入地钻洞(人类上天都350000公里了)

5月27日,2020珠峰高程测量登山队成功登顶世界第一高峰珠穆朗玛峰,并创下了中国人在珠峰峰顶停留时长的最新纪录——150分钟。

上天、入地、下海、登极,一直都是充满好奇心的人类前赴后继的事业。

关于下海(大洋深潜)和登极(地球三极),人类可以说是轻车熟路;即便是上天:发射卫星、载人航天、登陆月球、探测火星……也是成就不断,上世纪70年代发射的“旅行者一号”都已进入了星际空间。

然而,谈到入地,就实在是太难了!

半个世纪前,人类就登上了35万公里之外的月球;至今,却连5公里深的地下都到达不了。

大洋上的神秘船只

2020年4月,国际综合大洋钻探计划(IODP)发布了新的《2050年科学框架:科学大洋钻探探索地球》计划。

战略目标2:构造板块的海洋生命周期:探索大洋岩石圈的成因、年龄、运动和破坏性研究。将研究构造、岩浆和热液过程之间的复杂相互作用如何驱动地壳增生类型的变化;将探索海洋地壳、地幔和海洋之间的水热和微生物相互作用的完整历史,以及它们对地球化学循环、资源和生命的影响;将研究地幔柱的起源和活动性、地球最深和最密集地幔区中的大的低切变速度区、大的火成岩区和板内火山活动;将提供岩石和流体样本,以及动态观测。

——说人话,就是人类想打穿地球“板块”,看看地球内部啥构造、啥动静。

与此同时,在南太平洋上,一艘名叫“乔迪斯·决心号”的船只正载着中美英等国的地学科学家在大洋深处进行深海钻探。

作为该项目唯二的钻探船之一,“决心号”是一艘能在海洋里“打洞”的船,它能钻探到8238米深的海底,和它的大兄弟“地球号”一样(下文会谈到),它们被人类寄托了“打穿地球”的厚望……

对赖以生存的地球,人类知之甚少。我们知道它有个地核的时间,还没福特公司生产汽车的历史长。——比尔·布莱森:《万物简史》

蓝翔第一课:“入地”难在何处

地球内部究竟什么样?科学家也没见过,只能靠猜想推测:可能像个苹果,有果皮(地壳)、果核(地核)、还有果肉(地幔)。

幼稚的人类,几千年来大打小闹个不停,也不过是在地表瞎折腾。

虽然发明了炸药、核弹,甚至还有蓝翔技校的挖掘机加持,所有的动静也不过是在啃苹果皮(在地壳上折腾)……从来没有吃到过正经的果肉(地幔)。

为什么呢?

因为地球这个大苹果半径有6370公里,虽然皮薄,但地壳平均厚度也有17公里:陆地上更厚些,平均33公里,青藏高原的地壳厚度更是超过70公里;而海洋下面会薄些,平均只有6公里。

但人类目前能够到达的最大深度呢——南非深达4350米的姆波尼格金矿,尚不足5公里。

所以,我们要“吃到果肉”,就必须打破莫霍面——地壳和地幔的交界

1909年,克罗地亚地震学家莫霍洛维奇发现,地震波在地面30公里以下行进的速度比在上层快很多,这个界面被猜测为“固态的地壳与充满岩浆的地幔之间的分界线”。借助该发现,莫霍冠名了这个奇妙的界面——莫霍面。

看到了吗,最外面的果皮有大约20~30公里厚……感觉更像个鸡蛋

吃瓜捷径:“美队”海上打洞

果皮这么厚(或许是个柚子),我们就选薄的地方啃吧——在海里钻洞。毕竟相较于陆地上30多公里厚的地壳,海底6公里的地壳厚道貌似薄了不少。

因为始于美苏争霸的冷战时期,最初是美国单干,后来逐渐变成了全球性的合作项目。

主要分为以下几个阶段:

1、1952~1966:莫霍计划(Project Mohole)

自1952年美国科学界提出“穿透地壳至莫霍面的打洞计划”后,美国就在墨西哥湾海域先后钻了5口深海钻井,最大井深183米。这是人类首次成功在海底打洞,但远未达到莫霍面。因成本不断增加,美国一家玩不起,计划宣告失败。

