Lothar Wohlgemuth scheute keine Strapazen. Er kletterte durch die brüchigen Schutthalden des Vulkans Unzen in Japan und schlitterte bei klirrender Kälte stundenlang in einem vierrädrigen Motorrad über den zugefrorenen Baikalsee. Der Mitarbeiter vom Geoforschungszentrum (GFZ) Potsdam war unterwegs zu den Bohrplätzen, wo starke Meißel tief ins Innere der Erde vorstoßen sollen.
Seine Erfahrungen hat der Tiefbohrexperte allerdings in der heimischen Oberpfalz gesammelt: Im 6200-Seelen-Ort Windischeschenbach beim Kontinentalen Tiefbohrprogramm (KTB). 9,1 Kilometer tief hatte das Bohrgerät dabei in die Haut der Erde gestochen. Das Mammutprojekt der neunziger Jahre, das rund 530 Millionen Mark verschlang, hat Deutschland an die Weltspitze katapultiert. Jetzt ernten KTB-Veteranen wie Wohlgemuth die Früchte ihrer Pionierleistungen: Das GFZ Potsdam hat die Federführung beim Internationalen Kontinentalen Bohrprogramm (ICDP) übernommen – Tiefbohrungen an den geologisch spannendsten Schauplätzen der Welt.
Wozu der ganze Aufwand? Können Wissenschaftler heutzutage die Erde nicht ebensogut von außen erkunden – ähnlich wie Ärzte ihre Patienten mit Röntgenstrahlen oder Ultraschall untersuchen? Immerhin verraten Erdbebenwellen, die kreuz und quer durch den Erdball jagen, viel über den inneren Aufbau des Planeten. Auch Messungen des Schwerefelds oder des Magnetfelds liefern Anhaltspunkte, was unter unseren Füßen los ist. Doch ob das alles stimmt, was die Experten aus den Daten herauslesen, das können letztlich nur Bohrungen beweisen. Erst der direkte Blick macht es möglich, die Geräte zu eichen.
Geowissenschaftler zieht es deshalb seit Jahrzehnten in die Tiefe. In den fünfziger Jahren schien ihr Traum von Gesteinsproben aus den irdischen Kellergeschossen erstmals wahr zu werden. Die Amerikaner trauten sich damals alles zu: Sie hatten sich in den Kopf gesetzt, nicht nur zum Mond zu fliegen, sondern auch den heißen Erdmantel anzusteuern. Unter der Tiefsee, wo die Erdkruste dünn ist, wollten sie bis zur „Moho” vorstoßen, zur Grenze zwischen Erdkruste und Erdmantel, die unter dem Land in unerreichbaren 30 bis 40 Kilometer Tiefe liegt, aber unter dem Meeresgrund nur wenige Kilometer tief verläuft. Die Amerikaner peilten eine Bohrung von 6 bis 8 Kilometern an.
Als durchsickerte, daß auch die Russen Tiefbohrungen planten, avancierte das Projekt „Mohole” zum nationalen Anliegen. Präsident Kennedy schickte Grußadressen, und der Kalte Krieg ließ die Dollar fließen. Doch das Ganze endete im Fiasko: „Mohole is no hole”, reimten böse Zungen. Die Bohrindustrie war damals noch gar nicht in der Lage, in der Tiefsee so gewaltige Löcher zu stanzen. Es dauerte ein Jahrzehnt, bis sich die Amerikaner erneut in die Unterwelt wagten, diesmal allerdings mit realistischen Zielen. Sie wollten vor allem überprüfen, was dran ist an der Theorie der Plattentektonik, die etliche Geologen damals für blanken Unsinn hielten. Sie konnten sich einfach nicht vorstellen, daß Schollen der Erde Tausende von Kilometern weit wandern können. Mit vielen „Nadelstichen”, kaum tiefer als einen Kilometer, verschafften sich die Forscher ein Bild vom Ozeanboden. Und tatsächlich: Das Deep Sea Drilling Project (DSDP) und das spätere Ocean Drilling Program (ODP) belegten, daß der Meeresboden auf ständiger Wanderschaft ist. Zudem wird er ständig recycled: An den Mittelozeanischen Rücken – einer Naht, die sich längs durch die Weltmeere zieht – bildet sich neue Gesteinshaut und driftet zur Seite, bis sie an den Rändern von Kontinenten abtaucht und tief im Erdinnern wieder aufschmilzt. Die ältesten Ozeanböden sind gerade 170 Millionen Jahre alt, viel jünger als die Erde, die vor rund 4,6 Milliarden Jahren zusammenklumpte.
