深海钻探知多少

刘素蓉

对于难以看到的地下深处，人类能否插入像望远镜那样的设备进行眺望呢？

从2003年10月开始，大洋钻探计划进入了为期10年的国际大洋钻探计划新阶段。美国、日本等发达国家以每年几亿美元的投入向深海地幔进军。

日本“地球号”

不过，由于技术的不可逾越性，10年的“国际大洋钻探计划”在结束时还存留着大量的研究项目无法实施，为此，科学界对2013～2023年开展的“国际大洋发现计划”新阶段充满了期待。我们以日本的“地球号”为例，先来看看人类曾为钻穿地幔做出过什么样的努力吧。

“地球号”上的大型停机坪

凿穿海底地下7千米

地球深海科学钻探船“地球号”建造于2005年7月，总排水量5.75万吨，是长210米、宽38米的大型船舶。该钻探船的最大乘员数为150人，船上安装了各种高科技钻探设备，是世界上首次安装了立管式钻探系统的科学钻探船，可以在地幔以及大地震发生区域进行高深度钻探作业。

“地球号”的大型钻头

在此之前，海底钻探船舶只能探到海底地下2111米，这样的钻探能力是到达不了地球地幔的。而日本“地球号”的钻探深度达到了此前人类在中美洲哥斯达黎加海底地下钻探深度的3.5倍。“地球号”钻探船可以在2500米（将来可达4000米）深的海底地下钻探，其钻头可以由海沟裂缝钻入地壳达7000米处并进入地幔。其钻杆采用立管式钻探系统，长度相当于美国纽约帝国大厦高度的5倍。

“地球号”钻探示意图

对于渴望了解“地球更深处是什么“的科学家来说，有了这艘能力强大的船舶，就可以“随心所欲”地提取到地球不同深度的样本，并当场在船上进行分析，了解地球各个断层的情况、生命状态和可利用矿物质成分等。该船拥有占地面积近2300平方米的4层实验室，可进行沉积学、岩石学、古生物学、地球化学、地球物理学等方面的研究，对于安放地震侦测器和收集地震成因资料有很大帮助，同时还能探勘海底资源。

那么，“地球号”是如何钻探到海底地下几千米深的呢？

首先，为了让漂浮在海面上的船舶顺利作业，必须让船身保持一个恒定的位置。因为，在汹涌的大海中只要船位稍有偏离，连接船只和钻头的钻管就会折断。除了利用全球定位系统（GPS）自动测位，“地球号”还采用了一个重要的动态定位系统技术进行测位——即利用投掷在海底的声波收发器进行声波信号测位。

岩芯采样被送至船上后，科学家必须尽快进行研究和分析

该船将一个声波收发器投入海底，并在船身上安装了4个接收装置。声波收发器不断从海底发出声波信号，船上的4个接收装置根据声波收发器传递的数据，自动完成三角测量，并定出保持船位不变所需的方向和距离。同时，计算机将数据传送给安装在船底的6个360度旋转式推进器，随即推进器开始工作，其产生的力量能够自动校正并调整该船的位置，使该船可以一直维持在钻孔的上方，确保船位的固定。该系统可以确保在浪高几米的海况下，或风力大作的情况下，船位不出现丝毫偏差。

从海底地层中取出的岩芯样本

稳固了“地球号”的位置之后，就可以进行钻探作业了。从漂浮于茫茫大海的船上，伸出几千米长的钻管，穿过海水找到确定的洋底位置，向下钻进千余米深的孔，再把孔里的岩芯取样到船上，这一看似简单的大洋钻探过程实则难度极大。

探索地底更深处

为了进一步增加钻探深度，“地球号”钻探船采用了重达380吨的“立管钻探系统”（在石油、天然气钻探中表现得卓有成效）。这与以往的钻探船有所不同，原来的钻探船只单纯采用钻管进行简单的钻探，钻探深度最多只能达到海底地下2000米，且钻管周围的孔壁很容易坍塌。