2、1966~1985:深海钻探计划(Deep Sea Drilling Program,DSDP)

莫霍计划失败后,科学家们调整了难度系数,先打大量不太深的钻井,以获取海底地壳上层的资料。从1968到1983年,“挑战者号”深海钻探船在北冰洋之外的全球各大洋钻井打洞千余个,采集岩心总长超97公里。

该项目验证了海底扩张学说和板块构造学说,还重建了大西洋的海底扩张史。

1975年,苏联、联邦德国、英、日等也都加入,深海钻探计划进入了国际合作的阶段。

3、1985~2003:大洋钻探计划(Ocean Drilling Program,ODP)

这是深海钻探计划的延伸,随着美国“决心号”钻探船的服役而展开,项目共实施了111个航次的调查,取得令人瞩目(纷繁复杂)的成果。

只需要知道,中国于1998年也下水了。中国加入以后,还带领大家在南海实施了大洋钻探。

“决心号”大洋钻探考察船

4、2004至今:综合大洋探测计划(Integrated Ocean Drilling Program,IODP)

即当前的项目,是大洋钻探计划的变身。中美日和欧盟都参与了,各国资料共享,也共同分担科考经费(日本系最大出资国)。

该项目基本都选取有断层运动,和海床有所抬升的海域,前者意味着坚硬岩石少,后者意味着离海面近,反正就是哪里好打打哪里。

不过“海底打洞”这活儿着实不好干,后面还要换上比“决心号”更硬核的家伙——日本的“地球号”

在电影《日本沉没》中,地球号以原名出场,作为钻孔地壳放核弹的秘密武器。

由三菱重工专门打造的“地球号”排水量将近6万吨(现在的决心号不到2万吨),单是船上钻井架就高出海平面121米。这是现今是世界上最大的深海钻探船,其钻头可以配合海沟裂缝钻深7公里进入地幔。

硬核操作!“毛熊”陆上打洞

因为始于冷战,这玩意儿和太空竞赛一样。当时谁能够拿到深层岩石样本,不亚于从月球带回一样东西。

在“美队”莫霍钻探失败后的第四个年头(1970年),毛熊(苏联)决定在陆地上碰碰运气,他们在临近芬兰的科拉半岛开始打洞,计划是打到15公里的深度。

凭借战斗民族的意志,他们打了19年,终于打到了12262米。很牛叉!这曾是地球上最深的钻孔。但是,它的深度依然是连地壳的1/3都没达到。

该记录在2008年和2011年被在卡塔尔的阿肖辛油井(12,289米)和俄罗斯在库页岛的Odoptu OP-11油井(12,345米)两次打破,截止到2016年,排名世界第五。

据官网记载,打井打到9500米时,钻头钻进了一个含有黄金和钻石的地层。岩芯分析表明,金含量居然高达80克/吨。

对这个数字没概念?要知道,4克/吨的金矿层就有商业开采价值;

为什么不开采呢?想象一下这个深度和难度……然并卵啊!

1994年,科拉钻探终止。官方说是太烧钱了,可不,打到最后苏联都打没了。

不过人类还是要打洞,不见地幔不死心。

和海上一样,一家玩不起大家一起玩。上世纪90年代,德国牵头国际地学界制定了国际大陆科学钻探计划(ICDP),1996年2月项目正式启动。

作为该项目的发起国之一,中国也先后在江苏东海、青海湖、汶川等地进行了系列的深井钻探。2018年5月,位于黑龙江省安达市的亚洲最深大陆钻井——松科二井(钻深7018米)成为全球第一口陆上钻穿白垩纪底层的科学钻井。

夜幕下的松科二井“地壳一号”万米钻机整机系统。新华社记者 许畅摄

虽然距离地幔的道路依旧遥远,但人类至今依然在努力……

为人类的好奇心点赞,期待吃到果肉(见到地幔)的那一天!

参考资料:

比尔·布莱森:《万物简史》

胡远彪 :苏联科拉超深钻孔 http://bm.cugb.edu.cn/dgt/xsjl/490837.shtml

马克·皮辛:人类在地球上钻过的最深的洞有多深?https://www.bbc.com/ukchina/simp/vert-fut-48625167

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