深海鉆探知多少

劉素蓉

對(duì)于難以看到的地下深處，人類能否插入像望遠(yuǎn)鏡那樣的設(shè)備進(jìn)行眺望呢？

從2003年10月開始，大洋鉆探計(jì)劃進(jìn)入了為期10年的國際大洋鉆探計(jì)劃新階段。美國、日本等發(fā)達(dá)國家以每年幾億美元的投入向深海地幔進(jìn)軍。

日本“地球號(hào)”

不過，由于技術(shù)的不可逾越性，10年的“國際大洋鉆探計(jì)劃”在結(jié)束時(shí)還存留著大量的研究項(xiàng)目無法實(shí)施，為此，科學(xué)界對(duì)2013～2023年開展的“國際大洋發(fā)現(xiàn)計(jì)劃”新階段充滿了期待。我們以日本的“地球號(hào)”為例，先來看看人類曾為鉆穿地幔做出過什么樣的努力吧。

“地球號(hào)”上的大型停機(jī)坪

鑿穿海底地下7千米

地球深海科學(xué)鉆探船“地球號(hào)”建造于2005年7月，總排水量5.75萬噸，是長210米、寬38米的大型船舶。該鉆探船的最大乘員數(shù)為150人，船上安裝了各種高科技鉆探設(shè)備，是世界上首次安裝了立管式鉆探系統(tǒng)的科學(xué)鉆探船，可以在地幔以及大地震發(fā)生區(qū)域進(jìn)行高深度鉆探作業(yè)。

“地球號(hào)”的大型鉆頭

在此之前，海底鉆探船舶只能探到海底地下2111米，這樣的鉆探能力是到達(dá)不了地球地幔的。而日本“地球號(hào)”的鉆探深度達(dá)到了此前人類在中美洲哥斯達(dá)黎加海底地下鉆探深度的3.5倍?！暗厍蛱?hào)”鉆探船可以在2500米（將來可達(dá)4000米）深的海底地下鉆探，其鉆頭可以由海溝裂縫鉆入地殼達(dá)7000米處并進(jìn)入地幔。其鉆桿采用立管式鉆探系統(tǒng)，長度相當(dāng)于美國紐約帝國大廈高度的5倍。

“地球號(hào)”鉆探示意圖

對(duì)于渴望了解“地球更深處是什么“的科學(xué)家來說，有了這艘能力強(qiáng)大的船舶，就可以“隨心所欲”地提取到地球不同深度的樣本，并當(dāng)場在船上進(jìn)行分析，了解地球各個(gè)斷層的情況、生命狀態(tài)和可利用礦物質(zhì)成分等。該船擁有占地面積近2300平方米的4層實(shí)驗(yàn)室，可進(jìn)行沉積學(xué)、巖石學(xué)、古生物學(xué)、地球化學(xué)、地球物理學(xué)等方面的研究，對(duì)于安放地震偵測器和收集地震成因資料有很大幫助，同時(shí)還能探勘海底資源。

那么，“地球號(hào)”是如何鉆探到海底地下幾千米深的呢？

首先，為了讓漂浮在海面上的船舶順利作業(yè)，必須讓船身保持一個(gè)恒定的位置。因?yàn)?，在洶涌的大海中只要船位稍有偏離，連接船只和鉆頭的鉆管就會(huì)折斷。除了利用全球定位系統(tǒng)（GPS）自動(dòng)測位，“地球號(hào)”還采用了一個(gè)重要的動(dòng)態(tài)定位系統(tǒng)技術(shù)進(jìn)行測位——即利用投擲在海底的聲波收發(fā)器進(jìn)行聲波信號(hào)測位。

