The Deepest Hole

Posted by Alan Bellows on 20 June 2006

40여년전, 소비에트연방 연구자들은 지구의 상층 지각을 뚫고 모호로비치치 불연속면 또는 모호라 불리는 지각과 맨틀이 뒤섞인 뜨거운 미지의 지형의 샘플을 가져오는 야심적인 시추 프로젝트를 시작하였다. 이 지대는 너무 깊어서 러시아 과학자들은 새로운 천공방식을 개발하여야 하였고 그들의 새로운 방식의 대부분은 아주 창의적임이 증명되었다. 그러나 과감한 노력에도 불구하고 그것은 몇십년이 소요되었으며, 러시아인들은 결국 그들의 목표에 도달하지 못하고 많은 지구의 비밀은 탐사되지 않은채로 남겨졌다. 그럼에도 불구하고, 소비에트 연방이 수행했던 작업은 지각 바로 아래에 무엇이 있는지에 관해 다량의 정보를 제공하였고 오늘날에도 과학적으로 유용함을 제공하고 있다. 프로젝트는 코라 심층 시추공이라 알려지고 있다.  

1962년 부터, 지구 내부 연구와 심층 시추를 위한 소비에트 연방의 부처간협력 과학위원회에 의해 그 활동이 시작되었고, 역사적인 프로젝트를 위한 준비로 몇년간을 소비하였다. 그것은 미국과 소비에트 연방간의 격렬한 경쟁시대에서 우주경쟁과 병행하여 시작되었다. 적합한 천공 지역을 찾는 조사작업은 프로젝트 리더들이 소비에트 연방의 북서 지역인 코라 반도에서 천공을 결정하는 1965년에 완료되었다. 건설과 준비를 위한 5년의 시간후, 1970년에 땅속으로 그들이 개발한 방식으로 시추를 시작하였다.  

프로젝트에 쓰이는 200 피트 높이의 시설 안에는 독특한 천공설비가 설치되었다. 대부분의 심층 굴착장치는 땅을 뚫기 위하여 회전축을 사용한다- 구멍이 깊어짐에 따라 점차적으로 더해지는 확장부분을 증가시켜- 그러나 그러한 방식은 코라에서 계획된 깊이의 구멍에서는 쓸모없는 것이었다. 이러한 문제를 극복하기 위하여, 러시아 연구자들은 단지 샤프트축 끝에 있는 드릴 부분만 회전하는 방식을 고안하였다. 그들은 이것을 압력을 이용하여 가압시킨 "드릴링 머드(drilling mud)"를 만들고- 윤활유는 드릴 샤프트로 공급하였다- 그것이 회전되도록 특수하게 설계된 드릴 부분을 통하여 수행하였다

현재, 인류에 의해 만들어진 제일 깊은 구멍은 코라 시추장비가 설치된 구조물 아래에 있다. 몇개의 시추공은 중간 가지로부터 분리되었으나 가장 깊은 것은 "SG-3"으로 명명되었으며, 약 9 인치 폭으로 지구의 지층 안으로 12.262 Km (7.5 마일) 이상 파들어간 구멍이다. 드릴장비는 최종적으로 1994년 그것의 작업을 중단할 때까지 그 깊이까지 자기 방식대로 동작하여 땅을 파는데 24년을 소비하였고, 목표인 15,000 m에 약 2.7 Km (1.7 마일) 못미쳤다.

소비에트의 시추장비는 코어 샘플들이 드릴이 더욱 아래로 파들어갈 때에 지각 위에 있는 과학자들에게 지구의 구성을 더욱 친숙하게 볼 수 있는 모양을 제공하기 위하여 드릴 샤프트의 전체 길이를 따라 공급하도록 설계되었다. 심층시추 프로젝트가 진행되기전, 지질학자들은 관측과 지진 데이터를 기초로 지구의 하부 지각에 관한 몇가지 결론에 도달하였다. 그러나 인간이 미지의 세계로 모험할 때와 같이, 코라가 보여준 것은 멀직이서 본 진실은 결국은 진실이 아니라는 것으로, 몇개의 과학적인 원리들은 손상된 채로 남겨졌다. 한 과학자의 말을 들어보자, "우리가 구멍을 시추할 때에, 우리는 매번 예기치 못한 것을 발견하였다. 그것은 흥분되었으며, 그러나 혼란스러웠다."