Das bedeutet aber auch: Um tiefer in die irdische Vergangenheit vorzustoßen, muß man den Bohrer an Land ansetzen. Denn die leichten Kontinente schwimmen wie Eisberge auf dem plastischen Erdmantel und entgehen so dem ozeanischen Recycling. Drei Viertel ihrer Masse sind älter als zwei Milliarden Jahre. Außerdem läßt sich hier vieles studieren, was für Menschen lebenswichtig ist: Vulkane, Erdbebenzonen und Bodenschätze.
Während die USA kleinere Projekte anschoben, klotzten diesmal die Russen: Auf der Suche nach Rohstoffen schnitten sie den eurasischen Kontinent mit einer Kette von Tiefbohrungen regelrecht auf. Der Frontalangriff auf die Erdkruste gipfelte in einer extrem tiefen Bohrung auf der Halbinsel Kola. Hier trieben die Russen den Meißel 12261 Meter weit ins Gestein – Weltrekord. Die Geheimniskrämer aus dem Osten veröffentlichten nur wenige Ergebnisse. Doch das genügte, um deutsche Experten anzustacheln: „ Das müssen wir besser machen”, hieß es. So wurde das KTB aus der Taufe gehoben, bei dem es allerdings nicht um Bodenschätze ging, sondern um reine Grundlagenforschung. Die erste Idee, im geologisch brisanten Schwarzwald zu bohren, verwarfen die Forscher bald, da sie befürchteten, hohe Temperaturen im Erdinnern würden der Bohrung rasch ein Ende machen. Statt dessen setzten sie den Meißel im „kühlen” Windischeschenbach an. Doch die Temperatur kletterte rascher als erwartet. Bei 9101 Meter und 265 Grad endete im Oktober 1994 der Vorstoß. Mit überraschenden Resultaten: Der Untergrund erwies sich als völlig anders aufgebaut, als die Wissenschaftler erwartet hatten. „Das KTB war eine Art Lernprogramm für viele geowissenschaftliche Methoden”, meint Ulrich Harms, beim Potsdamer GFZ zuständig für Tiefbohrungen.
Das KTB, mit deutscher Gründlichkeit durchgezogen, gilt als Schulbeispiel für eine wissenschaftliche Tiefbohrung. Der Weg war das Ziel: Alles, was aus dem Loch heraufkam, wurde penibel analysiert. Im reich ausgestatteten Feldlabor untersuchten Spezialisten die herausgebrochenen Gesteinspartikel, das sogenannte Bohrklein, bestimmten die Gase in der Spülflüssigkeit und beleuchteten nach allen Regeln der Kunst die großkalibrigen Bohrkerne – von insgesamt fast vier Kilometer Länge. Eine eigens entwickelte digitale Datenbank machte die Informationen allen interessierten Wissenschaftlern zugänglich. Meßsonden, im Loch versenkt, lieferten weitere Erkenntnisse. Noch heute nutzen Wissenschaftler den Zugang zur Unterwelt als „Tiefenlabor”. Erst Ende letzten Jahres preßten sie Tausende Tonnen Wasser in die untersten Klüfte und brachten so das Gestein zum Knistern – Grundlagenforschung, um Erdbeben besser zu verstehen.
