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离钻穿地球“莫霍面”的梦想还有多远
  • 2019-10-21 08:43
  • 来源: 中国东莞万江街道栏目
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离钻穿地球“莫霍面”的梦想还有多远

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。

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。 近日在沪召开的“面向2023年后大洋钻探学术研讨会”上,科学家表示,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

“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,在面积广大的陆地之下约为30~40千米,在大洋之下约6~7千米。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“莫霍钻”计划,由环球海洋勘探公司的“CUSS”号船实施莫霍面钻探任务。1961年,“CUSS”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,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。

六十多年来,科学家从未放弃打穿地球莫霍面的梦想,在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,美国“决心”号大洋钻探船,科学家梦想打到莫霍面的一次艰难钻探。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,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,“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?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?等等。还需要世界各国科学家凝心聚智,共同寻求答案。

周怀阳说,“相比于几十万千米外月球上的样品,地球内部几千米深处的莫霍面,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!” (摘自科普时报)     

   

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