为了解决这一问题，“地球号”与海底之间用大口径的井管连接，并采用约6层办公大楼高的套筒（防爆装置）保护井口。

基本原理是：将一根根钻管连接起来延伸到海底，在钻管的前段安装大型的钻头。一旦钻头接触到海底，就让其旋转并开始钻探。“地球号”使用的钻管每根长9.5米，随时配备1000根以上，即可抵达距海面约1万米的海底地下。不过，随着钻探的不断加深，船上要反复连接新的钻管推进钻探。考虑到有时会中断钻探作业，或仅是为了确保钻探不走形，钻头外层除了包裹有套筒，内部还装有减震化学泥和排气管，钻探时一旦遇到石油或者地壳中温度过高的岩石，套筒可以起到保护钻头的作用。与此同时，这个保护装置还可以预防船只受到逃逸气体如甲烷气体与高压液体喷发造成的灾难性爆炸与大火等伤害（如果气体冲出并上升，将足以冲翻船只并致使船只沉没），也使得每次采集的岩芯样本可以安全回收。

美国“决心号”

将钻管推进后，还需通过泥水循环进行钻探。所谓泥水循环是指采用由海水或船上的淡水与减震化学泥混合而制成的泥水，不断在船只与采掘点之间循环。钻探不断加深，会导致岩石摩擦发热、温度过高，泥水正好成了保护钻头的冷却剂。另外，黏土的微粒状附着在孔壁，可以固化孔壁，防止钻孔因地层压力而坍塌。

“决心号”拍摄到的印度洋海底图像

通过钻探，从海底地层中取出由沉积物或岩石等组成的圆柱形岩芯（直径7～8厘米），并对其进行测量和成分分析，从而阐明过去在地球上发生的各种现象。岩芯采样以9米长为1个单位，在采样至船上后立即送到研究区，被切成根，每段长1.5米。在进行X射线检测、CT扫描或物理测量等非破坏性检查后，对其中一根进行竖向剖开，用于研究及成分分析，其他的样品则被保存起来供将来研究。

总之，岩芯是有“生命力”的东西，被从海底地壳拖到船上的岩芯，且不说温度、压力的变化，即使接触到空气中的氧，其中的成分和物质性质都会很快发生变化。所以，科学家必须尽快进行研究和分析。研究区设有调查微生物的实验室和古地磁的实验室等。为了不受现场地磁场和船体磁场的影响，古地磁实验室完全被磁屏蔽。所有分析数据都存入计算机。在船上经过初步研究、分析后，岩芯将被送到陆地的研究中心冷藏保存。

美国“决心号”计划图

最新进展：美国“决心号”，打穿地壳地幔边界

2015年12月2日，由12个国家的科学家组成的超强阵容科考队登上了美国“决心号”大海钻探船，计划奔赴西南印度洋中脊“亚特兰蒂斯浅滩”，开展海底地下钻探，预计“刺穿”地壳和地幔之间的边界。完成该项目预计得花费数年时间，将通过检测岩芯样本探明那里是否有生命迹象。科考队从海底地下一点一点打入地球内部，采掘地幔岩石样本，探寻着地球深处的秘密，他们期待了解神秘的地球内部究竟是怎样的，甚至揭示生命的存在。

20世纪中叶，在大洋中钻探还是一件非常有难度的事情，比如，钻探需要把船固定到一个地方。1997年，科学家们也曾在亚特兰蒂斯浅滩打过孔，取得过一些预期成效，比如，获得了很长的辉长岩剖面。然而好不容易打到海底以下1500米左右的时候，海面狂风大作，海浪导致钻探船颠簸不已，为了解决船只颠簸可能造成钻管折断、堵塞钻孔，甚至翻船等情况的发生，这次尝试不得不终止。

之所以研究亚特兰蒂斯浅滩，是因为这里的地壳较薄，相对容易达到地幔。而且这里从地幔溢出的岩浆量较少，意味着这里的硬岩不多，容易取得突破。此外，这里已经进行了很多研究，资料丰富。可以说，亚特兰蒂斯浅滩是一处研究地球壳幔转化的理想构造窗口。