Das KTB war eine einmalige Kraftanstrengung. Schwer vorstellbar, daß jemals wieder eine Nation mehr als eine halbe Milliarde Mark für ein nationales Bohrprogramm ausgibt. „Doch die deutsche Bohrindustrie”, meint Harms, „hat dank KTB wesentliche Impulse bekommen.” Sie entwickelte neue Techniken, die in der Ölbranche gefragt sind. Vor allem das Vertikalbohrsystem, das den Bohrer automatisch auf Kurs hält, machte Karriere. Natürlich gab es auch wissenschaftliche Highlights. So stießen die Forscher überraschend in den untersten Etagen auf offene Klüfte, aus denen tonnenweise Fluide strömten: Wasser mit gelösten Gasen und Salzen. Sie hatten gedacht, daß der auflastende Gesteinsdruck jeden Spalt sofort verschließen würde. Doch große Sensationen blieben aus. In der Rückschau wirkt das KTB wie eine Generalprobe vor dem großen Konzert.
Dieses Konzert hat nun begonnen: Beim Internationalen Kontinentalen Bohrprogramm (ICDP) steht Geologie vom Feinsten auf dem Programm: Die Tiefbohrungen führen nicht nur durch die gefürchtete Erdbebenquelle der San Andreas-Verwerfung und den heißen Schlot des explosiven Vulkans Unzen, sondern auch in den mexikanischen Chicxulub-Krater, den ein himmlischer Irrläufer vor 65 Millionen Jahren gerissen hat und dabei das irdische Leben fast auslöschte.
Vom Ballast nationalen Prestigedenkens befreit, peilen die Wissenschaftler diesmal keine Rekorde an. Die hohen Kosten lassen ihnen ohnehin keine Wahl, denn Geld ist überall knapp: „Auf Wettläufe, Konkurrenz oder Doppelarbeiten darf man sich nicht mehr einlassen”, meint Harms. Die Geldgeber fordern praktischen Nutzen für die Menschen. Deshalb geht es bei der neuen Bohr-Serie um die Erforschung brisanter Erdbebenregionen und Vulkane, damit Menschen vor Katastrophen besser geschützt werden können, eine detaillierte Rekonstruktion der Klimageschichte der letzten Jahrmillionen, um den Einfluß des Menschen auf das Klima exakter abschätzen zu können, und um die Erforschung großer Sedimentbecken, die den Löwenanteil unserer Rohstoffe bergen. Erste Priorität hat eine Bohrung in der kalifornischen Long Valley Caldera, einem über 20 Kilometer weiten Krater, der vor 760000 Jahren bei einer katastropha-len Eruption einbrach. Untrügliche Zeichen vulkanischer Aktivität ist Kohlendioxid, das im Skigebiet Mount Mammoth austritt und jedes Jahr Opfer fordert. Tiefschneefahrer ersticken, wenn sie in die tückischen Schlote stürzen. Gefahr droht auch an heißen Quellen, in denen Touristen im Sommer gerne baden. Die natürlichen Wannen können in Minuten zu kochenden Suppentöpfen werden. Seit 1980 regt sich der Vulkan wieder: Erdbeben erschüttern die Region und der Boden wölbt sich auf wie ein Hefeteig. Aufsteigendes Magma bläht den Kraterboden um rund drei Zentimeter pro Jahr. Die Alarmzeichen veranlaßten Politiker bereits, eine zusätzliche Straße zu bauen, um die Menschen im Notfall rasch evakuieren zu können.
Die drei Kilometer tiefe Bohrung soll klären, was sich im Untergrund abspielt und ob ein Ausbruch bevorsteht. Schon zu Anfang lieferte sie eine Überraschung: Unterhalb von 2400 Metern blieb das Thermometer wie festgenagelt auf 100 Grad stehen, statt auf vulkanische 300 Grad zu klettern. Die Wissenschaftler suchen nun händeringend nach Erklärungen. Sie vermuten, daß die Hitze des aufsteigenden Magmas noch gar nicht bis in 3000 Meter Tiefe vorgedrungen ist, weil das Gestein die Wärme schlecht leitet.
