地球の中心に向かって進むには、地中一万メートルの深さまで行く必要があるのでしょうか？

制作：中国科学普及協会

著者: 李波 (陝西生物農業研究所)

プロデューサー: 中国科学博覧会

歴史を通じて、中国でも海外でも、神話の中で無限の魔力を持つ神々は、常に神秘的で空を飛び、地中に隠れることができる存在として描かれてきました。 「天に行くこと」と「地に入ること」は、自然の神秘を解き明かし、認識の限界を広げるための人類の永遠の夢でした。

1957年にソビエト連邦が最初の人工衛星の打ち上げに成功して以来、人類は数え切れないほどの宇宙探査を成功させてきました。現在、我が国の火星探査機「天問1号」は火星表面に着陸することに成功し、我が国の宇宙ステーション「天河」も宇宙を航行しています。

「天国に行く」ということは、人間にとってもはや難しいことではないようです。それに比べて、人間は「地下に潜る」能力がどのくらいあるのでしょうか？

なぜ「地下に潜る」必要があるのでしょうか？

地球は人類の故郷ですが、時折、地震、火山、土砂崩れなどさまざまな地質災害を人類にもたらします。人間は自らの生存のために、地球を理解しようと熱心に取り組んでいます。地獄の想像上の場面を描いたダンテの『神曲』から、海、キノコの森、古代の怪物などがある地下世界を描いたジュール・ヴェルヌの『地底旅行』まで、それらはすべて、地球の深い謎に対する人間の推測、想像力、そして強い好奇心を明らかにしています。

実際、これまで人類の発展に必要なすべての物質資源は地球から来ています。既存の科学的研究結果によれば、地下2キロメートルの深さには地下水資源と人類が利用できる空間があることがわかっています。約5,000〜10,000メートルの深さには、豊富な石油、ガス、鉱物、地熱資源があるエネルギーと資源の空間があります。平均採掘深度が地下2,000メートルに達することができれば、我が国の鉱物資源、石油・ガス資源の供給量は現在の2倍になると推定されます。近年、我が国はタリム盆地において超深部ガス田を相次いで発見しており、そのほとんどは地下9,000メートルから10,000メートルの深さで発見されました。

図1 地獄の深淵、ボッティチェリが1480年にダンテの神曲のために描いた挿絵。現在はローマのバチカン図書館に所蔵されている。

（写真提供：中央美術学院）

また、地球温暖化の問題が深刻化する中、地熱エネルギーの活用も注目されています。この深く埋もれた熱エネルギーを発電に置き換えたり、生産や生活に直接応用したりすることは、人類の将来の持続可能な発展にとって大きな意義があります。

一方、地下1万メートルは地震や火山噴火などの自然災害が発生する空間でもあります。地球内部の探査は、人類の発展における資源とエネルギーのニーズをさらに解決するのに役立つだけでなく、長期的には、地質災害をタイムリーに予測し、地球規模の気候変動危機に効果的に対応するには、地下に埋もれた岩石から答えを見つけることも必要です。

「地面に入る」のはどれくらい難しいですか？

しかし、何もない宇宙空間と比較すると、私たちが住む46億年前の青い惑星は、独自の構造と物質の分布を持っています。地球の構造をこの塩漬けのアヒルの卵に例えると、地球の地殻は卵の殻の薄い層に相当し、平均厚さは約 33 キロメートルです。現在、人類による地球探査の最深記録は、前世紀末にソ連がコラ半島で記録した12,262メートルである。地球の半径が6,000キロメートル以上あることと比較すると、この距離は地球の表面に開いた小さな穴のようなものだ。

図2 地球の構造の模式図

（写真提供：veerフォトギャラリー）

実際、人類の文明が誕生して以来、私たちは地下の探査に力を入れてきました。紀元前1500年頃にはすでに、我が国の商王朝の甲骨文字に「井戸」という言葉が登場していました。この絵文字は、人々が地表から下に向かって円筒形の水路を掘ったことを鮮明に示しています。目的は単純で、地下水を汲み上げることでした。

図3 商代甲骨文字の井字

（写真提供：漢字博物館）

驚く人もいるかもしれません。いわゆる「地中に入る」というのは、単に下に向かって掘ることを意味します。それは何が難しいのですか?しかし、実際には、言うのは簡単ですが、実行するのは難しいのです。 2,500年以上の発展を経て、北宋の時代までに掘削深度はわずか130メートル程度に達しましたが、これは当時すでに世界トップレベルでした。

「地中に入る」ことが難しい理由は主に3つあります。まず、最も重要な理由は、地球の表面にある硬い岩石の障壁です。これらの硬い石を掘り続けるには、膨大な人力と物資が必要です。 2つ目は温度です。掘削深度が100メートル減少するごとに、温度は1～3℃上昇し、圧力も増加して、掘削機器に重大な損傷を引き起こします。最後に、プレッシャーがあります。重力と空気抵抗の影響を克服するだけでよい「宇宙への飛行」に比べ、「地球への突入」が直面する状況ははるかに複雑です。地殻深部の岩石層はあらゆる方向からさまざまな圧力を受けます。そのため、コアを採取するために地下深くを掘削すると、形成された掘削穴は周囲の圧力の影響を受け、簡単に崩壊したり変形したりして、これまでの努力がすべて無駄になってしまいます。要約すると、地下の距離が長くなるにつれて、掘削の難易度は指数関数的に増加します。

先ほど触れたコラ半島の掘削を例にとると、油井は1970年に掘削が開始され、1983年までに深さ12,000メートルに到達しました。しかし、12,000メートルから12,262メートル、つまりわずか262メートルに達するまでに、丸10年かかりました。人類史上、この偉業を達成するために費やされた金額は計り知れない。結局、当時の技術的および財政的な問題により、コラ深井戸の掘削は 1992 年に中止せざるを得ませんでした。

