu kilometrów, po drodze w dół ogrzewa się, a po dotarciu do perydotytów podmienia im minerały (ten proces to serpentynizacja), po czym zawraca w stronę dna, a wypływając spod niego, rozstaje się z węglanami, które skradła skałom. Z nich formuje wieże Zaginionego Miasta.

Sensacja goni tu sensację. Mamy geochemiczną fabrykę wodoru i węglowodorów, które są niezbędnym budulcem żywych organizmów. Co więcej, te same związki są jednocześnie źródłem energii dla tej „głębokiej biosfery”. Może miliardy lat temu w takich właśnie miejscach narodziło się życie na Ziemi? Może tak samo było – lub jest nadal – na innych oceanicznych globach Układu Słonecznego?

Pierwsze wiercenie badacze z „JOIDES Resolution” zamierzali wykonać w miejscu, gdzie w 2004 r. wykonano otwór o głębokości 1,4 km, docierając do najniższych warstw skorupy ziemskiej. Dalej jednak natrafiono na taki opór ze strony skał, że po dwóch miesiącach prób zrezygnowano. Płaszcz pozostał niezdobyty. Wydawało się, że teraz zadanie będzie prostsze. Wszak trzeba było tylko pogłębić już istniejący dół. Jednak wiertło znów nie dało rady. Zmieniono więc lokalizację statku i wybrano miejsce odległe o mniej więcej kilometr od Zaginionego Miasta, gdzie parę lat temu wydrążono dość płytką dziurę, ale wydobyty z niej wtedy rdzeń sugerował, że do płaszcza może być stąd bliżej.

Naukowcy na „JOIDES Resolution” nie robili sobie jednak wielkich nadziei. Pisali w blogu, że szanse przebicia skorupy ziemskiej oceniają na 15–20 proc. Zapewne mieli w pamięci długą historię porażek kolejnych zespołów naukowych. Od ponad pół wieku trwa w tej dziedzinie swoista rywalizacja. Nie chodzi tylko o prestiż, ale o wiedzę.

Płaszcz ziemski to największa warstwa ziemskiego globu – stanowi 68 proc. jego masy. Niemal cała skorupa ziemska powstała z materiału, który pierwotnie wchodził w skład płaszcza. W nim zachodzi większość procesów, które decydują o tym, jak wygląda oblicze planety. Tu też trzeba szukać wyjaśnienia olbrzymiej aktywności geologicznej Ziemi, której najważniejszym przejawem jest ruch kontynentów. Stąd wyścig badaczy, by wydobyć choćby skrawek tego płaszcza i poddać go analizom.

Szaleństwo

Na początku maja świder opuszczony z 62-metrowej wieży wiertniczej rozpoczął drążenie otworu. W ciągu dziesięciu dni pokonał pół kilometra, przebijając się przez skały skorupy ziemskiej (najpierw były to bazalty, potem gabro). A po kolejnych dwóch tygodniach znajdował się już kilometr poniżej dna. W pewnym momencie dotarł do perydotytów. Nie były jeszcze idealne, lecz przeobrażone chemicznie przez krążącą w nich wodę, która docierała z dna oceanicznego. „Ale bez wątpienia należą one już do płaszcza. – powiedział magazynowi „Science” Andrew McCaig, geolog z University of Leeds, jeden z liderów historycznej ekspedycji. – Dlaczego poszło tak łatwo? Natrafiliśmy na uskok tektoniczny, w którym skorupa stawiała mniejszy opór”.

Granicę pomiędzy skorupą a płaszczem odkrył w 1909 r. chorwacki badacz Andrija Mohorovičić, analizując wędrówkę fal sejsmicznych przez wnętrze planety. W skorupie ziemskiej, która jest zbudowana z lekkich skał, fale te przemieszczają się z szybkością 6–7 km/s, po czym przyspieszają skokowo do ponad 8 km/s. To właśnie znak, że dotarły do ziemskiego płaszcza, w którym skały są gęstsze. Od nazwiska odkrywcy ta przejściowa strefa nazwana została nieciągłością Moho. Pod lądami przebiega ona na głębokości 30–60 km, pod oceanami – znacznie płycej. Najgłębszy odwiert wykonany do tej pory na lądzie liczył ok. 15 km. Niby dużo, ale wciąż daleko od Moho. Łatwiejszym zadaniem wydawało się przebicie skorupy wyściełającej dno oceanów, młodszej i mającej średnią grubość 6–8 km, a w niektórych miejscach jeszcze cieńszej.

