十万个为什么(43)

科學家欲完全鑽透地殼探尋地球深處的秘密
通過在海底進行鑽探，科學家最近已經接觸到了地殼最深處的秘密。但是科學家還在盼望著完全鑽透地球，一窺地幔特徵的那一天。
或許你認為這種在石頭上鑽洞的活計，完全可以交給布魯斯威利斯來幹。在電影《世界末日》裡，威利斯甚至在一顆威脅地球安全的彗星上鑽出了數百米深的一口井。

然而對於許多地質學家而言，這不僅僅是不夠深的問題：在過去的40多年中，科學家一直試圖鑽透地球最表面的那層薄薄的硬殼——地殼，但是他們始終未能如願。

最近，一組國際合作的科學家首次在東太平洋的洋底鑽出了1.5公里深的一口井，由於當地特殊的地質構造，科學家首次完整地獲得了一直延伸到地殼深處輝長岩層的岩石樣本。他們距離鑽透整個地殼，只有幾步之遙。

腳下的神秘世界

從古至今，人們一直對頭頂的天空充滿著好奇心。從柏拉圖到伽利略再到哈勃，天文學家對宇宙取得了令人驚歎的認識。儘管人們已經有能力在另一個星球上著陸，但是對於腳下地球的內部結構，人們還知之甚少。

直到20世紀之前，人們對於地球的內部結構還只用想像來填補空白。19世紀的法國小說家凡爾納在他的《地心遊記》裡描述了一個中空的地球。這成了小說中知名的硬傷。

到了20世紀初，科學家開始使用地震波作為研究地球內部構造的工具。這個工具是如此有效，以至於今天它仍在發揮著巨大的作用。通過觀測地震波在地球內部的傳播情況，科學家把地球大致劃分成了地殼、地幔和地核三部分。

1957年，美國地質學家沃爾特芒克提出了一個雄心勃勃的計劃。這個計劃的核心內容十分簡單，那就是打一口井，把整個地殼鑽透。由於這口井要一直打到莫霍界面——地殼與地幔的分界面上，這個計劃被稱為「莫霍計劃」。

有人認為，「莫霍計劃」是地質學家對於20世紀50年代太空計劃大發展的一個回應。既然人類已經可以進入太空，甚至準備飛向月球，那麼人類腳下的另一片前沿領域也理應得到重視。

「莫霍計劃」選擇了在洋底而不是在陸地上鑽井，原因很簡單：洋底的地殼比陸地的地殼薄的多。

在大陸上挖一口貫穿地殼的井，需要向下挖30到50公里。如果你把地點選在了喜馬拉雅山脈附近，你可能需要挖80公里。即便只有30公里，目前的鑽井技術也很難滿足要求。井挖得越深，對鑽桿的要求就相應提高；而鑽頭將無法抵禦地殼深處的高溫。如果在洋底挖同樣的一口井，只要挖大約5公里，就可以抵達地幔。

來自海底的信息

1961年，在得到政府資助之後，一群美國科學家開始實施「莫霍計劃」。在「莫霍計劃」的第一階段裡，他們進行了一組試驗性質的鑽探，在太平洋西海岸靠近墨西哥的地方鑽了5個深度不超過200米的井。

這幾乎是「莫霍計劃」的全部直接成果了。1966年，由於美國國會砍掉了對於「莫霍計劃」的撥款，這個計劃的第二和第三階段還沒來得及實施，就突然死亡了。但是「莫霍計劃的」價值並沒有消亡，它為後來的洋底鑽探計劃提供了許多有用的信息，包括應該在何處鑽井。「莫霍計劃」還促進了一些深海鑽探技術的進步。

1968年，美國建造的格洛瑪挑戰者號(Glomar Challenger)海洋鑽探船下水。這艘鑽探船是為了美國的「深海鑽探計劃」建造的。作為「莫霍計劃」的後繼者，深海鑽探計劃的目的並不是鑽透地殼，而是對全球海底地質情況進行一次大檢查。

