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地球最深钻孔是什么样子?

2020-01-06 10:20:17  来源:新浪科技

北京时间1月6日消息,据国外媒体报道,在冷战期间,美国和苏联都制定了雄心勃勃的钻探计划,试图穿过地壳,接近地球中心。

湖泊、森林、雾气和积雪,在俄罗斯位于北极圈深处的科拉半岛上,一切看起来就像是童话故事里的场景。然而,在这片自然美景中,却矗立着一座苏联科学研究站的废墟。在这栋摇摇欲坠的建筑中间,混凝土地板上嵌着一个沉甸甸、锈迹斑斑的金属帽,由一圈同样锈迹斑斑的金属螺栓固定着。

一些人说,这里是地狱的入口。这就是科拉超深钻孔(Kola Superdeep Borehole),地球上最深的人造洞,也是到达地球最深处的人造物。这座建筑深达12.2公里,以至于当地人发誓称,你可以听到在地狱里受刑的灵魂的尖叫声。苏联人花了将近20年的时间才钻到这么深的地方,但当这个项目在苏联解体后戛然而止时,钻头才钻到地壳到地幔距离的三分之一处。

苏联的超深钻孔并非个例。冷战时期,超级大国之间展开了一场竞赛,都想要尽可能地深入地壳,甚至到达地幔。

现在,日本人也想试一试。国际大陆科学钻探计划(ICDP)的乌利•哈姆斯说:“钻探开始的时间正好处于铁幕时代。”当时哈姆斯还是一位年轻的科学家,参与了德国的超深钻孔项目。“我们之间肯定存在竞争。其中一个主要的动机是,俄罗斯人并没有真正公开他们的数据,”哈姆斯说,“当俄罗斯人开始钻探时,他们声称发现了自由水——但大多数科学家根本不相信这一点。过去,西方科学家普遍认为,在地下5公里处,地壳密度非常大,水无法渗透到那里。”

“(新)项目的最终目标是获得目前活跃的地幔实际样品,”日本海洋研究开发机构的项目经理肖恩·托兹科说,“在阿曼这样的地方,你可以找到接近地表的地幔,但那是数百万年前的地幔。这就相当于活恐龙和恐龙骨骼化石的区别。”

如果将地球比作一个洋葱,那么地壳就像洋葱的薄皮,它只有40公里厚。地壳下方是2900公里深的地幔,再往下便是地球的中心——地核。

就像太空竞赛一样,探索未知“深度边疆”的竞赛展示了工程能力和前沿技术,以及某种“正确的东西”。科学家们要前往从来没有人去过的地方。这些超深钻孔所能提供的岩石样本对科学的重要性,可能不亚于美国宇航员从月球上带回的任何东西。唯一的不同是,这次美国人没有赢得比赛。事实上,也没有人真正获胜。

在探索“深度边疆”的竞赛中,美国进行了第一次预演。20世纪50年代末,美国百科学会提出了第一个深入研究地幔的严肃计划。这是一个非正式团体,由美国科学界的领军人物组成。他们将这一钻过地壳直达地幔的计划称为“莫霍计划”(Project Mohole),以提出莫霍不连续面的克罗地亚地震学家安德里亚·莫霍罗维奇的名字命名。

美国人并没有钻一个很深很深的洞,而是决定在墨西哥瓜达卢佩附近的太平洋海底进行钻探。在海底钻探的好处是那里的地壳比较薄,而缺点是地壳最薄的地方通常是海洋最深的地方。

苏联于1970年开始在北极圈进行钻探。1990年,德国大陆深层钻探计划(KTB)在巴伐利亚州启动,最终钻探深度达到9公里。

与登月任务一样,超深钻探所需的技术必须从头开始摸索。1961年,当莫霍计划开始在海床上钻探时,石油和天然气的深海钻探还未出现。当时还没有发明出诸如动态定位等关键的技术。在石油深海钻探中,这种技术可以使钻探船停留在油井上方的位置。于是,工程师们不得不临时想办法。他们在钻探船的两侧安装了一套螺旋桨系统,使船在钻孔上方保持稳定。

德国工程师面临的最大挑战之一,是如何钻一个尽可能垂直的洞。他们当时提出的解决方案,现在已成为世界油气田的标准技术。

“根据俄罗斯人的经验,你必须尽可能垂直钻探,否则就会加大钻机的扭矩,造成孔内扭结,”乌利•哈姆斯说,“解决办法是开发垂直钻井系统。”现在这已经是一个行业标准,但它们最初是为大陆深层钻探计划开发的。该系统直到钻探深度达7.5公里还能奏效,但在最后的1.5至 2公里,这个洞偏离了垂直线将近200米。

