地球上打洞？鑽穿地殼？只為與地幔的一次「親密接觸」

從2015年12月中旬開始，來自美、英、中等12個國家的30名科學家，乘坐一艘名為「決心」號的大洋科學鑽探船，在一處叫作亞特蘭蒂斯淺灘的地方，開始了史上具有里程碑意義的大洋鑽探，世界多國的科學家們開始了給地球做「腹腔手術」。文/記者 李鵬 編輯/陳永傑▌與亞特蘭蒂斯消失大陸有關?大洋鑽探地點位於西南印度洋中脊西南印度洋脊的Atlantis Bank一看到亞特蘭蒂斯這個名字，不少考古迷的胃口馬上被吊了起來，這難道是要尋找古希臘大哲學家柏拉圖所描述的1萬年以前離奇突然沉於海底的亞特蘭蒂斯文明？科通君告訴大家，這兩個亞特蘭蒂斯沒有半點兒的關係，儘管柏拉圖所描述的傳說中的亞特蘭蒂斯究竟在何處並沒有定論，但一般認為其位於直布羅陀海峽外的大西洋中。而這次進行大洋鑽探的亞特蘭蒂斯淺灘位於南緯32度42分、東經57度17分的西南印度洋中脊，是一個海嶺頂端長40公里、寬30公里的穹狀隆起，兩者相距甚遠，前者在大西洋，後者在印度洋，後者只是科學家們為了引人注目取了一個具有轟動效應的名字而已。鑽探地殼，為何要選擇亞特蘭蒂斯淺灘？同濟大學海洋地質國家重點實驗室教授周懷陽表示，地球大陸地殼的平均厚度大約有40公里，大洋地殼的厚度約為5至10公里，而亞特蘭蒂斯淺灘的地殼厚度更薄，僅為3公里左右。在最薄的地方鑽探是最容易的選擇。科學家確信這裏是研究地殼與地幔轉化的理想「構造窗口」。事實上，這裏的確是科學家進行地球研究的一個好地方，這些年來，除了開展大洋鑽探，科學家還在亞特蘭蒂斯淺灘開展過多波束探測、磁異常調查、重力異常調查、水下機械人地質取樣、載人深潛器地質取樣、地質拖網等多種科學考察，並繪製出約25平方公里的高解析度等深線圖。大洋鑽探可能是人類有史以來難度最大的「腹腔手術」。從漂浮於茫茫大海的船上，伸出幾千米長的鑽桿，穿過海水找到確定的洋底位置，向下鑽進千餘米的孔，再把孔里的岩芯取到船上，這一看似簡單的大洋鑽探過程實則難度極大。即使是在淺灘地區鑽探，也需要具備一定的條件，鑽探技術與人員水準必須達到一定水平。這並不是人類第一次在亞特蘭蒂斯淺灘打孔鑽探。1987年，科學家在亞特蘭蒂斯淺灘鑽了一個編號為735B的孔，鑽孔深度為504.5米。1997年，科學家找到735B鑽孔繼續鑽探，不幸的是鑽到1508米時，惡劣的天氣與海況不幸使近千米長的鑽桿折斷在鑽井裡，再也無法取出。1998年，科學家又在附近鑽了一個編號為1105A的160米的深孔。但因為多方面的原因，後來也沒有繼續進行下去。本輪在這裏開始的鑽探計劃，是否會始終順利地開展下去呢？因為種種不可預知的因素，目前還不能做出清晰的回答。▌目標：鑽穿地殼，「觸摸」地幔國家地震局地質所研究員陳九輝表示，在亞特蘭蒂斯淺灘鑽孔，可能會真正看到莫霍面的樣子。莫霍面是個什麼玩意兒？太專業了！科通君給大家解釋一下： 根據地球科學的研究，地幔和地殼的分介面是莫霍面，其由南斯拉夫地震學家莫霍洛維奇於1909年發現，莫霍面正是根據這位地震學家進行的命名。截止目前，人類對地球的鑽探還從未抵達莫霍面，此前只是通過地震波探測得出的一些研究結論，地球內部到底「長什麼樣」，至今仍是個謎。