世界今日報(bào)丨探測地球深部，了解地下中國

“上天、入地、下?！笔侨祟愄剿髯匀坏娜髩雅e。其中，“入地”的難度絕不亞于“上天”。地球深部探測已經(jīng)成為地球科學(xué)發(fā)展的最后前沿之一。

20世紀(jì)以前，在地質(zhì)教科書中有一種冷縮說。說的是，我們生活的地球就像一個(gè)干癟的蘋果，內(nèi)部水分的蒸發(fā)使表面產(chǎn)生了皺紋，地球通過冷卻而收縮，在它的表面形成了褶皺山脈。就像日心說一樣，這種理論形象、直觀、“易于理解”，因而具有廣泛的影響力。

(資料圖片)

但在20世紀(jì)初，隨著各種地學(xué)資料的積累和研究成果的進(jìn)展，冷縮說、大洋永存說等海陸固體學(xué)說開始變得不那么可信。當(dāng)時(shí)的地球物理學(xué)者普拉特、杜頓等人根據(jù)重力測定的結(jié)果，推斷出海陸物質(zhì)成分不同：從最厚造山帶地區(qū)到最薄的一些大洋地區(qū)，地殼的厚度相差可達(dá)70多公里，他們相信一定存在一個(gè)界面，使得巖石對地幔的壓力處處相等，并基于此創(chuàng)立了地殼均衡說。

圖片來源：圖蟲創(chuàng)意

像其他科學(xué)一樣，地質(zhì)學(xué)也是在不斷出現(xiàn)的新證據(jù)面前一步步向前推進(jìn)，以致更接近原本的真實(shí)。在普拉特等人工作的基礎(chǔ)上，德國氣象學(xué)家魏格納于1912年提出了大陸漂移說：他注意到，把現(xiàn)在南美大陸的東側(cè)海岸線和非洲大陸的西側(cè)海岸線拼合起來，兩者能夠很好地吻合。如果假定原來有一塊巨大的“超大陸”，后來，這塊“超大陸”像紙一樣被撕開，各自散落在大洋的中間，東西大陸海岸線的吻合恰好可以圓滿地解釋它們曾經(jīng)是在一起的。魏格納旁征博引，從地質(zhì)學(xué)、古生物學(xué)和古氣候?qū)W等許多不同領(lǐng)域找到了大量證據(jù)。在《海陸的起源》中，他例舉了廣泛生活在日本到西班牙的一種蚯蚓，在大西洋以西卻僅存于美國東部，蚯蚓不可能翻越重洋，這意味著這兩個(gè)地區(qū)很可能曾經(jīng)連在一起，屬于同一塊陸地。

盡管如此，作為氣象學(xué)家，魏格納的觀點(diǎn)還是招來了地質(zhì)學(xué)家的一片反對聲。此外，大陸漂移說在解釋大陸漂移的機(jī)制方面也確實(shí)存在缺陷：人們很難想象構(gòu)成大陸地殼的剛性的花崗巖如何在構(gòu)成海洋地殼的剛性的玄武巖上漂移。

鉆探使漂移理論完勝

直到20世紀(jì)60年代，“板塊構(gòu)造學(xué)”的地質(zhì)學(xué)理論迅速發(fā)展起來，才使得大陸漂移說得以復(fù)活。這種新的學(xué)說，將原有的漂移部分?jǐn)U大到包括地殼和上地幔在內(nèi)的厚度為100公里左右的一層基巖。巖石圈因密度較低，浮在地幔軟流圈之上，是可以漂移的；由于溫度不均，軟流圈存在密度差異。要填補(bǔ)這種差異，軟流圈就緩慢地流動起來了。地球表面分布的十幾塊大小不同的板塊，都在地幔軟流層的推動下緩慢移動，而大陸就像是浮出水面的“冰山”，隨板塊一起漂移。幾乎與此同時(shí)，一種叫做“海洋底擴(kuò)張說”的理論開始盛行，這種學(xué)說認(rèn)為各大洋的洋中脊正在形成新的海底，不斷地向兩側(cè)擴(kuò)張。這兩者很好地發(fā)展了“大陸漂移學(xué)說”。

