早在上世紀(jì)五十年代，科學(xué)家就夢(mèng)想打一口超深的鉆井，看看原位的地幔長(zhǎng)什么樣

我們離鉆穿地球“莫霍面”的夢(mèng)想還有多遠(yuǎn)

人類科學(xué)探索的手段，早已經(jīng)抵達(dá)浩渺太空;但對(duì)于腳底下的地球深部，卻還是難以觸摸。早在上個(gè)世紀(jì)五十年代，科學(xué)家就夢(mèng)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(zhǎng)什么樣?

六十多年過去了，這個(gè)夢(mèng)想至今沒有實(shí)現(xiàn)。但由此發(fā)展起來的大洋鉆探計(jì)劃，已經(jīng)成為地球科學(xué)史上規(guī)模最大、時(shí)間最長(zhǎng)的一項(xiàng)國(guó)際合作計(jì)劃，我國(guó)是該項(xiàng)計(jì)劃的成員國(guó)之一。記者從近日在滬召開的“面向2023年后大洋鉆探學(xué)術(shù)研討會(huì)”上獲悉，鉆穿地球的“莫霍面”，仍然是地球科學(xué)家執(zhí)著追求的重要目標(biāo)。

夭折的“莫霍鉆”計(jì)劃

地球是人類的家園。1909年，克羅地亞的地震學(xué)家莫霍洛維奇，首次發(fā)現(xiàn)地球內(nèi)部存在一個(gè)不連續(xù)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”是什么性質(zhì)的界面?原位的地幔真面目又是什么?1957年，美國(guó)地質(zhì)學(xué)家哈雷·海斯提出一個(gè)科學(xué)夢(mèng)想:如果能打一口深井，直接打到“莫霍面”，鉆取一些巖芯樣品，不就一目了然嗎?由于莫霍面出現(xiàn)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，最佳鉆探地點(diǎn)就在大洋。

1960年，美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)批準(zhǔn)資助雄心勃勃的“莫霍鉆”計(jì)劃，并與環(huán)球海洋勘探公司簽訂協(xié)議，由該公司的“CUSSⅠ”號(hào)船實(shí)施莫霍面鉆探任務(wù)。1961年，“CUSSⅠ”號(hào)在墨西哥岸外的瓜達(dá)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(zhǎng)的玄武巖樣品，邁出了人類向莫霍面進(jìn)軍的第一步。

但此后，由于“莫霍鉆”計(jì)劃預(yù)算太高，加上出現(xiàn)了技術(shù)和管理方面的問題，美國(guó)國(guó)會(huì)1966年取消了該計(jì)劃。不過，“有心栽花花不開，無心插柳柳成蔭”，由“莫霍鉆”而發(fā)展起來的大洋鉆探技術(shù)，卻為人們打開了一扇全新的科學(xué)研究之門。以此技術(shù)為核心，開啟了國(guó)際合作的大洋鉆探計(jì)劃。

迄今為止，大洋鉆探計(jì)劃已經(jīng)歷了四個(gè)階段。即深海鉆探計(jì)劃(DSDP，1968-1983)、大洋鉆探計(jì)劃(ODP，1985-2003)、綜合大洋鉆探計(jì)劃(IODP，2003-2013)和國(guó)際大洋發(fā)現(xiàn)計(jì)劃(IODP，2013-2023)。六十多年來，科學(xué)家從未放棄打穿地球莫霍面的夢(mèng)想，在四個(gè)階段的大洋鉆探長(zhǎng)遠(yuǎn)科學(xué)計(jì)劃里，都將“莫霍鉆”作為重要目標(biāo)之一。

據(jù)同濟(jì)大學(xué)海洋地質(zhì)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室周懷陽教授介紹，目前，中外科學(xué)家正在討論2023年后的大洋鉆探科學(xué)計(jì)劃，美國(guó)、日本等國(guó)都繼續(xù)將打穿莫霍面作為重點(diǎn)目標(biāo)之一，延承以往基礎(chǔ)，在技術(shù)、選點(diǎn)、鉆前調(diào)查等方面，踏踏實(shí)實(shí)地開展工作。我國(guó)科學(xué)家也提出了建造能夠打穿莫霍面的科學(xué)鉆探船建議。

鉆穿“莫霍面”有多難?

