Strona główna

Dziury w ziemi

Numer 10/2020
Crveno Jezero (Jezioro Czerwone) – lej krasowy w Chorwacji (głębokość 530 m). Crveno Jezero (Jezioro Czerwone) – lej krasowy w Chorwacji (głębokość 530 m). Shutterstock
Powierzchnia naszej planety wydaje się całkiem solidna i bezpieczna. Tymczasem jest ona w wielu miejscach dziurawa – może nie tak jak ser szwajcarski, ale jednak. Część tych dziur ma pochodzenie naturalne, inne są dziełem człowieka.
Zjawiska krasowe – widoczny lej krasowy, ­jaskinie, podziemna rzeka, stalaktyty i stalagmity.Shutterstock Zjawiska krasowe – widoczny lej krasowy, ­jaskinie, podziemna rzeka, stalaktyty i stalagmity.
Widok wnętrza aktywnego wulkanu Kīlauea – Hawaje (USA).Shutterstock Widok wnętrza aktywnego wulkanu Kīlauea – Hawaje (USA).
Wnętrze ­jaskini So,n Đoòng (Wietnam).Shutterstock Wnętrze ­jaskini So,n Đoòng (Wietnam).
Schemat budowy wulkanu.Shutterstock Schemat budowy wulkanu.
Wulkany Mauna Kea i Mauna Loa (Hawaje, USA).BEW Wulkany Mauna Kea i Mauna Loa (Hawaje, USA).
Kopalnia miedzi Chuquicamata (Chile).Shutterstock Kopalnia miedzi Chuquicamata (Chile).
Supergłęboki Odwiert Kolski (SG-3) – widoczna obudowa wiertni.TASS/Forum Supergłęboki Odwiert Kolski (SG-3) – widoczna obudowa wiertni.
Bingham Canyon Mine – największa odkrywkowa kopalnia miedzi (stan Utah, USA).Shutterstock Bingham Canyon Mine – największa odkrywkowa kopalnia miedzi (stan Utah, USA).
Salina Turda – kopalnia soli (Rumunia).Shutterstock Salina Turda – kopalnia soli (Rumunia).
Drążenie tunelu metodą NATM (Semmering, Austria).BEW Drążenie tunelu metodą NATM (Semmering, Austria).
Tunel pod kanałem La Manche (Francja/Wielka Brytania) – drążenie metodą TBM.BEW Tunel pod kanałem La Manche (Francja/Wielka Brytania) – drążenie metodą TBM.
Tarcza drążąca (Turyn, Włochy).Shutterstock Tarcza drążąca (Turyn, Włochy).
Dom w Coober Pedy.Shutterstock Dom w Coober Pedy.
Pokój w podziemnym hotelu (Coober Pedy, Australia).Shutterstock Pokój w podziemnym hotelu (Coober Pedy, Australia).
Kopalnie opali w Coober Pedy.Shutterstock Kopalnie opali w Coober Pedy.
Znak ostrzegawczy w rejonie dawnego wydobycia opali.Shutterstock Znak ostrzegawczy w rejonie dawnego wydobycia opali.

Jednym z podstawowych typów skał na Ziemi są skały osadowe. Powstawały one na skutek parowania wody ze zbiorników bogatych w sole, jak węglan wapnia czy siarczan wapnia. Najpowszechniejszym minerałem tej grupy jest kalcyt, czyli niemal czysty węglan wapnia. Występuje na całym świecie, a w Polsce spotkamy go m.in. na Wyżynie Krakowsko-Częstochowskiej, w Pieninach i Górach Świętokrzyskich. Chociaż tworzy on skały twarde i odporne na warunki atmosferyczne, ma dość istotną słabość. Jeśli w wodzie stykającej się z węglanem wapnia znajduje się dwutlenek węgla, zaczyna powoli zachodzić reakcja, której efektem końcowym jest roztwarzanie skały. Z węglanu wapnia (CaCO3) powstaje znacznie lepiej rozpuszczalny w wodzie wodorowęglan (CaHCO3), a w rezultacie następuje naruszenie struktury krystalicznej, co powoduje, że spływająca woda rzeźbi skałę. Po długim czasie pod ziemią powstają spore przestrzenie, z których węglan wapnia zostaje po prostu wypłukany. W kolejnym etapie może zachodzić proces odwrotny. Gdy stężenie wodorowęglanu w wodzie rośnie, zaczyna się reakcja ponownej przemiany tego związku w węglan wapnia z wydzieleniem dwutlenku węgla. W taki właśnie sposób powstają w jaskiniach stalaktyty. A kiedy nadmiar stężonego roztworu skapuje na podłoże i tam bardzo powoli krystalizuje, tworzą się stalagmity.

