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我们离钻穿地球“莫霍面”的梦想还有多远?

2019-9-3 9:07:37 作者:张建松

人类科学探索的手段早已经抵达浩渺太空,但对于脚底下的地球深部却还是难以触摸。早在上个世纪50年代,科学家就梦想打一口超深的钻井,一直钻穿地球壳幔边界的“莫霍面”,看看原位的地幔究竟长什么样?

60多年过去了,这个梦想至今没有实现。但由此发展起来的大洋钻探计划,已经成为地球科学史上规模最大、时间最长的一项人人天天夜夜日日狠狠合作计划,我国是该项计划的成员国之一。如今,钻穿地球的“莫霍面”,仍然是地球科学家执着追求的重要目标。

夭折的“莫霍钻”计划

地球是人类的家园。1909年,克罗地亚的地震学家安德烈·莫霍洛维奇,首次发现地球内部存在一个不连续界面,穿过这一界面,地震波的纵波和横波传播速度跳跃性增加。人们将这一界面称为“莫霍面”,作为地壳与地幔的分界面。

“莫霍面”结构展示图

“莫霍面”是什么性质的界面?原位的地幔真面目又是什么?1957年,美国地质学家哈雷·海斯提出一个科学梦想:如果能打一口深井,直接打到“莫霍面”,钻取一些岩芯样品,不就一目了然了吗?由于“莫霍面”出现的深度,在大陆之下约为30千米-40千米,在大洋之下约6千米-7千米,因此这口深井最佳钻探地点就在大洋。

1960年,美国国家科学基金会批准资助雄心勃勃的“莫霍钻”计划,并与环球海洋勘探久草网签订协议,由该久草网的“CUSSⅠ”号船实施“莫霍面”钻探任务。1961年,“CUSSⅠ”号在墨西哥岸外的瓜达卢佩岛附近水深3600米处,首次成功钻井,在170米厚的沉积层下取得了14米长的玄武岩样品,迈出了人类向“莫霍面”进军的第一步。

但此后,由于“莫霍钻”计划预算太高,加上出现了技术和管理方面的问题,美国国会1966年取消了该计划。不过,“有心栽花花不开,无心插柳柳成荫”,由“莫霍钻”而发展起来的大洋钻探技术却为人们打开了一扇全新的科学研究之门。以此技术为核心,开启了人人天天夜夜日日狠狠合作的大洋钻探计划。

迄今,大洋钻探计划已经历了4个阶段,即深海钻探计划(DSDP,1968年-1983年)、大洋钻探计划(ODP,1985年-2003年)、综合大洋钻探计划(IODP,2003年-2013年)和人人天天夜夜日日狠狠大洋发现计划(IODP,2013年-2023年)。60多年来,科学家从未放弃打穿地球“莫霍面”的梦想,在4个阶段的大洋钻探长远科学计划里,都将“莫霍钻”作为重要目标之一。

据同济大学海洋地质国家重点实验室周怀阳教授介绍,目前,中外科学家正在讨论2023年后的大洋钻探科学计划,美国、日本等国都继续将打穿“莫霍面”作为重点目标之一,延承以往基础,在技术、选点、钻前调查等方面,踏踏实实地开展工作。我国科学家也提出了建造能够打穿“莫霍面”的科学钻探船的建议。

钻穿“莫霍面”有多难?

同济大学海洋地质国家重点实验室汪品先院士认为,截至目前,人类在应对“上天、入地、下海”三大科技挑战中,“入地”的成绩最差。相对于地球半径来说,最深的钻井还不及其2‰。大洋钻探既下海又入地,面临的是双重挑战。

深海海底是离地球内部最近的地方,从深海海底打钻,至今还是人类直接探测地球内部无可替代的高效途径。但越往下钻,钻井越深,岩石越硬,温度越高,压力越大,凭借人类现有的钻探技术很难打到“莫霍面”。

