http://www.sciencehuman.com 科学人 网站 2016-01-08
在最薄的地方钻透地壳
“决心”号上的科研人员在查看岩石样本。它们是从西南印度洋中脊一处叫作“亚特兰蒂斯浅滩”的海洋地下深处钻探上来的。 供图/国际大洋发现计划
“决心”号上的月池（船体中间直通海水的口子）。
工作人员查看钻坏的钻头。图/新华社
新京报记者专访“决心”号上的中外专家，揭开钻探地壳之谜
我们都曾幻想过，地球内部究竟是一个怎样的世界？是否真如科幻作家儒勒·凡尔纳《地心游记》所描述的模样？
近日，由美、英、中等12国科学家组成的团队登上美国“决心”号钻探船，开始在印度洋进行打穿地球壳幔边界的第一次大洋钻探。地球内部的面貌，有望在未来一步步揭开。
计划将面临哪些挑战？有什么重要意义？一些有关钻探会引发地震和火山爆发的担忧是否杞人忧天？对此，新京报记者专访“决心”号上的中外专家，一一解开这些谜团。
12国科学家组成“超强”阵容
“去年12月18日到达钻探地点后，我们开始在海底架设设备并开始钻探。目前已经到达海底407米深的下方。如果没出现技术问题，以平均每天45米的钻探速度，我们可能在1月27日收工前超出预期制定的钻探1300米的目标。”项目联合负责人克里斯·麦克劳德对新京报记者表示。
此次是“国际大洋发现计划”的第360航次，也是“SloMo”计划的第一个航次。该计划致力于在西南印度洋中脊一处名为“亚特兰蒂斯浅滩”的地方首次打穿地壳与地幔的边界，以验证某种地质学上的假说。
“大洋钻探航次获批需要一个漫长的过程，因为程序复杂，要经过多次十分严格的国际科学评审。开展大洋钻探的‘国际大洋发现计划’可能是世界上地球科学领域最大的国际科学合作计划，由美国、日本、欧洲等国牵头，预算为1.5亿美元。中国近年来出资比例上调，每年为300万美元。”同济大学海洋地质国家重点实验室周怀阳教授对新京报记者表示。
周怀阳曾担任中国科考船“大洋一号”的首席科学家，是“中国大洋发现计划”专家咨询委员会推荐参与本航次的两名中国科学家之一。不过在航次前，因国内工作临时需要，周怀阳转为本航次的岸上科学家，参与航次后科学研究。他的博士生马强成为登上“决心”号的两名中国专家之一，另一人是中科院研究员刘传周。
科考团队由包括岩石专家和构造地质学家、地质化学家、地质物理学家等来自12个国家的30名科学家组成，团队联合负责人是美国伍兹霍尔海洋研究所亨利·迪克博士和麦克劳德。除了科考团队，“决心”号上还有88名其他人员，包括船员、钻探操作员、操作最先进船上科学实验室的支持团队以及一些教育和外联官员。
了解地球内部的构造及组成
周怀阳说，作为“国际大洋发现计划”的成员国，中国在每个航次可以派出两名科学家。一般是国内科学家先向“中国大洋发现计划”专家咨询委员会递交申请，再由委员会推荐给“国际大洋发现计划”委员会。因科考船需要不同专业和方向科学家的合作，因此推荐标准除了看科学家的资质，还得考虑科考需要哪个专业领域的科学家。
麦克劳德对中国专家予以高度肯定，对周怀阳未能顺利登船表示遗憾。“他们（马强和刘传周）是‘中国大洋发现计划’下一代科学家的优秀代表，我们也希望周教授本人可以领导下一个在西南印度洋的钻探航次。”
在多国科学家鼎力合作下，目前项目进展顺利。这次钻探与石油钻探原理大致相似，不同的是要取得岩芯样品，而且是在硬岩中打入到1300米的深处。
