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生活 2017-8-18 10:45

人类花了 300 年,仅向地心深处走了 0.2%

本文由不存在日报(微信 ID:non-exist-FAA)原创,转载请联系邮箱 faa@faa2001.com。

编者按:当层出不穷的太空歌剧片把人类的足迹拓展到银河尽头,我们对地底的幻想,却停留在几十年前的《地心游记》——跳进火山口,发现伊甸园,听起来更像奇幻而非科幻。但其实,在宇航员抢尽风头的同时,地质学家从没闲着。

 

300 多年来,科学家对脚下这颗球体的研究从未停止,人类难以克服的困难也许正横亘在地底,而非远在天边……

进军地心并不是什么新鲜的想法,科学界对它的讨论已有数百年之久。早在 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。可惜后来两人交恶,这个设想也就此搁浅。

19 世纪,法国科学院的学者们又重新捡起这一想法,那是经典物理学的黄金时代,人们沉浸在物理学大厦即将完工的喜悦中,许多人乐观地认为本世纪或下世纪内人类就可以抵达地心。

以当时的技术条件来看,钻一个直通地心的洞可比发射飞出太阳系的飞行器简单多了。

阿瑟 • 柯南道尔爵士是这个美好幻想的坚定支持者之一。他笔下的大侦探福尔摩斯享誉全球,但许多人可能不知道,除侦探小说外,柯南道尔还创作过一系列科幻小说,主人公为乔治 • 爱德华 • 查林杰教授。

查林杰教授于《失落的世界》中初次出场,从这部小说开始,巨猿、恐龙和蛮荒生物大规模进入读者的视野,它堪称后来《金刚》和《侏罗纪公园》的祖师爷。

一九二九年,柯南道尔又出版了《地球痛叫一声》,在这部小说里,柯南道尔将行星想象成海胆般有硬壳的生物,它们从遍布宇宙的以太中汲取养分;而查林杰教授打了一口八英里深的井,穿过地壳抵达了地球母亲裸露的内脏。

(《失落的世界》,阿瑟 · 柯南道尔著,图片来源:维基百科)

再往前追溯,上一部出自名家之手、意图征服地心的科幻小说大概就得推到凡尔纳那篇《地心游记》了。无论柯南道尔还是凡尔纳,他们似乎都想不出什么办法克服横亘在人类与地心之间的最大障碍:地温梯度。每向下一百米,温度要升高两到三度,虽然缓慢,但十分无情。

以全球平均地温梯度每百米 3℃ 计算,地下四千米处温度超过水的沸点,地下十千米处可达到普通打火机火焰的温度,而地心处——虽然尚无精确数据,但地质学界普遍认为地心温度在 6000℃ 以上。

太阳表面也不过 5000 多摄氏度而已。从这一角度说,征服地心比抵近太阳还要困难。

(Laurent Durieux 为儒勒 · 凡尔纳《地心游记》绘制的概念图,图片来源:firewireblog.com)

但科幻小说家毕竟不是钻井工程师,地温梯度并不能阻挡人类的想象力,凡尔纳与柯南道尔干脆忽视了它,假设地底深处的环境仍然允许人类生存,以方便故事进行下去。

二战结束后,冷战的大幕拉起,美苏两个超级大国在所有科学领域都展开了竞争。除了家喻户晓的星球大战计划、阿波罗计划以外,当年美苏的目光并不只是盯着星空,同样也投向了脚下的大地。相比遥远的月球、火星,离我们仅有 6000 多千米的地心似乎是个更具吸引力的探索目标。

宇航学家们忙着射火箭放卫星送载人飞船上天,地质学家们同样没闲着。1958 年,美国启动了 “莫霍计划”(Project Mohole):在大洋底开一口超深井,直达地壳与地幔的分界线——莫霍面。如果做成这件事,其意义将足以与阿波罗计划比肩,美国将成为第一个挖通地壳的国家!