Podwodna góra Atlantis Massif jest jednym z takich miejsc, ale są też inne, np. dno Pacyfiku nieopodal meksykańskiej wyspy Guadalupe odległej o 250 km od Półwyspu Kalifornijskiego. To historyczna lokalizacja. Tu w 1961 r. podjęto pionierską próbę przebicia skorupy ziemskiej. Opuszczone ze statku wiertło najpierw pokonało 3800 m wody, a następnie wgryzło się w dno na głębokość 170 m. Dalej wiercić się nie dało. Mimo to radość była powszechna. Pierwszy raz na powierzchnię wydobyto fragmenty bazaltowych skał skorupy oceanicznej. Ów pionierski projekt nazywał się MoHole, a jego inicjatorem był Harry Hess, twórca tektoniki płyt, czyli teorii, która wędrówkę kontynentów tłumaczy procesami zachodzącymi wewnątrz płaszcza.

Hess dowodził, że w płaszczu krążą prądy konwekcyjne transportujące ku powierzchni globu wielkie dawki energii cieplnej. Podgrzewa ona od spodu sztywną skorupę, rozłupuje ją, dzieląc na wielkie płyty, które wprawia w ruch razem ze znajdującymi się na nich kontynentami. Tektonika płyt jest dziś powszechnie akceptowana, ale w połowie XX w. tak nie było. Żądano dowodów na jej potwierdzenie. Wtedy właśnie narodziła się idea wykonania na dnie oceanu odwiertu do płaszcza ziemskiego.

Krytycy uznali pomysł za szalony. Mimo to badacze otrzymali pieniądze od amerykańskiej Narodowej Fundacji Nauki. Przygotowania trwały kilka lat. Koszty odwiertu okazały się jednak tak gigantyczne, że na kontynuację nikt nie chciał dać pieniędzy. Niezrażony Hess mówił potem: „To dopiero początek. Musi być pierwsza dziura, by można było zrobić kolejne”.

Doświadczenia projektu MoHole rzeczywiście nie poszły na marne. Kilka lat później na morze wypłynął pierwszy z prawdziwego zdarzenia badawczy statek wiertniczy „Glomar Challenger”, a niedługo później ruszyły wielkie międzynarodowe programy badania dna morskiego, takie jak Integrated Ocean Drilling Program (IODP), zastąpiony w 2013 r. przez International Ocean Discovery Program. To w ramach tego ostatniego projektu „JOIDES Resolution” nawierca obecnie Atlantis Massif.

Dekadę temu borował skorupę oceaniczną Oceanu Spokojnego w pobliżu archipelagu Galapagos, gdzie znajduje się mała płyta tektoniczna Cocos, należąca do najmłodszych i najcieńszych na Ziemi. Jej grubość wynosi tu ok. 5 km. Najpierw wydrążono otwór o głębokości 1255 m, a podczas kolejnej ekspedycji w ciągu sześciu tygodni dołożono do tego jeszcze 253 m, po czym wywieszono białą flagę. Otwór zacementowano w przekonaniu, że mimo wszystko jest to jedna z najlepszych dróg do płaszcza. Okazało się jednak, że ta najkrótsza i najszybsza droga wiedzie przez Atlantis Massif.

Oczekiwanie

Pierwsze analizy pochodzącego z Zaginionego Miasta rdzenia o łącznej długości 1267 m rozpoczęły się już na statku, a wstępne doniesienia zostaną opublikowane w ciągu paru miesięcy. W międzyczasie zdobycz trafi do repozytorium IODP na Uniwersytecie w Bremie w Niemczech, gdzie będzie dostępna dla wszystkich zainteresowanych naukowców.

Jest wśród nich Donna Blackman, geofizyczka z University of California, która w 2004 r. uczestniczyła w pierwszej ekspedycji zamierzającej przebić się przez Atlantis Massif do płaszcza. „To nasze marzenie od dekad. Jest tyle pytań czekających na odpowiedź. Jak zbudowana jest najwyższa część płaszcza? Jak wytapia się z niego magma, która napędza ziemski wulkanizm? Ile ciepła generują pierwiastki radioaktywne w płaszczu? Lista jest długa” – powiedziała „Science”. Zauważyła jednak, że wciąż nie wiadomo, jak dokładnie wygląda linia demarkacyjna pomiędzy skorupą i płaszczem. „Pierwszy raz wiertło dotarło do strefy granicznej, więc – jak to w nauce – spodziewam się gorących sporów, czy aby na pewno już zdobyliśmy płaszcz, czy też skałom wciąż czegoś brakuje do ideału i trzeba było jeszcze trochę podrążyć”.

Na zdjęciu: Najwyższy punkt Atlantic Massif znajduje się ok. 700 m pod wodą. Sam w sobie jest wielką gratką dla geologów, ale jeszcze większą atrakcją okazały się znajdujące się na jego szczycie białe wieże odkryte w 2000 r.