Całość zjawisk związanych z tymi dwiema prostymi reakcjami chemicznymi określamy jako procesy krasowe. Nazwa ta wywodzi się od znajdującego się w Słowenii płaskowyżu Kras, a ona z kolei pochodzi od chorwackiego słowa krš, oznaczającego kamień albo skałę. Zjawiska krasowe występują najpierw na powierzchni skał, ale po pewnym czasie toczą się już w ich wnętrzu. W ten sposób powstają jaskinie. Niektóre z nich imponują wielkością. Największa (objętościowo) jaskinia na świecie, So,n Đoòng, znajduje się w Wietnamie. Zaczęła się tworzyć na przełomie karbonu i permu. Ma ok. 9 km długości, a jej łączna kubatura wynosi 38,5 mln m3 (50 razy więcej niż kubatura Pałacu Kultury i Nauki). Dnem So,n Đoòng płynie rzeka – stąd pochodzi jej nazwa („jaskinia podziemnej rzeki”). Woda oczywiście powoli wypłukuje kolejne porcje skał wapiennych, co będzie zwiększało objętość tej olbrzymiej jaskini.

Rekord głębokości natomiast należy do odkrytej w 1968 r. Jaskini Wieriowkina, znajdującej się na terytorium Gruzji. Jej głębokość szacuje się na 2212 m. Polski rekord należy do znajdującej się w Tatrach jaskini Wielkiej Śnieżnej, która sięga 808 m w głąb ziemi. Jest to właściwie system pięciu jaskiń. Odkryto je niezależnie, a potem okazało się, że są połączone. Łączna długość korytarzy tej jaskini wynosi niemal 24 km. Z kolei zjawiska krasowe z imponującymi stalaktytami i stalagmitami można obejrzeć w jaskini Raj, położonej w Chęcinach (Góry Świętokrzyskie).

Wulkany

Zjawiska krasowe potrzebują bardzo dużo czasu, aby się ujawnić. Ich zdecydowanym przeciwieństwem są procesy wulkaniczne. Wulkany pojawiają się zwykle w sposób bardzo efektowny i gwałtowny, ale tak naprawdę to już ostatni akord ich tworzenia. Są one niejako ubocznym efektem młodych ruchów górotwórczych. Poruszające się płyty litosfery ścierają się i nasuwają na siebie, a na ich krawędziach powstają miejsca, w których stopiony materiał skalny (magma) tworzy komorę magmową. Panujące tam bardzo wysoka temperatura (600–1250°C) oraz ciśnienie powodują w pewnych przypadkach powstawanie tzw. komina wulkanicznego, który po jakimś czasie może sięgnąć do powierzchni ziemi. Końcowym efektem tych zjawisk staje się erupcja, oznaczająca, że z wnętrza Ziemi wydobywają się lawa, materiał piroklastyczny oraz gazy. Efektem jest stożek wulkaniczny, który może być olbrzymi. Największym obecnie wulkanem jest Mauna Kea na Hawajach (USA).

Wznosi się on na wysokość 4205 m n.p.m., ale tak naprawdę odległość pomiędzy dnem oceanu a jego szczytem to ponad 10 km. Gdy komin wulkaniczny ma dużą średnicę, w wyniku kolejnej gwałtownej erupcji (albo samozniszczenia części stropowej komory) stożek często zawala się do wewnątrz, tworząc olbrzymie zagłębienie zwane kalderą. Najbardziej znane kaldery możemy zobaczyć w USA (Kīlauea, Mount St. Helens) i Indonezji (Krakatau, Toba).