巖芯采樣被送至船上后，科學(xué)家必須盡快進(jìn)行研究和分析

該船將一個(gè)聲波收發(fā)器投入海底，并在船身上安裝了4個(gè)接收裝置。聲波收發(fā)器不斷從海底發(fā)出聲波信號(hào)，船上的4個(gè)接收裝置根據(jù)聲波收發(fā)器傳遞的數(shù)據(jù)，自動(dòng)完成三角測量，并定出保持船位不變所需的方向和距離。同時(shí)，計(jì)算機(jī)將數(shù)據(jù)傳送給安裝在船底的6個(gè)360度旋轉(zhuǎn)式推進(jìn)器，隨即推進(jìn)器開始工作，其產(chǎn)生的力量能夠自動(dòng)校正并調(diào)整該船的位置，使該船可以一直維持在鉆孔的上方，確保船位的固定。該系統(tǒng)可以確保在浪高幾米的海況下，或風(fēng)力大作的情況下，船位不出現(xiàn)絲毫偏差。

從海底地層中取出的巖芯樣本

穩(wěn)固了“地球號(hào)”的位置之后，就可以進(jìn)行鉆探作業(yè)了。從漂浮于茫茫大海的船上，伸出幾千米長的鉆管，穿過海水找到確定的洋底位置，向下鉆進(jìn)千余米深的孔，再把孔里的巖芯取樣到船上，這一看似簡單的大洋鉆探過程實(shí)則難度極大。

探索地底更深處

為了進(jìn)一步增加鉆探深度，“地球號(hào)”鉆探船采用了重達(dá)380噸的“立管鉆探系統(tǒng)”（在石油、天然氣鉆探中表現(xiàn)得卓有成效）。這與以往的鉆探船有所不同，原來的鉆探船只單純采用鉆管進(jìn)行簡單的鉆探，鉆探深度最多只能達(dá)到海底地下2000米，且鉆管周圍的孔壁很容易坍塌。

為了解決這一問題，“地球號(hào)”與海底之間用大口徑的井管連接，并采用約6層辦公大樓高的套筒（防爆裝置）保護(hù)井口。

基本原理是：將一根根鉆管連接起來延伸到海底，在鉆管的前段安裝大型的鉆頭。一旦鉆頭接觸到海底，就讓其旋轉(zhuǎn)并開始鉆探?！暗厍蛱?hào)”使用的鉆管每根長9.5米，隨時(shí)配備1000根以上，即可抵達(dá)距海面約1萬米的海底地下。不過，隨著鉆探的不斷加深，船上要反復(fù)連接新的鉆管推進(jìn)鉆探?？紤]到有時(shí)會(huì)中斷鉆探作業(yè)，或僅是為了確保鉆探不走形，鉆頭外層除了包裹有套筒，內(nèi)部還裝有減震化學(xué)泥和排氣管，鉆探時(shí)一旦遇到石油或者地殼中溫度過高的巖石，套筒可以起到保護(hù)鉆頭的作用。與此同時(shí)，這個(gè)保護(hù)裝置還可以預(yù)防船只受到逃逸氣體如甲烷氣體與高壓液體噴發(fā)造成的災(zāi)難性爆炸與大火等傷害（如果氣體沖出并上升，將足以沖翻船只并致使船只沉沒），也使得每次采集的巖芯樣本可以安全回收。

美國“決心號(hào)”

將鉆管推進(jìn)后，還需通過泥水循環(huán)進(jìn)行鉆探。所謂泥水循環(huán)是指采用由海水或船上的淡水與減震化學(xué)泥混合而制成的泥水，不斷在船只與采掘點(diǎn)之間循環(huán)。鉆探不斷加深，會(huì)導(dǎo)致巖石摩擦發(fā)熱、溫度過高，泥水正好成了保護(hù)鉆頭的冷卻劑。另外，黏土的微粒狀附著在孔壁，可以固化孔壁，防止鉆孔因地層壓力而坍塌。

“決心號(hào)”拍攝到的印度洋海底圖像

通過鉆探，從海底地層中取出由沉積物或巖石等組成的圓柱形巖芯（直徑7～8厘米），并對(duì)其進(jìn)行測量和成分分析，從而闡明過去在地球上發(fā)生的各種現(xiàn)象。巖芯采樣以9米長為1個(gè)單位，在采樣至船上后立即送到研究區(qū)，被切成根，每段長1.5米。在進(jìn)行X射線檢測、CT掃描或物理測量等非破壞性檢查后，對(duì)其中一根進(jìn)行豎向剖開，用于研究及成分分析，其他的樣品則被保存起來供將來研究。