“上世纪90年代初或80年代末,当俄罗斯变得更加开放,并愿意与西方合作时,我们试图利用一些俄罗斯的技术,”哈姆斯补充道,“不幸的是,我们无法及时得到相关设备。”

最终,所有这些探险都以某种程度的挫折告终。有的在起步时就遭遇阻碍,有的则是钻探机器在地下深处遭遇高温,加上成本和政治因素,所有这些都让科学家的梦想破灭。他们都想要钻得更深,并打破最深洞的记录。

在尼尔·阿姆斯特朗登上月球的两年前,由于成本开始失控,美国国会取消了对莫霍计划的资助。科学家开采出来那几米厚的玄武岩,以今天的货币计算,大约花费了4000万美元。

接下来就轮到科拉超深钻孔了。1992年,当温度达到180摄氏度时,钻探停止了。这个温度是原先估计值的两倍,再往深处钻是不可能的。苏联解体后,再没有资金来资助这些项目;三年后,整个设施被关闭。如今,这个荒凉的地方成了喜欢冒险的游客的目的地。

德国的超深钻孔没有像其他项目那样遭遇厄运。巨大的钻机仍然在那里,今天已成为旅游景点。这个地方实际上已经变成了地球的观测台,甚至是一个艺术画廊。

当荷兰艺术家洛蒂·吉文将带隔热罩的麦克风放入德国的超深钻孔时,麦克风接收到了一种低沉的隆隆声,科学家也无法做出解释。这种隆隆声让她“觉得自己非常渺小”。她说:“这是我生命中第一次看到这个我们赖以生存的大球活了过来,它的声音让人难以忘怀。有些人认为,这听起来就像地狱,也有人以为,他们听到的是地球的呼吸。”

哈姆斯表示,当时德国的计划是比苏联钻得更深,但当时他们甚至还没有达到预期的10公里深度。“我们钻探的地方比俄国人的钻孔要热得多。很明显,要想再深入下去,难度要大得多,”他说,“当时正是20世纪90年代初的德国,没有很好的理由来筹集进一步推进计划的额外资金,因为德国的统一耗资太大了。”

奔向地幔的竞赛似乎就是著名小说《地心之旅》的升级版,这种感觉很难摆脱。虽然科学家们并不期望找到一个藏有恐龙的洞穴,但他们确实把深度钻探的计划描述为“探险”。“我们认为这是一次探险,因为在准备和执行过程中确实花了一些时间,而且你真的要进入无人地带,那里从来没有人去过,这在今天看来真的很不寻常。”哈姆斯说,“你总会在那里发现一些让你感到惊讶的东西,尤其是当你深入地壳深处的时候。

当我们谈论德国大陆深层钻探计划或科拉超深钻孔时,需要了解的一点是,这些计划背后的理论在钻探开始时已经有30至40年的历史了。

这些任务的意义在于,它们就像是行星探索,它们是纯粹的科学事业,你永远不知道你会发现什么。在1256号孔[由深海钻探项目(DSDP)和海洋钻探项目(ODP)钻探的一个孔],我们第一次看到了完整的海洋地壳。以前没有人到过那里。这真的很令人兴奋,总是会有惊喜出现。

今天,“从莫霍界面到地幔”(M2M-MoHole to Mantle)计划是国际海洋发现计划(IODP)最重要的组成部分之一。和最初的莫霍计划一样,科学家们计划在地壳只有6公里深的海床上钻孔。这个超深钻探项目将耗资10亿美元,其目标是在人类历史上首次获取原位的地幔岩石。达蒙•蒂格尔也参与了该项目,他说:“这将是一项了不起的任务,需要日本做出巨大承诺。”

地球号(Chikyū)是日本建造的世界最大深海钻探船,建于大约20年前,排水量达到59500吨。利用全球定位系统系统和6架可调计算机控制的飞机,地球号可以使船体位置的变化幅度仅为50厘米。

“我们的想法是,这艘船将接过火炬,继续50年前启动的莫霍计划,”日本海洋研究开发机构的肖恩·托兹科说,“超深钻孔在研究厚大陆地壳方面取得了很大进展,我们要做的是找出更多关于地壳-地幔边界的信息。

目前主要的难点在于如何选择钻探点,已有的三个候选站点分别位于哥斯达黎加海域、墨西哥巴哈海域和夏威夷。每一个钻井点都需要在海洋深度、与钻井点的距离以及是否需要在岸上建立基地之间做出妥协。“基础设施可以建设,但这需要时间和金钱,”托兹科补充道。

哈姆斯表示,超深钻探最终确实可以归结为一个成本问题,“这些探险活动非常昂贵,因此很难重复。它们的成本可能高达数亿欧元,其中只有一小部分将用于地球科学,其余部分将用于技术开发,当然还有维持运营。我们需要懂得鼓舞人心的政治家来宣扬这些探险的价值。”(任天)

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