世界今日?qǐng)?bào)丨探測(cè)地球深部，了解地下中國(guó)

“上天、入地、下海”是人類(lèi)探索自然的三大壯舉。其中，“入地”的難度絕不亞于“上天”。地球深部探測(cè)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(shū)中有一種冷縮說(shuō)。說(shuō)的是，我們生活的地球就像一個(gè)干癟的蘋(píng)果，內(nèi)部水分的蒸發(fā)使表面產(chǎn)生了皺紋，地球通過(guò)冷卻而收縮，在它的表面形成了褶皺山脈。就像日心說(shuō)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(shuō)、大洋永存說(shuō)等海陸固體學(xué)說(shuō)開(kāi)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(cè)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(duì)地幔的壓力處處相等，并基于此創(chuàng)立了地殼均衡說(shuō)。

圖片來(lái)源：圖蟲(chóng)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(guó)氣象學(xué)家魏格納于1912年提出了大陸漂移說(shuō)：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(lái)，兩者能夠很好地吻合。如果假定原來(lái)有一塊巨大的“超大陸”，后來(lái)，這塊“超大陸”像紙一樣被撕開(kāi)，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(mǎn)地解釋它們?cè)?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(guó)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(lái)了地質(zhì)學(xué)家的一片反對(duì)聲。此外，大陸漂移說(shuō)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(lái)，才使得大陸漂移說(shuō)得以復(fù)活。這種新的學(xué)說(shuō)，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(dòng)起來(lái)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(dòng)下緩慢移動(dòng)，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(shuō)”的理論開(kāi)始盛行，這種學(xué)說(shuō)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(shuō)”。

20世紀(jì)中葉以后，越來(lái)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(jiàn)為實(shí)”來(lái)定奪。于是，科學(xué)家開(kāi)始尋找更為直觀的證據(jù)。1966年6月，美國(guó)開(kāi)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(zhǎng)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(hào)”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(zhǎng)度超過(guò)9500米的巖心。

1968年，DSDP在橫越大西洋中脊總長(zhǎng)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(cè)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(wàn)年以來(lái)，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(guò)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(zhǎng)更新。通過(guò)對(duì)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(duì)水平運(yùn)動(dòng)。DSDP在印度洋取樣測(cè)定表明，印度洋板塊在晚白堊世、始新世末（3650～6500萬(wàn)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(wàn)年中向北移動(dòng)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(wàn)年前喜馬拉雅山開(kāi)始形成。通過(guò)深海鉆探不僅驗(yàn)證了海底擴(kuò)張說(shuō)和板塊構(gòu)造說(shuō)，而且大手筆地描摹出物質(zhì)在全球規(guī)模上的動(dòng)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(shuō)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(guó)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(kāi)工不久，該計(jì)劃就因?yàn)榧夹g(shù)和資金等方面的問(wèn)題，只在海底鉆進(jìn)了315米后便草草收?qǐng)觥４撕蟮?966年6月，美國(guó)又開(kāi)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(lái)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(guó)家相繼開(kāi)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(cè)站）。

來(lái)自“科拉超級(jí)鉆”的資料，使以往被廣泛認(rèn)知的學(xué)說(shuō)受到懷疑，比如地殼均衡說(shuō)，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(guò)，康拉德面始終不見(jiàn)蹤影。除了一系列地質(zhì)學(xué)的勘探結(jié)果，科拉超級(jí)鉆還帶來(lái)了許多可觀的資源，比如，當(dāng)鉆探深度超過(guò)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(guò)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(guó)，大陸科學(xué)鉆探始于20世紀(jì)90年代。1996年，我國(guó)加入了國(guó)際大陸科學(xué)鉆探委員會(huì)（ICDP），并先后在松遼盆地、江蘇東海、云南麗江、青海湖開(kāi)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(lái)，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(huì)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(cè)設(shè)備都要耐高溫、耐高壓。在地表，我們看起來(lái)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(cè)量井深和井斜。每打三四米之后，就需要把鉆桿提上來(lái)取出巖心，再次下鉆之前，還需測(cè)量鉆孔有沒(méi)有打偏，如果偏了就得想辦法矯正。2018年，我國(guó)自主研發(fā)的萬(wàn)米鉆機(jī)“地殼一號(hào)”深入7018米，是我國(guó)重大裝備技術(shù)的自主研制的新突破。“地殼一號(hào)”讓我國(guó)成為世界上第三個(gè)擁有實(shí)施萬(wàn)米大陸鉆探計(jì)劃專(zhuān)用裝備和相關(guān)技術(shù)的國(guó)家。

我國(guó)地球深部探測(cè)的發(fā)展

2008年，我國(guó)開(kāi)啟了為期四年的“深部探測(cè)技術(shù)與實(shí)驗(yàn)研究”專(zhuān)項(xiàng)（Sinoprobe2008-2012），這是中國(guó)歷史上規(guī)模最大的地球深部探測(cè)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(guó)大陸復(fù)雜巖石圈、地殼的探測(cè)技術(shù)體系等等，使得我國(guó)躋身世界深部探測(cè)大國(guó)行列。在“深部探測(cè)技術(shù)與實(shí)驗(yàn)研究”專(zhuān)項(xiàng)的基礎(chǔ)上2015年原國(guó)土資源部成立了中國(guó)地球深部探測(cè)中心（SinoprobeCenter）成為中國(guó)地球深部探測(cè)與研究的基地，近年來(lái)該中心承擔(dān)了多個(gè)深部探測(cè)地調(diào)項(xiàng)目。

2023年5月30日，我國(guó)首個(gè)萬(wàn)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(kāi)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(guó)地球深部探測(cè)工作起步較晚，但是，近年來(lái)深部探測(cè)工作的力度正在不斷加大，在地球化學(xué)、大地電磁觀測(cè)、科學(xué)鉆探等領(lǐng)域也逐漸形成了自己的優(yōu)勢(shì)領(lǐng)域。

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

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

審核：張玉修，中國(guó)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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