麦克劳德介绍说，“本航次最重要的工程就是钻一个孔，达到地震边界莫霍面，并进入地幔下面。在目前的钻探地点，这个边界位于海底5公里以下，需要至少三个航次才能钻探到这个深度。估计此次能钻到1300米的深度，留下一个能反复进入并且能在今后航次中不断加深的孔，我们将会沿着这个孔不断钻探下去。”
麦克劳德口中的“莫霍面”是以克罗地亚地震学家莫霍洛维奇命名的地壳与地幔的分界面，在地质科学界一直是神秘的存在。科学家只能够通过一些间接手段、模拟实验和复杂的计算，推测其物质组成。麦克劳德认为，通过钻探获取的岩芯将会为我们了解地球构造循环的核心部分提供新的见解。
“其实除了矿藏、地震、火山和其他一些地质现象，连地球表面大气层都会受到地球内部物质及其构造的影响。这次最主要探索的莫霍面，以往仅根据地震波探测得知这个面层，但它的物质成分与构造还不清楚。我们希望能够拿到莫霍面的岩石样品，以印证此前的一些相关推测是否正确。”周怀阳表示。
面临地底高温等多项挑战
钻探地点位于“亚特兰蒂斯浅滩”，这里洋流很大，海底沉积物大部分被冲走，相比大陆地壳的平均厚度40公里来说，这里地壳厚度仅约5公里。另外，科学家曾在该地成功打过两个深钻孔。新孔将与以前的两个孔组成断面，以便开展横向的火成岩、变质岩与构造的层序对比研究，并且还可以调查地球深部的活动。
周怀阳解释，石头的形成过程就是地球的形成历史。通过分析钻探拿到岩石样品的内部以及上下的相互关系，研究岩石样品中的矿物和元素的来源，弄清它们是如何形成以及迁移转化的。
鉴于此，获得岩石样本是该计划中的重要任务，也是一大难点。今后一个多月中，“决心”号将一直在这个孔里钻取岩芯。不过这个过程将面临诸多挑战，因为相比太空，人类研究地球内部的手段还十分有限。
最大的挑战来自于如何在坚硬岩石中钻探。周怀阳指出，钻探地点水深大约七八百米。在这种情况下，钻入岩石很困难，而且在打钻的同时还要获取岩芯，把样品拿上来，“我们希望每钻入一米就要取到一米的岩芯，即100%的取芯率。虽然目前的取芯率在50%以上，但之后可能会降低。”
周怀阳还表示，由于岩石坚硬，钻具和钻杆进程很慢，一般是1小时钻探1米。但钻探地点有很多断层和裂隙，碰到裂隙时，钻头就会沿着裂隙缝走偏，空洞也会导致钻杆倾斜。
不仅如此，钻探过程中还要考虑地温梯度的影响，即越到地底下温度越高。周怀阳解释说，地温梯度一般是每深1公里温度增加33℃，而钻探时还会摩擦生热，因此对于钻具材料考验很大。后期钻探中的高温可能会使一些钻具吃不消，再加上物理磨损，钻探一段时间后就要替换钻具，而替换程序相当麻烦，会消耗很多时间。
相当于在冰层上“扎了个孔”
目前，科学家们已经顺利获得一些样品，并开始进行研究和分析。钻探的实时进展都可以在“大洋发现计划”官网看到，在引发网友广泛兴趣的同时，也激起一些争议，有网友担忧钻探因给地球打洞而导致地震和火山活动。
“这说明我们地球科学研究的科普工作还需大大加强。”周怀阳笑着解释说，这次钻探仅相当于在厚厚的冰层表面上“用大头针扎了一个孔”。周怀阳表示，地球表面很多自然形成的断层和裂隙都比此次钻探深得多，钻探根本不可能造成破坏性影响。
“举个例子，鸡蛋像地球构造一样也是三层结构，蛋壳、蛋清和蛋黄相当于地壳、地幔和地核。此次钻探的深度，都还没钻破蛋壳。以目前的技术，还做不到进入蛋清，人类目前还没有这种能力。”周怀阳补充说。
虽然随着钻探深度不断加大，挑战也越来越大。对于项目前景，麦克劳德表示，团队成员经验丰富，知道事情可能会有不顺利，但他坚信会实现最终的目标。“以前从来没人在一个航次中就能在海底硬岩中钻探到如此深的深度。”麦克劳德说。
■ 动态
工作人员生病需送医“决心”号急赴毛里求斯