20世紀60年代，科學家首次在大西洋底發現了一條巨型的山脈。隨後又在世界其他地方發現了類似的洋底山脈，科學家稱之為洋中脊。科學家推測說，洋中脊的產生和地殼之下的地幔熱對流有關。熱對流讓洋中脊拱出洋底，並且朝兩邊擴張。這個理論被稱作海底擴張。

格洛瑪挑戰者號在大西洋和太平洋的洋中脊附近鑽了許多口井，提取了其中的沉積物和岩石的樣本。結果，科學家發現，距離洋中脊越遠的樣本年齡也就越久遠，反之就越年輕。這一堅實的證據支持了海底擴張的理論。後來，海底擴張理論成為了現代地質學中板塊學說的一部分。

從海面到岩漿庫

「深海鑽探計劃」及其後續的計劃，都可以追溯到40多年前的莫霍計劃。它們為科學家瞭解地殼的演化以及監測地震都做出了很大的貢獻，然而，把地殼打穿仍然是許多地質學家的願望。

去年，一組來自多個國家的科學家，在美國加州大學聖塔巴巴拉分校的地質學家道格拉斯威爾森的帶領下，乘坐JOIDES 決心號鑽探船，來到了東太平洋海域。

他們參與的這項計劃稱作「綜合大洋鑽探計劃」。這一次，他們試圖尋找到洋底地殼最薄弱的地點，並從中挖出盡可能多的信息。

1992年，美國哥倫比亞大學的地質學家邁克爾帕蒂曾經提出了一個理論，認為洋底地殼如果形成的速度較快，那麼那裡的地殼就比較薄。而一個較薄的地殼，也就意味著科學家可以相對容易地鑽到地幔。

通過測量洋底的磁場分佈，科學家可以找出哪些地區的地殼形成速度更快。在過去的歲月中，地球的磁場曾經發生過多次倒轉。科學家已經整理出了一份磁場倒轉的時間表。當岩漿從地幔上湧，逐漸冷卻形成新的地殼時，它會記錄下當時的地球磁場的方向，就像一枚枚凝固在岩石中的指南針。不斷向外擴張的洋底地殼就成為了一條記錄地球磁場變化的磁帶。

通過對照磁場倒轉的時間表，科學家就可以發現哪些地點地殼擴張的速度更快。這次，他們選中的地點是中美洲哥斯達黎加以西800英里的東太平洋海域。在這裡，地殼每年擴張約20厘米，速度可能超過了今天地球上任何洋中脊的擴張速度。

為了尋找這個地點，科學家花費了3年時間。找到合適的地點並不意味著萬事大吉。去年下半年，JOIDES 決心號鑽探船上的科學家在這裡放下了鑽桿。然而，這裡的岩層硬得出奇，一共有25具碳化鎢鑽頭在鑽探過程中損壞。

在鑽探計劃預定結束時間之前的一周，科學家終於看到了此行需要尋找的目標：輝長巖的巖芯樣本。此時，他們已經在船上度過了5個月的鑽井生活。

輝長巖是一種顆粒狀的岩石，通常由岩漿緩慢冷卻形成。科學家起初推測，他們從洋底之下1.5公里處提取到了這些輝長巖，意味著他們鑽到了一個曾經的岩漿庫——岩漿從地幔上湧，在這裡積聚。有些岩漿繼續上湧，形成地殼，其餘的留在岩漿庫裡慢慢冷卻，形成了他們如今採集到的輝長巖。

但是後來的分析表明，他們取得的標本可能來自一個較小的岩漿庫，而不是起初認為的大型岩漿庫。但是，這仍然是一個令科學家激動的發現。

這組科學家並沒有接觸到地質學家夢寐以求的地幔，他們打算明年重返這裡，繼續進行鑽探工作。與此同時，綜合大洋鑽探計劃還有其他的打算。去年底，由日本建造的地球號海洋鑽探船即將投入使用。這艘鑽探船有能力鑽透7公里的海底地殼。也許在不遠的將來，我們就能瞭解到來自地球更深處的秘密。