深海鉆探知多少

劉素蓉

對于難以看到的地下深處，人類能否插入像望遠鏡那樣的設備進行眺望呢？

從2003年10月開始，大洋鉆探計劃進入了為期10年的國際大洋鉆探計劃新階段。美國、日本等發達國家以每年幾億美元的投入向深海地幔進軍。

日本“地球號”

不過，由于技術的不可逾越性，10年的“國際大洋鉆探計劃”在結束時還存留著大量的研究項目無法實施，為此，科學界對2013～2023年開展的“國際大洋發現計劃”新階段充滿了期待。我們以日本的“地球號”為例，先來看看人類曾為鉆穿地幔做出過什么樣的努力吧。

“地球號”上的大型停機坪

鑿穿海底地下7千米

地球深海科學鉆探船“地球號”建造于2005年7月，總排水量5.75萬噸，是長210米、寬38米的大型船舶。該鉆探船的最大乘員數為150人，船上安裝了各種高科技鉆探設備，是世界上首次安裝了立管式鉆探系統的科學鉆探船，可以在地幔以及大地震發生區域進行高深度鉆探作業。

“地球號”的大型鉆頭

在此之前，海底鉆探船舶只能探到海底地下2111米，這樣的鉆探能力是到達不了地球地幔的。而日本“地球號”的鉆探深度達到了此前人類在中美洲哥斯達黎加海底地下鉆探深度的3.5倍。“地球號”鉆探船可以在2500米（將來可達4000米）深的海底地下鉆探，其鉆頭可以由海溝裂縫鉆入地殼達7000米處并進入地幔。其鉆桿采用立管式鉆探系統，長度相當于美國紐約帝國大廈高度的5倍。

“地球號”鉆探示意圖

對于渴望了解“地球更深處是什么“的科學家來說，有了這艘能力強大的船舶，就可以“隨心所欲”地提取到地球不同深度的樣本，并當場在船上進行分析，了解地球各個斷層的情況、生命狀態和可利用礦物質成分等。該船擁有占地面積近2300平方米的4層實驗室，可進行沉積學、巖石學、古生物學、地球化學、地球物理學等方面的研究，對于安放地震偵測器和收集地震成因資料有很大幫助，同時還能探勘海底資源。

那么，“地球號”是如何鉆探到海底地下幾千米深的呢？

首先，為了讓漂浮在海面上的船舶順利作業，必須讓船身保持一個恒定的位置。因為，在洶涌的大海中只要船位稍有偏離，連接船只和鉆頭的鉆管就會折斷。除了利用全球定位系統（GPS）自動測位，“地球號”還采用了一個重要的動態定位系統技術進行測位——即利用投擲在海底的聲波收發器進行聲波信號測位。

巖芯采樣被送至船上后，科學家必須盡快進行研究和分析

該船將一個聲波收發器投入海底，并在船身上安裝了4個接收裝置。聲波收發器不斷從海底發出聲波信號，船上的4個接收裝置根據聲波收發器傳遞的數據，自動完成三角測量，并定出保持船位不變所需的方向和距離。同時，計算機將數據傳送給安裝在船底的6個360度旋轉式推進器，隨即推進器開始工作，其產生的力量能夠自動校正并調整該船的位置，使該船可以一直維持在鉆孔的上方，確保船位的固定。該系統可以確保在浪高幾米的海況下，或風力大作的情況下，船位不出現絲毫偏差。

從海底地層中取出的巖芯樣本

穩固了“地球號”的位置之后，就可以進行鉆探作業了。從漂浮于茫茫大海的船上，伸出幾千米長的鉆管，穿過海水找到確定的洋底位置，向下鉆進千余米深的孔，再把孔里的巖芯取樣到船上，這一看似簡單的大洋鉆探過程實則難度極大。

探索地底更深處

為了進一步增加鉆探深度，“地球號”鉆探船采用了重達380噸的“立管鉆探系統”（在石油、天然氣鉆探中表現得卓有成效）。這與以往的鉆探船有所不同，原來的鉆探船只單純采用鉆管進行簡單的鉆探，鉆探深度最多只能達到海底地下2000米，且鉆管周圍的孔壁很容易坍塌。

