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我们离钻穿地球“莫霍面”的梦想还有多远

来源:新华每日电讯2019-09-21 08:56
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  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。早在上个世纪五十年代,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?

  六十多年过去了,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、时间最长的一项国际合作计划,我国是该项计划的成员国之一。记者从近日在沪召开的“面向2023年后大洋钻探学术研讨会”上获悉,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”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,不就一目了然吗?由于莫霍面出现的深度,在大陆之下约为30-40公里,在大洋之下约6-7公里。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,并与环球海洋勘探公司签订协议,由该公司的“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,开启了国际合作的大洋钻探计划。

  迄今为止,大洋钻探计划已经历了四个阶段。即深海钻探计划(DSDP,1968-1983)、大洋钻探计划(ODP,1985-2003)、综合大洋钻探计划(IODP,2003-2013)和国际大洋发现计划(IODP,2013-2023)。六十多年来,科学家从未放弃打穿地球莫霍面的梦想,在四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千分之二。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。2015年底,记者曾登上美国“决心”号大洋钻探船,亲身经历了科学家梦想打到莫霍面的一次艰难钻探。

  那个航次钻探的地点在西南印度洋中脊、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,将通过三个航次的大洋钻探,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,使得钻探更加安全、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”。但十多年来,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过去,“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,无不与地幔息息相关,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?等等。

  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”。上个世纪六十年代以来,板块构造学说比较成功地回答了“地球是怎么活动的”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,“相比于几十万公里外月球上的样品,地球内部几公里深处的莫霍面,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!”(记者 张建松)

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