چالش‌های حفر چاه‌های فوق عمیق و کاوش در اعماق زمین

دریاچه‌ها، جنگل‌ها، مه و برف در شبه‌جزیره‌ی کولا در مدار شمالگان، این بخش از روسیه را به مکانی رویایی تبدیل کرده‌ است. درمیان این منطقه‌ی زیبا ویرانه‌‌هایی از یک ایستگاه پژوهشی وجود دارد که در آن، ساختمانی مخروبه واقع‌ شده و چاه بی‌انتهایی را در خود جای داده است؛ البته این چاه با درپوشی آهنی و پیچ و مهره‌های محکم، مهروموم شده است.

البته چاه کولا تنها چاه فوق‌عمیق دنیا نیست و در زمان جنگ سرد، کشورهای ابرقدرت برای حفر چاه‌ های عمیق با حداکثر عمق ممکن در پوسته‌ی زمین و حتی رسیدن به خود گوشته‌ی آن، با یکدیگر رقابت می‌کردند. اکنون هم ژاپنی‌ها برای دستیابی به این هدف جاه‌طلبانه تلاش می‌کنند. یولی هارم، یکی از افراد مسئول برنامه‌ی حفاری علمی قاره‌‌ای و دانشمند جوانی که دیگر چاه فوق عمیق حفرشده به‌دست آلمانی‌ها را مطالعه می‌کرد، درمورد این پروژه کولا چنین گفت:

این پروژه در زمان پرده‌ی آهنین (تقسیم قاره‌ی اروپا به دو بخش اروپای غربی و کشورهای عضو پیمان ورشو) آغاز شد. در آن زمان قطعا رقابت سختی بین ما و آلمانی‌ها وجود داشت و انگیزه اصلی ما برای تلاش در این مسیر بود که روس‌ها فعالیت‌های محرمانه‌ای داشتند و اطلاعات خود را در اختیار دیگران قرار نمی‌دادند.

در آن زمان روس‌ها مدعی بودند این چاه را برای دستیابی به آب‌های زیرزمینی حفر می‌کنند؛ اما بیشتر دانشمندان این ادعا را کذب می‌دانستند؛ زیرا در آن زمان اکثر دانشمندان غربی معتقد بودند که پوسته‌ی زمین ۵ کیلومتر ضخامت دارد و آب نمی‌تواند در آن نفوذ کند.

چون توچو، مدیر برنامه‌ی آژانس علوم دریایی و زمینی ژاپن، اذعان کرد که هدف اصلی این پروژه، جمع‌آوری آن دسته از نمونه‌‌‌های زنده‌ی واقعی از گوشته است که هم‌اکنون موجود هستند. وی افزود که در مکان‌هایی مثل عمان می‌توان نمونه‌هایی از گوشته را نزدیک سطح زمین یافت که متعلق به میلیون‌ها سال پیش هستند. به‌گفته‌ی توچو، بین دراختیارداشتن دایناسور زنده و استخوان فسیل‌شده‌ی آن، تفاوت وجود دارد.

اگر سیاره‌‌ زمین را مانند پیاز تصور کنیم، این کره‌ی خاکی از سه لایه تشکیل شده است؛ پوسته، گوشته و هسته؛ پوسته‌ی آن با ضخامت ۴۰ کیلومتر که همچون یک لایه نازک روی گوشته‌ی زمین با عمق ۲۸۸۰ کیلومتر را پوشانیده است و هسته‌ی آتشین زمین هم درست در مرکز آن قرار دارد.

در این رقابت، آمریکا نخستین حفاری برای دستیابی به اعماق پوسته زمین را در اواخر دهه‌ی ۱۹۵۰ آغاز کرد و این پروژه‌ی شگفت‌انگیز که American Miscellaneous Society نامیده شد، نخستین اقدام جدی این کشور برای رسیدن به گوشته بود. این پروژه به دست گروهی از افرادی آغاز شد که طلایه‌داران جامعه‌ی علمی آن روز آمریکا محسوب می‌شدند. نخستین تلاش آن‌ها برای حفاری در دل پوسته و رسیدن به گوشته، پروژه‌ی موهُل (Project Mohole) بود که در ناپیوستگی موهوروویچیچ (مرز میان پوسته و گوشته) انجام شد.