總之，巖芯是有“生命力”的東西，被從海底地殼拖到船上的巖芯，且不說溫度、壓力的變化，即使接觸到空氣中的氧，其中的成分和物質(zhì)性質(zhì)都會(huì)很快發(fā)生變化。所以，科學(xué)家必須盡快進(jìn)行研究和分析。研究區(qū)設(shè)有調(diào)查微生物的實(shí)驗(yàn)室和古地磁的實(shí)驗(yàn)室等。為了不受現(xiàn)場地磁場和船體磁場的影響，古地磁實(shí)驗(yàn)室完全被磁屏蔽。所有分析數(shù)據(jù)都存入計(jì)算機(jī)。在船上經(jīng)過初步研究、分析后，巖芯將被送到陸地的研究中心冷藏保存。

美國“決心號(hào)”計(jì)劃圖

最新進(jìn)展：美國“決心號(hào)”，打穿地殼地幔邊界

2015年12月2日，由12個(gè)國家的科學(xué)家組成的超強(qiáng)陣容科考隊(duì)登上了美國“決心號(hào)”大海鉆探船，計(jì)劃奔赴西南印度洋中脊“亞特蘭蒂斯淺灘”，開展海底地下鉆探，預(yù)計(jì)“刺穿”地殼和地幔之間的邊界。完成該項(xiàng)目預(yù)計(jì)得花費(fèi)數(shù)年時(shí)間，將通過檢測巖芯樣本探明那里是否有生命跡象。科考隊(duì)從海底地下一點(diǎn)一點(diǎn)打入地球內(nèi)部，采掘地幔巖石樣本，探尋著地球深處的秘密，他們期待了解神秘的地球內(nèi)部究竟是怎樣的，甚至揭示生命的存在。

20世紀(jì)中葉，在大洋中鉆探還是一件非常有難度的事情，比如，鉆探需要把船固定到一個(gè)地方。1997年，科學(xué)家們也曾在亞特蘭蒂斯淺灘打過孔，取得過一些預(yù)期成效，比如，獲得了很長的輝長巖剖面。然而好不容易打到海底以下1500米左右的時(shí)候，海面狂風(fēng)大作，海浪導(dǎo)致鉆探船顛簸不已，為了解決船只顛簸可能造成鉆管折斷、堵塞鉆孔，甚至翻船等情況的發(fā)生，這次嘗試不得不終止。

之所以研究亞特蘭蒂斯淺灘，是因?yàn)檫@里的地殼較薄，相對(duì)容易達(dá)到地幔。而且這里從地幔溢出的巖漿量較少，意味著這里的硬巖不多，容易取得突破。此外，這里已經(jīng)進(jìn)行了很多研究，資料豐富。可以說，亞特蘭蒂斯淺灘是一處研究地球殼幔轉(zhuǎn)化的理想構(gòu)造窗口。

鉆探的第一階段，從2015年12月開始一直持續(xù)到2016年1月。2015年12月18日，“決心號(hào)”到達(dá)鉆探地點(diǎn)后，科學(xué)家就開始在海底架設(shè)設(shè)備開始鉆探，計(jì)劃將鉆探深度達(dá)到海底地殼下方1500～2000米。

鉆探的第二階段，計(jì)劃鉆探深度為4000米。并且希望留下一個(gè)能反復(fù)進(jìn)入、且能在今后的鉆探過程中不斷加深的孔。如果一切順利，鉆探就可以進(jìn)入第三個(gè)階段，也就是最后一個(gè)階段，即配合日本“地球號(hào)”鉆探船，沿著這個(gè)孔一鼓作氣地鉆探下去，打到5000～6000米的深度，達(dá)到地震邊界莫霍面，最終打穿地殼和地幔的邊界。也就是說，在目前的這個(gè)鉆探點(diǎn)，這個(gè)邊界位于海底地下5000米以下的地方，只要完成以上三個(gè)階段就能鉆穿地殼，達(dá)到地幔。