Auch beim Bohrprojekt auf Hawaii, das bereits die 3000-Meter-Marke passiert hat, spielt die Temperatur verrückt. „ Wir dachten erst an einen Meßfehler”, sagt GFZ-Experte Wohlgemuth. Am Fuß des Vulkans Mauna Kea, wo der Bohrturm steht, maßen die Techniker zunächst 23 Grad, 1600 Meter darunter nur noch 16 Grad. In keinem anderen Bohrloch der Welt sinkt die Temperatur mit zunehmender Tiefe. Offenbar verfügt der gewaltige Vulkankegel, der aus der Tiefsee aufragt, über ein natürliches Kühlsystem: Versickerndes Regenwasser und eindringendes Meerwasser strömen durch den porösen Koloß und entziehen ihm Wärme. Die Bohrmannschaft machte damit mehrmals Bekanntschaft: In 300 Meter Tiefe bohrte sie unversehens eine artesische Quelle an, aus der täglich 11000 Kubikmeter Wasser sprudelten. Und noch 2000 Meter unter dem Meeresspiegel stießen sie auf Süßwasser, womit niemand gerechnet hatte. Angst vor Wassermangel müssen die Insulaner also nicht haben. Allerdings untergräbt das fließende Wasser die Standfestigkeit der Berghänge. In der Erdgeschichte rutschten immer wieder kilometergroße Flanken der Hawaii-Inselkette ins Meer und lösten riesige Flutwellen aus. Möglicherweise spielte die jetzt entdeckte Wasserspülung dabei eine wesentliche Rolle.
Vor schwierigen Herausforderungen stehen die Bohrtechniker am japanischen Unzen, wo die Bohrung nächstes Jahr starten soll. Der explosive Vulkan tötete 1792 bei einem katastrophalen Ausbruch 15000 Menschen und war zuletzt Anfang der neunziger Jahre aktiv. Bilanz damals: zwei Milliarden Dollar Schaden und 44 Tote. Eine Bohrung soll direkt in den Förderschlot dringen, in 1200 Meter Tiefe, wo über 500 Grad herrschen. Die Wissenschaftler wollen dabei herausfinden, warum das Magma manchmal entgast – und manchmal explodiert. In das Loch wollen sie später Sensoren stecken, um das Frühwarnsystem zu verbessern.
Trotz ihres Engagements zu Lande haben die Geowissenschaftler die Tiefsee nie aus den Augen verloren. Mehr als 2000 Löcher wurden in den letzten 40 Jahren in den Ozeangrund getrieben – allerdings keines tiefer als 2111 Meter. Mit einem neuen Bohrschiff, das die Japaner 2004 losschicken wollen, soll auch hier ein neues Kapitel aufgeschlagen werden. Mit modernster Bohrtechnik wird der Meißel bis zu 7000 Meter tief ins Gestein dringen, 4000 Meter unter dem Meeresspiegel. Da das Bohrgestänge unter Wasser in einem Rohr verläuft, können die Techniker das herausgemeißelte Bohrklein und Fluide heraufholen. Außerdem läßt sich ein sogenannter Blowout-Preventer am Meeresgrund auf das Loch stülpen, der Gasausbrüche verhindert. Das erweitert den Einsatzspielraum erheblich, denn das derzeit weltweit einzige Bohr-Forschungsschiff Joides Resolution darf in Regionen, wo Öl oder Gas herausschießen könnten, erst gar nicht bohren.
Auch hier geht es um Klimageschichte, um Erdbebenvorsorge und Gasvorkommen. Ganz am Ende der Wunschliste, mit einem dicken Fragezeichen versehen, taucht ein Projekt auf, an dem die Amerikaner schon einmal kläglich gescheitert sind: der Stich in den Erdmantel.
Kompakt Eine Serie von Tiefbohrungen erkundet derzeit die geologisch spannendsten Regionen der Welt. Am brisantesten ist eine Bohrung mitten in die erdbebengeschüttelte San Andreas-Störung von Kalifornien. Tiefbohrungen waren in der Vergangenheit Prestige-Objekte, weil sie Millionen Mark verschlingen. Sogar der Kalte Krieg wurde mit dem Bohrmeißel geführt.
