“地心”之旅:從科幻到現實

人類的征途不僅是星辰大海,還有探索通向地球深處的隧道。在外太空,人類已經到達了月球,並且計劃登陸火星,但是,當科學探索轉移到我們腳下的地球內部時,我們僅僅是“抓撓”了地球的“皮膚”而已。迄今為止,我們的鑽頭最深只能鑽到腳下12千米的地方,這只不過地球半徑的0.2%。

“地心”之旅:從科幻到現實

千百年來,我們一直對腳下的未知世界迷惑不已,相關傳說也層出不窮。

古希臘哲學家柏拉圖就描繪了一個神秘古老的大西洲,居住其上的亞特蘭蒂斯人預感到一場災難將徹底毀滅他們的文明,於是,事先開鑿了兩條通往非洲和美洲的地下長廊。當大西洲沉入海底時,他們通過這兩條通道進行疏散,而其中一些人就一直生活在地心之中。

17世紀,一些著名學者如開普勒、伽利略等人已經為現代天文學奠定了基礎,但對於地球內部的認識,卻依然停留在中世紀的神話和想象中。甚至認為地球是一個有巨大洞穴的世界,地球的中心是地獄,那是一個火焰世界;地獄的外層是煉獄,一些管道里燃燒著火,火加熱了溫泉,製造了火山。

迄今關於地下世界的描述,影響最為廣泛的應該是科幻小說《地心遊記》。這部小說首次出版於1864年,是法國科幻作家儒勒·凡爾納的經典之作。在他的筆端,勇敢的探險家來到地球深處,遭遇火山爆發、岩漿飛濺,還看到了巨大的“地下海”以及各式各樣的奇異生物……

這些對地心的想象,都認為存在著一個與地上世界不同的地下世界。而與之相對應的,就是地球“空心說”。

地球空心說認為,如果地球內部全部由實體物質構成,那麼它的重量應該會比現在大得多。造成這種結果不外乎有兩種情況:空心或者多孔。

不過,這種說法早就被證偽。1799年,英國科學家卡文·迪什應用萬有引力定律,測出地球的平均密度為水的5.48倍,超過岩石的密度,他還提出,這個密度隨著深度的增加而增加,地球中心的密度最大。

卡文·迪什的實驗和理論,後來被許多人的重複測定所證實,並取得更精確的數據。現代測定的地球平均密度為5.517克/立方厘米,上部岩石圈的平均密度為2.65 克/立方厘米。如果地心是空的,地球的平均密度怎能高於岩石的密度呢?

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17 世紀,英國科學家羅伯特·胡克就設想過挖掘一條穿過地核的隧道作為新的旅行方式,並致函牛頓進行討論。但到了今天,人類進入太空乃至登陸月球都不再是夢想,“入地”卻依然顯得有點遙遠,其主要障礙就在於“高溫” 和“高壓”。

一般估計,地幔與地核界面的溫度約在3700℃,內核溫度約在4000℃至4500℃之間。地球內部的壓強也隨著深度增加而增大。地球從表面到核心,愈往深處去,壓在單位面積上的物質就愈多,因而壓力就愈大。在地殼下面大約有900萬百帕(9000個大氣壓),到地球中心則達到36億百帕。

因此,在地球內部,我們設想應該是一個高溫、高壓的環境;就物質形態而言,應該是熔融狀態。但是,強大的壓力使它們大部分仍然是固體的狀態,同時具有一定的可塑性,可以慢慢流動。

迄今為止,人類對地球內部的探索研究,一種形式是做“CT”。科學家在地上製造的地震波會沿地下傳播,而當地震波碰到不同地質體時就會反射回來,儀器接收到反射信號,經過處理以後得到圖像。由於不同深度和岩石性質反射的波是不同的,通過分析反射,科學家就能大體判斷地球深部的構造。

1909年,南斯拉夫地震學家莫霍洛維奇在一次大地震中,首先記錄到震波在地下43—44公里處傳播速度突然降低。顯然,在這個深度以下,地球內部的物質組成、物理和化學性質發生了變化。人們把這個交界面稱為“莫霍”面。

1914年,美國地球物理學家古登堡又測出地下2898公里處,縱波速度突然降低,橫波完全消失了,顯然,地球更深的內部結構又發生了重大變化,人們把這個交界面稱為“古登堡”面。後來,人們根據這兩個面,把地球分為地殼、地幔和地核三個圈層。

莫霍面以上是地殼,它的厚度有15—70公里。莫霍面和古登堡面之間是地幔,它的厚度有2850多公里。古登堡面以下至地心是地核,半徑約有3450公里,分為內核和外核兩部分。

