“地心”之旅:从科幻到现实

在外太空,人类已经到达了月球,并且计划登陆火星,但是,当科学探索转移到我们脚下的地球内部时,我们仅仅是“抓挠”了地球的“皮肤”而已。

人类的征途不仅是星辰大海,还有探索通向地球深处的隧道。在外太空,人类已经到达了月球,并且计划登陆火星,但是,当科学探索转移到我们脚下的地球内部时,我们仅仅是“抓挠”了地球的“皮肤”而已。迄今为止,我们的钻头最深只能钻到脚下12千米的地方,这只不过地球半径的0.2%。

“地心”之旅:从科幻到现实

千百年来,我们一直对脚下的未知世界迷惑不已,相关传说也层出不穷。

古希腊哲学家柏拉图就描绘了一个神秘古老的大西洲,居住其上的亚特兰蒂斯人预感到一场灾难将彻底毁灭他们的文明,于是,事先开凿了两条通往非洲和美洲的地下长廊。当大西洲沉入海底时,他们通过这两条通道进行疏散,而其中一些人就一直生活在地心之中。

17世纪,一些著名学者如开普勒、伽利略等人已经为现代天文学奠定了基础,但对于地球内部的认识,却依然停留在中世纪的神话和想象中。甚至认为地球是一个有巨大洞穴的世界,地球的中心是地狱,那是一个火焰世界;地狱的外层是炼狱,一些管道里燃烧着火,火加热了温泉,制造了火山。

迄今关于地下世界的描述,影响最为广泛的应该是科幻小说《地心游记》。这部小说首次出版于1864年,是法国科幻作家儒勒·凡尔纳的经典之作。在他的笔端,勇敢的探险家来到地球深处,遭遇火山爆发、岩浆飞溅,还看到了巨大的“地下海”以及各式各样的奇异生物……

这些对地心的想象,都认为存在着一个与地上世界不同的地下世界。而与之相对应的,就是地球“空心说”。

地球空心说认为,如果地球内部全部由实体物质构成,那么它的重量应该会比现在大得多。造成这种结果不外乎有两种情况:空心或者多孔。

不过,这种说法早就被证伪。1799年,英国科学家卡文·迪什应用万有引力定律,测出地球的平均密度为水的5.48倍,超过岩石的密度,他还提出,这个密度随着深度的增加而增加,地球中心的密度最大。

卡文·迪什的实验和理论,后来被许多人的重复测定所证实,并取得更精确的数据。现代测定的地球平均密度为5.517克/立方厘米,上部岩石圈的平均密度为2.65 克/立方厘米。如果地心是空的,地球的平均密度怎能高于岩石的密度呢?

“地心”之旅:从科幻到现实

17 世纪,英国科学家罗伯特·胡克就设想过挖掘一条穿过地核的隧道作为新的旅行方式,并致函牛顿进行讨论。但到了今天,人类进入太空乃至登陆月球都不再是梦想,“入地”却依然显得有点遥远,其主要障碍就在于“高温” 和“高压”。

一般估计,地幔与地核界面的温度约在3700℃,内核温度约在4000℃至4500℃之间。地球内部的压强也随着深度增加而增大。地球从表面到核心,愈往深处去,压在单位面积上的物质就愈多,因而压力就愈大。在地壳下面大约有900万百帕(9000个大气压),到地球中心则达到36亿百帕。

因此,在地球内部,我们设想应该是一个高温、高压的环境;就物质形态而言,应该是熔融状态。但是,强大的压力使它们大部分仍然是固体的状态,同时具有一定的可塑性,可以慢慢流动。

迄今为止,人类对地球内部的探索研究,一种形式是做“CT”。科学家在地上制造的地震波会沿地下传播,而当地震波碰到不同地质体时就会反射回来,仪器接收到反射信号,经过处理以后得到图像。由于不同深度和岩石性质反射的波是不同的,通过分析反射,科学家就能大体判断地球深部的构造。

1909年,南斯拉夫地震学家莫霍洛维奇在一次大地震中,首先记录到震波在地下43—44公里处传播速度突然降低。显然,在这个深度以下,地球内部的物质组成、物理和化学性质发生了变化。人们把这个交界面称为“莫霍”面。

1914年,美国地球物理学家古登堡又测出地下2898公里处,纵波速度突然降低,横波完全消失了,显然,地球更深的内部结构又发生了重大变化,人们把这个交界面称为“古登堡”面。后来,人们根据这两个面,把地球分为地壳、地幔和地核三个圈层。

莫霍面以上是地壳,它的厚度有15—70公里。莫霍面和古登堡面之间是地幔,它的厚度有2850多公里。古登堡面以下至地心是地核,半径约有3450公里,分为内核和外核两部分。