根據本輪大洋科考的規劃，「決心」號大洋鑽探船的最終目標就是鑽穿地殼，「觸摸」地幔。為何要鑽探到地幔？也許很多人並不太明白。為了給大家解釋得更為明白一些，科通君先和大家說說地幔。地幔位於地殼下面，穿過莫霍面就是，它是地球的中間層，厚度約2865公里，主要由緻密的造岩物質構成，這是地球內部體積最大、質量最大的一層。地幔堪稱最大的「地球化學儲庫」，但迄今位置由於人類尚未能直接從地幔取樣，因此對其知之甚少。神秘而龐大的地幔充滿了許多未解之謎。在2013－2023年度的國際大洋發現計劃提出的科學挑戰中，地球深部過程及其對地表環境的影響等一系列科學問題，無不與地幔息息相關。英國卡迪夫大學麥克勞德教授介紹科學任務據悉，「決心」號計劃通過３個航次的大洋鑽探，即在亞特蘭蒂斯淺灘重新鑽一個孔，目標是分三步鑽穿地殼，直達殼幔邊界。本航次的目標是鑽取1300米的岩芯，獲得記錄地球生命歷程的材料。最終目的是想打穿地殼與地幔的邊界即莫霍面，從而得以零距離「觸摸」地幔。周懷陽是參加本航次大洋鑽探工作的中方科學家馬強博士的導師，他表示「決心」號的工作目的是為了進一步了解地球深處的結構構造及物質組成。地球的岩石是一定地質作用的產物，形成和穩定於一定的地質環境。每當地質環境改變，岩石也將隨之改變。因此深入研究岩石，就能窺探到地球發展和演化過程的一些「蛛絲馬跡」。大洋鑽探猶如打入海底的「岩石探針」，就像醫生們平時所做的「腹腔手術」一般，通過這樣的方式，就可以直接獲取珍貴的研究樣品和科學數據。▌不懈向「地心」靠攏，人類瘋了?對於本輪科學家們計劃計劃「觸摸」地幔的鑽探計劃，網絡空間中也是非議紛紛，甚至有人認為科學家們的舉動太大膽，擔心這種腹腔手術會給人類自身帶來危險，比如說引發火山爆發什麼的。這種擔心完全是多餘的，國際大洋發現計劃中國辦公室信息顯示，截至目前，科學家共在全球大洋鑽了3000多個孔，從來還沒有導致火山爆發等危險的事情發生。儘管本輪鑽探要超過以外，最終達到地幔，但由於鑽探的都是堅硬的岩石層，也不會有什麼危險。就是「觸摸」到地幔也沒有問題，研究發現，地幔又可分成上地幔和下地幔兩層，儘管上地幔頂部存在一個軟流層，但軟流層以上的地幔，也就是上地幔的頂部也是岩石圈的組成部分，在岩石圈中鑽孔不會有什麼問題，這種「腹腔手術」不會導致地球「肚子」里的岩漿噴發出來。何況，現在的鑽孔也都有現代科技的密切跟蹤和監控。因此，擔心鑽孔會導致火山爆發是多慮了。中國地質大學教授、構造地質學家顏丹平表示，由於太深，目前科學家尚無辦法直接觀察地幔的岩石類型和礦物組成。因此只能夠通過一些間接手段、模擬實驗和計算，來推測其物質組成。以前，科學家們都是通過地震波傳播速度分佈推測莫霍面的深度以及地幔的組成狀況，但是這種方法不是直接看到的，往往有一些假設和前提。通過這次鑽探，也許可以檢驗原來的推測是否正確，甚至修正一些模糊認識。在很多研究地球的科學們看來，截止目前，人類關於地球深部的了解和認識並不比人類對太空的認識要多，對人類而言，更為深入地了解地球本身，也是一個重要使命。比如傳統觀點認為莫霍面就是地殼與地幔的分介面。地震波探測結果顯示，亞特蘭蒂斯淺灘下方莫霍面位於5500米深處。但區域構造地質分析卻顯示，亞特蘭蒂斯淺灘下方的殼幔分介面位於更淺位置。