Hier geht´s der Erde unter die Haut San Andreas-Verwerfung: Flaggschiff des internationalen Tiefbohr-Programms ICDP. Die Bohrung soll die Scherzone durchqueren, die für viele starke Erdbeben verantwortlich ist. Sie ist technisch anspruchsvoll, weil das Gestein zu einer Art Melanche zermahlen ist und viele Fluide (fließfähige Stoffe) enthält. Unzen: Wie kommt es zu hochexplosiven Vulkanausbrüchen? Wie kann man sie vorhersagen? Die Bohrung direkt durch den heißen Förderschlot des japanischen Vulkans soll Antworten geben. Das steile, brüchige Gelände und hohe Temperaturen erschweren das Projekt.
Chicxulub-Krater: Ein etwa 3 Kilometer tiefes Loch soll im Detail klären, was sich vor 65 Millionen Jahren hier abspielte, als ein gewaltiger Meteorit einschlug, der die Dinosaurier und die meisten anderen Lebewesen aussterben ließ. Malawi-See: Die Bohrkerne sollen die Klimageschichte der letzten 1 bis 2 Millionen Jahre hochaufgelöst (Jahrzehnte bis Jahre) präsentieren. Das ist besonders interessant, weil sich hier vermutlich der moderne Mensch entwickelt hat. Titicaca-see: Die Bohrung soll die Klima- geschichte der letzten Million Jahre im Detail erhellen.
Baikal-see: Die Bohrkerne liefern Daten zur Klimageschichte der letzten 10 bis 15 Millionen Jahre. In dieser Zeit hat sich das Tibet-Plateau herausgehoben, was auf das Klima großen Einfluß hatte. Long Valley: Die Bohrung wurde 1998 von 2 auf 3 Kilometer vertieft. Ziele: Droht Gefahr durch tief einströmendes Magma? Läßt sich geothermische Energie gewinnen? Hawaii/Koolau: Die Bohrung soll die Entstehung der Inselkette klären. Stammt das Magma der Vulkane von Ozeankruste, die vor Hunderten Millionen Jahren in den Erdmantel abtauchte, aufschmolz und nun wieder nach oben kommt? Donghai: Das 5000-Meter-Loch soll in eine Gesteinsformation führen, die Hochdruckminerale – darunter Diamanten – enthält. Das Gestein muß einst rasch mindestens 100 Kilometer tief abgesunken und wieder aufgestiegen sein. Das harte Material erschwert das Bohren.
Kreta: Die afrikanische Platte taucht hier unter der eurasischen ab, wobei es immer wieder zu Erdbeben kommt. Die Bohrung soll die Mechanismen klären und bei der Erdbebenvorsorge helfen. Korinth: Im Golf von Korinth bricht zur Zeit möglicherweise die eurasische Platte auseinander. Die Bohrung soll unter anderem die Entstehung von flachen Erdbeben hier klären. New Jersey: Die Flachwasserbohrung schießt eine Lücke zwischen Land- und Meeresbohrungen. Sie soll vor allem Meeresspiegelschwankungen und deren Ursachen erkennen helfen. Bdw community Internet icdp.gfz-potsdam.de Viel Wissenswertes und gute Bilder zu allen Bohrungen des kontinentalen Tiefbohrprogramms ICDP (in Englisch). Man kann sich immer tiefer ins Detail klicken – bis zur Ansicht eines Bohrkern-Abschnitts.
http://www.iodp.org Homepage des geplanten Tiefsee-Bohrprogramms (in Englisch)
http://www.joides.geomar.de/cgi-bin/menu.cgi Infos (in Deutsch) über das aktuelle internationale Tiefsee-Bohrprogramm, das seit 1983 läuft. Dabei geht es vor allem um den deutschen Beitrag.
http://www-odp.tamu.edu/ Homepage des aktuellen internationalen Tiefsee-Bohrprogramms (in Englisch)
LESEN Eugen Seibold, Jörn Thiede DIE GESCHICHTE DER OZEANE NACH TIEFSEEBOHRUNGEN Akademie der Wissenschaften und der Literatur, Mainz 1997
KONTAKT Dr. Ulrich Harms GFZ Potsdam Telegrafenberg, 14 473 Potsdam E-Mail: ulrich@gfz-potsdam.de
Klaus Jacob
