盡管人們已經(jīng)有能力在另一個星球上著陸,但是對于腳下地球的內(nèi)部結(jié)構(gòu),人們還知之甚少。地球內(nèi)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(xué)家組成的團(tuán)隊登上美國“決心”號鉆探船,開始在印度洋進(jìn)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(nèi)部面貌。
地球深處的秘密
地球內(nèi)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(nèi)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(xué)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(biāo)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(fā)現(xiàn)計劃提出的科學(xué)挑戰(zhàn)中,地球深部過程及其對地表環(huán)境的影響等一系列科學(xué)問題,無不與地幔息息相關(guān)。
20世紀(jì)60年代以來,板塊構(gòu)造學(xué)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(jī)制”。板塊構(gòu)造學(xué)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(xì)節(jié)、活動機(jī)制等問題,仍需要各國科學(xué)家凝心聚智,共同尋求答案。半個多世紀(jì)以來,全世界的地球科學(xué)家從未放棄過探尋莫霍面、“觸摸 ”地幔的科學(xué)夢想。
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莫霍面
莫霍面是以克羅地亞地震學(xué)家莫霍洛維奇命名的地殼與地幔的分界面,在地質(zhì)科學(xué)界一直是神秘的存在。科學(xué)家只能夠通過一些間接手段、模擬實驗和復(fù)雜的計算,推測其物質(zhì)組成。通過鉆探獲取的巖芯將會為我們了解地球構(gòu)造循環(huán)的核心部分提供新的見解。
大洋鉆探的挑戰(zhàn)
位于南緯32度42分、東經(jīng)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(jīng)過多年堅持不懈的研究,科學(xué)家確信這里是研究地殼與地幔轉(zhuǎn)化的理想“構(gòu)造窗口”。
據(jù)介紹,“決心”號抵達(dá)目標(biāo)海域后,科學(xué)家已開始進(jìn)行大洋鉆探前的各項準(zhǔn)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(jī),以尋找合適的巖石安裝鉆孔重返系統(tǒng)。鉆孔重返系統(tǒng)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(jù)計劃,“決心”號將首先使用旋轉(zhuǎn)式巖芯取樣器鉆220米深,然后進(jìn)行井下測量和監(jiān)測。從井下220米開始連續(xù)鉆取巖芯,并盡可能地向下深鉆,計劃鉆到1300米。
地殼內(nèi)的溫度隨深度增加,有數(shù)據(jù)顯示,每深入100米溫度就會升高1℃。近年的鉆探結(jié)果表明,在深達(dá)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(jìn)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(zhàn)。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(huán)境的變化而變化。“決心”號上有12個實驗室,裝備了多種先進(jìn)的實驗儀器,將在第一時間對采上來的巖芯進(jìn)行快速、復(fù)雜、全面的“體檢”,同時還將組織科學(xué)家在現(xiàn)場對巖芯進(jìn)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(tài),甚至可以對地球演化發(fā)展有新的認(rèn)識。另外,可以了解大洋中脊和地幔的接觸關(guān)系,進(jìn)一步了解地球的板塊構(gòu)造和海洋擴(kuò)張,而且還能看看那個深度的巖石里有沒有微生物,調(diào)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(rèn)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(shù)也很難滿足要求。井挖得越深,對鉆桿的要求就相應(yīng)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(dá)地幔。
1992年,美國哥倫比亞大學(xué)的地質(zhì)學(xué)家邁克爾帕蒂曾經(jīng)提出了一個理論,認(rèn)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(xué)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(xué)家可以找出哪些地區(qū)的地殼形成速度更快。在過去的歲月中,地球的磁場曾經(jīng)發(fā)生過多次倒轉(zhuǎn)。科學(xué)家已經(jīng)整理出了一份磁場倒轉(zhuǎn)的時間表。當(dāng)巖漿從地幔上涌,逐漸冷卻形成新的地殼時,它會記錄下當(dāng)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(kuò)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(zhuǎn)的時間表,科學(xué)家就可以發(fā)現(xiàn)哪些地點地殼擴(kuò)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(qū)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(yuǎn)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(zhì)所研究員陳九輝認(rèn)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(qū),要想把這里的研究擴(kuò)展到對全球地質(zhì)構(gòu)造的認(rèn)識還很難,因為全球的地質(zhì)狀況比這個地區(qū)要復(fù)雜很多,一些地區(qū)可能經(jīng)過長期的地質(zhì)變化,比一些新生區(qū)域要復(fù)雜。
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