(莫霍计划所用的科考船,CUSS Ⅰ ,图片来源:维基百科)

苏联不甘落后,二十世纪六十年代初,苏联地球科学家制定了他们自己的超深钻井方案——俄罗斯莫霍计划(Russia Mohole),但进展并不迅速。

另一方面,美国原本计划用三亿美元完成莫霍计划,可惜事与愿违,大地母亲好像并不欢迎人类的拜访,随着钻井深度增加,自牛顿时代以来的美好幻想逐渐被打破:工程师们真切感受到了地温梯度的威力,每前进一米,钻头都要经受更高温度的考验,金属能对付坚硬的岩石,但高温令它们变得脆弱柔软;此外,地层压力梯度是征服地心的又一巨大障碍,超深井的井壁承受着来自周围数千米厚的地壳的水平压力,这口井就像插进地球深处的一根脆弱蛋卷,怎样维持井壁不崩溃令工程师们费尽了心思。

他们甚至无法保证钻头向下垂直前进!

觉得一根钢管很坚硬?把几百几千根钢管连起来试试,它们会组成一根柔软的金属面条,地下岩石的硬度并不均一,使得钻头很容易带着后面几千米长的的钻杆偏离垂直线,需要上面的操作者们及时纠正。

我们平常概念里的钻头是这样的:

而地质钻探用的钻头是这样的:

看着就很疼是不是?为了抵抗地底深处的高温高压,钻头的材料、形状、锻造工艺都需要精心设计,造价不菲;另一方面,钻头虽然坚固,但磨损速度依旧惊人地快,有时仅仅掘进几十米就必须更换;为了维持井壁稳定,还要使用套管、钻井液,而每一样都不是便宜货…… 到 1965 年,该计划耗资已经超过 1 亿 1500 万美元,但成果相当令人失望。

三亿美元打穿地壳?Too young, naive! 高昂的费用令美国国会愤怒地得出结论:地球对他们比出了中指。于是莫霍计划被叫停,人们的注意力集中在了看起来更加高大上、而且视觉效果更加震撼的阿波罗计划上。

美国人如愿了。1969 年,尼尔 • 阿姆斯特朗在月面上踩下了第一个人类脚印,这让苏联领导人们如坐针毡,极力想要在其他方面扳回一城。

1970 年,在北极圈内的科拉半岛上,一项了不起的超级工程开始了。大陆地壳平均厚度为 33 千米,而大洋地壳平均厚度只有 7 千米,所以美国人选择在墨西哥近海的海底向下打洞;但苏联人并没理会这点,他们在列宁格勒州荒凉的旷野上竖起了一座郁金香般的金黄井塔,为了保障这里工作人员的正常生活,苏联人还在不远处建起了整整一个城市——扎波利亚尔内。

(科拉超深井井塔,1970 年,来源:http://superdeep.pechenga.ru)

自 1970 年开始,至 1990 年结束,上千名工作人员在这里忙碌了二十年。1983 年,科拉超深井抵达了 12000 米深度。1989 年,科拉超深井的 SG-3 钻孔抵达了地面以下 12262 米处。

(1983 年 12 月 27 日,这些人应当被铭记,从这里开始,科拉井塔每向下钻进一寸都是在创造历史。他们的目标是 15000 米。 图片来源:http://superdeep.pechenga.ru)

当然,如果纯粹只是向着地心挖洞,意义不大。科研钻探除了追求深度之外,更重要的是取得岩心样本。

(岩心)

看见那些复杂的螺旋状花纹了吗?岩石在漫长的时光里会变得像黏土一样柔软,给一块花岗岩施加一个微小的力,持续五千万年,花岗岩可以变成任何形状。《肖申克的救赎》里说地质学所有的要素就在于压力与时间,某种程度上来说,没错。

在地质学家眼里,这些花纹是地壳的自白书,它们讲述着寂静的大地深处发生的故事,讲述着温度与压力的变化规律,讲述着矿物熔融与结晶的历程,而故事发生的岁月可能远在生命诞生之前。

苏联人希望这些知识能够告诉我们怎样寻找矿床、地球内部的物质怎样运动、乃至地球从何而来。超深井是指向地球内部的望远镜,通过它的 “镜头”,我们能窥见沧海桑田变化的历史。

(科拉井塔的岩心库,图片来源:http://superdeep.pechenga.ru)

