我们离钻穿地球“莫霍面”的梦想还有多远_风闻

来源：新华每日电讯  2019—8-27

早在上世纪五十年代，科学家就梦想打一口超深的钻井，看看原位的地幔长什么样

我们离钻穿地球“莫霍面”的梦想还有多远

人类科学探索的手段,早已经抵达浩渺太空；但对于脚底下的地球深部,却还是难以触摸。早在上个世纪五十年代,科学家就梦想打一口超深的钻井,一直钻穿地球壳幔边界的“莫霍面”,看看原位的地幔究竟长什么样?

六十多年过去了，这个梦想至今没有实现。但由此发展起来的大洋钻探计划，已经成为地球科学史上规模最大、时间最长的一项国际合作计划，我国是该项计划的成员国之一。记者从近日在沪召开的“面向2023年后大洋钻探学术研讨会”上获悉，钻穿地球的“莫霍面”，仍然是地球科学家执着追求的重要目标。

夭折的“莫霍钻”计划

地球是人类的家园。1909年，克罗地亚的地震学家莫霍洛维奇，首次发现地球内部存在一个不连续界面，穿过这一界面，地震波的纵波和横波传播速度跳跃性增加。人们将这一界面称为“莫霍面”，作为地壳与地幔的分界面。

“莫霍面”是什么性质的界面?原位的地幔真面目又是什么?1957年，美国地质学家哈雷·海斯提出一个科学梦想:如果能打一口深井，直接打到“莫霍面”，钻取一些岩芯样品，不就一目了然吗?由于莫霍面出现的深度，在大陆之下约为30-40公里，在大洋之下约6-7公里。因此这口深井，最佳钻探地点就在大洋。

1960年，美国国家科学基金会批准资助雄心勃勃的“莫霍钻”计划，并与环球海洋勘探公司签订协议，由该公司的“CUSSⅠ”号船实施莫霍面钻探任务。1961年，“CUSSⅠ”号在墨西哥岸外的瓜达卢佩岛附近水深3600米处，首次成功钻井，在170米厚的沉积层下，取得了14米长的玄武岩样品，迈出了人类向莫霍面进军的第一步。

但此后，由于“莫霍钻”计划预算太高，加上出现了技术和管理方面的问题，美国国会1966年取消了该计划。不过，“有心栽花花不开，无心插柳柳成荫”，由“莫霍钻”而发展起来的大洋钻探技术，却为人们打开了一扇全新的科学研究之门。以此技术为核心，开启了国际合作的大洋钻探计划。

迄今为止，大洋钻探计划已经历了四个阶段。即深海钻探计划(DSDP，1968-1983)、大洋钻探计划(ODP，1985-2003)、综合大洋钻探计划(IODP，2003-2013)和国际大洋发现计划(IODP，2013-2023)。六十多年来，科学家从未放弃打穿地球莫霍面的梦想，在四个阶段的大洋钻探长远科学计划里，都将“莫霍钻”作为重要目标之一。

据同济大学海洋地质国家重点实验室周怀阳教授介绍，目前，中外科学家正在讨论2023年后的大洋钻探科学计划，美国、日本等国都继续将打穿莫霍面作为重点目标之一，延承以往基础，在技术、选点、钻前调查等方面，踏踏实实地开展工作。我国科学家也提出了建造能够打穿莫霍面的科学钻探船建议。

钻穿“莫霍面”有多难?

同济大学海洋地质国家重点实验室汪品先院士认为，截至目前，人类在应对“上天、入地、下海”三大科技挑战中，“入地”的成绩最差。相对于地球半径来说，最深的钻井还不及其千分之二。大洋钻探既下海又入地，面临的是双重挑战。

深海海底是离地球内部最近的地方，从深海海底打钻，至今还是人类直接探测地球内部无可替代的高效途径。但越往下钻，钻井越深，岩石越硬，温度越高，压力越大，凭借人类现有的钻探技术，很难打到莫霍面。2015年底，记者曾登上美国“决心”号大洋钻探船，亲身经历了科学家梦想打到莫霍面的一次艰难钻探。

