探测地球深部,了解地下中国

发表于 2023-6-21 11:02 |
“上天、入地、下海”是人类探索自然的三大壮举。其中,“入地”的难度绝不亚于“上天”。地球深部探测已经成为地球科学发展的最后前沿之一。
20世纪以前,在地质教科书中有一种冷缩说。说的是,我们生活的地球就像一个干瘪的苹果,内部水分的蒸发使表面产生了皱纹,地球通过冷却而收缩,在它的表面形成了褶皱山脉。就像日心说一样,这种理论形象、直观、“易于理解”,因而具有广泛的影响力。
但在20世纪初,随着各种地学资料的积累和研究成果的进展,冷缩说、大洋永存说等海陆固体学说开始变得不那么可信。当时的地球物理学者普拉特、杜顿等人根据重力测定的结果,推断出海陆物质成分不同:从最厚造山带地区到最薄的一些大洋地区,地壳的厚度相差可达70多公里,他们相信一定存在一个界面,使得岩石对地幔的压力处处相等,并基于此创立了地壳均衡说。
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像其他科学一样,地质学也是在不断出现的新证据面前一步步向前推进,以致更接近原本的真实。在普拉特等人工作的基础上,德国气象学家魏格纳于1912年提出了大陆漂移说:他注意到,把现在南美大陆的东侧海岸线和非洲大陆的西侧海岸线拼合起来,两者能够很好地吻合。如果假定原来有一块巨大的“超大陆”,后来,这块“超大陆”像纸一样被撕开,各自散落在大洋的中间,东西大陆海岸线的吻合恰好可以圆满地解释它们曾经是在一起的。魏格纳旁征博引,从地质学、古生物学和古气候学等许多不同领域找到了大量证据。在《海陆的起源》中,他例举了广泛生活在日本到西班牙的一种蚯蚓,在大西洋以西却仅存于美国东部,蚯蚓不可能翻越重洋,这意味着这两个地区很可能曾经连在一起,属于同一块陆地。
尽管如此,作为气象学家,魏格纳的观点还是招来了地质学家的一片反对声。此外,大陆漂移说在解释大陆漂移的机制方面也确实存在缺陷:人们很难想象构成大陆地壳的刚性的花岗岩如何在构成海洋地壳的刚性的玄武岩上漂移。
钻探使漂移理论完胜
直到20世纪60年代,“板块构造学”的地质学理论迅速发展起来,才使得大陆漂移说得以复活。这种新的学说,将原有的漂移部分扩大到包括地壳和上地幔在内的厚度为100公里左右的一层基岩。岩石圈因密度较低,浮在地幔软流圈之上,是可以漂移的;由于温度不均,软流圈存在密度差异。要填补这种差异,软流圈就缓慢地流动起来了。地球表面分布的十几块大小不同的板块,都在地幔软流层的推动下缓慢移动,而大陆就像是浮出水面的“冰山”,随板块一起漂移。几乎与此同时,一种叫做“海洋底扩张说”的理论开始盛行,这种学说认为各大洋的洋中脊正在形成新的海底,不断地向两侧扩张。这两者很好地发展了“大陆漂移学说”。
20世纪中叶以后,越来越多的证据使得“漂移理论”焕发生机。但其真实性究竟如何还要靠“眼见为实”来定夺。于是,科学家开始寻找更为直观的证据。1966年6月,美国开始实施一项以揭示大洋底上部地壳奥秘为目标的长期钻探计划——“深海钻探计划”(DSDP),此项计划,采用“格洛玛·挑战者号”科学钻探船在世界各大洋打出1092口深度较浅的钻孔,最终,该计划在世界各大洋完成钻孔,取得总计长度超过9500米的岩心。
1968年,DSDP在横越大西洋中脊总长64000公里的范围内,布置了39个钻孔钻取岩心。钻探取样经测试表明,大洋地壳的年龄,与距洋中脊的距离呈反比。随着远离洋中脊的轴部,洋底地壳的年龄有规律地增加。根据钻孔距洋中脊轴的垂直距离和这一点海底的年龄,可求出这一点的扩张速度:自8000万年以来,钻孔海底曾以每年两厘米的速度均匀地扩张着。
深海钻探在世界各大洋中获得的最古老沉积物的年龄不超过1.7亿年。与已知的大陆最古老岩石的年龄38亿年相比,洋底地壳相当年轻,表明洋底确实在不断地生长更新。通过对取出的岩心进行分析,科学家还发现洋底的沉积厚度也随中脊轴呈现有规律的分布:在年轻的中脊顶部,沉积层的厚度较簿;而两侧,随着洋底年龄变老,沉积层逐渐加厚。
