2017年11月07日 14:41:39 科普中国网

我们还未出生,人类就已踏上月球。而踏上月球的那些人陆续离开人世后,人类却还没有触摸到地球的莫霍面。

不仅要问,在我们有生之年,能看到钻穿莫霍面,抓一把地幔物质的那一天吗?

答案是:能。

还有多久?快了。

钻到莫霍面有多难?

史料记载,中国汉朝时就开始钻井了,晃眼两千多年过去了,人类钻的最深井也就12公里多一点点。而地球平均半径6371公里,这就是说,自打人类学会往下打洞以来,我们只向地心前进了0.19%。

为什么这么难?

以前苏联钻探的科拉超深钻孔为例,当他们成功进入深度10公里的岩层后,钻头和钻杆的自重就已超过200吨,而中国新一代主战坦克99式改型50吨左右,也就是说,钻到10公里深时,就相当于是操纵4辆坦克的重量去钻井。

另外一个难点是,1米长的钢管要有多坚硬就能多坚硬,但十几公里长的钢管,它其实软得就像一根绳子,你就是把其弯曲成一个“8”字,那也是一点问题没有。

虽然这么难,但我们还是要去做,因为这是人类之所以称为人类的原因之一:向未知进发!

一个玩笑引发的宏大计划

也许是二战刚结束,美国人民意识到科技才是决定战争胜负的重要原因之一。

所以,上世纪50年代,美国大把大把的资金不断涌进科研部门,物理学家们笑开了花,他们得以用亿万美金建立起先进的加速器,可谓是美滋滋。

而地质学家们面对金山却只能叹气,原因是他们提不出像样的、够气魄的科研项目。

根据国际著名地质学家许靖华教授的回忆,美国地质学家赫斯在1957年伙同他人提出一批项目,但都因为不够气魄惨遭淘汰。作为一个地质学家,赫斯很苦恼,难道我们地质学家就提不出一个有价值的项目吗?!

正在上课的赫斯教授

恰逢那时,科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。有的说是榴辉岩,有的说是橄榄岩,还有的说是某某岩,大家争论不休,谁也不服谁。

还是在1957年,赫斯和海洋研究所的芒克拉家常,两人都对地学界提不出像样的项目深感失望。忽然,芒克半开玩笑地说,何不如打一个深孔直达地幔,看看莫霍面以下到底是什么岩石。

这是一个异想天开的想法,但赫斯却眼睛一亮:没有比这更高大上的项目了。

于是,赫斯向“美国多学科研究会”作报告,阐述打到地幔的想法。众人一听,一拍即合,并将这个计划命名为“莫霍孔”计划,开始向美国自然科学基金正式奉上建议书,准备申请资金。

“莫霍孔”计划雄伟壮阔,很多人都知道它的难度所在。也许,美国政府压根不会批准这个计划并为其拨款,但在一次国际学术会议上,苏联代表暗示,他们也有类似的“莫霍孔”计划,这是真的。

这下可刺激到美国政府的神经,他们决定在地下与苏联老对手一见高下,于是火速批准了该计划。

大把的钱有了,剩下的只是怎么钻的问题。

地壳下面才是莫霍面,莫霍面以下才是地幔。而大陆地壳平均厚度就有33公里,从陆地钻井的难度可想而知,几乎不可能,除非从外星人那里偷来某种技术。幸运的是,海洋地壳的平均厚度只有10公里,在一些特殊地方,海底的地壳才有5公里厚,有的地方,比如西南印度洋脊甚至只有3公里厚。

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。取得这个成功并返回时,美国总统肯尼迪致电祝贺,并称这是科学史上“历史上的里程碑”。

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。

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,何必花费亿万美元去干这事?

而对于把钻头伸进4000多米深的海水,然后再往下钻5000多米这个宏大的计划,比尔·布莱森在他所著的书中,引用了一位海洋学家的话,“这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”。

最终,由于政治等各种原因,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。为什么是政治原因而不是花钱多的原因?因为跟阿波罗计划比起来,莫霍孔计划花的钱不到登月计划的一个零头。

前赴后继

“莫霍孔”计划被中止后,科学家们对大洋地壳下的世界依然着迷,他们还有着大把的问题未得到解决,还有很多学说需要去验证。于是又有了后来的“深海钻探计划”。

这是一个从1966年持续到1983年的海洋钻探计划,他们的目的不再是可望不可即的钻穿莫霍面,而是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。

格罗玛·挑战者号

挑战者号上用过的钻头,图片来自Vassil

负责完成这次计划的钻探船名叫“格罗玛·挑战者号”,1983年11月,挑战者号退役,接替它的是更先进的“乔迪斯·决心号”,而“深海钻探计划”也随之改称为“大洋钻探计划”。

乔迪斯·决心号

“大洋钻探计划”从1983年持续到2003年。

2003年后,“大洋钻探计划”被“综合大洋钻探计划”接替,一直持续到2013年。2004年,中国加入了“综合大洋钻探计划”,每年的会员费100万美元。

钻探计划之第342航次中的岩石取样。

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,每年的会员费300万美元。

IODP每年都会在大洋上打很多井,而每个井的研究目标大都不一样。在第360航次中,也就是IODP之“SloMo”计划中,他们的目标是致力于在人类历史上首次钻穿壳幔边界,而SloMo在2015年11月30日至2016年1月30日的初期目标是先在西南印度洋脊打一个1300米深的井,为将来彻底打穿3000米厚的海底地壳,钻穿莫霍面做准备。

钻穿莫霍面目前还没有实现,但随着技术的进步,以及多国的联合,相信总有一天,人类终将直接摸到地幔物质。而未来如果这一天真的来了,那么它绝非我们想象的那样只有象征意义,可以预见,一些悬而未决的关于地球的问题将得到解答。

出品:科普中国

制作:寒木钓萌

监制:中国科学院计算机网络信息中心

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