探索 地下7千米究竟有什么

現在已不是魏格納或者哥倫布的時代了,人們都知道地球是圓的,而且從里到外可分為地殼、地幔和地核。近五十年來,人類已經征服了月球,并且將探空器發送到了太陽系的邊緣,但是人類卻還是無法了解從地下6300千米深處直到地心那部分區域的存在物。我們只知道那里有巖石在不停緩慢運動,有一個鐵水層,還有一個呈固態并且密集的鐵質內核。

地下7千米

了解地球的內部必須采用一種間接的方法。雖然從地球內部到達地球表面的熱量要比來自太陽的熱量低數千倍,但如果從地表向地心進發,每走1千米溫度就會增加20攝氏度,這樣當到達地幔的表層時,溫度會達到300攝氏度,而壓力大約是幾千個大氣壓。

然而現在日本一艘叫做地球號(Chikyu)的探測船,它的鉆頭將要穿越地球的地殼,從而到達地幔。在2012年前,地球號探測船會第一次前進到地幔。

地球號已于2001年下水。探測任務需要它將鉆機鉆入地殼大約6千米處,如果從海洋底部算起,則是海底下三四千米的深度。

如果在海底下三四千米鉆探,那不僅需要一個能在幾千個大氣壓和最高30攝氏度溫度的條件下工作的鑿子,還要用到GPS定位系統,使鑿子能在數年內保持在相同的位置。而船的大小與這項壯舉也是旗鼓相當:船長210米,重5.7萬噸,并且它還有一個高達112米的控制塔。

日本地球號鉆探船工作示意圖

地球號引入了大量的石油開采技術,它有6條連接船身,鉆探管是由衛星來確定位置。鉆探管由鐵架塔支撐住,然后采集來的樣本會由連接鉆探管的傳輸管傳送到地球號上的實驗室。

為了能在這樣的深度的壓力和溫度的極限條件下工作,鋼制的鉆頭會利用鉆機上的泵,在高壓下推動泥漿流,然后再將泥吸進去。這樣做是為了使在壓力很高的情況下,被打出的孔能一直處于打開狀態。

在2007年將會進行第一次鉆探,地點大約是在日本南海岸。專家們認為這次鉆探對地震產生的研究甚至是對地震的預報都是十分重要的,巴塞羅那大學的地質學家安杰洛?卡玫勒連基(Angelo Camerlenghi)解釋說,而下一次的鉆探就是要到達地幔了。

正在鉆探的工人。圖中央可以看到用于挖掘和抽取巖石標本的鉆機

在海洋中發掘

至今為止,人們所進行過的最大膽的一次進軍地幔的試驗是在俄羅斯的科拉(Kola)半島上進行的。但是試驗并沒能取得成功。

俄羅斯科拉半島上的鉆探開始于1970年,可是在剛剛到達12千米多一點的時候,挖掘工作就因為缺乏資金而被迫停止了。但即使鉆探工作繼續下去,工作人員還要面臨另一件嚴重的事情,那就是估算錯誤。

由于估算錯誤,結果人們發現,從挖掘進度處到達地幔大約還有50千米的距離。最終這個計劃無疾而終。而現在,地球號將要嘗試穿越地殼。它選取鉆探的地點也頗具心思,因為鉆探的目標是包括一些因為板塊運動而使地幔接近地殼的區域,或者是地殼相對比較薄的地方,比如日本太平洋海岸外的南海海槽。

地球號的這次探測計劃經過長期的準備,它不僅有海面上最精密的儀器,還配置了世界上最高的鉆探鐵架塔。不過作為鉆探工作,重點還是在于鉆管的長度。地球號的鉆管有9.5千米長,如果拿上海金茂大廈作為對比的話,這個鉆管相當于22座金茂大廈重疊起來的高度。

這是美國喬迪斯-決心號,工作人員身后的鐵架塔被用以支撐鉆探管

地殼以下

當我們挖到地球深處的時候,我們會發現些什么?答案要取決于我們是在什么地方進行挖掘。
在靠近海脊,也就是地狀巖分開的地方,同時也是地殼最薄的地方,這里的厚度只有不到1千米。但即使如此,該處地幔下的巖石已經被地殼的巖石所污染。而地球號將會在遠離海脊的區域進行勘探,因為在那里,地殼和地幔可以區分得很清楚。