美国“决心”号大洋钻探船一个航次的钻探地点曾选在西南印度洋中脊、一处名叫“亚特兰蒂斯浅滩”的海岭。根据科学家多年来的研究,那里是超慢速扩张的洋中脊,地幔熔融不能产生足够的岩浆,地壳断裂非常普遍,广泛分布着暴露下地壳的“构造窗”。这些“构造窗”是人类以目前的钻探技术可以“触摸”到地幔边界的绝佳场所。根据计划,将通过3个航次的大洋钻探,钻穿地壳,钻到壳幔边界。第一个航次钻探目标是1300米,第二个和第三个航次分别将钻孔延伸至3000米和5500米。

“决心”号执行的是计划中的第一个钻探航次。从水深约700米的海底开钻,前410米钻探十分平稳顺利。但随着钻头越钻越深,遇到了断层破碎带,钻孔开始频繁出现故障,不是钻头磨坏,钻头的牙轮或配件遗失在钻孔里,就是上千米长钻杆卡在钻孔里拔出不来。钻探工人们不得不一次次修复钻井,直至航次结束前的最后一天,还在寻找一个遗失在钻孔里的螺栓。

两个月期间,“决心”号共使用了各种型号的钻头24个,仅钻取岩芯就磨损用坏了11个钻头,但仅向海底深处钻进789.7米,获得469.7米岩芯,这与1500米的第一期钻探目标相差甚远。

本世纪初,针对“决心”号钻探技术的不足,日本投入巨资建造了“地球”号大洋钻探船,采用新型的“立管型”钻探技术,通过大直径钢管将钻探船与洋底连接起来,使钻探更加安全、深度更大,理论上可在4000米水深的海域向海底钻进7000米。

2007年,当57000吨的“地球”号建成之际,日本曾雄心勃勃地向全世界宣布,其最终目标是要“打穿地壳”。但10多年来,由于船体庞大,带来了成本、运行和管理等诸多问题,“地球”号实际上才打了3000米。实践表明,利用“地球”号现有的钻探技术打穿地壳也不是那么容易。

据汪品先介绍,面对“莫霍钻”一类的硬岩石钻探任务,科技界正在探索第三代大洋钻探船的技术前景。比如,将钻机直接投到海底、将泥浆泵安置在海底的新型钻探技术已经初步实现。面对高温高压的地质条件,钻具材料也需升级换代,从金属材料更改为碳材料。此外,仅靠钻探单一手段解决科学问题的时代也正在成为“过去时”,“深钻”还需与“深网”、“深潜”等技术结合起来,与时俱进。

为什么要钻穿“莫霍面”?

地幔占地球体积的4/5、质量的3/4,是地球上最大的“化学储库”。科学研究表明,地球深部过程及其对地表环境的影响等一系列科学问题,都与地幔息息相关,神秘而庞大的地幔充满了许多未解之谜。科学家梦想钻穿“莫霍面”,就可以直接从“原位”的地幔取样,进行深入研究。

据周怀阳介绍,历年来,科学家提出了许多与“莫霍钻”相关的科学问题。例如,是什么物理特性造成了莫霍不连续面?这个界面的地质学本质是什么?洋中脊处的洋壳,特别是下洋壳,是怎样形成的?是哪些过程影响了洋壳形成之后的演化?洋壳与海洋和生物的相互作用有多大?这些相互作用对全球化学循环的影响是什么?生命的极限是什么?控制生命极限的因素有哪些?

在太阳系中,我们人类居住的地球,拥有其他星球所没有的、独一无二的“生理机制”。上个世纪60年代以来,板块构造学说比较成功地回答了“地球是怎么活动的”这一问题,但对于地球活动的具体过程和细节、活动机制等问题仍然很不清楚,还需要世界各国科学家凝心聚智,共同寻求答案。

“地球是人类的家园,但地球内部对人类来说,仍是一个未知的全新秘界。”周怀阳说,“相比于几十万千米外月球上的样品,地球内部几千米深处的“莫霍面”距离我们很近,但似乎又遥不可及。我们相信,向地球深处每多钻进一点,我们对地球结构及其历史的认识,就会加深一点、更新一点!”△

网站编辑:宫莉

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