Kopalnie

Człowiek od pradziejów poszukiwał rozmaitych rzeczy pod powierzchnią ziemi. Już ludzie pierwotni wydobywali krzemień, którego używali do produkcji narzędzi albo broni. Znajdujące się w Eswatini (dawniej: Swaziland) kopalnie hematytu, służącego do wyrobu czerwonego pigmentu (ochry), datowane są na okres paleolitu (43 tys. lat temu). Starożytni Egipcjanie w podobny sposób wydobywali malachit – ceniony materiał jubilerski. Ale tak naprawdę rozwój kopalnictwa przypada na okres średniowiecza. W związku z tym, że metalurgia, czyli otrzymywanie czystych metali z ich rud (najczęściej tlenków), zyskiwała na znaczeniu, dynamicznie rosło zapotrzebowanie przede wszystkim na rudy takich metali jak żelazo, miedź, cyna i cynk. Równolegle powstawały kopalnie węgla – w Europie pierwsze w Anglii, a dopiero potem na kontynencie. W Nadrenii (obecnie Niemcy) węgla używano do uzyskiwania żelaza. Pierwotnie kopalnie były najczęściej odkrywkowe, dopiero później zaczęto drążyć głębsze tunele, docierając do zasobów mineralnych lepszej jakości. Bardzo istotną rolę odegrała tutaj rewolucja przemysłowa.

Kopalnie odkrywkowe robią duże wrażenie. Największa z nich, pozyskująca miedź Bingham Canyon Mine, znajdująca się hrabstwie Salt Lake (stan Utah, USA), ma szerokość ok. 4 km, a jej głębokość sięga 1200 m. Została założona w połowie XIX w., ale wydobycie zostało wstrzymane w 2013 r., gdy osuw ziemi zasypał niemal 2/3 dna wykopu. Nadal działa nieco mniejsza kopalnia miedzi Chuquicamata, położona na pustyni Atakama w Chile. Jej wymiary to 4 × 2,5 km, a głębokość – 900 m. Z kolei na drugim końcu świata, w Jakucji (Rosja), znajduje się największa na świecie kopalnia odkrywkowa diamentów – Trubka Udacznaja. Jej wyrobisko ma wymiary 1,6 × 1,2 km, a głębokość wynosi ponad 600 m.

Kopalnie buduje się w konkretnym celu – aby wydobywać spod ziemi coś, co się nam przydaje. Człowiek jednak kieruje się też ciekawością poznawczą. I to właśnie ona powoduje, że naukowcy także wiercą w ziemi, ale wyłącznie w celach badawczych. Tego typu odwierty pozwalają na analizę składu i struktury skorupy ziemskiej, a dane pozyskane tą metodą są wykorzystywane przez geologów, geochemików i geofizyków na całym świecie. Najbardziej znanym przykładem jest tu Supergłęboki Odwiert Kolski, znany pod skrótem SG-3. Znajduje się on na półwyspie Kola na wschodzie Rosji. Wiercenie rozpoczęto w 1970 r., a zamiarem naukowców było dotarcie przez skorupę ziemską do płaszcza ziemskiego. Skorupa ma w zależności od położenia od 10 do 70 km grubości. Uczeni zaplanowali dotarcie na głębokość 15 km, ale ten ambitny plan trzeba było zmodyfikować. Podstawowy problem stanowiła temperatura. Wcześniej szacowano, że na tej głębokości wyniesie ona nie więcej niż 100°C. Stwierdzono jednak znacznie większą – aż 190°C (pomiar w momencie, gdy w 1992 r. przerwano wiercenie). Średnica odwiertu na powierzchni wynosi ok. 92 cm, natomiast u podstawy to tylko 21,5 cm. Nie było szans na kontynuację prac, zwłaszcza że w tym samym czasie rozpadł się Związek Radziecki i finansowanie zostało przerwane. Uczeni planowali powrót do projektu, ale w 1995 r. został on zamknięty, a w 2012 r. otwór zaspawano. Do dziś odwiert dzierży rekord głębokości, wynoszący 12 262 m. Robi wrażenie, prawda? Myślę, że jednak warto spojrzeć na to też z innej perspektywy – średni promień Ziemi wynosi ok. 6370 km, a więc udało się nam pokonać zaledwie 0,19% tej odległości. Bardziej obrazowo: gdybyśmy wiercili otwór w średniej wielkości jabłku, nadal bylibyśmy dopiero w połowie grubości skórki. Czy kiedyś uda się dotrzeć zdecydowanie głębiej? Nie wiadomo, chociaż istnieją takie projekty badawcze.