鉆探首先是在一個富含沉淀物的深度進行,這個深度充滿了微生物遺跡、泥漿和黏土。再往下勘探的話,人們還會發現了玄武巖,也就是會迅速冷卻的火山熔巖。先會是凝固的氣泡,然后就是類似于’圓柱形玄武巖’的巖石,也有人說是輝長石,卡玫勒連基描述著鉆探的可能狀況,在4千米之后,還有一個厚約1千米的過渡區域,到最后就是地幔了。

根據科學家倉本真一的介紹,地球號會用于多個鉆探和巖心取樣的計劃,在它所鉆出的孔洞中,有些會用來放置固定的地殼監視儀器,以加強對地震的預測。

尋找生命的線索

在上個世紀,科學家們研究的主要方向是物質和宇宙的起源。相對論以及大爆炸理論,將人們的視野拓展到了遙遠的宇宙。不過,現在是時候考慮一下我們的生命是從何而來這個問題了。

關于生命的起源,一種說法是宇宙的彗星經過地球,帶來了生命的種子。另一種說法就是生命是起源于地區內部,而地球內部的熱量為生命之源提供了一個溫暖的環境。

其實在早期的鉆探中,科學們就曾經在樣本中發現了一種細菌,這種細菌在經過化學反應后,可以變成一種酶。這個發現給科學家們增加了信心,雖然地心的環境比地表極端,而且水分和氧氣也稀少,但細菌的出現代表了生命的一種可能跡象。

所以這次地球號鉆探任務,就是希望能取出一個高1.5米,直徑為15厘米的圓柱體地幔樣本,以此研究在地幔是否存在著有機微生物,從而來探索地球的形成與氣候變化的線索,并進一步驗證生命起源的理論。
不僅如此,地幔的質量約占地球的質量的2/3,而且由于熱對流的緣故,使得板塊運動在不停而緩慢的進行。板塊運動在地表上的表現是地震。因此,鉆探取樣的樣本分析將對科學家考證地震來源會有著很大的幫助。按照計劃,工作人員將在地殼附近放置感應器,希望能首次為日本以及東亞地區提供有效的地震預測系統。

國際綜合大洋鉆探

并不是所有的任務都是需要在這么深的地下進行,有很大一部分任務只需探測幾千米的深度。

現在所有的大洋鉆孔工程都已經成為了綜合大洋鉆探(IODP)這一項國際性的計劃組成部分。根據意大利綜合大洋鉆探(IODP)主席卡玫勒連基解釋,該計劃由3個部分組成。美國的喬迪斯-決心(Joides Resolution)號輪船將會擔任大部分的全球鉆探工作。

還有一個由歐洲17個國家加上加拿大所組成的集團會在特殊情況下進行工作,例如在較低的深度或者北極冰塊。然后就是日本地球號計劃。

除了大洋鉆探以外,鉆探還包括了大陸鉆探。至今為止所展開的研究已經有了相當重要的發現。由于喬迪斯-決心號的鉆探工作,我們已經能夠重建大約1億5千萬年前地球的地質史和氣候史。

國際綜合大洋鉆探項目的計劃是打穿大洋地殼,揭示地震的機理。查明深部生物圈和天然氣水合物,以及理解極端氣候變化的過程,同時為深海新資源勘探開發、環境預測和防震減災等實際目標服務。

鉆探在全球

為了重建北極的地質史,2004年,綜合大洋鉆探計劃的地質學家們在距北極點約200千米的北極冰塊間進行了一項令人嘆為觀止的舉動。他們用一艘租借的并且經過特別改造的挪威破冰船提取到了沉淀物的標本。

我們找到了證據可以證明在1千5百萬年前就已經有了冰塊的存在,參加試驗的帕多瓦大學地質學講師多玫尼科?里奧(Domenico Rio)說道:”之前只有水。有一段時期,大約是在5千5百萬年前,北極曾是一個巨大的淡水湖,溫度約為20℃。

我們可以了解為什么會發現在那種條件下生活的蕨類植物。但是為什么是一個湖而不是一片海呢?按照里奧的解釋,是因為在那個時期,北極被大洋孤立了起來。在接下來的數百萬年里,在亞洲、美洲以及北大西洋的一個更深的海峽之間,才開辟了白令(Bering)海峽。

另外有一項重要計劃在冰島展開,鉆探工作重點放在了一些海脊浮出海面的區域,尤其是在雷克雅尼斯(Reykjanes)半島。還有其它的鉆探正在夏威夷群島附近進行,那里的巖漿似乎直接來自于地幔和地心之間的邊界。