البته متخصصان آمریکایی به‌جای انجام حفاری عمیقی در پوسته‌ی زمین، تصمیم گرفتند رهسپار اقیانوس آرام شوند (جان استاین بک داستان این سفر دریایی را به رشته‌ی تحریر درآورده است) و در جزیره‌ی گوادلوپ در مکزیک، شکاف کوتاهی در بستر این اقیانوس ایجاد کنند. مزیت حفاری در بستر اقیانوس، نازک بودن پوسته‌ در این بخش است؛ اما نازک‌ترین قسمت پوسته در عمیق‌ترین نقطه‌ی اقیانوس قرار دارد که حفاری آن را بسیار دشوار می‌کند.

پروژه‌ی حفاری اتحاد جماهیر شوروی در سال ۱۹۷۰ در مدار شمالگان آغاز شد و پس از آن، آلمان در سال ۱۹۹۰ در پروژه‌ای تحت‌عنوان حفاری عمیق قاره‌ای آلمان (German Continental Deep Drilling Program) یا KTB، حفاری را در ایالت بایرن آلمان آغاز کرد و کار خود را تا عمق ۹ کیلومتر ادامه داد. البته متخصصان این پروژه مانند پروژه‌ی سفر به ماه با مشکل بزرگی دست‌وپنجه نرم می‌کردند؛ مراحل ایجاد فناوری‌های لازم برای موفق‌شدن در این پروژه باید از صفر شروع می‌شد.

البته نبود فناوری‌های پیشرفته خلاقیت و ابتکار عمل متخصصان را برانگیخت. آن‌ها برای ثابت‌ماندن کشتی بالای چاه حفاری، چند پروانه در اطراف آن نصب کردند. یکی از چالش‌های بزرگ دیگر مهندسان آلمانی این بود که چاه تا جای ممکن عمودی باشد. راه‌حلی که آن‌ها برای این کار استفاده کردند، امروزه در تمام میدان‌های گاز و نفت جهان به یک استاندارد تبدیل شده است.

هولی هارم درباره‌ی ضرورت حفر چاه به‌صورت عمودی این چنین می‌‌گوید:

موضوع کاملا مشخص درباره‌ی حفاری‌ روس‌ها این است که آن‌ها تلاش می‌کردند چاه تا جای ممکن عمودی حفر شود؛ زیرا درغیر این صورت هم نیروی گشتاور افزایش می‌یابد و هم دیواره‌های چاه پیچ و تاب پیدا می‌‌کنند. راه‌حل دستیابی به این هدف، ایجاد و توسعه‌ی سیستم‌های حفر عمودی بود. این سیستم‌ها اکنون به استانداردهای صنعتی تبدیل شده‌اند؛ اما حفاران  ابتدا در پروژه‌ی KTB از آن‌ها استفاده کردند و توانستند تا عمق ۷٫۵ کیلومتری زمین را حفر کنند. سپس، آن‌ها برای آخرین چاه پروژه به عمق ۱٫۵ تا ۲ کیلومتر استفاده شدند و حفاری تا عمق ۲۰۰ متری به‌صورت کاملا عمودی پیش رفت.

هارم در ادامه‌ی گفته‌های خود اضافه کرد:

در اواخر دهه‌ی ۸۰ و اوایل دهه‌ی ۹۰ که روسیه روابط بهتری با کشورهای غربی داشت و خواستار مشارکت با آن‌ها بود، تلاش کردیم از برخی‌از تجهیزات آن‌ها استفاده کنیم؛ متاسفانه در آن زمان خرید آن تجهیزات برای ما مقدور نبود.

کنگره‌ی آمریکا دو سال قبل از قدم گذاشتن آرمسترانگ بر سطح ماه، تأمین بودجه برای پروژه موهو را که هزینه‌های آن خارج از کنترل شده بود، لغو کرد؛ به‌عنوان مثال هزینه‌ی استخراج چند متر سنگ بازالت، معادل ۴۰ میلیون دلار پول امروز بود.

پروژه‌ی حفاری کولا هم سرنوشت خوبی نداشت و در سال ۱۹۹۲ متوقف شد، زیرا دما در عمق زمین به ۱۸۰ درجه سانتیگراد رسید که دو برابر میزان پیش‌بینی‌شده بود و دیگر راهی برای ادامه‌ی پروژه وجود نداشت. از سویی، با فروپاشی شوروی دیگر پولی برای انجام چنین پروژه‌هایی باقی نماند و سه سال بعد تمام تاسیسات حفاری کاملا نابود شد؛ اکنون هم این سایت مخروبه به مکانی برای ماجراجویی گردشگران تبدیل شده است.