為了解決這一問題，“地球號”與海底之間用大口徑的井管連接，并采用約6層辦公大樓高的套筒（防爆裝置）保護井口。

基本原理是：將一根根鉆管連接起來延伸到海底，在鉆管的前段安裝大型的鉆頭。一旦鉆頭接觸到海底，就讓其旋轉并開始鉆探。“地球號”使用的鉆管每根長9.5米，隨時配備1000根以上，即可抵達距海面約1萬米的海底地下。不過，隨著鉆探的不斷加深，船上要反復連接新的鉆管推進鉆探。考慮到有時會中斷鉆探作業，或僅是為了確保鉆探不走形，鉆頭外層除了包裹有套筒，內部還裝有減震化學泥和排氣管，鉆探時一旦遇到石油或者地殼中溫度過高的巖石，套筒可以起到保護鉆頭的作用。與此同時，這個保護裝置還可以預防船只受到逃逸氣體如甲烷氣體與高壓液體噴發造成的災難性爆炸與大火等傷害（如果氣體沖出并上升，將足以沖翻船只并致使船只沉沒），也使得每次采集的巖芯樣本可以安全回收。

美國“決心號”

將鉆管推進后，還需通過泥水循環進行鉆探。所謂泥水循環是指采用由海水或船上的淡水與減震化學泥混合而制成的泥水，不斷在船只與采掘點之間循環。鉆探不斷加深，會導致巖石摩擦發熱、溫度過高，泥水正好成了保護鉆頭的冷卻劑。另外，黏土的微粒狀附著在孔壁，可以固化孔壁，防止鉆孔因地層壓力而坍塌。

“決心號”拍攝到的印度洋海底圖像

通過鉆探，從海底地層中取出由沉積物或巖石等組成的圓柱形巖芯（直徑7～8厘米），并對其進行測量和成分分析，從而闡明過去在地球上發生的各種現象。巖芯采樣以9米長為1個單位，在采樣至船上后立即送到研究區，被切成根，每段長1.5米。在進行X射線檢測、CT掃描或物理測量等非破壞性檢查后，對其中一根進行豎向剖開，用于研究及成分分析，其他的樣品則被保存起來供將來研究。

總之，巖芯是有“生命力”的東西，被從海底地殼拖到船上的巖芯，且不說溫度、壓力的變化，即使接觸到空氣中的氧，其中的成分和物質性質都會很快發生變化。所以，科學家必須盡快進行研究和分析。研究區設有調查微生物的實驗室和古地磁的實驗室等。為了不受現場地磁場和船體磁場的影響，古地磁實驗室完全被磁屏蔽。所有分析數據都存入計算機。在船上經過初步研究、分析后，巖芯將被送到陸地的研究中心冷藏保存。

美國“決心號”計劃圖

最新進展：美國“決心號”，打穿地殼地幔邊界

2015年12月2日，由12個國家的科學家組成的超強陣容科考隊登上了美國“決心號”大海鉆探船，計劃奔赴西南印度洋中脊“亞特蘭蒂斯淺灘”，開展海底地下鉆探，預計“刺穿”地殼和地幔之間的邊界。完成該項目預計得花費數年時間，將通過檢測巖芯樣本探明那里是否有生命跡象。科考隊從海底地下一點一點打入地球內部，采掘地幔巖石樣本，探尋著地球深處的秘密，他們期待了解神秘的地球內部究竟是怎樣的，甚至揭示生命的存在。

20世紀中葉，在大洋中鉆探還是一件非常有難度的事情，比如，鉆探需要把船固定到一個地方。1997年，科學家們也曾在亞特蘭蒂斯淺灘打過孔，取得過一些預期成效，比如，獲得了很長的輝長巖剖面。然而好不容易打到海底以下1500米左右的時候，海面狂風大作，海浪導致鉆探船顛簸不已，為了解決船只顛簸可能造成鉆管折斷、堵塞鉆孔，甚至翻船等情況的發生，這次嘗試不得不終止。

之所以研究亞特蘭蒂斯淺灘，是因為這里的地殼較薄，相對容易達到地幔。而且這里從地幔溢出的巖漿量較少，意味著這里的硬巖不多，容易取得突破。此外，這里已經進行了很多研究，資料豐富。可以說，亞特蘭蒂斯淺灘是一處研究地球殼幔轉化的理想構造窗口。