目前,人們對地核的認識還不清楚。大多數地學家這樣猜測:外核可能具有液態性質;內核溫度很高,密度很大,可能是由鐵鎳等元素組成。但由於技術條件所限,目前人類對地心結構、物質構成的論斷大多還只是猜測,很少能拿到第一手的實物樣本。

“地心”之旅:從科幻到現實

經由CT獲取的認知,畢竟仍然是間接的。隨著科學技術的發展,國際社會開始紛紛建造伸入地球內部的“望遠鏡”,即開展大陸科學鑽探工程。但就當前的實際科技水平來說,人類至今還只是鑽進地殼,尚未進入地幔圈層中。

地殼是地球最外面薄薄的一層,而從地殼層較薄的大洋(平均厚度5-7公里)鑽探,比從大陸地殼(平均厚度12-17公里)鑽探要容易得多。因此,20世紀中期美國科學家倡議,利用深海鑽探在地殼最薄的地方打穿莫霍面,以研究地球的年齡、地幔的物質組成和內部作用,這就是“莫霍計劃”。

1968年,美國使用深海鑽探船“格羅瑪·挑戰者號”開始深海鑽探計劃,該計劃完成鑽探站位624個,實際鑽井逾千口,回收岩心9.5萬多米。最深海底鑽井達1741米。

此後,世界各國興起了一輪海洋鑽探熱潮。海洋鑽探獲得了大量研究成果,證實了海底擴張,建立了板塊學說,還建立起古海洋學這樣的新學科。

不過,在冷戰背景下開展的“莫霍計劃”後來由於資金缺乏而被迫中斷。2012年7月,美國、日本和德國的科學家們打算繼續中斷的莫霍鑽探,重新開啟地下之旅,這就是“新莫霍計劃”。科學家們準備花費10億美元和10多年的時間來做這個工程。

雖然資金需求大、技術難度仍然非常高,但科學家們認為這些投入非常值得。如果能夠抵達莫霍面,人類可以加深對地幔的認識。

地幔是地球內部體積、質量最大的地質層,而且它涉及地球本身的演化和起源問題,但我們對地幔的瞭解卻很少,原因就是我們無法獲得純淨的地幔岩石樣品。一件原始純淨的地幔樣品將會是一個珍貴的寶物,就像阿波羅計劃帶回的月球岩石一樣。所以科學家又將該計劃稱之為“地質學上的登月”。

不過,這個計劃也引起了很多地質學家的擔憂,因為鑽探點選擇在地殼厚度最薄的地方,這裡同時也是地震以及火山活動最為活躍的區域,如果有什麼沒有預料到的因素存在,鑽探可能會引發一系列的災難,板塊之間的摩擦有可能會驟然減小,以此引發的人工地震或許會造成比2004 年印度洋海嘯更具破壞力的巨大波浪。

“地心”之旅:從科幻到現實

與大洋鑽探相比,大陸科學鑽探起步要晚一些。在俄羅斯科拉半島上,至今還遺留著一個廢棄的科學研究工作站。在冷戰期間,蘇聯科學家在那裡鑽了一個目前世界上最深的科研鑽井——深達12262米“科拉超深鑽井”。

科拉半島位於蘇聯西北端,大部分處於北極圈內。蘇聯之所以把超深鑽定位這裡,是因為科拉半島上地層古老,具有鮮明的地質意義。鑽探於1970年開鑽。直到7000米深鑽井過程都相對平穩,但隨著深度加深,鑽探過程變得複雜起來。

因為隨著向地心掘進,必須維持鑽井的垂直度和穩定性。而且,在幾千米的地下深處,所遭遇的岩層非常堅硬,即便是特殊材質的鑽頭也要經常更換,每向下鑽探一米,都要付出沉重的代價。

到1983年,該井的鑽探深度已經達到了12000米,而最後的262米花了整整十年。儘管沒有完成預期的15000米鑽進目標,但12000米的科拉超深鑽本身就是人類的一項壯舉,它的深度保持了20年領先紀錄,直到2008年才被卡塔爾的一口石油鑽井打破(注:阿肖辛油井12289米)。不過,迄今為止,世界上超過8000米的科研鑽井,仍只有科拉超深鑽井與德國的KTB鑽井(9101米)。

21世紀初,由於財政困難及缺乏國家支持,“科拉超深鑽井”項目被決定徹底關閉。

這口井不僅深度創造了世界紀錄,而且有許多有價值的發現。據悉,通過對地下深層地幔地殼變化規律的研究,推翻了許多原來無法證實的推論。如發現地層7公里以下全是花崗岩,從而否定了以往科學家們認為7公里以下是液體岩石的推論;首次在1000米以下深度發現了金礦。地熱資源方面,發現地下12公里處溫度高達2300℃,越往下溫度越高;在深處還發現含有大量的天然氣。研究還發現,科拉半島地下巖芯的成分與月球土壤的成分極其相近


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