入地钻洞(人类钻过最深的孔有12公里深)

非常时期,在家静下心来,跟我了解科学与技术史上有趣的故事吧!我是戴森,一名热爱分享科学与汽车知识的科普创作者。

前言:人类对海洋的了解,还不如对月球多。海洋虽然深不可测,毕竟可以造潜水器下去看个究竟,然而,对于我们脚下的大地内部是什么样子,我们其实知之更少,那怎么办?打孔呗!但是你猜猜,到目前为止人类钻了多深吗?12公里!听起来不少对吧,但是相比地球6400公里的半径来说,不足千分之二,即便这点“成绩”,也已经让人类使出了浑身解数。

“目的不纯”的科学探索

说这事还是得回到冷战时期,虽然美苏两个超级大国明面上没开打,但是私底下却都是咬着牙的较劲,啥事都要争个高下,一个国家在某事情上落后,那它必定要铆足了劲在另一个事上找回面子来。这不,苏联刚在太空竞赛中拿了个第一,在1961年由加加林完成了人类第一次太空飞行。这么一个搞,美国就不服气了,放出豪言:十年内咱月球上见!然后以举国之力憋了八年大招,终于在1969年完成了登月飞行任务,这个任务的完成,不仅让美国扬眉吐气,也把苏联给整服气了,毕竟这个事上,苏联一时半会还是真办不成,也就只能是打掉牙往肚子里咽。

苏联太空第一人加加林(上)和美国登月(下)

但既然能叫超级大国的苏联能这么轻易认怂吗?苏联人心想,月球上的资源我们没抢着,地球表面资源也差不多瓜分完了,但好像地球内部还没人占啊对不对?好主意!“上天”我搞不过你,咱比“入地”行不行? 于是苏联人决定换个方向,往地球里面钻,这就诞生了“科拉超级钻井计划”。

前苏联的“科拉钻孔”

我们都知道,地球包括内核、外核、地幔和地壳。而地幔和地壳之间的分界,被称为莫霍面。因为实在是太难挖了,地球内部结构理论,基本都是建立在间接分析基础上的,比如这个莫霍面,就是通过分析地震波传播速度的突变才发现的。莫霍面的平均深度是33公里(33000米),其中陆地上的地壳平均厚度为40公里,而海洋的地壳要薄得多,平均起来只有约10公里厚。前苏联的这个超级钻洞计划,就是希望能直接挖个洞来触达莫霍面。

莫霍面和古登堡面

“科拉钻孔”计划从1970年开始,到1983年十年间钻了1.2万米。但在之后的十年中只挖了“可怜的”262米,这是怎么一回事呢?且听我慢慢道来。

首先是有个传闻,给这件事情蒙上一层稍显恐怖的面纱。据说在挖掘中曾从地下跑出一个巨大的不明生物,青面獠牙。而且当人们把一个扩音装置放下去时,传来的却是类似无数人类的痛苦哀嚎的声音,于是人们以为是打穿了地狱之门,怕有啥恶魔被释放出来。

别害怕,假想图

这个说法让人有点啼笑皆非了,天不怕地不怕的苏联国家队,能让几声哀嚎吓住吗?再说他们不是信列宁的嘛?关恶魔啥事…… 其实有一种科学的推测是,钻洞导致地下的高压气体喷出,产生了很强的呼啸声,听起来如同鬼哭狼嚎,而气体冲出洞口,形成翻滚的烟雾,让人感觉如见怪兽。而且从1993年到现在,已经有另外两个更深的钻孔超过了科拉孔洞,而它们都无类似玄幻事件的报道。

而个中的真实原因,如果你换位思考,也不难明白。苏联本来就是气不过美国抢登月球才决定往地底下钻的,名曰科学研究,但是赌气的成分还是有嘛。但是这种项目首先就是“逼格”不够高,你想你钻个洞能和人家登月比吗?就算真的钻通了能咋的,还是个小洞啊…… 要和别人吹起来那不免有点太寒酸了!其次打这么个不起眼的洞也不是说打就打的,是需要往里砸真金白银的呀,而且越往下钻越难,当苏联人成功进入深度10公里的岩层后,单钻头和钻杆的自重就已超过200吨了,光摆弄这个200吨的铁棍子就很费劲了,何况还要继续往下呢?

科拉超深井(2007年拍摄),来自维基百科

而且考虑到1993年,苏联都解体了呀,本来就是赌气才开挖的,现在生气的人都没了,那还跟人家美国较什么劲呢?加上钱袋子紧,这项目要是不中途夭折才怪。因此所谓的地狱哀嚎之说,我觉得不过是俄国人给自己留点面子的托辞罢了:)

美国的“莫霍孔”计划

那美国这边呢?难道坐视对手抢先?不可能的!他们也打洞了,还不止一个。不过说起来,美国人能钻洞,还得感谢苏联……

上世纪50年代,美国有大量的资金都投在了科研部门,物理学家们就像中了彩票一样,为什么?因为花不完的钱啊,二战期间的曼哈顿计划让他们一爆成名!因此战后物理学家们腰杆子那是一个硬,说建个加速器,给钱!建个射电望远镜阵列,给钱!而地质学家这拨人却只有眼馋的份,原因还是他们搞的这一套东西,格调不够高啊!提不出物理学家那样够气魄的科研项目。所以那时候美国地质学家们最头疼的就是怎么把钱给“忽悠”来,这其中,就有美国地质学家赫斯。

赫斯教授在上课

那是1957年,地质学家们对地球莫霍面以下的地幔知之甚少,他们不知道地幔到底是何种岩石构成的,大家各执己见、争论不休。而赫斯和海洋研究所的芒克这哥俩,忽悠不到啥大额经费,经常坐一块聊个天喝个闷酒什么的。某次,芒克半开玩笑地说,干脆咱打一个直达地幔的深孔,看看莫霍面以下到底是什么岩石。

这本来也就是句玩笑话,但没想到赫斯却眼睛一亮:妙啊!就这么干!之所以反应这么强烈,除了仿佛看到经费在向他招手,还因为当时的地质学真的是证据不足,主要靠理论、假说和推理,以至于有人开玩笑:地质学是最大的“伪科学”!所以他们一直也想出这口气,都是忽悠,凭啥我要在鄙视链最末端!