2015年12月30日夜，由于船上一位工作人员生病需立即送医，“决心”号大洋钻探船从西南印度洋钻探海域紧急起航，奔赴毛里求斯。
据本航次首席科学家、美国伍兹霍尔海洋研究所的亨利·迪克教授介绍，虽然那位患病的工作人员没有生命危险，但船上医生无法确诊。为确保安全，“决心”号决定连夜起航，将病人送到毛里求斯的医院治疗。抵达毛里求斯附近海域后，将安排直升机或船只把病人接走，此后“决心”号将返回目标钻探海域。如果一切顺利，这一趟往返需耗费五六天时间。据新华社
海底探险历程
●1910年
克罗地亚地震学家莫霍洛维奇发现，地壳和地幔间有个不连续的分界面，即莫霍面。
●1961年
科学家们首次利用动力定位技术打下了第一口科学钻孔，在墨西哥近海3558米水深处钻了5口深海钻井。
●1964年
美国几个研究单位发起组成“地球深层取样联合海洋机构”，提出了“深海钻探计划”。
●1968年
深海钻探计划开始实施，至1983年计划结束，“格洛玛·挑战者”号船完成钻探站位624个，实际钻井逾千口。
●1970年
前苏联在科拉半岛进行科学钻探，最深的一个钻孔达12262米。
●1985年
由于前苏联、德、法、英、日等国相继加入，深海钻探计划升级为国际性的大洋钻探计划。
●1998年
中国加入大洋钻探计划，并作为第184航次主导者，于1999年在南海顺利实施中国的首次大洋钻探。
●2003年
国际大洋钻探计划转入综合大洋钻探新阶段。钻探船由一艘增加到两艘以上，钻探范围扩大到全球海区。
采写/新京报记者 王晓枫
[新京报]
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人类为何要探索地壳和地幔
据报道，来自美国、英国、中国等12个国家30名科学家正准备在西南印度洋中脊一处名为“亚特兰蒂斯浅滩”的地方，试图进行人类历史上首次“打穿地壳与地幔边界”的尝试。
为什么要打穿地壳与地幔的边界？这个问题就像1970年赞比亚的玛丽·尤肯达（Mary Jucunda）修女写信质疑美国国家航空航天局马歇尔太空飞行中心科学副总监恩斯特·施图林格（Ernst Stuhlinger）一样，地球上还有这么多孩子吃不饱饭，为何NASA要花费数十亿美元去探索火星。
回答这个问题既有抽象或哲学层面的，也有具体和实用的。首先探索地球内部与探索太阳系一样是人类认识世界、认识自身的好奇心所驱使；其次才是研究的实用性，后者可能会让人类生活得更为舒适。
地壳、地幔和地核的平均厚度分别约17千米、2865千米和3400千米，显然，人类对自己脚下地球的认识现在只限于地表和有限的地表下地壳的10多千米深处。如果能进行更深入的了解，首先会对人类预测和预报地震具有很大的帮助。尽管以美国为首的主流科学家认为，目前地震是不可预报的，但是，如果能通过钻探获取从地壳到地幔不同层次的岩石构造和物质成分，或许能为人类理解地震并为未来预报地震提供科学参数。
另一方面，由于人口的日益增多和人类消费的提高，地球表面和浅表地壳中的种种资源在不断消耗，总有一天可能会枯竭和穷尽，因此，向地心深处探索也可能获取更多的资源。科学家们钻探地壳和地幔还可能获得更多的岩石样本，从而探索地球是如何演化和发展到今天，并且也能获知地下有无生命，了解地球上生命的起源和演化，也将能让人类预测自己的未来。
从根本上说，人类未来的命运取决于我们对自然界的理解。只有当人类不停探索，获取更多有关自然界的讯息，才会真正实现可持续发展和拥有美好的未来。
□张田勘（学者）
【新京报】