چاه عمیق آلمانی‌ها نیز مانند سایر چاه‌های مشابه نتوانست رویای بزرگ آن‌ها را محقق کند و تنها توانسته است با جذابیت خود نظر بسیاری از گردشگران را جلب کند؛ البته به‌تازگی تجهیزات این سایت با جرثقیل به نقاطی پایین‌تر انتقال داده شده و به همین دلیل به مکانی برای تماشای اعماق زمین یا حتی گالری هنری تبدیل شده است.

هنرمندی هلندی به نام لاته ژیوان معتقد بود که صدای خاصی از این چاه می‌شود؛ البته دانشمندان چنین موضوعی را نمی‌پذیرفتند؛ اما او بر ادعای خود اصرار داشت و برای اثبات آن میکروفونی را که با سپر حرارتی محافظت شده بود، به داخل چاه فرستاد و پس از آنکه میکروفون به اعماق چاه رسید، دانشمندان صدای پرطنین ادامه‌داری را شنیدند که نمی‌توانستند توضیحی برای منشا آن ارائه دهند. لاته با شنیدن این صدا احساس حقارت کرد و در مورد حس خود این چنین گفت:

نخستین باری است که احساس می‌کنم زمینی که روی آن زندگی می‌کنیم، زنده است و این صدا نوعی تسخیرشدگی را تداعی می‌کند.

او پس از تبدیل این صدا به صدای قابل تشخیص برای انسان، آن را در یک سایت به اشتراک‌گذاری ویدئو به نام ویمیو، قرار داد. به‌گفته‌ی لاته برخی از مردم این صدا را شبیه صدای جهنم می‌دانند و برخی دیگر آن را به صدای تنفس زمین تشبیه کرده‌اند.

به‌گفته‌ی آقای هارم، ژاپنی‌ها قصد داشتند بیشتر از روس‌ها در عمق زمین پیش بروند؛ اما در مدت زمانی‌که برای این کار مشخص شده بود، حتی نتوانستند به عمق مجاز و پیش‌بینی‌شده، یعنی ۱۰ کیلومتر هم برسند. البته از سویی دیگر دمای چاه حفاری آن‌ها بسیار بیشتر از چاه روس‌ها بود و همین موضوع ادامه‌ی کار را برای آن‌ها بسیار دشوارتر کرد.

 آلمانی‌ها نیز در اوایل دهه‌ی ۹۰ حفر چنین چاهی را آغاز کردند؛ اما در آن زمان که رویدادهای مهمی منجر به یکپارچه شدن آلمان و ایجاد امپراطوری این کشور شده بودند، توافق خوبی برای صرف هزینه‌ی بیشتر برای این پروژه صورت نگرفت؛ زیرا این رویدادها هزینه‌ی سنگینی را به آلمان تحمیل کرده بودند.

می‌توان گفت که رقابت کشورهای قدرتمند برای رسیدن به گوشته‌ی زمین، تحت‌تاثیر رمان معروف «سفر به مرکز زمین» شکل گرفته و نسخه‌ی به‌روز این رمان است. همان‌طور که قبلا گفتیم، یکی از اهداف این پروژه‌ها، دستیابی به بقایای تازه از دایناسورها است؛ البته دانشمندان انتظار تحقق این هدف را ندارند؛ بااین‌حال، پروژه‌های حفر چاه‌های عمیق را نوعی فعالیت‌ تحقیقاتی می‌دانند.

هارم درباره‌ی این موضوع این چنین می‌گوید:

ما این پروژه‌ها را نوعی فعالیت تحقیقاتی می‌‌دانیم؛ زیرا انجام کارهای مقدماتی و اجرای آن‌ها زمان زیادی می‌طلبد. همچنین حفر این چاه‌ها باعث رسیدن به بخشی از زمین می‌شود که هیچ انسانی در آن وجود ندارد و هیچ انسانی آن را قبلا ندیده و چنین موقعیتی در دنیای امروز واقعاً غیرمعمول است. لایه‌های زیرین پوسته‌ی زمین، مخصوصا اعماق آن، ناشناخته‌هایی دارد که همیشه انسان را متعجب می‌کند. وقتی درباره‌ی پروژه‌ی چاه عمیق یا KTB صحبت می‌کنیم، باید بگوییم عمر نظریه‌های پشت این پروژه‌ها، در زمان آغاز آن‌ها، ۳۰ تا ۴۰ سال بود.