目前,人们对地核的认识还不清楚。大多数地学家这样猜测:外核可能具有液态性质;内核温度很高,密度很大,可能是由铁镍等元素组成。但由于技术条件所限,目前人类对地心结构、物质构成的论断大多还只是猜测,很少能拿到第一手的实物样本。

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经由CT获取的认知,毕竟仍然是间接的。随着科学技术的发展,国际社会开始纷纷建造伸入地球内部的“望远镜”,即开展大陆科学钻探工程。但就当前的实际科技水平来说,人类至今还只是钻进地壳,尚未进入地幔圈层中。

地壳是地球最外面薄薄的一层,而从地壳层较薄的大洋(平均厚度5-7公里)钻探,比从大陆地壳(平均厚度12-17公里)钻探要容易得多。因此,20世纪中期美国科学家倡议,利用深海钻探在地壳最薄的地方打穿莫霍面,以研究地球的年龄、地幔的物质组成和内部作用,这就是“莫霍计划”。

1968年,美国使用深海钻探船“格罗玛·挑战者号”开始深海钻探计划,该计划完成钻探站位624个,实际钻井逾千口,回收岩心9.5万多米。最深海底钻井达1741米。

此后,世界各国兴起了一轮海洋钻探热潮。海洋钻探获得了大量研究成果,证实了海底扩张,建立了板块学说,还建立起古海洋学这样的新学科。

不过,在冷战背景下开展的“莫霍计划”后来由于资金缺乏而被迫中断。2012年7月,美国、日本和德国的科学家们打算继续中断的莫霍钻探,重新开启地下之旅,这就是“新莫霍计划”。科学家们准备花费10亿美元和10多年的时间来做这个工程。

虽然资金需求大、技术难度仍然非常高,但科学家们认为这些投入非常值得。如果能够抵达莫霍面,人类可以加深对地幔的认识。

地幔是地球内部体积、质量最大的地质层,而且它涉及地球本身的演化和起源问题,但我们对地幔的了解却很少,原因就是我们无法获得纯净的地幔岩石样品。一件原始纯净的地幔样品将会是一个珍贵的宝物,就像阿波罗计划带回的月球岩石一样。所以科学家又将该计划称之为“地质学上的登月”。

不过,这个计划也引起了很多地质学家的担忧,因为钻探点选择在地壳厚度最薄的地方,这里同时也是地震以及火山活动最为活跃的区域,如果有什么没有预料到的因素存在,钻探可能会引发一系列的灾难,板块之间的摩擦有可能会骤然减小,以此引发的人工地震或许会造成比2004 年印度洋海啸更具破坏力的巨大波浪。

“地心”之旅:从科幻到现实

与大洋钻探相比,大陆科学钻探起步要晚一些。在俄罗斯科拉半岛上,至今还遗留着一个废弃的科学研究工作站。在冷战期间,苏联科学家在那里钻了一个目前世界上最深的科研钻井——深达12262米“科拉超深钻井”。

科拉半岛位于苏联西北端,大部分处于北极圈内。苏联之所以把超深钻定位这里,是因为科拉半岛上地层古老,具有鲜明的地质意义。钻探于1970年开钻。直到7000米深钻井过程都相对平稳,但随着深度加深,钻探过程变得复杂起来。

因为随着向地心掘进,必须维持钻井的垂直度和稳定性。而且,在几千米的地下深处,所遭遇的岩层非常坚硬,即便是特殊材质的钻头也要经常更换,每向下钻探一米,都要付出沉重的代价。

到1983年,该井的钻探深度已经达到了12000米,而最后的262米花了整整十年。尽管没有完成预期的15000米钻进目标,但12000米的科拉超深钻本身就是人类的一项壮举,它的深度保持了20年领先纪录,直到2008年才被卡塔尔的一口石油钻井打破(注:阿肖辛油井12289米)。不过,迄今为止,世界上超过8000米的科研钻井,仍只有科拉超深钻井与德国的KTB钻井(9101米)。

21世纪初,由于财政困难及缺乏国家支持,“科拉超深钻井”项目被决定彻底关闭。

这口井不仅深度创造了世界纪录,而且有许多有价值的发现。据悉,通过对地下深层地幔地壳变化规律的研究,推翻了许多原来无法证实的推论。如发现地层7公里以下全是花岗岩,从而否定了以往科学家们认为7公里以下是液体岩石的推论;首次在1000米以下深度发现了金矿。地热资源方面,发现地下12公里处温度高达2300℃,越往下温度越高;在深处还发现含有大量的天然气。研究还发现,科拉半岛地下岩芯的成分与月球土壤的成分极其相近

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