Kopać można też poziomo

Inspiracją do tworzenia poziomych korytarzy podziemnych była prawdopodobnie obserwacja działalności zwierząt. Skoro borsuki czy bobry potrafią kopać całkiem zgrabne tunele, ludzie wyposażeni w odpowiedni sprzęt też sobie poradzą. Konstrukcje tego typu mają bogatą historię. Te najdawniejsze służyły najczęściej do doprowadzania wody do miast, czyli były częścią akweduktów (Jerozolima, 700 r. p.n.e.). Nieco później, gdy coraz istotniejszy stawał się transport towarów, zaczęto też budować tunele drogowe. Rzymianie w I w. p.n.e. zbudowali takie tunele w Cumae (ówczesna kolonia grecka) na drodze z Neapolu do Puteoli (dziś: Puzzeoli). Najdłuższy mierzył ok. 1 km. Zastanawiający jest fakt, że w średniowieczu, chociaż technika w stosunku do starożytności poszła do przodu, sztuka budowy tuneli nieco podupadła. Odrodziła się pod koniec XVII w., gdy we Francji do drążenia w skale zaczęto używać czarnego prochu. Kolejnym wynalazkiem, który zdecydowanie ułatwił kruszenie twardych skał, stał się opatentowany w 1867 r. przez Alfreda Nobla dynamit. Tunele buduje się różnymi metodami. Najprostszą z punktu widzenia technologii jest wykopanie rowu o odpowiedniej szerokości i głębokości, umocnienie podłoża oraz ścian, a następnie przykrycie całości stosowną konstrukcją. Takiej metody nie da się jednak zastosować, gdy na drodze stanie nam góra.

Doświadczenie zdobyte przy drążeniu tuneli w kopalniach bardzo się przydaje budowniczym popularnego na całym świecie systemu kolei miejskich – metra. Pierwsza kolej podziemna zaczęła powstawać już w XIX w. w USA, a niedługo później pierwsza linia metra ruszyła w Londynie. Dziś to jeden z najbardziej popularnych systemów transportu w dużych aglomeracjach. Metro w Pekinie ma łączną długość linii niemal 700 km i przewozi rocznie rekordową liczbę pasażerów – niemal 4 mld (dla porównania – w Warszawie to niecałe 200 mln).

Obecnie do drążenia tuneli najczęściej stosuje się tzw. nową metodę austriacką, znaną pod skrótem NATM. Polega ona na wykonywaniu odpowiednich odwiertów pod materiały wybuchowe, detonacji, przygotowaniu odcinkami obudowy wstępnej itd. Ma tę zaletę, że prace można wykonywać cyklicznie, korygując je w zależności od aktualnych danych geologicznych. Ponadto da się ją zastosować w dowolnym ośrodku. Inną popularną metodą, stosowaną m.in. przy budowie warszawskiego metra czy też tunelu w Gdańsku, jest wykorzystanie tunelownicy, czyli maszyny drążącej (technika TBM). Średnica tarczy w Gdańsku wynosiła 12,6 m, natomiast największą do tej pory tarczę zmontowali Niemcy na potrzeby budowy tunelu w Hongkongu – ma średnicę 17,6 m.

Oprócz tuneli podziemnych mamy już całą gamę tuneli podwodnych. Jednym z największych na świecie jest mierzący ok. 50 km Eurotunel łączący Francję z Wielką Brytanią. Ciekawostką może być fakt, że najstarsza z takich przepraw, o długości ok. 400 m, powstała pod Tamizą w Londynie w pierwszej połowie XIX w.

Zwierzęta też kopią

Każdy z nas na pewno jest w stanie wymienić choćby kilka gatunków zwierząt, które namiętnie kopią dla siebie nory w ziemi. Czasem stanowią utrapienie działkowców – krecie kopczyki pojawiają się niekiedy w ciągu kilku godzin, a pojedynczy osobnik potrafi na głębokości 20–50 cm stworzyć całą sieć korytarzy o łącznej długości nawet do 1 km. W lasach spotkamy lisie lub borsucze nory, sięgające do 2,5 m w głąb ziemi. Długość korytarzy dochodzi tam do kilkunastu metrów. Bardzo ciekawe tunele budują bobry. Komory, w których przebywają, ulokowane są zawsze nad poziomem wody, ale łączące je korytarze zwykle znajdują się pod jej powierzchnią, co zabezpiecza te zwierzęta przed większością drapieżników. Niektóre siedliska bobrów imponują łączną długością korytarzy, sięgającą nawet ponad 100 m.