近年來科學界一般把大洋型地殼（簡稱洋殼）從上到下分為三層，最上層是未固結的沉積物，在大西洋中平均厚度為1千米，在太平洋底厚度僅0.5千米，中間層為固結的沉積物，厚約1.7千米，最下面的是厚度不到5公里的下洋殼，可能是玄武岩或輝長岩層。水下機械人考察結果發現，亞特蘭蒂斯淺灘下洋殼的輝長岩厚度可能只有1500米至2895米，再往下就是蛇紋石化的橄欖岩，目前觀點認為橄欖岩主要存在於地幔中。上述結果對莫霍面的傳統概念提出挑戰，即通過地震波探測得出的莫霍面可能並不代表地殼與地幔分介面，科學家們認為，至少在亞特蘭蒂斯淺灘這一特殊構造區域，莫霍面並不能代表殼幔邊界，而是代表了地幔橄欖岩的蝕變介面。本輪大洋科考的中外科學家們分為3個航次的大洋鑽探計劃，正是為了驗證這一新觀點。▌地幔深處還藏着哪些秘密?主要成分是矽酸鹽、金屬的氧化物和硫化物，所以下地幔又稱金屬帶150年前，法國科幻小說先驅儒勒·凡爾納在《地心遊記》中描述了地球內部的巨大海洋。一直以來，人們僅僅把這個描述當作是一種科幻，但今天，科學家們發現凡爾納的描述其實是「科」而不是「幻」，是地球「肚裏」埋藏的一個驚天秘密。不僅如此，地球「肚裏」還有一個驚天秘密!本世紀初，日本東京技術學院的科學家猜測，地球不僅僅是地殼的表層有水，很可能在地殼下面的地幔里，也有水。為了證實這個猜測，科學家做了個模擬的「下地幔」。下地幔是距地表650～2900千米的部分，主要成分是矽酸鹽、金屬的氧化物和硫化物，所以下地幔又稱金屬帶。這個模擬的下地幔是按照真實下地幔中的元素和各自在地幔中所佔的比例，由含鎂、鐵、鈣、矽、氧等元素的混合礦物做成的。因下地幔中的化合物吸收了大量的水，所以礦物的發射光譜能夠透露出其中的含水信息。根據檢測到的數據進行模擬後發現，模擬下地幔中的物質里水含量佔了0.2%。基於這個實驗數據，科學家推測，地球內部的水是地表水的5倍多。這個模擬實驗的結果也得到了實際觀測的佐證。前不久，美國華盛頓州立大學的一個地震學小組分析了將近60萬份的震波圖——地震穿過地球時產生的震波記錄。他們注意到，在亞洲大陸下面地震波表現出了減弱的現象，而且速度也略有減慢。因為水可以減慢地震波的速度，所以大量的減弱和減慢的跡象可以預測那裡存在着水。並且根據這個發現，科學家推測在東亞所處位置的下地幔中，存在着一個非常巨大的水庫，其中的含水量相當於一個北冰洋的水量。更為神奇的是，地幔盡然可以「吃石頭，吐鑽石」。早些時候，科學家就發現，地球內部的地幔淺層部分，就會「吃石頭，吐鑽石」，因為目前地球大部分鑽石均來自地表下不到19千米的地方。那裡的鑽石有着與地表岩石相同的組成成分，之所以這樣，是因為地殼變動，把地表的岩石帶到了較淺層的地幔，在那裡，地幔內部的特殊環境把部分岩石「變成」了鑽石，後來部分鑽石又被一種叫做金伯利岩的岩石帶到了地表。金伯利岩是由火山爆發所產生的，這種岩石一直是人們尋找鑽石的「指標岩」，尋找鑽石礦就是由尋找金伯利岩開始的。但是地幔深處儲水量巨大和地幔「吃石頭，吐鑽石」的神奇事兒只是根據目前對地球觀測的研究的推測或者模擬分析，其可靠性如何還有待未來的深入研究。另外一個急需探知的秘密是，碳這個非常普通的元素在地球深處會具有何種性質。