我們離鑽穿地球“莫霍面”的夢想還有多遠_風聞

來源：新華每日電訊  2019—8-27

早在上世紀五十年代，科學家就夢想打一口超深的鑽井，看看原位的地幔長什麼樣

我們離鑽穿地球“莫霍面”的夢想還有多遠

人類科學探索的手段,早已經抵達浩渺太空；但對於腳底下的地球深部,卻還是難以觸摸。早在上個世紀五十年代,科學家就夢想打一口超深的鑽井,一直鑽穿地球殼幔邊界的“莫霍面”,看看原位的地幔究竟長什麼樣?

六十多年過去了，這個夢想至今沒有實現。但由此發展起來的大洋鑽探計劃，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。記者從近日在滬召開的“面向2023年後大洋鑽探學術研討會”上獲悉，鑽穿地球的“莫霍面”，仍然是地球科學家執着追求的重要目標。

夭折的“莫霍鑽”計劃

地球是人類的家園。1909年，克羅地亞的地震學家莫霍洛維奇，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”是什麼性質的界面?原位的地幔真面目又是什麼?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”，鑽取一些巖芯樣品，不就一目瞭然嗎?由於莫霍面出現的深度，在大陸之下約為30-40公里，在大洋之下約6-7公里。因此這口深井，最佳鑽探地點就在大洋。

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

但此後，由於“莫霍鑽”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“莫霍鑽”而發展起來的大洋鑽探技術，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，開啓了國際合作的大洋鑽探計劃。

迄今為止，大洋鑽探計劃已經歷了四個階段。即深海鑽探計劃(DSDP，1968-1983)、大洋鑽探計劃(ODP，1985-2003)、綜合大洋鑽探計劃(IODP，2003-2013)和國際大洋發現計劃(IODP，2013-2023)。六十多年來，科學家從未放棄打穿地球莫霍面的夢想，在四個階段的大洋鑽探長遠科學計劃裏，都將“莫霍鑽”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年後的大洋鑽探科學計劃，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、鑽前調查等方面，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鑽探船建議。

鑽穿“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。相對於地球半徑來説，最深的鑽井還不及其千分之二。大洋鑽探既下海又入地，面臨的是雙重挑戰。

深海海底是離地球內部最近的地方，從深海海底打鑽，至今還是人類直接探測地球內部無可替代的高效途徑。但越往下鑽，鑽井越深，岩石越硬，温度越高，壓力越大，憑藉人類現有的鑽探技術，很難打到莫霍面。2015年底，記者曾登上美國“決心”號大洋鑽探船，親身經歷了科學家夢想打到莫霍面的一次艱難鑽探。

那個航次鑽探的地點在西南印度洋中脊、一處名叫“亞特蘭蒂斯淺灘”的海嶺。根據科學家多年來研究，那裏是超慢速擴張的洋中脊，地幔熔融不能產生足夠的岩漿，地殼斷裂非常普遍，廣泛分佈着暴露下地殼的“構造窗”。這些“構造窗”是人類以目前的鑽探技術，可以“觸摸”到地幔邊界的絕佳場所。根據計劃，將通過三個航次的大洋鑽探，鑽穿地殼，鑽到殼幔邊界。第一個航次鑽探目標是1300米，第二個和第三個航次分別將鑽孔延伸至3000米和5500米。

“決心”號執行的是計劃中第一個鑽探航次。從水深約700米的海底開鑽，前410米鑽探十分平穩順利。但隨着鑽頭越鑽越深，遇到了斷層破碎帶，鑽孔開始頻繁出現故障，不是鑽頭磨壞，鑽頭的牙輪或配件遺失在鑽孔裏，就是上千米長鑽桿卡在鑽孔裏拔出不來。鑽探工人們不得不一次次修復鑽井。直至航次結束前的最後一天，還在尋找一個遺失在鑽孔裏的螺栓。

兩個月期間，“決心”號共使用了各種型號的鑽頭24個，僅鑽取巖芯就磨損用壞了11個鑽頭，但僅向海底深處鑽進789.7米，獲得469.7米巖芯，這與1500米的第一期鑽探目標相差甚遠。

本世紀初，針對“決心”號鑽探技術的不足，日本投入巨資建造了“地球”號大洋鑽探船，採用新型的“立管型”鑽探技術，通過大直徑鋼管將鑽探船與洋底連接起來，使得鑽探更加安全、深度更大，理論上可在4000米水深的海域向海底鑽進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佈，其最終目標是要“打穿地殼”。但十多年來，由於船體龐大，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”號現有的鑽探技術打穿地殼，也不是那麼容易。

據汪品先介紹，面對“莫霍鑽”一類的硬岩石鑽探任務，科技界正在探索第三代大洋鑽探船的技術前景。比如，將鑽機直接投到海底、將泥漿泵安置在海底的新型鑽探技術，已經初步實現。面對高温高壓的地質條件，鑽具材料也需升級換代，從金屬材料更改為碳材料。此外，僅靠鑽探單一手段解決科學問題的時代也正在過去，“深鑽”還需與“深網”“深潛”等技術結合起來，與時俱進。

為什麼要鑽穿“莫霍面”?

地幔佔地球體積的4/5、質量的3/4，是地球上最大的“化學儲庫”。科學研究表明，地球深部過程及其對地表環境的影響等一系列科學問題，無不與地幔息息相關，神秘而龐大的地幔充滿了許多未解之謎。科學家夢想鑽穿“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“莫霍鑽”相關的科學問題。例如，是什麼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麼?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後的演化?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麼?生命的極限是什麼?控制生命極限的因素有哪些?等等。

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”。上個世紀六十年代以來，板塊構造學説比較成功地回答了“地球是怎麼活動的”問題，但對於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説，仍是一個未知的全新秘界。”周懷陽説，“相比於幾十萬公里外月球上的樣品，地球內部幾公里深處的莫霍面，距離我們很近，但似乎又遙不可及。我們相信，向地球深處每多鑽進一點，我們對地球結構及其歷史的認識，就會加深一點、更新一點!”（記者 張建松）