Структура Земли
Она состоит из трех основных слоев:
- Внешняя оболочка, называемая корой, представляет собой очень тонкий слой легкой породы. Ее толщина по сравнению с диаметром Земли подобна толщине кожуры яблока по сравнению с его диаметром. Когда я рыл ямы в детстве, я царапал самую верхушку земной коры.
- Мантия, которая находится под корой, гораздо толще, как мякоть яблока. Она состоит из прочной, тяжелой породы, которая течет на несколько дюймов в год, поскольку более горячая порода поднимается от центра Земли, а более холодная опускается к нему.
- Ядро в центре Земли состоит из сверхгорячего жидкого и твердого металла. Температура здесь составляет от 4500 до 9300 градусов по Фаренгейту (от 2500 до 5200 градусов по Цельсию).
Внешние слои Земли оказывают давление на нижние слои, и эти силы неуклонно возрастают с глубиной, так же как и в океане — подумайте, как давление в ваших ушах усиливается по мере того, как вы погружаетесь глубже под воду.
Это актуально для рытья земли, потому что когда роется или бурится яма, стенки по бокам ямы находятся под огромным давлением вышележащей породы, а также нестабильны, потому что рядом с ними есть пустое пространство. Более прочные породы могут выдерживать большие силы, но все породы могут разрушиться, если давление достаточно велико.
При рытье ямы один из способов предотвратить обрушение стенок внутрь под давлением — сделать их менее крутыми, чтобы они были наклонены наружу, как стороны конуса. Хорошее практическое правило — делать яму в три раза шире ее глубины.
Неустойчивые стены
Самый глубокий карьер на Земле — это шахта Бингем-Каньон в штате Юта, которая была вырыта экскаваторами и взрывчаткой в начале 1900-х годов для добычи медной руды. Карьер шахты имеет глубину 1,2 километра и ширину 4 километра.
Поскольку ширина шахты более чем в три раза больше ее глубины, а стены наклонные, стенки карьера не слишком крутые и неустойчивые. Тем не менее, в 2013 году один из склонов обрушился, вызвав два огромных оползня , которые сбросили 145 миллионов тонн щебня на дно карьера. К счастью, никто не пострадал, но оползни нанесли ущерб на сотни миллионов долларов .
Предположим, вы пытаетесь прорыть Землю, а планета вся твердая. (Мы знаем, что это не так, но это самый простой сценарий.) Глубина дыры насквозь через планету будет эквивалентна диаметру Земли, который является просто названием для линии, проходящей прямо через центр круга . Таким образом, ваша дыра должна быть примерно в три раза шире диаметра Земли, чтобы она была устойчивой.
Очевидно, что это невыполнимая задача, которая полностью изменила бы форму планеты.
Копание против бурения
Бурение может быть более глубоким, чем рытье, поскольку требуется перемещать меньше материала, а меньшая площадь поверхности скважины может быть спроектирована так, чтобы выдерживать большую нагрузку . Энергетические компании обычно бурят на глубину до 5 километров под поверхностью, чтобы найти нефть и газ.
Самая глубокая скважина в Земле — Кольская сверхглубокая скважина на северо-западе России, которая простирается на 12,2 километра в глубину. Такие глубокие скважины могут многое рассказать ученым о недрах Земли. Однако проект «Кольский» в конечном итоге был заброшен из-за проблем с бурением, таких как слишком высокие температуры для работы оборудования, отказы оборудования и высокие затраты.
Бурение — утомительный процесс. Роторное сверло на конце полой, заполненной грязью трубы измельчает породу, проникая всего на пару дюймов в минуту в очень твердые породы. Если предположить, что темпы бурения будут стабильными, то на то, чтобы пробурить Землю, уйдут сотни лет.
Чем глубже сверло, тем больше времени требуется на замену сломанных деталей. А километры бурильной трубы могут стать настолько тяжелыми, что их невозможно будет скрутить или вытащить из скважины.
Давление также является проблемой. Стенки скважины находятся под огромным давлением и склонны к разрушению. Медленное движение мантии Земли в конечном итоге приведет к изгибу и обрушению скважины. Магма, газы и жидкий металл глубоко в Земле под огромным давлением могут взорваться вверх через скважину к поверхности.
Современные технологии бурения просто недостаточно быстры и надежны, чтобы пробурить мантию и ядро Земли. Но мы все еще можем восхищаться такими достижениями, как Кольская сверхглубокая скважина и шахта Бингем-Каньон, и мечтать о выкапывании пород с еще больших глубин.