揭開地殼探秘

楊陽

盡管人們已經(jīng)有能力在另一個星球上著陸，但是對于腳下地球的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，人們還知之甚少。地球內(nèi)部究竟是一個怎樣的世界？是否真如科幻作家儒勒·凡爾納《地心游記》所描述的模樣？近日，由美國、英國、中國等12國科學(xué)家組成的團隊登上美國“決心”號鉆探船，開始在印度洋進行打穿地球殼幔邊界的第一次大洋鉆探。這是人類歷史上首次打穿地殼與地幔的邊界。這項科研活動將有望深入地殼與地幔的分界面，看到人類從未見過的地球內(nèi)部面貌。

地球深處的秘密

地球內(nèi)部由地殼、地幔和地核3個圈層組成。時至今日，人類之所以對地球內(nèi)部的世界知之甚少，是因為人類想要穿透地殼并不是一件容易的事。

地?？胺Q最大的“地球化學(xué)儲庫”，但迄今，人類尚未能直接從地幔取樣，因此對其知之甚少。目前，“決心”號鉆探船正在西南印度洋中脊海域開展大洋鉆探，最終目標(biāo)就是鉆穿地殼，“觸摸”地幔。

神秘而龐大的地幔充滿了許多未解之謎。在2013～2023年的國際大洋發(fā)現(xiàn)計劃提出的科學(xué)挑戰(zhàn)中，地球深部過程及其對地表環(huán)境的影響等一系列科學(xué)問題，無不與地幔息息相關(guān)。

20世紀(jì)60年代以來，板塊構(gòu)造學(xué)說的確立，使得地球表面看似分布無序的高山深海變得有條有理。在太陽系中，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”。板塊構(gòu)造學(xué)說比較成功地回答了“地球是怎么活動的”問題，但對于地球活動的具體過程和細節(jié)、活動機制等問題，仍需要各國科學(xué)家凝心聚智，共同尋求答案。半個多世紀(jì)以來，全世界的地球科學(xué)家從未放棄過探尋莫霍面、“觸摸 ”地幔的科學(xué)夢想。

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莫霍面

莫霍面是以克羅地亞地震學(xué)家莫霍洛維奇命名的地殼與地幔的分界面，在地質(zhì)科學(xué)界一直是神秘的存在?？茖W(xué)家只能夠通過一些間接手段、模擬實驗和復(fù)雜的計算，推測其物質(zhì)組成。通過鉆探獲取的巖芯將會為我們了解地球構(gòu)造循環(huán)的核心部分提供新的見解。

大洋鉆探的挑戰(zhàn)

位于南緯32度42分、東經(jīng)57度17分的“亞特蘭蒂斯淺灘”，雖然掩蓋在一望無際的海水下700多米，但經(jīng)過多年堅持不懈的研究，科學(xué)家確信這里是研究地殼與地幔轉(zhuǎn)化的理想“構(gòu)造窗口”。

據(jù)介紹，“決心”號抵達目標(biāo)海域后，科學(xué)家已開始進行大洋鉆探前的各項準(zhǔn)備工作，包括向海里放一個聲吶信號裝置，以使船舶保持動力定位;向海里放一個水下攝像機，以尋找合適的巖石安裝鉆孔重返系統(tǒng)。鉆孔重返系統(tǒng)能定位鉆孔，并能使鉆頭離開后重返鉆孔，是開展鉆探前的重要一步。根據(jù)計劃，“決心”號將首先使用旋轉(zhuǎn)式巖芯取樣器鉆220米深，然后進行井下測量和監(jiān)測。從井下220米開始連續(xù)鉆取巖芯，并盡可能地向下深鉆，計劃鉆到1300米。

地殼內(nèi)的溫度隨深度增加，有數(shù)據(jù)顯示，每深入100米溫度就會升高1℃。近年的鉆探結(jié)果表明，在深達3000米以上時，每深入100米溫度就會升高2.5℃。越往深處鉆探，不僅溫度升高，而且周圍巖石的壓力也會增大，你可以想象把手插進米缸里，越往下周圍的米對手的壓力會越大。對于鉆探裝備來說，這是一個極具難度的挑戰(zhàn)。這次的大洋鉆探項目是要鉆探至地殼和地幔之間的莫霍面。這次鉆探與石油鉆探原理大致相似，不同的是要取得巖芯樣品，而且是在硬巖中打入到1300米的深處。

