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地球最深鉆孔似地獄入口:大國之間的地球鉆探競(jìng)賽
查字典地理網(wǎng) 來源|2020-01-07 發(fā)表|教學(xué)分類:地理科普

地理學(xué)習(xí)

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北京時(shí)間1月6日消息,據(jù)國外媒體報(bào)道,在冷戰(zhàn)期間,美國和蘇聯(lián)都制定了雄心勃勃的鉆探計(jì)劃,試圖穿過地殼,接近地球中心。

湖泊、森林、霧氣和積雪,在俄羅斯位于北極圈深處的科拉半島上,一切看起來就像是童話故事里的場(chǎng)景。然而,在這片自然美景中,卻矗立著一座蘇聯(lián)科學(xué)研究站的廢墟。在這棟搖搖欲墜的建筑中間,混凝土地板上嵌著一個(gè)沉甸甸、銹跡斑斑的金屬帽,由一圈同樣銹跡斑斑的金屬螺栓固定著。

一些人說,這里是地獄的入口。這就是科拉超深鉆孔(Kola Superdeep Borehole),地球上最深的人造洞,也是到達(dá)地球最深處的人造物。這座建筑深達(dá)12.2公里,以至于當(dāng)?shù)厝税l(fā)誓稱,你可以聽到在地獄里受刑的靈魂的尖叫聲。蘇聯(lián)人花了將近20年的時(shí)間才鉆到這么深的地方,但當(dāng)這個(gè)項(xiàng)目在蘇聯(lián)解體后戛然而止時(shí),鉆頭才鉆到地殼到地幔距離的三分之一處。

蘇聯(lián)的超深鉆孔并非個(gè)例。冷戰(zhàn)時(shí)期,超級(jí)大國之間展開了一場(chǎng)競(jìng)賽,都想要盡可能地深入地殼,甚至到達(dá)地幔。

現(xiàn)在,日本人也想試一試。國際大陸科學(xué)鉆探計(jì)劃(ICDP)的烏利?哈姆斯說:“鉆探開始的時(shí)間正好處于鐵幕時(shí)代?!碑?dāng)時(shí)哈姆斯還是一位年輕的科學(xué)家,參與了德國的超深鉆孔項(xiàng)目。“我們之間肯定存在競(jìng)爭(zhēng)。其中一個(gè)主要的動(dòng)機(jī)是,俄羅斯人并沒有真正公開他們的數(shù)據(jù),”哈姆斯說,“當(dāng)俄羅斯人開始鉆探時(shí),他們聲稱發(fā)現(xiàn)了自由水——但大多數(shù)科學(xué)家根本不相信這一點(diǎn)。過去,西方科學(xué)家普遍認(rèn)為,在地下5公里處,地殼密度非常大,水無法滲透到那里。”

“(新)項(xiàng)目的最終目標(biāo)是獲得目前活躍的地幔實(shí)際樣品,”日本海洋研究開發(fā)機(jī)構(gòu)的項(xiàng)目經(jīng)理肖恩·托茲科說,“在阿曼這樣的地方,你可以找到接近地表的地幔,但那是數(shù)百萬年前的地幔。這就相當(dāng)于活恐龍和恐龍骨骼化石的區(qū)別?!?/p>

如果將地球比作一個(gè)洋蔥,那么地殼就像洋蔥的薄皮,它只有40公里厚。地殼下方是2900公里深的地幔,再往下便是地球的中心——地核。

就像太空競(jìng)賽一樣,探索未知“深度邊疆”的競(jìng)賽展示了工程能力和前沿技術(shù),以及某種“正確的東西”??茖W(xué)家們要前往從來沒有人去過的地方。這些超深鉆孔所能提供的巖石樣本對(duì)科學(xué)的重要性,可能不亞于美國宇航員從月球上帶回的任何東西。唯一的不同是,這次美國人沒有贏得比賽。事實(shí)上,也沒有人真正獲勝。

在探索“深度邊疆”的競(jìng)賽中,美國進(jìn)行了第一次預(yù)演。20世紀(jì)50年代末,美國百科學(xué)會(huì)提出了第一個(gè)深入研究地幔的嚴(yán)肅計(jì)劃。這是一個(gè)非正式團(tuán)體,由美國科學(xué)界的領(lǐng)軍人物組成。他們將這一鉆過地殼直達(dá)地幔的計(jì)劃稱為“莫霍計(jì)劃”(Project Mohole),以提出莫霍不連續(xù)面的克羅地亞地震學(xué)家安德里亞·莫霍羅維奇的名字命名。

