揭開地殼探秘

楊陽

盡管人們已經有能力在另一個星球上著陸，但是對于腳下地球的內部結構，人們還知之甚少。地球內部究竟是一個怎樣的世界？是否真如科幻作家儒勒·凡爾納《地心游記》所描述的模樣？近日，由美國、英國、中國等12國科學家組成的團隊登上美國“決心”號鉆探船，開始在印度洋進行打穿地球殼幔邊界的第一次大洋鉆探。這是人類歷史上首次打穿地殼與地幔的邊界。這項科研活動將有望深入地殼與地幔的分界面，看到人類從未見過的地球內部面貌。

地球深處的秘密

地球內部由地殼、地幔和地核3個圈層組成。時至今日，人類之所以對地球內部的世界知之甚少，是因為人類想要穿透地殼并不是一件容易的事。

地幔堪稱最大的“地球化學儲庫”，但迄今，人類尚未能直接從地幔取樣，因此對其知之甚少。目前，“決心”號鉆探船正在西南印度洋中脊海域開展大洋鉆探，最終目標就是鉆穿地殼，“觸摸”地幔。

神秘而龐大的地幔充滿了許多未解之謎。在2013～2023年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。

20世紀60年代以來，板塊構造學說的確立，使得地球表面看似分布無序的高山深海變得有條有理。在太陽系中，人類居住的地球擁有其他星球所沒有的、獨一無二的“生理機制”。板塊構造學說比較成功地回答了“地球是怎么活動的”問題，但對于地球活動的具體過程和細節、活動機制等問題，仍需要各國科學家凝心聚智，共同尋求答案。半個多世紀以來，全世界的地球科學家從未放棄過探尋莫霍面、“觸摸 ”地幔的科學夢想。

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莫霍面

莫霍面是以克羅地亞地震學家莫霍洛維奇命名的地殼與地幔的分界面，在地質科學界一直是神秘的存在。科學家只能夠通過一些間接手段、模擬實驗和復雜的計算，推測其物質組成。通過鉆探獲取的巖芯將會為我們了解地球構造循環的核心部分提供新的見解。

大洋鉆探的挑戰

位于南緯32度42分、東經57度17分的“亞特蘭蒂斯淺灘”，雖然掩蓋在一望無際的海水下700多米，但經過多年堅持不懈的研究，科學家確信這里是研究地殼與地幔轉化的理想“構造窗口”。

據介紹，“決心”號抵達目標海域后，科學家已開始進行大洋鉆探前的各項準備工作，包括向海里放一個聲吶信號裝置，以使船舶保持動力定位;向海里放一個水下攝像機，以尋找合適的巖石安裝鉆孔重返系統。鉆孔重返系統能定位鉆孔，并能使鉆頭離開后重返鉆孔，是開展鉆探前的重要一步。根據計劃，“決心”號將首先使用旋轉式巖芯取樣器鉆220米深，然后進行井下測量和監測。從井下220米開始連續鉆取巖芯，并盡可能地向下深鉆，計劃鉆到1300米。

地殼內的溫度隨深度增加，有數據顯示，每深入100米溫度就會升高1℃。近年的鉆探結果表明，在深達3000米以上時，每深入100米溫度就會升高2.5℃。越往深處鉆探，不僅溫度升高，而且周圍巖石的壓力也會增大，你可以想象把手插進米缸里，越往下周圍的米對手的壓力會越大。對于鉆探裝備來說，這是一個極具難度的挑戰。這次的大洋鉆探項目是要鉆探至地殼和地幔之間的莫霍面。這次鉆探與石油鉆探原理大致相似，不同的是要取得巖芯樣品，而且是在硬巖中打入到1300米的深處。

“決心”號從“亞特蘭蒂斯淺灘”鉆取的巖芯是深入了解地球歷史的珍貴“檔案”。由于巖芯是一個“有生命的材料”，它們的自然特性每時每刻都會隨著周邊環境的變化而變化。“決心”號上有12個實驗室，裝備了多種先進的實驗儀器，將在第一時間對采上來的巖芯進行快速、復雜、全面的“體檢”，同時還將組織科學家在現場對巖芯進行記錄和描述。

通過本次科考，人類能第一次直觀地了解殼幔邊界的巖石形態，甚至可以對地球演化發展有新的認識。另外，可以了解大洋中脊和地幔的接觸關系，進一步了解地球的板塊構造和海洋擴張，而且還能看看那個深度的巖石里有沒有微生物，調查地球深處的生命活動。這一切無論是對地球還是人類自身的認識，都有重大的意義。

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為什么在洋底

而不是在陸地上鉆井？

在洋底而不是在陸地上鉆井，原因很簡單：洋底的地殼比陸地的地殼薄得多。在大陸上挖一口貫穿地殼的井，需要向下挖30千米～50千米。如果你把地點選在了喜馬拉雅山脈附近，你可能需要挖80千米。即便只有30千米，目前的鉆井技術也很難滿足要求。井挖得越深，對鉆桿的要求就相應提高;而鉆頭將無法抵御地殼深處的高溫。如果在洋底挖同樣的一口井，只要挖大約5000米，就可以抵達地幔。

1992年，美國哥倫比亞大學的地質學家邁克爾帕蒂曾經提出了一個理論，認為洋底地殼如果形成的速度較快，那么那里的地殼就比較薄。而一個較薄的地殼，也就意味著科學家可以相對容易地鉆到地幔。通過測量洋底的磁場分布，科學家可以找出哪些地區的地殼形成速度更快。在過去的歲月中，地球的磁場曾經發生過多次倒轉。科學家已經整理出了一份磁場倒轉的時間表。當巖漿從地幔上涌，逐漸冷卻形成新的地殼時，它會記錄下當時的地球磁場的方向，就像一枚枚凝固在巖石中的指南針。不斷向外擴張的洋底地殼就成為了一條記錄地球磁場變化的磁帶。通過對照磁場倒轉的時間表，科學家就可以發現哪些地點地殼擴張的速度更快。

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為何選擇“亞特蘭蒂斯淺灘”？

與全球其他地區相比，“亞特蘭蒂斯淺灘”究竟有何特殊之處？“決心”號為何要不遠萬里來到這片海域開展工作呢？因為地球大陸地殼的平均厚度大約有40千米，大洋地殼的厚度約為5千米～10千米，而“亞特蘭蒂斯淺灘”的地殼厚度更薄，僅為3000米左右。國家地震局地質所研究員陳九輝認為，在大洋地殼中鉆孔會更容易，可能會真正看到莫霍面的樣子。但他也指出，“亞特蘭蒂斯淺灘”是一個特殊的地區，要想把這里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復雜很多，一些地區可能經過長期的地質變化，比一些新生區域要復雜。

【責任編輯】蒲 ?暉