那么，什么是莫霍面是呢？莫霍面是以克羅地亞地震學(xué)家莫霍洛維奇命名的，被認(rèn)為是地殼和地幔的分界面。目前，這個(gè)邊界只能通過一些間接的手段（如實(shí)驗(yàn)?zāi)M等）推測其物質(zhì)組成。

早在1957年，美國地質(zhì)學(xué)家就曾經(jīng)提出“莫霍計(jì)劃”，即在地球上打一口“深井”鉆穿地殼，一直鉆到莫霍面，取一些樣品直接看看。由于地球上的洋殼比陸殼薄得多，該計(jì)劃選擇在深海大洋里進(jìn)行。

“人類已經(jīng)登上了月球，卻對(duì)地球上的汪洋大海知之甚少，研究手段也非常有限。打穿洋殼進(jìn)入莫霍面，是我們長久以來的夢想，我們希望了解更多發(fā)生在地殼和地幔之間的事情，以及可能存在的生命”。美國伍茲霍爾海洋研究所的亨利·迪克教授說。他認(rèn)為，通過鉆探獲取的巖芯，會(huì)讓我們更加了解地球的構(gòu)造。

通過鉆探獲取的巖芯，會(huì)讓科學(xué)家更加了解地球的構(gòu)造。圖為不同巖石組成的顯微鏡成像

為什么要研究地幔？

有人提出，殼幔邊界實(shí)際上可能是海水的最低點(diǎn)，海水通過裂縫滲入地幔的巖石，有可能改變了巖石的組成，生成蛇紋巖，反應(yīng)生成甲烷和氫氣，這就有可能存在通過地殼深處的化學(xué)作用吸取能量的細(xì)菌，與太古代生命起源時(shí)期類似。如果在多國科學(xué)家鼎力合作下，發(fā)現(xiàn)了蛇紋巖存在于地球內(nèi)部的證據(jù)，那么，生活在極端地區(qū)的生物有多少？是哪些？生活極限是什么？這些都是重要的需要回答的問題。這些發(fā)現(xiàn)有可能完全改變我們目前對(duì)殼幔界面的認(rèn)知。

由于海底的地殼比陸地的薄，因此，在那里鉆探有可能達(dá)到人類從未涉足的地幔。地殼是地球固體地表構(gòu)造的最外圈層，整個(gè)地殼平均厚度約為17千米，大陸地殼的平均厚度為35千米左右。高山、高原地區(qū)的地殼更厚，最高厚度可達(dá)70千米以上;平原、盆地地區(qū)的地殼相對(duì)較薄。大洋地殼則遠(yuǎn)比大陸地殼薄，厚度只有幾千米。而太平洋馬里亞納群島的海溝，是地球上地殼最薄的地方。迄今為止，有關(guān)地幔，人類僅從因?yàn)榈刭|(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)或蝕變而露出地面的巖石（蛇紋巖或橄欖巖）推斷前者是由非常堅(jiān)硬的巖石構(gòu)成的?，F(xiàn)在，通過從海底到地幔連續(xù)開采巖芯，通過對(duì)巖芯的研究，說不定還能闡明板塊構(gòu)造的原動(dòng)力。

什么是莫霍面？

1910年，克羅地亞地震學(xué)家莫霍洛維奇通過觀測地震波在地球內(nèi)部的傳播情況，率先提出地殼和地幔之間存在一個(gè)不連續(xù)的分界面。人們將這一殼幔分界面稱為“莫霍洛維奇不連續(xù)面”，簡稱“莫霍面”。在莫霍面上，地震波的傳播速度驟變，說明了地殼和地幔之間的密度不同。

那么，莫霍面是怎樣發(fā)現(xiàn)的呢？1909年，莫霍洛維奇在一次地震時(shí)發(fā)現(xiàn)，地震波的速度在該界面附近，縱波的速度從每秒7.0千米左右突然增加到每秒8.1千米左右;橫波的速度也從每秒4.2千米突然增至每秒4.4千米。其出現(xiàn)的平均深度在大陸以下約32千米，海底之下約7千米。