دامون تیگل، استاد رشته‌ی ژئوشیمی مدرسه‌ی علوم دریایی و زمینی مؤسسه‌ی ملی اقیانوس‌شناسی دانشگاه ساوت‌همپتون که در پروژه‌ی جدید حفاری ژاپنی‌ها نیز مشارکت دارد، به‌طور کلی درمورد این پروژه‌ها این چنین می‌گوید:

این پروژه‌ها شبیه مأموریت‌های اکتشافی زمین به‌نظر می‌رسند؛ اما درواقع تعهدات علمی محض هستند و اصلا نمی‌دانیم که در این پروژه‌ها به چه نتایج و یافته‌هایی دست خواهیم یافت.

ما نخستین افرادی هستیم که به پوسته‌ی دست‌نخورده‌ی اقیانوس دست یافتیم و آن را مشاهده کردیم و تاکنون هیچ بشری موفق به انجام چنین کاری نشده است. چنین دستاورد بزرگی واقعاً ما را هیجان‌زده می‌کند.

امروزه پروژه‌ی «M2M» یا پروژه‌ی موهول برای رسیدن به ناپیوستگی موهوروویچیچ پیش می‌رود. یکی از مهم‌ترین پروژه‌های برنامه‌ی بین‌المللی اکتشاف اقیانوس (International Ocean Discovery Program) یا IODP محسوب می‌شود و پژوهشگران قصد دارند در آن همانند اولین پروژه‌ی موهول، پوسته‌ی زمین در اقیانوس را که تنها ۶ کیلومتر عمق دارد، حفر کنند؛ هدف این حفاری فوق عمیق با بودجه‌ی یک میلیارد دلاری، صخره‌های درون گوشته برای نخستین بار در تاریخ بشریت است.

تیگل که در این پروژه حضور دارد، این فعالیت پژوهشی عظیم را نیازمند مشارکت و تعهد قوی ژاپنی‌ها می‌داند. این پروژه به‌قدری اهمیت دارد که ۲۰ سال پیش یک کشتی عظیم حفاری به اسم چیکیو ساخته شد که مجهز به سیستم GPS و ۶ جت تنظیم‌شدنی کامپیوتری بود و با استفاده از آن می‌توان موقعیت کشتی را در فاصله‌ی بسیار کم (۵۰ سانتی‌متر) به‌صورت دقیقی تغییر داد.

طبق‌گفته‌ی شان توچو، مدیر برنامه‌ی آژانس علوم دریایی و دریایی ژاپن، ایده‌ی ساخت این کشتی در زمان اولین پروژه‌ی موهل شکل گرفت و ساخت آن نیز از همان زمان آغاز شد. وی در ادامه‌ افزود:

بشر تاکنون توانسته است با حفر چاه‌های فوق‌ عمیق به اطلاعات زیادی درباره‌ی پوسته‌ی قاره‌‌ای زمین دست پیدا کند و اکنون به‌دنبال یافتن اطلاعات بیشتر درباره‌ی مرز بین پوسته و گوشته هستیم.

مهم‌ترین موضوع در این فعالیت پژوهشی که باید به‌طور دقیق بررسی شود، وجود سه مکان مناسب برای انجام این کار است؛ کشور کاستاریکا، باهاما و جزایر هاوایی.

شان توچو درباره‌ی این مکان‌ها این چنین می‌گوید:

در هر یک از این مکان‌ها اختلاف‌نظرها در مورد عمق اقیانوس و فاصله بین سایت حفاری و یک پایگاه ساحلی که افراد مستقر آن بتوانند به ‌صورت ۲۴ ساعته از این پروژه‌ی میلیارد دلاری حفاری در دریا پشتیبانی کنند، برطرف و توافق حاصل شد. زیر‌ساخت‌های لازم می‌توانند با صرف زمان و هزینه‌ی در هر سه مکان احداث شوند.

در پایان باید گفت طبق گفته‌ی هارم، حفاری‌های فوق عمیق پروژه‌های بسیار پرهزینه‌ای هستند و به همین دلیل تکرار آن‌ها دشوار است. حفر چاه‌های فوق عمیق هزینه‌ی چند صد میلیون دلاری دارد و تنها می‌توان از تعداد اندکی از آن‌ها برای کاوش در اعماق زمین استفاده کرد و سایر آن‌ها بیشتر برای پیشرفت فناوری‌ها و فعالیت‌های پژوهشی حفر می‌شوند.