연구자들의 놀라움은, 그들은 그 지역의 지표밑 3~6 Km에서 화강암에서 현무암으로의 예상했던 변이를 발견하지 못하였다. 지진파가 그 깊이 아래에서 특별하게 빨리 전파하는 것을 보여주는 데이터에 의해서, 지질학자들은 이것이 현무암의 "최하부"이기 때문이라고 믿었다. 대신에, 그 차이는 바위내에서 극심하게 커진 온도와 압력이 가져온 변화이거나, 변성암에 의한 것이라고 밝혀졌다. 더욱 놀랍게도, 이 깊은 곳의 바위가 조각으로 채워진 물을 가진채로 발견되었다. 왜냐하면 순수한 물은 그 깊이에서는 발견 수 없는 것이며, 과학자들은 그 물은 믿기 어려운 압력에 의해서 바위 주위로 밀려나간 수소와 산소 원자가 결합된 것이라고 이론을 세웠다. 그 물은 그리고 그것 위의 불침투성의 바위층 때문에 지표로 올라오는 것이 방지되었다.  

또다른 예상치 못한 발견은 지표밑 6.7 Km 깊이에서 매우 작은 화석에 나타난 기묘한 생물들이었다. 24 종의 플랑크톤 미소화석이 발견되었는데, 그것들은 전형적인 석회암이나 규석보다는 탄소나 질소 덮개를 가진채로 발견되었다. 열과 압력의 극한의 상황에서도, 미소화석은 인상적으로 온전하게 남아 있었다.  

러시아 연구자들은 또한 시추공이 깊어감에 따라 온도가 빠르게 높아지는 것에 놀랐다, 그것은 프로젝트의 진행을 중단시키는 결정적인 요인이었다. 드릴링 머드를 밑으로 공급하기전 냉각시켜 온도와 싸우려는 과학자들의 노력에도 불구하고, 12 Km 지점에서 드릴은 그것의 최대 온도 허용치에 접근하기 시작하였다. 그 깊이에서 연구자들은 그들이 100°C 에 달하는 바위들을 만났다고 평가하였지만, 실제적인 온도는 약 180°C 였다- 허용되는 것보다 매우 높은 것이었다. 온도나 압력의 상태는, 바위는 고체보다는 플라스틱에 가깝기 시작하였으며, 드릴 부분이 교체를 위하여 끌어올려질 때마다 구멍이 막히는 경우가 많았다. 더 이상의 진행은 어떤 기술적인 해결과 장비의 중요한 개선이 없이는 불가능하게 되어서, 시추작업은 SG-3 분기에서 중단되었다. 만약 시추공이 최초의 목표인 15,000 m에 이르렀다면, 온도는 예상치인 300°C에 도달하였을 것이다.   

1994년 시추가 중단되었을때, 시추공은 7 마일을 넘었으며(12,262 미터) 인간이 뚫은 가장 깊은 구멍이 만들어졌다. 시추공으로부터 나온 암석 표본은 약 27억년 전의 것으로 추정되었다. 그러나 그 깊이에도 불구하고, 코라 프로젝트는 20에서 80 Km 두께에 이르는 지구 대륙 지층의 일부 조각을 뚫었을 뿐이다.    

코라 계획이 심층 시추공을 뚫는 처음이나 마지막 시도는 아니었는데, 그러나 그것은 오래도록 가장 성공적인 것이었다. 1957년 미국은 유사한 시추계획인 프로젝트 모홀을 착수하였는데, 그 시도는 해저 지층을 통하여 시추하는 것이었으며 자금의 고갈로 취소되었다. 현재는 통합 심해 시추프로그램이 지구의 저층 지각을 정밀조사하기 위하여 해저 지층의 매우 얇은 지층을 관통하기 위하여 시도되고 있다.   

코라 심층 시추공은 현재까지 과학적으로 유용한 장소이며, 연구는 계속 진행중이다. 코아 샘플의 거대한 저장고는 쟈포리아니에 있으며, 시추공 남쪽 약 10 Km에 위치해 있다. 현재 시설은 심층 지구연구로서 지구 내부의 시추와 복합적인 조사를 위한 국가 과학계획에 의해 관리되고 있다.