20世紀(jì)中葉以后，越來越多的證據(jù)使得“漂移理論”煥發(fā)生機(jī)。但其真實(shí)性究竟如何還要靠“眼見為實(shí)”來定奪。于是，科學(xué)家開始尋找更為直觀的證據(jù)。1966年6月，美國開始實(shí)施一項(xiàng)以揭示大洋底上部地殼奧秘為目標(biāo)的長期鉆探計(jì)劃——“深海鉆探計(jì)劃”（DSDP），此項(xiàng)計(jì)劃，采用“格洛瑪·挑戰(zhàn)者號”科學(xué)鉆探船在世界各大洋打出1092口深度較淺的鉆孔，最終，該計(jì)劃在世界各大洋完成鉆孔，取得總計(jì)長度超過9500米的巖心。

1968年，DSDP在橫越大西洋中脊總長64000公里的范圍內(nèi)，布置了39個(gè)鉆孔鉆取巖心。鉆探取樣經(jīng)測試表明，大洋地殼的年齡，與距洋中脊的距離呈反比。隨著遠(yuǎn)離洋中脊的軸部，洋底地殼的年齡有規(guī)律地增加。根據(jù)鉆孔距洋中脊軸的垂直距離和這一點(diǎn)海底的年齡，可求出這一點(diǎn)的擴(kuò)張速度：自8000萬年以來，鉆孔海底曾以每年兩厘米的速度均勻地?cái)U(kuò)張著。

深海鉆探在世界各大洋中獲得的最古老沉積物的年齡不超過1.7億年。與已知的大陸最古老巖石的年齡38億年相比，洋底地殼相當(dāng)年輕，表明洋底確實(shí)在不斷地生長更新。通過對取出的巖心進(jìn)行分析，科學(xué)家還發(fā)現(xiàn)洋底的沉積厚度也隨中脊軸呈現(xiàn)有規(guī)律的分布：在年輕的中脊頂部，沉積層的厚度較簿；而兩側(cè)，隨著洋底年齡變老，沉積層逐漸加厚。

除此之外，DSDP驗(yàn)證了大洋和大陸板塊間的相對水平運(yùn)動。DSDP在印度洋取樣測定表明，印度洋板塊在晚白堊世、始新世末（3650～6500萬年前）曾以每年10厘米的速度向北漂移，印度板塊與歐亞板塊相撞后，印度洋板塊北移速度減至每年5厘米。在近6500萬年中向北移動了4500公里。板塊碰撞時(shí)，印度洋板塊插入歐亞板塊之下并向北強(qiáng)烈推擠，強(qiáng)大的力量使歐亞板塊前緣隆起成山，2500萬年前喜馬拉雅山開始形成。通過深海鉆探不僅驗(yàn)證了海底擴(kuò)張說和板塊構(gòu)造說，而且大手筆地描摹出物質(zhì)在全球規(guī)模上的動態(tài)平衡。這一結(jié)論足以告慰1930年在科學(xué)考察中遇難于格陵蘭島的"大陸漂移學(xué)說之父"——魏格納。

鉆探有什么科學(xué)意義

世界上第一個(gè)科學(xué)鉆探計(jì)劃是美國的“莫霍鉆探計(jì)劃”，始于20世紀(jì)50年代，目的是要鉆透莫霍面（地殼和地幔的界面），實(shí)現(xiàn)地學(xué)研究的重大突破。但開工不久，該計(jì)劃就因?yàn)榧夹g(shù)和資金等方面的問題，只在海底鉆進(jìn)了315米后便草草收場。此后的1966年6月，美國又開始實(shí)施著名的DSDP，此項(xiàng)計(jì)劃一雪前恥，為地球科學(xué)帶來一波又一波的重大突破。

相比海洋鉆探，大陸科學(xué)鉆探要略晚一點(diǎn)。20世紀(jì)70年代，前蘇聯(lián)等國家相繼開始進(jìn)行大陸科學(xué)鉆探，其中位于科拉半島的科拉超深鉆孔深達(dá)12262米。迄今為止，這仍是世界上最深的鉆孔，并已成為世界第一個(gè)深部實(shí)驗(yàn)室（觀測站）。

來自“科拉超級鉆”的資料，使以往被廣泛認(rèn)知的學(xué)說受到懷疑，比如地殼均衡說，科拉半島的地震資料表明，該區(qū)的康拉德面應(yīng)該位于地表以下7公里處，玄武巖層應(yīng)在該處鉆遇。但實(shí)際結(jié)果卻出人意料，鉆孔一直在單一的變質(zhì)花崗巖片麻巖層、角閃巖層中通過，康拉德面始終不見蹤影。除了一系列地質(zhì)學(xué)的勘探結(jié)果，科拉超級鉆還帶來了許多可觀的資源，比如，當(dāng)鉆探深度超過9500米后，獲得的地層巖心金含量高達(dá)每噸80克，而當(dāng)時(shí)在地球表層很少能找到超過每噸10克的礦層。