同濟(jì)大學(xué)海洋地質(zhì)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室汪品先院士認(rèn)為，截至目前，人類在應(yīng)對(duì)“上天、入地、下海”三大科技挑戰(zhàn)中，“入地”的成績(jī)最差。相對(duì)于地球半徑來說，最深的鉆井還不及其千分之二。大洋鉆探既下海又入地，面臨的是雙重挑戰(zhàn)。

深海海底是離地球內(nèi)部最近的地方，從深海海底打鉆，至今還是人類直接探測(cè)地球內(nèi)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(xiàn)有的鉆探技術(shù)，很難打到莫霍面。2015年底，記者曾登上美國(guó)“決心”號(hào)大洋鉆探船，親身經(jīng)歷了科學(xué)家夢(mèng)想打到莫霍面的一次艱難鉆探。

那個(gè)航次鉆探的地點(diǎn)在西南印度洋中脊、一處名叫“亞特蘭蒂斯淺灘”的海嶺。根據(jù)科學(xué)家多年來研究，那里是超慢速擴(kuò)張的洋中脊，地幔熔融不能產(chǎn)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(gòu)造窗”。這些“構(gòu)造窗”是人類以目前的鉆探技術(shù)，可以“觸摸”到地幔邊界的絕佳場(chǎng)所。根據(jù)計(jì)劃，將通過三個(gè)航次的大洋鉆探，鉆穿地殼，鉆到殼幔邊界。第一個(gè)航次鉆探目標(biāo)是1300米，第二個(gè)和第三個(gè)航次分別將鉆孔延伸至3000米和5500米。

“決心”號(hào)執(zhí)行的是計(jì)劃中第一個(gè)鉆探航次。從水深約700米的海底開鉆，前410米鉆探十分平穩(wěn)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(xiàn)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(zhǎng)鉆桿卡在鉆孔里拔出不來。鉆探工人們不得不一次次修復(fù)鉆井。直至航次結(jié)束前的最后一天，還在尋找一個(gè)遺失在鉆孔里的螺栓。

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

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

2007年，當(dāng)57000噸的“地球”號(hào)建成之際，日本曾雄心勃勃地向全世界宣布，其最終目標(biāo)是要“打穿地殼”。但十多年來，由于船體龐大，帶來了成本、運(yùn)行和管理等諸多問題，“地球”號(hào)實(shí)際上才打了3000米。實(shí)踐表明，利用“地球”號(hào)現(xiàn)有的鉆探技術(shù)打穿地殼，也不是那么容易。

據(jù)汪品先介紹，面對(duì)“莫霍鉆”一類的硬巖石鉆探任務(wù)，科技界正在探索第三代大洋鉆探船的技術(shù)前景。比如，將鉆機(jī)直接投到海底、將泥漿泵安置在海底的新型鉆探技術(shù)，已經(jīng)初步實(shí)現(xiàn)。面對(duì)高溫高壓的地質(zhì)條件，鉆具材料也需升級(jí)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(xué)問題的時(shí)代也正在過去，“深鉆”還需與“深網(wǎng)”“深潛”等技術(shù)結(jié)合起來，與時(shí)俱進(jìn)。

為什么要鉆穿“莫霍面”?

地幔占地球體積的4/5、質(zhì)量的3/4，是地球上最大的“化學(xué)儲(chǔ)庫”?？茖W(xué)研究表明，地球深部過程及其對(duì)地表環(huán)境的影響等一系列科學(xué)問題，無不與地幔息息相關(guān)，神秘而龐大的地幔充滿了許多未解之謎?？茖W(xué)家夢(mèng)想鉆穿“莫霍面”，就可以直接從“原位”的地幔取樣，進(jìn)行深入研究。

據(jù)周懷陽介紹，歷年來，科學(xué)家提出了許多與“莫霍鉆”相關(guān)的科學(xué)問題。例如，是什么物理特性造成了莫霍不連續(xù)面?這個(gè)界面的地質(zhì)學(xué)本質(zhì)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(duì)全球化學(xué)循環(huán)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?等等。

在太陽系中，我們?nèi)祟惥幼〉牡厍?，擁有其他星球所沒有的、獨(dú)一無二的“生理機(jī)制”。上個(gè)世紀(jì)六十年代以來，板塊構(gòu)造學(xué)說比較成功地回答了“地球是怎么活動(dòng)的”問題，但對(duì)于地球活動(dòng)的具體過程和細(xì)節(jié)、活動(dòng)機(jī)制等問題，仍然很不清楚，還需要世界各國(guó)科學(xué)家凝心聚智，共同尋求答案。

“地球是人類的家園，但地球內(nèi)部對(duì)人類來說，仍是一個(gè)未知的全新秘界。”周懷陽說，“相比于幾十萬公里外月球上的樣品，地球內(nèi)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，向地球深處每多鉆進(jìn)一點(diǎn)，我們對(duì)地球結(jié)構(gòu)及其歷史的認(rèn)識(shí)，就會(huì)加深一點(diǎn)、更新一點(diǎn)!”(記者 張建松)