鉆探的第一階段，從2015年12月開始一直持續到2016年1月。2015年12月18日，“決心號”到達鉆探地點后，科學家就開始在海底架設設備開始鉆探，計劃將鉆探深度達到海底地殼下方1500～2000米。

鉆探的第二階段，計劃鉆探深度為4000米。并且希望留下一個能反復進入、且能在今后的鉆探過程中不斷加深的孔。如果一切順利，鉆探就可以進入第三個階段，也就是最后一個階段，即配合日本“地球號”鉆探船，沿著這個孔一鼓作氣地鉆探下去，打到5000～6000米的深度，達到地震邊界莫霍面，最終打穿地殼和地幔的邊界。也就是說，在目前的這個鉆探點，這個邊界位于海底地下5000米以下的地方，只要完成以上三個階段就能鉆穿地殼，達到地幔。

那么，什么是莫霍面是呢？莫霍面是以克羅地亞地震學家莫霍洛維奇命名的，被認為是地殼和地幔的分界面。目前，這個邊界只能通過一些間接的手段（如實驗模擬等）推測其物質組成。

早在1957年，美國地質學家就曾經提出“莫霍計劃”，即在地球上打一口“深井”鉆穿地殼，一直鉆到莫霍面，取一些樣品直接看看。由于地球上的洋殼比陸殼薄得多，該計劃選擇在深海大洋里進行。

“人類已經登上了月球，卻對地球上的汪洋大海知之甚少，研究手段也非常有限。打穿洋殼進入莫霍面，是我們長久以來的夢想，我們希望了解更多發生在地殼和地幔之間的事情，以及可能存在的生命”。美國伍茲霍爾海洋研究所的亨利·迪克教授說。他認為，通過鉆探獲取的巖芯，會讓我們更加了解地球的構造。

通過鉆探獲取的巖芯，會讓科學家更加了解地球的構造。圖為不同巖石組成的顯微鏡成像

為什么要研究地幔？

有人提出，殼幔邊界實際上可能是海水的最低點，海水通過裂縫滲入地幔的巖石，有可能改變了巖石的組成，生成蛇紋巖，反應生成甲烷和氫氣，這就有可能存在通過地殼深處的化學作用吸取能量的細菌，與太古代生命起源時期類似。如果在多國科學家鼎力合作下，發現了蛇紋巖存在于地球內部的證據，那么，生活在極端地區的生物有多少？是哪些？生活極限是什么？這些都是重要的需要回答的問題。這些發現有可能完全改變我們目前對殼幔界面的認知。

由于海底的地殼比陸地的薄，因此，在那里鉆探有可能達到人類從未涉足的地幔。地殼是地球固體地表構造的最外圈層，整個地殼平均厚度約為17千米，大陸地殼的平均厚度為35千米左右。高山、高原地區的地殼更厚，最高厚度可達70千米以上;平原、盆地地區的地殼相對較薄。大洋地殼則遠比大陸地殼薄，厚度只有幾千米。而太平洋馬里亞納群島的海溝，是地球上地殼最薄的地方。迄今為止，有關地幔，人類僅從因為地質構造運動或蝕變而露出地面的巖石（蛇紋巖或橄欖巖）推斷前者是由非常堅硬的巖石構成的。現在，通過從海底到地幔連續開采巖芯，通過對巖芯的研究，說不定還能闡明板塊構造的原動力。

什么是莫霍面？

1910年，克羅地亞地震學家莫霍洛維奇通過觀測地震波在地球內部的傳播情況，率先提出地殼和地幔之間存在一個不連續的分界面。人們將這一殼幔分界面稱為“莫霍洛維奇不連續面”，簡稱“莫霍面”。在莫霍面上，地震波的傳播速度驟變，說明了地殼和地幔之間的密度不同。

那么，莫霍面是怎樣發現的呢？1909年，莫霍洛維奇在一次地震時發現，地震波的速度在該界面附近，縱波的速度從每秒7.0千米左右突然增加到每秒8.1千米左右;橫波的速度也從每秒4.2千米突然增至每秒4.4千米。其出現的平均深度在大陸以下約32千米，海底之下約7千米。