科學(xué)鉆探一方面可以了解地質(zhì)結(jié)構(gòu)，另一方面可以在更大的范圍內(nèi)尋找資源，這是獲得地球內(nèi)部信息最直接有效的途徑。在我國，大陸科學(xué)鉆探始于20世紀(jì)90年代。1996年，我國加入了國際大陸科學(xué)鉆探委員會（ICDP），并先后在松遼盆地、江蘇東海、云南麗江、青海湖開展了不同目的的科學(xué)鉆探。

入地很難

深部科學(xué)鉆探以查明地下地質(zhì)情況為目的，它不同于油氣鉆探，找到油氣層即達(dá)到目的，其鉆探的孔位一般都選在地殼盡可能裸露的結(jié)晶巖地區(qū)，并且要求采取完整的巖心。

要想把幾千米深的巖石完完整整地取上來，相當(dāng)不容易的。由于結(jié)晶巖石比較堅(jiān)硬，鉆頭在深入地下后，平均每深入100米，溫度就會上升約1℃，要在高溫（150～400℃）、高壓（100～150MPa）狀態(tài)下進(jìn)行工作，鉆頭的材質(zhì)通常為金剛石，而且，到達(dá)孔底部的鉆頭和探測設(shè)備都要耐高溫、耐高壓。在地表，我們看起來堅(jiān)硬的鉆具，到了幾千米的地下就像面條一樣。為了控制這根兒“面條”，工作人員每次打鉆都必須測量井深和井斜。每打三四米之后，就需要把鉆桿提上來取出巖心，再次下鉆之前，還需測量鉆孔有沒有打偏，如果偏了就得想辦法矯正。2018年，我國自主研發(fā)的萬米鉆機(jī)“地殼一號”深入7018米，是我國重大裝備技術(shù)的自主研制的新突破?！暗貧ひ惶枴弊屛覈蔀槭澜缟系谌齻€(gè)擁有實(shí)施萬米大陸鉆探計(jì)劃專用裝備和相關(guān)技術(shù)的國家。

我國地球深部探測的發(fā)展

2008年，我國開啟了為期四年的“深部探測技術(shù)與實(shí)驗(yàn)研究”專項(xiàng)（Sinoprobe2008-2012），這是中國歷史上規(guī)模最大的地球深部探測計(jì)劃，獲得了一大批科研進(jìn)展，比如，完成約6000km的深地震反射剖面，自主研制了關(guān)鍵儀器裝備，建立了適應(yīng)我國大陸復(fù)雜巖石圈、地殼的探測技術(shù)體系等等，使得我國躋身世界深部探測大國行列。在“深部探測技術(shù)與實(shí)驗(yàn)研究”專項(xiàng)的基礎(chǔ)上2015年原國土資源部成立了中國地球深部探測中心（SinoprobeCenter）成為中國地球深部探測與研究的基地，近年來該中心承擔(dān)了多個(gè)深部探測地調(diào)項(xiàng)目。

2023年5月30日，我國首個(gè)萬米深地科探井在新疆塔里木盆地塔克拉瑪干沙漠腹地正式開鉆，這口井被命名為“深地塔科1井”，預(yù)計(jì)鉆探深度11100米，“深地塔科1井”預(yù)計(jì)穿透10多套地層，將成為我們探索地球深部的“望遠(yuǎn)鏡”。

我國地球深部探測工作起步較晚，但是，近年來深部探測工作的力度正在不斷加大，在地球化學(xué)、大地電磁觀測、科學(xué)鉆探等領(lǐng)域也逐漸形成了自己的優(yōu)勢領(lǐng)域。

文章由科普中國-星空計(jì)劃（創(chuàng)作培育）出品，轉(zhuǎn)載請注明來源。

作者：朱新娜 科普作者，獨(dú)立圖書策劃人，北京優(yōu)秀閱讀推廣人

審核：張玉修，中國科學(xué)院地球與行星科學(xué)學(xué)院地質(zhì)學(xué)副教授

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