“上天、入地、下?！笔侨祟愄剿髯匀坏娜髩雅e。其中，“入地”的難度絕不亞于“上天”。地球深部探測已經(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)教科書中有一種冷縮說。說的是，我們生活的地球就像一個干癟的蘋果，內(nèi)部水分的蒸發(fā)使表面產(chǎn)生了皺紋，地球通過冷卻而收縮，在它的表面形成了褶皺山脈。就像日心說一樣，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展，冷縮說、大洋永存說等海陸固體學(xué)說開始變得不那么可信。當(dāng)時的地球物理學(xué)者普拉特、杜頓等人根據(jù)重力測定的結(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界面，使得巖石對地幔的壓力處處相等，并基于此創(chuàng)立了地殼均衡說。

圖片來源：圖蟲創(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，以致更接近原本的真實。在普拉特等人工作的基礎(chǔ)上，德國氣象學(xué)家魏格納于1912年提出了大陸漂移說：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，兩者能夠很好地吻合。如果假定原來有一塊巨大的“超大陸”，后來，這塊“超大陸”像紙一樣被撕開，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地解釋它們曾經(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東部，蚯蚓不可能翻越重洋，這意味著這兩個地區(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，魏格納的觀點還是招來了地質(zhì)學(xué)家的一片反對聲。此外，大陸漂移說在解釋大陸漂移的機制方面也確實存在缺陷：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，才使得大陸漂移說得以復(fù)活。這種新的學(xué)說，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。要填補這種差異，軟流圈就緩慢地流動起來了。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下緩慢移動，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，一種叫做“海洋底擴張說”的理論開始盛行，這種學(xué)說認(rèn)為各大洋的洋中脊正在形成新的海底，不斷地向兩側(cè)擴張。這兩者很好地發(fā)展了“大陸漂移學(xué)說”。

20世紀(jì)中葉以后，越來越多的證據(jù)使得“漂移理論”煥發(fā)生機。但其真實性究竟如何還要靠“眼見為實”來定奪。于是，科學(xué)家開始尋找更為直觀的證據(jù)。1966年6月，美國開始實施一項以揭示大洋底上部地殼奧秘為目標(biāo)的長期鉆探計劃——“深海鉆探計劃”（DSDP），此項計劃，采用“格洛瑪·挑戰(zhàn)者號”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，該計劃在世界各大洋完成鉆孔，取得總計長度超過9500米的巖心。

1968年，DSDP在橫越大西洋中脊總長64000公里的范圍內(nèi)，布置了39個鉆孔鉆取巖心。鉆探取樣經(jīng)測試表明，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海底的年齡，可求出這一點的擴張速度：自8000萬年以來，鉆孔海底曾以每年兩厘米的速度均勻地擴張著。

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，表明洋底確實在不斷地生長更新。通過對取出的巖心進行分析，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驗證了大洋和大陸板塊間的相對水平運動。DSDP在印度洋取樣測定表明，印度洋板塊在晚白堊世、始新世末（3650～6500萬年前）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6500萬年中向北移動了4500公里。板塊碰撞時，印度洋板塊插入歐亞板塊之下并向北強烈推擠，強大的力量使歐亞板塊前緣隆起成山，2500萬年前喜馬拉雅山開始形成。通過深海鉆探不僅驗證了海底擴張說和板塊構(gòu)造說，而且大手筆地描摹出物質(zhì)在全球規(guī)模上的動態(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)說之父"——魏格納。

鉆探有什么科學(xué)意義

世界上第一個科學(xué)鉆探計劃是美國的“莫霍鉆探計劃”，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），實現(xiàn)地學(xué)研究的重大突破。但開工不久，該計劃就因為技術(shù)和資金等方面的問題，只在海底鉆進了315米后便草草收場。此后的1966年6月，美國又開始實施著名的DSDP，此項計劃一雪前恥，為地球科學(xué)帶來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。20世紀(jì)70年代，前蘇聯(lián)等國家相繼開始進行大陸科學(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深部實驗室（觀測站）。

來自“科拉超級鉆”的資料，使以往被廣泛認(rèn)知的學(xué)說受到懷疑，比如地殼均衡說，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，康拉德面始終不見蹤影。除了一系列地質(zhì)學(xué)的勘探結(jié)果，科拉超級鉆還帶來了許多可觀的資源，比如，當(dāng)鉆探深度超過9500米后，獲得的地層巖心金含量高達(dá)每噸80克，而當(dāng)時在地球表層很少能找到超過每噸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，大陸科學(xué)鉆探始于20世紀(jì)90年代。1996年，我國加入了國際大陸科學(xué)鉆探委員會（ICDP），并先后在松遼盆地、江蘇東海、云南麗江、青海湖開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，相當(dāng)不容易的。由于結(jié)晶巖石比較堅硬，鉆頭在深入地下后，平均每深入100米，溫度就會上升約1℃，要在高溫（150～400℃）、高壓（100～150MPa）狀態(tài)下進行工作，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設(shè)備都要耐高溫、耐高壓。在地表，我們看起來堅硬的鉆具，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量井深和井斜。每打三四米之后，就需要把鉆桿提上來取出巖心，再次下鉆之前，還需測量鉆孔有沒有打偏，如果偏了就得想辦法矯正。2018年，我國自主研發(fā)的萬米鉆機“地殼一號”深入7018米，是我國重大裝備技術(shù)的自主研制的新突破?！暗貧ひ惶枴弊屛覈蔀槭澜缟系谌齻€擁有實施萬米大陸鉆探計劃專用裝備和相關(guān)技術(shù)的國家。

我國地球深部探測的發(fā)展

2008年，我國開啟了為期四年的“深部探測技術(shù)與實驗研究”專項（Sinoprobe2008-2012），這是中國歷史上規(guī)模最大的地球深部探測計劃，獲得了一大批科研進展，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)我國大陸復(fù)雜巖石圈、地殼的探測技術(shù)體系等等，使得我國躋身世界深部探測大國行列。在“深部探測技術(shù)與實驗研究”專項的基礎(chǔ)上2015年原國土資源部成立了中國地球深部探測中心（SinoprobeCenter）成為中國地球深部探測與研究的基地，近年來該中心承擔(dān)了多個深部探測地調(diào)項目。

2023年5月30日，我國首個萬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鉆，這口井被命名為“深地塔科1井”，預(yù)計鉆探深度11100米，“深地塔科1井”預(yù)計穿透10多套地層，將成為我們探索地球深部的“望遠(yuǎn)鏡”。

我國地球深部探測工作起步較晚，但是，近年來深部探測工作的力度正在不斷加大，在地球化學(xué)、大地電磁觀測、科學(xué)鉆探等領(lǐng)域也逐漸形成了自己的優(yōu)勢領(lǐng)域。

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作者：朱新娜 科普作者，獨立圖書策劃人，北京優(yōu)秀閱讀推廣人

審核：張玉修，中國科學(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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