美國人并沒有鉆一個(gè)很深很深的洞,而是決定在墨西哥瓜達(dá)盧佩附近的太平洋海底進(jìn)行鉆探。在海底鉆探的好處是那里的地殼比較薄,而缺點(diǎn)是地殼最薄的地方通常是海洋最深的地方。

蘇聯(lián)于1970年開始在北極圈進(jìn)行鉆探。1990年,德國大陸深層鉆探計(jì)劃(KTB)在巴伐利亞州啟動(dòng),最終鉆探深度達(dá)到9公里。

與登月任務(wù)一樣,超深鉆探所需的技術(shù)必須從頭開始摸索。1961年,當(dāng)莫霍計(jì)劃開始在海床上鉆探時(shí),石油和天然氣的深海鉆探還未出現(xiàn)。當(dāng)時(shí)還沒有發(fā)明出諸如動(dòng)態(tài)定位等關(guān)鍵的技術(shù)。在石油深海鉆探中,這種技術(shù)可以使鉆探船停留在油井上方的位置。于是,工程師們不得不臨時(shí)想辦法。他們?cè)阢@探船的兩側(cè)安裝了一套螺旋槳系統(tǒng),使船在鉆孔上方保持穩(wěn)定。

德國工程師面臨的最大挑戰(zhàn)之一,是如何鉆一個(gè)盡可能垂直的洞。他們當(dāng)時(shí)提出的解決方案,現(xiàn)在已成為世界油氣田的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)。

“根據(jù)俄羅斯人的經(jīng)驗(yàn),你必須盡可能垂直鉆探,否則就會(huì)加大鉆機(jī)的扭矩,造成孔內(nèi)扭結(jié),”烏利?哈姆斯說,“解決辦法是開發(fā)垂直鉆井系統(tǒng)。”現(xiàn)在這已經(jīng)是一個(gè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),但它們最初是為大陸深層鉆探計(jì)劃開發(fā)的。該系統(tǒng)直到鉆探深度達(dá)7.5公里還能奏效,但在最后的1.5至 2公里,這個(gè)洞偏離了垂直線將近200米。

“上世紀(jì)90年代初或80年代末,當(dāng)俄羅斯變得更加開放,并愿意與西方合作時(shí),我們?cè)噲D利用一些俄羅斯的技術(shù),”哈姆斯補(bǔ)充道,“不幸的是,我們無法及時(shí)得到相關(guān)設(shè)備?!?/p>

最終,所有這些探險(xiǎn)都以某種程度的挫折告終。有的在起步時(shí)就遭遇阻礙,有的則是鉆探機(jī)器在地下深處遭遇高溫,加上成本和政治因素,所有這些都讓科學(xué)家的夢(mèng)想破滅。他們都想要鉆得更深,并打破最深洞的記錄。

在尼爾·阿姆斯特朗登上月球的兩年前,由于成本開始失控,美國國會(huì)取消了對(duì)莫霍計(jì)劃的資助??茖W(xué)家開采出來那幾米厚的玄武巖,以今天的貨幣計(jì)算,大約花費(fèi)了4000萬美元。

接下來就輪到科拉超深鉆孔了。1992年,當(dāng)溫度達(dá)到180攝氏度時(shí),鉆探停止了。這個(gè)溫度是原先估計(jì)值的兩倍,再往深處鉆是不可能的。蘇聯(lián)解體后,再?zèng)]有資金來資助這些項(xiàng)目;三年后,整個(gè)設(shè)施被關(guān)閉。如今,這個(gè)荒涼的地方成了喜歡冒險(xiǎn)的游客的目的地。

德國的超深鉆孔沒有像其他項(xiàng)目那樣遭遇厄運(yùn)。巨大的鉆機(jī)仍然在那里,今天已成為旅游景點(diǎn)。這個(gè)地方實(shí)際上已經(jīng)變成了地球的觀測(cè)臺(tái),甚至是一個(gè)藝術(shù)畫廊。

當(dāng)荷蘭藝術(shù)家洛蒂·吉文將帶隔熱罩的麥克風(fēng)放入德國的超深鉆孔時(shí),麥克風(fēng)接收到了一種低沉的隆隆聲,科學(xué)家也無法做出解釋。這種隆隆聲讓她“覺得自己非常渺小”。她說:“這是我生命中第一次看到這個(gè)我們賴以生存的大球活了過來,它的聲音讓人難以忘懷。有些人認(rèn)為,這聽起來就像地獄,也有人以為,他們聽到的是地球的呼吸?!?/p>