芒克

于是,赫斯向“美国多学科研究会”作报告阐述自己的想法,众人一拍即合,并将这个计划命名为“莫霍孔”计划,然后就准备向美国政府伸手要钱了。但美国政府并不觉得这个计划有什么用啊,你往地下钻个小洞,花这么多钱,却不能像登月一样让美国获得太空霸权,又不能像原子弹一样让美国获得全球威慑力,我干嘛要掏钱?

眼看这事要黄,但在一次国际学术会议上,有个苏联代表暗示,他们也有类似的“莫霍孔”计划!(我去,这不会是个美国卧底吧)。美国专家赶紧把这消息上报政府,那边一听眼就瞪起来了:什么?苏联也要钻?来来来,要多钱?你们马上开搞!

钱有了,摆在美国专家面前的,只是怎么钻的问题。刚才说了,大陆地壳平均厚度就有40公里,钻起来太费劲。但海洋地壳薄啊,在一些特殊地方,比如西南印度洋脊甚至只有3公里厚。小孩都知道要找软柿子捏,何况科学家了。

地球内部,注意最上方的陆壳和洋壳厚度

所以,“莫霍孔”就是到深海,去找那些薄地壳的海域,然后开始钻。他们试着钻了很多孔,其中一个是在1961年4月钻的,钻具伸入3558米深的海水,并钻透了170米的沉积物,取上来13米长的玄武岩。当时,美国总统肯尼迪还致电祝贺,并称这是科学史上“历史上的里程碑”。

用于莫霍计划的CUSS 1号钻井船(左)和定位浮标(右)

然而,“莫霍孔”计划持续了数年,花钱逐年递增,而取得的成就却寥寥。你可能要问,不是海洋地壳只有几公里吗?能用多少钱啊?没错,是不太厚,但那是在海底哦,你不可能沉到海底再钻孔对吧?你只能开着船钻,但是别忘了海面是有风浪的,要想瞄准一个地方钻洞那可不是一件简单的事,为了解决这个问题,他们想了很多办法,比如采用了一个位置稳定装置,就是四边装上螺旋桨,然后分别控制船只在X/Y方位上的漂移来达到稳定的目的,但这样效果也不是特别好。这个钻孔的难度,引用了一位海洋学家的话,“就像从帝国大厦顶上用一根意大利式面条在纽约的人行道道上钻个孔”。

于是,反对的声音逐渐多起来。有地质学家认为,地幔物质虽然在地壳以下,但由于地质运动,地幔物质难免会跑到地壳之上,只要找到,取来就是了,根本没必要去费心巴力的钻个孔啊!最终,1966年8月18日,在耗费数千万美元之后,美国众议院以投票的方式终结了“莫霍孔”计划。

是因为钱吗?其实跟阿波罗计划比起来,莫霍孔计划花的钱还不够一个零头,我看说到底还是性价比太低,得到的回报相对于投入来说不太值。

后续的钻孔者

“莫霍孔”计划被中止后,科学家们当然不肯罢休,他们还有着大把的问题和学说有待实验验证。于是又折腾出后来的“深海钻探计划(Deep Sea Drilling Program: DSDP)”以及“大洋钻探计划(Ocean Drilling Program: ODP)”。

深海钻探计划从1968年持续到1983年,这次人们现实了很多,不再去死磕莫霍面了,而是要在世界大洋打大量不太深的钻井,采集沉积岩心,取得洋底地壳上层的资料,负责完成这次计划的钻探船名叫“格罗玛·挑战者号”。

格罗玛·挑战者号

随着1983年11月,“深海钻探计划”随之结束,挑战者号退役,在这15年时间里,人们共完成了96个钻探航次,总里程超过60×104公里,在624个钻位上钻探了1092个深海钻孔,采集深海岩心总长超过97公里。但是地质学家们意犹未尽,他们又整了一个加强版的“大洋钻探计划”。而这次接替挑战者号的是更先进的“乔迪斯·决心号”:

乔迪斯·决心号

“大洋钻探计划”从1983年持续到2003年。这个计划共实施了111个航次的调查,行程355781海里,足迹遍布全球各大洋。这还没完,2003年后,“大洋钻探计划”又被“综合大洋钻探计划(Integrated Ocean Drilling Program,IODP)”接替,一直持续到2013年。值得一提的是,2004年,我国加入了“综合大洋钻探计划”,每年的会员费100万美元。

该计划结束后,另一个10年期计划启动,这就是从2013年持续到2023年的“国际海洋发现计划”,简称IODP,同样,中国也是其成员之一,只不过会费涨了,每年300万美元,看来美元贬值也挺快哈。

写在最后

直到今天,似乎近在咫尺的莫霍面仍然没有被钻穿,但相信这只是个时间问题。若到了那一天,相信很多地质学上悬而未决的问题将得到解答,而人们的目光,可能又要移向更深的地方了……

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