钻探的第一阶段，从2015年12月开始一直持续到2016年1月。2015年12月18日，“决心号”到达钻探地点后，科学家就开始在海底架设设备开始钻探，计划将钻探深度达到海底地壳下方1500～2000米。

钻探的第二阶段，计划钻探深度为4000米。并且希望留下一个能反复进入、且能在今后的钻探过程中不断加深的孔。如果一切顺利，钻探就可以进入第三个阶段，也就是最后一个阶段，即配合日本“地球号”钻探船，沿着这个孔一鼓作气地钻探下去，打到5000～6000米的深度，达到地震边界莫霍面，最终打穿地壳和地幔的边界。也就是说，在目前的这个钻探点，这个边界位于海底地下5000米以下的地方，只要完成以上三个阶段就能钻穿地壳，达到地幔。

那么，什么是莫霍面是呢？莫霍面是以克罗地亚地震学家莫霍洛维奇命名的，被认为是地壳和地幔的分界面。目前，这个边界只能通过一些间接的手段（如实验模拟等）推测其物质组成。

早在1957年，美国地质学家就曾经提出“莫霍计划”，即在地球上打一口“深井”钻穿地壳，一直钻到莫霍面，取一些样品直接看看。由于地球上的洋壳比陆壳薄得多，该计划选择在深海大洋里进行。

“人类已经登上了月球，却对地球上的汪洋大海知之甚少，研究手段也非常有限。打穿洋壳进入莫霍面，是我们长久以来的梦想，我们希望了解更多发生在地壳和地幔之间的事情，以及可能存在的生命”。美国伍兹霍尔海洋研究所的亨利·迪克教授说。他认为，通过钻探获取的岩芯，会让我们更加了解地球的构造。

通过钻探获取的岩芯，会让科学家更加了解地球的构造。图为不同岩石组成的显微镜成像

为什么要研究地幔？

有人提出，壳幔边界实际上可能是海水的最低点，海水通过裂缝渗入地幔的岩石，有可能改变了岩石的组成，生成蛇纹岩，反应生成甲烷和氢气，这就有可能存在通过地壳深处的化学作用吸取能量的细菌，与太古代生命起源时期类似。如果在多国科学家鼎力合作下，发现了蛇纹岩存在于地球内部的证据，那么，生活在极端地区的生物有多少？是哪些？生活极限是什么？这些都是重要的需要回答的问题。这些发现有可能完全改变我们目前对壳幔界面的认知。

由于海底的地壳比陆地的薄，因此，在那里钻探有可能达到人类从未涉足的地幔。地壳是地球固体地表构造的最外圈层，整个地壳平均厚度约为17千米，大陆地壳的平均厚度为35千米左右。高山、高原地区的地壳更厚，最高厚度可达70千米以上;平原、盆地地区的地壳相对较薄。大洋地壳则远比大陆地壳薄，厚度只有几千米。而太平洋马里亚纳群岛的海沟，是地球上地壳最薄的地方。迄今为止，有关地幔，人类仅从因为地质构造运动或蚀变而露出地面的岩石（蛇纹岩或橄榄岩）推断前者是由非常坚硬的岩石构成的。现在，通过从海底到地幔连续开采岩芯，通过对岩芯的研究，说不定还能阐明板块构造的原动力。

什么是莫霍面？

1910年，克罗地亚地震学家莫霍洛维奇通过观测地震波在地球内部的传播情况，率先提出地壳和地幔之间存在一个不连续的分界面。人们将这一壳幔分界面称为“莫霍洛维奇不连续面”，简称“莫霍面”。在莫霍面上，地震波的传播速度骤变，说明了地壳和地幔之间的密度不同。

那么，莫霍面是怎样发现的呢？1909年，莫霍洛维奇在一次地震时发现，地震波的速度在该界面附近，纵波的速度从每秒7.0千米左右突然增加到每秒8.1千米左右;横波的速度也从每秒4.2千米突然增至每秒4.4千米。其出现的平均深度在大陆以下约32千米，海底之下约7千米。