揭开地壳探秘

杨阳

尽管人们已经有能力在另一个星球上着陆，但是对于脚下地球的内部结构，人们还知之甚少。地球内部究竟是一个怎样的世界？是否真如科幻作家儒勒·凡尔纳《地心游记》所描述的模样？近日，由美国、英国、中国等12国科学家组成的团队登上美国“决心”号钻探船，开始在印度洋进行打穿地球壳幔边界的第一次大洋钻探。这是人类历史上首次打穿地壳与地幔的边界。这项科研活动将有望深入地壳与地幔的分界面，看到人类从未见过的地球内部面貌。

地球深处的秘密

地球内部由地壳、地幔和地核3个圈层组成。时至今日，人类之所以对地球内部的世界知之甚少，是因为人类想要穿透地壳并不是一件容易的事。

地幔堪称最大的“地球化学储库”，但迄今，人类尚未能直接从地幔取样，因此对其知之甚少。目前，“决心”号钻探船正在西南印度洋中脊海域开展大洋钻探，最终目标就是钻穿地壳，“触摸”地幔。

神秘而庞大的地幔充满了许多未解之谜。在2013～2023年的国际大洋发现计划提出的科学挑战中，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。

20世纪60年代以来，板块构造学说的确立，使得地球表面看似分布无序的高山深海变得有条有理。在太阳系中，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”。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，仍需要各国科学家凝心聚智，共同寻求答案。半个多世纪以来，全世界的地球科学家从未放弃过探寻莫霍面、“触摸 ”地幔的科学梦想。

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莫霍面

莫霍面是以克罗地亚地震学家莫霍洛维奇命名的地壳与地幔的分界面，在地质科学界一直是神秘的存在。科学家只能够通过一些间接手段、模拟实验和复杂的计算，推测其物质组成。通过钻探获取的岩芯将会为我们了解地球构造循环的核心部分提供新的见解。

大洋钻探的挑战

位于南纬32度42分、东经57度17分的“亚特兰蒂斯浅滩”，虽然掩盖在一望无际的海水下700多米，但经过多年坚持不懈的研究，科学家确信这里是研究地壳与地幔转化的理想“构造窗口”。

据介绍，“决心”号抵达目标海域后，科学家已开始进行大洋钻探前的各项准备工作，包括向海里放一个声呐信号装置，以使船舶保持动力定位;向海里放一个水下摄像机，以寻找合适的岩石安装钻孔重返系统。钻孔重返系统能定位钻孔，并能使钻头离开后重返钻孔，是开展钻探前的重要一步。根据计划，“决心”号将首先使用旋转式岩芯取样器钻220米深，然后进行井下测量和监测。从井下220米开始连续钻取岩芯，并尽可能地向下深钻，计划钻到1300米。

地壳内的温度随深度增加，有数据显示，每深入100米温度就会升高1℃。近年的钻探结果表明，在深达3000米以上时，每深入100米温度就会升高2.5℃。越往深处钻探，不仅温度升高，而且周围岩石的压力也会增大，你可以想象把手插进米缸里，越往下周围的米对手的压力会越大。对于钻探装备来说，这是一个极具难度的挑战。这次的大洋钻探项目是要钻探至地壳和地幔之间的莫霍面。这次钻探与石油钻探原理大致相似，不同的是要取得岩芯样品，而且是在硬岩中打入到1300米的深处。

“决心”号从“亚特兰蒂斯浅滩”钻取的岩芯是深入了解地球历史的珍贵“档案”。由于岩芯是一个“有生命的材料”，它们的自然特性每时每刻都会随着周边环境的变化而变化。“决心”号上有12个实验室，装备了多种先进的实验仪器，将在第一时间对采上来的岩芯进行快速、复杂、全面的“体检”，同时还将组织科学家在现场对岩芯进行记录和描述。

通过本次科考，人类能第一次直观地了解壳幔边界的岩石形态，甚至可以对地球演化发展有新的认识。另外，可以了解大洋中脊和地幔的接触关系，进一步了解地球的板块构造和海洋扩张，而且还能看看那个深度的岩石里有没有微生物，调查地球深处的生命活动。这一切无论是对地球还是人类自身的认识，都有重大的意义。

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为什么在洋底

而不是在陆地上钻井？

在洋底而不是在陆地上钻井，原因很简单：洋底的地壳比陆地的地壳薄得多。在大陆上挖一口贯穿地壳的井，需要向下挖30千米～50千米。如果你把地点选在了喜马拉雅山脉附近，你可能需要挖80千米。即便只有30千米，目前的钻井技术也很难满足要求。井挖得越深，对钻杆的要求就相应提高;而钻头将无法抵御地壳深处的高温。如果在洋底挖同样的一口井，只要挖大约5000米，就可以抵达地幔。

1992年，美国哥伦比亚大学的地质学家迈克尔帕蒂曾经提出了一个理论，认为洋底地壳如果形成的速度较快，那么那里的地壳就比较薄。而一个较薄的地壳，也就意味着科学家可以相对容易地钻到地幔。通过测量洋底的磁场分布，科学家可以找出哪些地区的地壳形成速度更快。在过去的岁月中，地球的磁场曾经发生过多次倒转。科学家已经整理出了一份磁场倒转的时间表。当岩浆从地幔上涌，逐渐冷却形成新的地壳时，它会记录下当时的地球磁场的方向，就像一枚枚凝固在岩石中的指南针。不断向外扩张的洋底地壳就成为了一条记录地球磁场变化的磁带。通过对照磁场倒转的时间表，科学家就可以发现哪些地点地壳扩张的速度更快。

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为何选择“亚特兰蒂斯浅滩”？

与全球其他地区相比，“亚特兰蒂斯浅滩”究竟有何特殊之处？“决心”号为何要不远万里来到这片海域开展工作呢？因为地球大陆地壳的平均厚度大约有40千米，大洋地壳的厚度约为5千米～10千米，而“亚特兰蒂斯浅滩”的地壳厚度更薄，仅为3000米左右。国家地震局地质所研究员陈九辉认为，在大洋地壳中钻孔会更容易，可能会真正看到莫霍面的样子。但他也指出，“亚特兰蒂斯浅滩”是一个特殊的地区，要想把这里的研究扩展到对全球地质构造的认识还很难，因为全球的地质状况比这个地区要复杂很多，一些地区可能经过长期的地质变化，比一些新生区域要复杂。

【责任编辑】蒲  晖