為了探索地下世界,不僅僅在地殼最薄的海洋里有鉆探工作,大陸上的鉆探工作也同樣在進行。比如,在德國進行的鉆探工作,在重建被鉆探區域從5億年前開始的地質史上,有著非常大的幫助。

而在美國加利福尼亞美國所進行的鉆探是為了研究圣安地列斯(San Andreas)斷層,以及看是否可能預報地震。鉆探進行了12個月后,我們進入了斷口。計劃的負責人之一馬克?佐白科(Mark Zoback)說。在這里,研究者們對一系列同類的微地震進行了記錄,通常來說,微地震之后將會出現更大強度的地震。

在墨西哥的猶加敦(Yucatan)半島上,鉆探在一個曾經有巨大的小行星墜落的位置進行。到1.5千米處,采掘出的巖心證明了之前的理論:碰撞發生在大約6千5百萬年前,它所產生的灰塵導致了氣候的變化,從而造成了恐龍的滅絕。

知道的遠遠不夠

我們所知甚少。即使在過去的時間里,我們對地球的研究已經有著大方面的進展,然而對于腳下這顆星球,我們的了解并不比宇宙中任何一個星球了解更多。

在全球變暖的情況下,大氣中二氧化碳的濃度引起人們廣大關注。人們根據從南極、格陵蘭以及青藏高原等高海拔地區鉆探,所取得的冰芯進行分析,冰芯記載了在42萬年以來,全球的氣候和大氣成分的演變。

研究的結果是,地球過去比現在熱多了。在白堊紀這段時間內并沒有極冠的存在,整個地球都是同樣的熱氣候,卡玫勒連基分析著觀察結果,據可靠理論,高溫是由一種超溫室效應所導致的,而該效應的產生是由于一系列大型的海底火山爆發釋放了極大量的二氧化碳。后來,氣候慢慢變冷,并形成了東南極冠,西南極冠,以及最終出現的南極冠。

然而一個問題就是,雖然在短時間尺度上,可以看出二氧化碳濃度的變化與全球溫度變化一致。然而對于二氧化碳和全球變暖之間的關系,科學家們還有待進一步的研究。

不僅如此,回想到之前科學家進行鉆探的時候發現了地底深處細菌的情形。細菌的存在改變了人們的觀念,在這之前人們根本沒有想到會在海脊,附近壓力為幾百個大氣壓且溫度超過100℃的條件下發現它們的存在。

地球號將會在地幔發現生命體嗎?很可能不會。也許之前那些國際鉆探計劃所找到的細菌在很長一段時間都只是生命跡象的一個含糊的信號。但是科學家們已經為每一個發現做好了準備。

國際鉆探工作記錄

1:19681983年,由美國等20多國參加了國際深海鉆探計劃(DSDP)。執行計劃的美國格洛瑪·挑戰者號鉆探船航行世界各大洋,歷時15年。施工場地最大水深為7044米,最深鉆孔為1741米,鉆進玄武巖層的最大深度為1080米。

2. 19852003年實施的大洋鉆探計劃(ODP)是DSDP的后續計劃,實施從全球海底取樣,研究地殼演化及環境。參加ODP計劃的成員有20多個國家和地區。我國于1998年取得ODP的參與成員國資格。

ODP(19852003年)在世界各大洋共完成了111個航次,行程66萬千米,鉆進了1797個鉆孔,最大鉆探海水深度5980米,最大海底以下鉆探深度2111米,共獲取巖心222,000米。

3. 2003年9月,歷時18年的國際大洋鉆探計劃(ODP)結束。國際海洋科學鉆探工作轉入國際綜合大洋鉆探計劃?(IODP)?新階段。這個計劃是以地球系統科學思想為指導,計劃打穿大洋殼,揭示地震機理,查明深部生物圈和天然氣水合物,了解極端氣候變化的過程。該項目爭取在生物科學領域取得重大突破。同時為深海資源勘探開發、環境預測和防災減災等提供服務。

前蘇聯地質研究員曾經在科拉半島鉆出深達12261米的鉆孔,這是人類迄今為止深入地下最遠的地方,成為世上最大的地上鑿孔-科拉超深鉆(Kola Superdeep Borehole),他們是從1970年開始挖掘,直到1989年才結束。