“決心”號從“亞特蘭蒂斯淺灘”鉆取的巖芯是深入了解地球歷史的珍貴“檔案”。由于巖芯是一個“有生命的材料”，它們的自然特性每時每刻都會隨著周邊環(huán)境的變化而變化?！皼Q心”號上有12個實驗室，裝備了多種先進的實驗儀器，將在第一時間對采上來的巖芯進行快速、復(fù)雜、全面的“體檢”，同時還將組織科學(xué)家在現(xiàn)場對巖芯進行記錄和描述。

通過本次科考，人類能第一次直觀地了解殼幔邊界的巖石形態(tài)，甚至可以對地球演化發(fā)展有新的認識。另外，可以了解大洋中脊和地幔的接觸關(guān)系，進一步了解地球的板塊構(gòu)造和海洋擴張，而且還能看看那個深度的巖石里有沒有微生物，調(diào)查地球深處的生命活動。這一切無論是對地球還是人類自身的認識，都有重大的意義。

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為什么在洋底

而不是在陸地上鉆井？

在洋底而不是在陸地上鉆井，原因很簡單：洋底的地殼比陸地的地殼薄得多。在大陸上挖一口貫穿地殼的井，需要向下挖30千米～50千米。如果你把地點選在了喜馬拉雅山脈附近，你可能需要挖80千米。即便只有30千米，目前的鉆井技術(shù)也很難滿足要求。井挖得越深，對鉆桿的要求就相應(yīng)提高;而鉆頭將無法抵御地殼深處的高溫。如果在洋底挖同樣的一口井，只要挖大約5000米，就可以抵達地幔。

1992年，美國哥倫比亞大學(xué)的地質(zhì)學(xué)家邁克爾帕蒂曾經(jīng)提出了一個理論，認為洋底地殼如果形成的速度較快，那么那里的地殼就比較薄。而一個較薄的地殼，也就意味著科學(xué)家可以相對容易地鉆到地幔。通過測量洋底的磁場分布，科學(xué)家可以找出哪些地區(qū)的地殼形成速度更快。在過去的歲月中，地球的磁場曾經(jīng)發(fā)生過多次倒轉(zhuǎn)。科學(xué)家已經(jīng)整理出了一份磁場倒轉(zhuǎn)的時間表。當(dāng)巖漿從地幔上涌，逐漸冷卻形成新的地殼時，它會記錄下當(dāng)時的地球磁場的方向，就像一枚枚凝固在巖石中的指南針。不斷向外擴張的洋底地殼就成為了一條記錄地球磁場變化的磁帶。通過對照磁場倒轉(zhuǎn)的時間表，科學(xué)家就可以發(fā)現(xiàn)哪些地點地殼擴張的速度更快。

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為何選擇“亞特蘭蒂斯淺灘”？

與全球其他地區(qū)相比，“亞特蘭蒂斯淺灘”究竟有何特殊之處？“決心”號為何要不遠萬里來到這片海域開展工作呢？因為地球大陸地殼的平均厚度大約有40千米，大洋地殼的厚度約為5千米～10千米，而“亞特蘭蒂斯淺灘”的地殼厚度更薄，僅為3000米左右。國家地震局地質(zhì)所研究員陳九輝認為，在大洋地殼中鉆孔會更容易，可能會真正看到莫霍面的樣子。但他也指出，“亞特蘭蒂斯淺灘”是一個特殊的地區(qū)，要想把這里的研究擴展到對全球地質(zhì)構(gòu)造的認識還很難，因為全球的地質(zhì)狀況比這個地區(qū)要復(fù)雜很多，一些地區(qū)可能經(jīng)過長期的地質(zhì)變化，比一些新生區(qū)域要復(fù)雜。

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