哈姆斯表示,當(dāng)時(shí)德國的計(jì)劃是比蘇聯(lián)鉆得更深,但當(dāng)時(shí)他們甚至還沒有達(dá)到預(yù)期的10公里深度?!拔覀冦@探的地方比俄國人的鉆孔要熱得多。很明顯,要想再深入下去,難度要大得多,”他說,“當(dāng)時(shí)正是20世紀(jì)90年代初的德國,沒有很好的理由來籌集進(jìn)一步推進(jìn)計(jì)劃的額外資金,因?yàn)榈聡慕y(tǒng)一耗資太大了?!?/p>

奔向地幔的競(jìng)賽似乎就是著名小說《地心之旅》的升級(jí)版,這種感覺很難擺脫。雖然科學(xué)家們并不期望找到一個(gè)藏有恐龍的洞穴,但他們確實(shí)把深度鉆探的計(jì)劃描述為“探險(xiǎn)”。“我們認(rèn)為這是一次探險(xiǎn),因?yàn)樵跍?zhǔn)備和執(zhí)行過程中確實(shí)花了一些時(shí)間,而且你真的要進(jìn)入無人地帶,那里從來沒有人去過,這在今天看來真的很不尋常?!惫匪拐f,“你總會(huì)在那里發(fā)現(xiàn)一些讓你感到驚訝的東西,尤其是當(dāng)你深入地殼深處的時(shí)候。

當(dāng)我們談?wù)摰聡箨懮顚鱼@探計(jì)劃或科拉超深鉆孔時(shí),需要了解的一點(diǎn)是,這些計(jì)劃背后的理論在鉆探開始時(shí)已經(jīng)有30至40年的歷史了。

這些任務(wù)的意義在于,它們就像是行星探索,它們是純粹的科學(xué)事業(yè),你永遠(yuǎn)不知道你會(huì)發(fā)現(xiàn)什么。在1256號(hào)孔[由深海鉆探項(xiàng)目(DSDP)和海洋鉆探項(xiàng)目(ODP)鉆探的一個(gè)孔],我們第一次看到了完整的海洋地殼。以前沒有人到過那里。這真的很令人興奮,總是會(huì)有驚喜出現(xiàn)。

今天,“從莫霍界面到地幔”(M2M-MoHole to Mantle)計(jì)劃是國際海洋發(fā)現(xiàn)計(jì)劃(IODP)最重要的組成部分之一。和最初的莫霍計(jì)劃一樣,科學(xué)家們計(jì)劃在地殼只有6公里深的海床上鉆孔。這個(gè)超深鉆探項(xiàng)目將耗資10億美元,其目標(biāo)是在人類歷史上首次獲取原位的地幔巖石。達(dá)蒙?蒂格爾也參與了該項(xiàng)目,他說:“這將是一項(xiàng)了不起的任務(wù),需要日本做出巨大承諾?!?/p>

地球號(hào)(Chikyū)是日本建造的世界最大深海鉆探船,建于大約20年前,排水量達(dá)到59500噸。利用全球定位系統(tǒng)系統(tǒng)和6架可調(diào)計(jì)算機(jī)控制的飛機(jī),地球號(hào)可以使船體位置的變化幅度僅為50厘米。

“我們的想法是,這艘船將接過火炬,繼續(xù)50年前啟動(dòng)的莫霍計(jì)劃,”日本海洋研究開發(fā)機(jī)構(gòu)的肖恩·托茲科說,“超深鉆孔在研究厚大陸地殼方面取得了很大進(jìn)展,我們要做的是找出更多關(guān)于地殼-地幔邊界的信息。

目前主要的難點(diǎn)在于如何選擇鉆探點(diǎn),已有的三個(gè)候選站點(diǎn)分別位于哥斯達(dá)黎加海域、墨西哥巴哈海域和夏威夷。每一個(gè)鉆井點(diǎn)都需要在海洋深度、與鉆井點(diǎn)的距離以及是否需要在岸上建立基地之間做出妥協(xié)?!盎A(chǔ)設(shè)施可以建設(shè),但這需要時(shí)間和金錢,”托茲科補(bǔ)充道。

哈姆斯表示,超深鉆探最終確實(shí)可以歸結(jié)為一個(gè)成本問題,“這些探險(xiǎn)活動(dòng)非常昂貴,因此很難重復(fù)。它們的成本可能高達(dá)數(shù)億歐元,其中只有一小部分將用于地球科學(xué),其余部分將用于技術(shù)開發(fā),當(dāng)然還有維持運(yùn)營。我們需要懂得鼓舞人心的政治家來宣揚(yáng)這些探險(xiǎn)的價(jià)值?!保ㄈ翁欤?/p>

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