Kopaczem rekordzistą pod względem wielkości jest wombat. Ten żyjący w Australii i na Tasmanii torbacz mierzy do 1,2 m i waży nawet 35 kg – i pomimo swoich rozmiarów potrafi wykopać imponującą sieć korytarzy o długości do 20 m, rozciągającą się do głębokości 2 m. Jeśli wlot norki ma średnicę kilku centymetrów, najprawdopodobniej została ona stworzona przez wiewiórkę. Ale nie tylko ssaki są namiętnymi kopaczami. Na przykład cykady (a właściwie ich larwy) potrafią się także głęboko wkopać w ziemię, gdzie spędzają nawet 17 lat. Nie pozostawiają jednak żadnych trwałych korytarzy – służą one tylko jednorazowo.

dr n. chem. Mirosław Dworniczak

Dziennikarz naukowy – freelancer, współpracujący z „Wiedzą i Życiem” oraz „Tygodnikiem Powszechnym”, dawniej także z „Magazynem Internet” i „PC World”. Z wykształcenia chemik, uzyskał doktorat z fizykochemii organicznej. Współorganizator cyklu dorocznych międzynarodowych konferencji na temat nikotyny (od 2014). Prywatnie miłośnik twórczości Leonarda Cohena, literatury popularnonaukowej i dobrego filmu.

***

Hyperloop

Może dla niektórych będzie to zaskoczeniem, ale idea transportu wykorzystującego szczelne rury z pod- albo nadciśnieniem nie jest oryginalnym pomysłem Elona Muska. Już w 1799 r. Anglik George Medhurst zaproponował system pneumatycznego poruszania pojazdów pchanych sprężonym powietrzem w żeliwnych rurach. Na podobny pomysł wpadł Michel Verne, syn Juliusza, który zaproponował tunel transatlantycki do przesyłania towarów z szybkością naddźwiękową. Z kolei czytelnicy „Obłoku Magellana” Stanisława Lema pamiętają zapewne pojazdy zwane organowcami. Ale dopiero wizjoner Musk zaczął na poważnie wcielać w życie plan takiej komunikacji. Koncepcja Hyperloop zaczęła się rodzić w 2012 r., a w założeniu będzie to system podziemnych rur próżniowych, w których na poduszce magnetycznej będą się poruszać pojazdy osiągające docelowo prędkość naddźwiękową. Ideą Muska jest przeniesienie sporej części transportu, głównie towarowego, pod ziemię. Pierwszym miastem, które ma z tego skorzystać, jest Los Angeles. Polska ma także swój wkład w projektowanie tego typu transportu. Inżynierowie z Politechniki Warszawskiej działający w ramach Hyper Poland po serii prac badawczych zaprezentowali jesienią 2019 r. działający model (skala 1:5) takiego środka. Prezentację można obejrzeć tu: https://youtu.be/vZdLG7YxowA.

***

Coober Pedy – podziemne miasto

Nieco ponad 800 km na północ od Adelaide (Australia), a 600 km na południe od Alice Springs leży miasto Coober Pedy. Słynie ono z wydobycia pięknych opali, ale jedną z największych atrakcji tego miejsca są wykute w skale podziemne domy. Ich budowa wiąże się z panującym w tym miejscu klimatem. Latem temperatura sięga 35˚C, a do tego dość często występują tam burze piaskowe. Podziemne domy bywają naprawdę piękne, a w mieście znajdują się też mniej lub bardziej luksusowe podpowierzchniowe motele. W samym mieście można oczywiście zwiedzić kilka kopalń opali, ale także dwa bardzo interesujące podziemne kościoły – katolicki pod wezwaniem św. Piotra i Pawła oraz należący do serbskiego Kościoła prawosławnego pod wezwaniem św. Eliasza. Można przy okazji przypomnieć, że Polska nie ma się czego wstydzić – my też mamy podziemną kaplicę św. Kingi w Kopalni Soli „Wieliczka”.

01.10.2020 Numer 10/2020

Czytaj także

Reklama
Reklama

Ta strona do poprawnego działania wymaga włączenia mechanizmu "ciasteczek" w przeglądarce.

Powrót na stronę główną