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我們離鉆穿地球“莫霍面”的夢想還有多遠?

2019-9-3 9:07:37 作者:張建松

皇家社会主场 www.vgfpej.com.cn 人類科學探索的手段早已經抵達浩渺太空,但對于腳底下的地球深部卻還是難以觸摸。早在上個世紀50年代,科學家就夢想打一口超深的鉆井,一直鉆穿地球殼幔邊界的“莫霍面”,看看原位的地幔究竟長什么樣?

60多年過去了,這個夢想至今沒有實現。但由此發展起來的大洋鉆探計劃,已經成為地球科學史上規模最大、時間最長的一項國際合作計劃,我國是該項計劃的成員國之一。如今,鉆穿地球的“莫霍面”,仍然是地球科學家執著追求的重要目標。

夭折的“莫霍鉆”計劃

地球是人類的家園。1909年,克羅地亞的地震學家安德烈·莫霍洛維奇,首次發現地球內部存在一個不連續界面,穿過這一界面,地震波的縱波和橫波傳播速度跳躍性增加。人們將這一界面稱為“莫霍面”,作為地殼與地幔的分界面。

“莫霍面”結構展示圖

“莫霍面”是什么性質的界面?原位的地幔真面目又是什么?1957年,美國地質學家哈雷·海斯提出一個科學夢想:如果能打一口深井,直接打到“莫霍面”,鉆取一些巖芯樣品,不就一目了然了嗎?由于“莫霍面”出現的深度,在大陸之下約為30千米-40千米,在大洋之下約6千米-7千米,因此這口深井最佳鉆探地點就在大洋。

1960年,美國國家科學基金會批準資助雄心勃勃的“莫霍鉆”計劃,并與環球海洋勘探公司簽訂協議,由該公司的“CUSSⅠ”號船實施“莫霍面”鉆探任務。1961年,“CUSSⅠ”號在墨西哥岸外的瓜達盧佩島附近水深3600米處,首次成功鉆井,在170米厚的沉積層下取得了14米長的玄武巖樣品,邁出了人類向“莫霍面”進軍的第一步。

但此后,由于“莫霍鉆”計劃預算太高,加上出現了技術和管理方面的問題,美國國會1966年取消了該計劃。不過,“有心栽花花不開,無心插柳柳成蔭”,由“莫霍鉆”而發展起來的大洋鉆探技術卻為人們打開了一扇全新的科學研究之門。以此技術為核心,開啟了國際合作的大洋鉆探計劃。

迄今,大洋鉆探計劃已經歷了4個階段,即深海鉆探計劃(DSDP,1968年-1983年)、大洋鉆探計劃(ODP,1985年-2003年)、綜合大洋鉆探計劃(IODP,2003年-2013年)和國際大洋發現計劃(IODP,2013年-2023年)。60多年來,科學家從未放棄打穿地球“莫霍面”的夢想,在4個階段的大洋鉆探長遠科學計劃里,都將“莫霍鉆”作為重要目標之一。

據同濟大學海洋地質國家重點實驗室周懷陽教授介紹,目前,中外科學家正在討論2023年后的大洋鉆探科學計劃,美國、日本等國都繼續將打穿“莫霍面”作為重點目標之一,延承以往基礎,在技術、選點、鉆前調查等方面,踏踏實實地開展工作。我國科學家也提出了建造能夠打穿“莫霍面”的科學鉆探船的建議。

鉆穿“莫霍面”有多難?

同濟大學海洋地質國家重點實驗室汪品先院士認為,截至目前,人類在應對“上天、入地、下海”三大科技挑戰中,“入地”的成績最差。相對于地球半徑來說,最深的鉆井還不及其2‰。大洋鉆探既下海又入地,面臨的是雙重挑戰。

深海海底是離地球內部最近的地方,從深海海底打鉆,至今還是人類直接探測地球內部無可替代的高效途徑。但越往下鉆,鉆井越深,巖石越硬,溫度越高,壓力越大,憑借人類現有的鉆探技術很難打到“莫霍面”。