那个航次钻探的地点在西南印度洋中脊、一处名叫“亚特兰蒂斯浅滩”的海岭。根据科学家多年来研究，那里是超慢速扩张的洋中脊，地幔熔融不能产生足够的岩浆，地壳断裂非常普遍，广泛分布着暴露下地壳的“构造窗”。这些“构造窗”是人类以目前的钻探技术，可以“触摸”到地幔边界的绝佳场所。根据计划，将通过三个航次的大洋钻探，钻穿地壳，钻到壳幔边界。第一个航次钻探目标是1300米，第二个和第三个航次分别将钻孔延伸至3000米和5500米。

“决心”号执行的是计划中第一个钻探航次。从水深约700米的海底开钻，前410米钻探十分平稳顺利。但随着钻头越钻越深，遇到了断层破碎带，钻孔开始频繁出现故障，不是钻头磨坏，钻头的牙轮或配件遗失在钻孔里，就是上千米长钻杆卡在钻孔里拔出不来。钻探工人们不得不一次次修复钻井。直至航次结束前的最后一天，还在寻找一个遗失在钻孔里的螺栓。

两个月期间，“决心”号共使用了各种型号的钻头24个，仅钻取岩芯就磨损用坏了11个钻头，但仅向海底深处钻进789.7米，获得469.7米岩芯，这与1500米的第一期钻探目标相差甚远。

本世纪初，针对“决心”号钻探技术的不足，日本投入巨资建造了“地球”号大洋钻探船，采用新型的“立管型”钻探技术，通过大直径钢管将钻探船与洋底连接起来，使得钻探更加安全、深度更大，理论上可在4000米水深的海域向海底钻进7000米。

2007年，当57000吨的“地球”号建成之际，日本曾雄心勃勃地向全世界宣布，其最终目标是要“打穿地壳”。但十多年来，由于船体庞大，带来了成本、运行和管理等诸多问题，“地球”号实际上才打了3000米。实践表明，利用“地球”号现有的钻探技术打穿地壳，也不是那么容易。

据汪品先介绍，面对“莫霍钻”一类的硬岩石钻探任务，科技界正在探索第三代大洋钻探船的技术前景。比如，将钻机直接投到海底、将泥浆泵安置在海底的新型钻探技术，已经初步实现。面对高温高压的地质条件，钻具材料也需升级换代，从金属材料更改为碳材料。此外，仅靠钻探单一手段解决科学问题的时代也正在过去，“深钻”还需与“深网”“深潜”等技术结合起来，与时俱进。

为什么要钻穿“莫霍面”?

地幔占地球体积的4/5、质量的3/4，是地球上最大的“化学储库”。科学研究表明，地球深部过程及其对地表环境的影响等一系列科学问题，无不与地幔息息相关，神秘而庞大的地幔充满了许多未解之谜。科学家梦想钻穿“莫霍面”，就可以直接从“原位”的地幔取样，进行深入研究。

据周怀阳介绍，历年来，科学家提出了许多与“莫霍钻”相关的科学问题。例如，是什么物理特性造成了莫霍不连续面?这个界面的地质学本质是什么?洋中脊处的洋壳，特别是下洋壳，是怎样形成的?是哪些过程影响了洋壳形成之后的演化?洋壳与海洋和生物的相互作用有多大?这些相互作用对全球化学循环的影响是什么?生命的极限是什么?控制生命极限的因素有哪些?等等。

在太阳系中，我们人类居住的地球，拥有其他星球所没有的、独一无二的“生理机制”。上个世纪六十年代以来，板块构造学说比较成功地回答了“地球是怎么活动的”问题，但对于地球活动的具体过程和细节、活动机制等问题，仍然很不清楚，还需要世界各国科学家凝心聚智，共同寻求答案。

“地球是人类的家园，但地球内部对人类来说，仍是一个未知的全新秘界。”周怀阳说，“相比于几十万公里外月球上的样品，地球内部几公里深处的莫霍面，距离我们很近，但似乎又遥不可及。我们相信，向地球深处每多钻进一点，我们对地球结构及其历史的认识，就会加深一点、更新一点!”（记者 张建松）