最新的研究發現，碳氫化合物這種能源物質在地球深處可能以無機化學的形式和形成過程產生，而不僅僅是由植物和動物的化石遺骸產生。如果能夠解開這個驚天秘密，那麼，未來人們就會找到一條新的製造能源的途徑。這些年來，不少科學家們一直在猜測，地球深處是否存在其他不為所知的生命形式。目前科學家已經發現了在地球表面下1600米左右的地方，還存在着微生物，儘管那裡的溫度非常高;另外科學家還發現，一些細菌竟然可以生存在高達2萬個大氣壓的環境里，而過去的研究表明，細菌或者其他形式的生命無法生存在超過幾千個大氣壓的環境里。科學家因此懷疑，在更深的地球深處，還藏着存在包括另類生命形式等在內的諸多秘密。周懷陽表示，對生命極限的認識驅動着人類的求知慾，此次大洋鑽探工作的另一個目的是要了解地幔下是否存在微生物。▌給地球做「腹腔手術」為何很重要？鑽探對地殼結構與物質組成的認識將來或有助於地震發震機制的研究在地球科學家們看來，不斷發掘地球內部的秘密，對人類更好地適應和利用環境，對新資源開發和生命探索都具有非常重大的意義。例如揭開地球內部藏水的秘密，對於地球水資源的保護和管理就意義重大；揭開地球「吃石頭，吐鑽石」的秘密，對人類大量生產「超級鑽石」有直接的幫助；揭開碳元素在地球深處的特性秘密，對人類生產新能源會發揮重大作用；而揭開地球深處隱藏的生命的秘密，不但可以進一步揭開生命演化的秘密，也有助於人類探索在極端條件下的外星環境中，生命是否存在，以及生命會以何種形式出現等問題。顏丹平表示，現在在亞特蘭蒂斯淺灘進行的鑽探對地殼結構與物質組成的認識將來或有助於地震發震機制的研究。不過陳九輝指出，從地質上講，形成較年輕的亞特蘭蒂斯淺灘是一個特殊的地區，要想把這裏的研究擴展到對全球地質構造的認識還很難，因為全球的地質狀況比這個地區要複雜很多，一些地區可能經過長期的地質變化，比一些新生區域也要複雜得多。Tips：人類探尋地球深處歷程1910年克羅地亞地震學家莫霍洛維奇發現，地殼和地幔間有個不連續的分介面，即莫霍面。1961年科學家們首次利用動力定位技術打下了第一口科學鑽孔，在墨西哥近海3558米水深處鑽了5口深海鑽井。1964年美國幾個研究單位發起組成「地球深層取樣聯合海洋機構」，提出了「深海鑽探計劃」。1968年深海鑽探計劃開始實施，至1983年計劃結束，「格洛瑪·挑戰者」號船完成鑽探站位624個，實際鑽井逾千口。1970年蘇聯在科拉半島進行科學鑽探，最深的一個鑽孔達12262米。1985年由於蘇聯、德、法、英、日等國相繼加入，深海鑽探計劃升級為國際性的大洋鑽探計劃。1985年在這裏輸入你的內容，注意不要用退格鍵把所有文字刪除，請保留一個或者用滑鼠選取後直接輸入，防止格式錯亂。1998年中國加入大洋鑽探計劃，並作為第184航次主導者，於1999年在南海順利實施中國海的首次大洋鑽探。2003年國際大洋鑽探計劃轉入綜合大洋鑽探新階段。鑽探船由一艘增加到兩艘以上，鑽探範圍擴大到全球海區。（本文由北京科技報《科技生活》周刊采編製作。新媒體編輯/陳永傑、郭圓宇。轉載需授權，合作聯繫微信：科通社）


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