美國“決心”號大洋鉆探船一個航次的鉆探地點曾選在西南印度洋中脊、一處名叫“亞特蘭蒂斯淺灘”的海嶺。根據科學家多年來的研究,那里是超慢速擴張的洋中脊,地幔熔融不能產生足夠的巖漿,地殼斷裂非常普遍,廣泛分布著暴露下地殼的“構造窗”。這些“構造窗”是人類以目前的鉆探技術可以“觸摸”到地幔邊界的絕佳場所。根據計劃,將通過3個航次的大洋鉆探,鉆穿地殼,鉆到殼幔邊界。第一個航次鉆探目標是1300米,第二個和第三個航次分別將鉆孔延伸至3000米和5500米。

“決心”號執行的是計劃中的第一個鉆探航次。從水深約700米的海底開鉆,前410米鉆探十分平穩順利。但隨著鉆頭越鉆越深,遇到了斷層破碎帶,鉆孔開始頻繁出現故障,不是鉆頭磨壞,鉆頭的牙輪或配件遺失在鉆孔里,就是上千米長鉆桿卡在鉆孔里拔出不來。鉆探工人們不得不一次次修復鉆井,直至航次結束前的最后一天,還在尋找一個遺失在鉆孔里的螺栓。

兩個月期間,“決心”號共使用了各種型號的鉆頭24個,僅鉆取巖芯就磨損用壞了11個鉆頭,但僅向海底深處鉆進789.7米,獲得469.7米巖芯,這與1500米的第一期鉆探目標相差甚遠。

本世紀初,針對“決心”號鉆探技術的不足,日本投入巨資建造了“地球”號大洋鉆探船,采用新型的“立管型”鉆探技術,通過大直徑鋼管將鉆探船與洋底連接起來,使鉆探更加安全、深度更大,理論上可在4000米水深的海域向海底鉆進7000米。

2007年,當57000噸的“地球”號建成之際,日本曾雄心勃勃地向全世界宣布,其最終目標是要“打穿地殼”。但10多年來,由于船體龐大,帶來了成本、運行和管理等諸多問題,“地球”號實際上才打了3000米。實踐表明,利用“地球”號現有的鉆探技術打穿地殼也不是那么容易。

據汪品先介紹,面對“莫霍鉆”一類的硬巖石鉆探任務,科技界正在探索第三代大洋鉆探船的技術前景。比如,將鉆機直接投到海底、將泥漿泵安置在海底的新型鉆探技術已經初步實現。面對高溫高壓的地質條件,鉆具材料也需升級換代,從金屬材料更改為碳材料。此外,僅靠鉆探單一手段解決科學問題的時代也正在成為“過去時”,“深鉆”還需與“深網”、“深潛”等技術結合起來,與時俱進。

為什么要鉆穿“莫霍面”?

地幔占地球體積的4/5、質量的3/4,是地球上最大的“化學儲庫”??蒲а芯勘礱?,地球深部過程及其對地表環境的影響等一系列科學問題,都與地幔息息相關,神秘而龐大的地幔充滿了許多未解之謎??蒲Ъ頤蝸胱甏?ldquo;莫霍面”,就可以直接從“原位”的地幔取樣,進行深入研究。

據周懷陽介紹,歷年來,科學家提出了許多與“莫霍鉆”相關的科學問題。例如,是什么物理特性造成了莫霍不連續面?這個界面的地質學本質是什么?洋中脊處的洋殼,特別是下洋殼,是怎樣形成的?是哪些過程影響了洋殼形成之后的演化?洋殼與海洋和生物的相互作用有多大?這些相互作用對全球化學循環的影響是什么?生命的極限是什么?控制生命極限的因素有哪些?

在太陽系中,我們人類居住的地球,擁有其他星球所沒有的、獨一無二的“生理機制”。上個世紀60年代以來,板塊構造學說比較成功地回答了“地球是怎么活動的”這一問題,但對于地球活動的具體過程和細節、活動機制等問題仍然很不清楚,還需要世界各國科學家凝心聚智,共同尋求答案。

“地球是人類的家園,但地球內部對人類來說,仍是一個未知的全新秘界。”周懷陽說,“相比于幾十萬千米外月球上的樣品,地球內部幾千米深處的“莫霍面”距離我們很近,但似乎又遙不可及。我們相信,向地球深處每多鉆進一點,我們對地球結構及其歷史的認識,就會加深一點、更新一點!”△

網站編輯:宮莉