人類は歴史を通じて、地球半径の2‰未満の距離まで地球内部の探査に約4,000年を費やしてきました。

図4 1980年にコラ深部掘削坑が10,000mを突破した記念

（写真提供：pechenga）

地球内部まで届く「内視鏡」

上記の困難のため、地球内部の直接観測は非常に限られてきました。これまでのところ、地球内部に関する私たちの知識のほとんどは、地球物理学などの間接的な方法を通じて推測されています。したがって、地球の謎を最も直接的に探究したいのであれば、地球内部の奥深くまで進んでサンプルやさまざまな情報を入手しなければなりません。科学的掘削は、地球深部から物質を採取し、地球内部の情報を理解するための最も直接的、効果的かつ信頼性の高い方法です。

科学者は、数千メートル、あるいは数万メートルの科学的掘削を通じて、地球の地殻の物質組成や構造を明らかにし、地球の深部流体システムや地熱構造を探査し、生命の起源の手がかりを発見するなど、一連の重大な基礎科学問題を解決することができます。そのため、科学者は科学的な掘削を比喩的に地球の「内視鏡検査」とも呼んでいます。

科学掘削は主に海洋掘削と大陸掘削に分けられ、世界で最も古い科学掘削活動は海洋で始まりました。 1950 年代後半、米国はモホ面 (地殻とマントルの境界面) を掘削することを目的とした初の科学的掘削プログラムであるモホ掘削プログラムを開始しました。このプロジェクトは1961年3月に掘削が開始されたが、技術的な問題と高額な費用のため1966年8月に中止された。

その後、米国は深海掘削計画（1966年～1983年）と海洋掘削計画（1985年～2002年）を開始しました。これら 2 つの主要な国際科学プロジェクトは、大陸移動とプレートテクトニクスの検証をサポートします。

大陸での科学的掘削は、前述のソ連のコラ油井から始まり、1970年代に始まりました。コラ油井は現在でも世界で最も深い油井です。その後、ドイツ、フランス、アメリカ、スウェーデン、カナダ、日本などの国々も大陸の科学掘削プロジェクトを開始しました。

1996年、中国、ドイツ、米国が共同で開始した国際大陸科学掘削計画が正式に開始されました。過去27年間、党と国家の強力な支援を得て、約1万人の中国の専門家、学者、技術者が中国大陸での科学掘削、汶川地震断層帯での科学掘削、中国大陸環境の科学掘削、渭河盆地での科学掘削など、一連の重大な科学プロジェクトを相次いで遂行し、我が国の科学掘削事業において前例のない成果を達成しました。

2005年8月、7人の学者が青海湖掘削現場を訪れた（左から右へ）：徐侯澤、滕継文、丁国宇、安志生、陳俊勇、鍾達来、劉佳琦

（画像提供：中国科学院地球環境研究所）

最も代表的な成果は、院士王成山の指導の下で完成した宋柯二号井である。この井戸は深さ7,018メートルで、「国際大陸科学掘削計画」発足以来掘削された最も深い井戸であり、白亜紀の地層を貫通した世界初の科学井戸となる。これらの掘削プロジェクトは、数多くの科学的進歩を達成しただけでなく、わが国の掘削設備と技術の革新と発展を大きく促進しました。

図5 王成山院士が地中7018メートルから採取したコアを示す

（画像提供：清華大学（北京）科学技術研究所）

2023年5月29日、神舟16号宇宙船が宇宙に打ち上げられました。その翌日、中国石油天然ガス集団の深地タコ1号井がタクラマカン砂漠で掘削を開始し、わが国における「1万メートルの深井戸」時代の幕開けとなった。中国は、地球上で1万メートルの深さまで陸上掘削を行う世界で3番目の国になろうとしている。

図6 10,000メートルの深さの井戸 - シェンディタコ1井戸の掘削が開始されました。写真：ヤオ・ドン

（写真提供：中国石油新聞）

地球の中心へ進撃せよ！

嫦娥の宇宙飛行から地下1万メートルへの潜水まで、新時代において、中国人民は前例のないスピードと勇気で科学探究と革新的発展の道を突き進んでいる。地球科学者たちの何世代にもわたる努力の結果、私たちは科学を武器に、何十億年もの間堆積してきた硬い岩石を掘削するための機器を独自に開発しました。今日、中国人はようやく地球の46億年の歴史に真に向き合うことができるようになった。

おそらく、地球の中心は私たちが憧れるが、決して到達できない場所なのでしょう。しかし、人類の旅は星や海だけではなく、地球の奥深くまで及ぶものであることを常に私たちに思い出させてくれます。未知の世界を探索するにはまだ長い道のりが残っています。夢を持ち続け、地球の中心に向かって勇敢に進んでいきましょう！

参考文献:

【1】Zou Changchun et al.中国本土における科学的深層掘削の発展に関するいくつかの考えと提案。現代地質学、2023、37(01): 1-14

【2】薛千兵 他大陸間科学掘削工学技術の発展と動向分析、掘削工学、2021年、48(12):1-6

【3】王志剛ら10,000メートル科学超深井戸の掘削と完成の現状と見通し、2022年、40(13): 27-35

【4】徐静静 他海洋科学掘削の特徴と開発動向：国際海洋探索計画の科学的枠組みに基づく比較分析、海洋開発と管理、2023、40（03）：30-38

【5】趙天宇。地球の中心へ進む：科学掘削の秘密を明らかにする、北京科学技術ニュース、2021-04-19