除此之外,DSDP验证了大洋和大陆板块间的相对水平运动。DSDP在印度洋取样测定表明,印度洋板块在晚白垩世、始新世末(3650~6500万年前)曾以每年10厘米的速度向北漂移,印度板块与欧亚板块相撞后,印度洋板块北移速度减至每年5厘米。在近6500万年中向北移动了4500公里。板块碰撞时,印度洋板块插入欧亚板块之下并向北强烈推挤,强大的力量使欧亚板块前缘隆起成山,2500万年前喜马拉雅山开始形成。通过深海钻探不仅验证了海底扩张说和板块构造说,而且大手笔地描摹出物质在全球规模上的动态平衡。这一结论足以告慰1930年在科学考察中遇难于格陵兰岛的"大陆漂移学说之父"——魏格纳。
钻探有什么科学意义
世界上第一个科学钻探计划是美国的“莫霍钻探计划”,始于20世纪50年代,目的是要钻透莫霍面(地壳和地幔的界面),实现地学研究的重大突破。但开工不久,该计划就因为技术和资金等方面的问题,只在海底钻进了315米后便草草收场。此后的1966年6月,美国又开始实施著名的DSDP,此项计划一雪前耻,为地球科学带来一波又一波的重大突破。
相比海洋钻探,大陆科学钻探要略晚一点。20世纪70年代,前苏联等国家相继开始进行大陆科学钻探,其中位于科拉半岛的科拉超深钻孔深达12262米。迄今为止,这仍是世界上最深的钻孔,并已成为世界第一个深部实验室(观测站)。
来自“科拉超级钻”的资料,使以往被广泛认知的学说受到怀疑,比如地壳均衡说,科拉半岛的地震资料表明,该区的康拉德面应该位于地表以下7公里处,玄武岩层应在该处钻遇。但实际结果却出人意料,钻孔一直在单一的变质花岗岩片麻岩层、角闪岩层中通过,康拉德面始终不见踪影。除了一系列地质学的勘探结果,科拉超级钻还带来了许多可观的资源,比如,当钻探深度超过9500米后,获得的地层岩心金含量高达每吨80克,而当时在地球表层很少能找到超过每吨10克的矿层。
科学钻探一方面可以了解地质结构,另一方面可以在更大的范围内寻找资源,这是获得地球内部信息最直接有效的途径。在我国,大陆科学钻探始于20世纪90年代。1996年,我国加入了国际大陆科学钻探委员会(ICDP),并先后在松辽盆地、江苏东海、云南丽江、青海湖开展了不同目的的科学钻探。
入地很难
深部科学钻探以查明地下地质情况为目的,它不同于油气钻探,找到油气层即达到目的,其钻探的孔位一般都选在地壳尽可能裸露的结晶岩地区,并且要求采取完整的岩心。
要想把几千米深的岩石完完整整地取上来,相当不容易的。由于结晶岩石比较坚硬,钻头在深入地下后,平均每深入100米,温度就会上升约1℃,要在高温(150~400℃)、高压(100~150MPa)状态下进行工作,钻头的材质通常为金刚石,而且,到达孔底部的钻头和探测设备都要耐高温、耐高压。在地表,我们看起来坚硬的钻具,到了几千米的地下就像面条一样。为了控制这根儿“面条”,工作人员每次打钻都必须测量井深和井斜。每打三四米之后,就需要把钻杆提上来取出岩心,再次下钻之前,还需测量钻孔有没有打偏,如果偏了就得想办法矫正。2018年,我国自主研发的万米钻机“地壳一号”深入7018米,是我国重大装备技术的自主研制的新突破。“地壳一号”让我国成为世界上第三个拥有实施万米大陆钻探计划专用装备和相关技术的国家。
我国地球深部探测的发展
2008年,我国开启了为期四年的“深部探测技术与实验研究”专项(Sinoprobe2008-2012),这是中国历史上规模最大的地球深部探测计划,获得了一大批科研进展,比如,完成约6000km的深地震反射剖面,自主研制了关键仪器装备,建立了适应我国大陆复杂岩石圈、地壳的探测技术体系等等,使得我国跻身世界深部探测大国行列。在“深部探测技术与实验研究”专项的基础上2015年原国土资源部成立了中国地球深部探测中心(SinoprobeCenter)成为中国地球深部探测与研究的基地,近年来该中心承担了多个深部探测地调项目。
2023年5月30日,我国首个万米深地科探井在新疆塔里木盆地塔克拉玛干沙漠腹地正式开钻,这口井被命名为“深地塔科1井”,预计钻探深度11100米,“深地塔科1井”预计穿透10多套地层,将成为我们探索地球深部的“望远镜”。
我国地球深部探测工作起步较晚,但是,近年来深部探测工作的力度正在不断加大,在地球化学、大地电磁观测、科学钻探等领域也逐渐形成了自己的优势领域。
(来源: 星空计划)

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