这两张图是科拉井塔的岩心库,看着很有冷战背景科幻片中武器库的感觉,是不是?当年苏联人希望这里能够引爆一颗 “核弹”:世界上第一口抵达地幔的深井!他们对“深井冰” 的执着简直到了可怕的地步,曾经拦住美国人的难题没能拦住苏联人,他们将材料力学利用到了极致,苏联的钻头经受住了高温高压的考验,不停掘进,向下,再向下。

也许是深入地壳一万两千米这件事听起来太过科幻,以致围绕科拉井塔传出了许多谣言:

有人信誓旦旦地说这口井挖到了地狱,地质学家们从井口听到了地狱里罪人们的恐怖惨叫,更有人说 SG-3 钻孔里飞出了恶魔,导致当局不得不中止钻探计划。

网上甚至可以找到所谓的 “地狱录音”。

但事实应该是这样的:

(来源:http://www.darkecology.net,Annette Wolfsberger)

这是根据科拉超深井取得的岩心与地质资料编制的图表,可能是人类历史上至今为止记录深度最深的地质表格,悬挂在前科拉超深钻探项目负责人尤里 • 斯米尔诺夫家中。那些波形多半就是所谓的地狱鬼嚎了,而这些曲线也不一定是声波或地震波——许多地质参数以深度为自变量绘图后都会得到一条漫长的曲线。

                  (来源:http://superdeep.pechenga.ru)

来看一眼这块了不起的石头吧。这可不是什么恶魔,它实实在在出自科拉超深井 SG-3 钻孔,深度 12260 米,是人类历史上曾取得的最接近地心的物质。在这个深度,岩石与其中所含的矿物高度变质化,对地质学界而言,它比与之等重的钻石还要珍贵。

1991 年苏联解体后,科拉超深井项目随之终止,15000 米的目标也变得遥不可及。2008 年,卡塔尔的阿肖辛油井抵达 12289 米深度,首次打破 SG-3 钻孔的纪录;2011 年,俄罗斯在库页岛的 Odoptu OP-11 油井达到 12345 米深度,再次打破最深纪录。然而,若考虑到海拔、井壁并不垂直等因素,科拉超深井的 SG-3 钻孔依旧是人类世界里离地心最近的地方。

更重要的是,这两口 “后来居上” 的超深井都是石油生产井,而非钻探井,它们不以取得岩心为目的,对地质学的贡献远远无法与科拉超深井相提并论。

(开掘生产井时岩石被直接破碎为岩屑,不会保留形状)

现在回头看看我们到了哪里:

左上角的放大图里,最上部的浅灰色区域中,由地表向下划一条大概穿过浅灰色区域厚度三分之一的线段,bingo,你抵达了人类向地心进军的前哨站。

在柯南道尔的《地球痛叫一声》中,查林杰教授那口井的深度是八英里,换算一下约为 12.8 千米,与半个世纪后科拉超深井的成就相去不远,如此巧合实在令人遐想。

把地球看成是个鸡蛋,经过美国与苏联几十的年努力,我们连蛋壳都没钻透。抵达莫霍面至今是地质学家的一个梦,今天我们已经拥有了飞出太阳系外的探测器,但对脚下的大地依旧知之甚少。

有个笑话说,“新地平线号” 探测器驶向冥王星之前,我们对冥王星的了解能写在一张扑克牌上。如果把我们对地球深部结构的了解写下来,估计也就是十几张扑克的事儿,保不齐还有富余。

还记得美国人那个烧起钱来不要命的莫霍计划吗?他们冷静下来之后提出了这个计划的经济适用版:深海钻探计划(Deep Sea Drilling Program,DSDP),然后经过若干次系统升级与资料片更新,终于得到了莫霍计划 2.0 版本:大家一起来烧钱。

这就是综合大洋钻探计划,或称 IODP(Integrated Ocean Drilling Program),帝国主义列强基本人人有份,中国于 2004 年加入了列强们的行列(咦哪里不对),成为向地幔进军的先锋。

现实很严酷,不过科幻作家们已经无数次证明,物理规律从来拦不住他们的想象力。

刘慈欣在《带上她的眼睛》和《地球大炮》两篇小说中则提出了新的进军地心方案:使用简并态物质制造井圈与地心飞船。简并态物质具有极高的密度,以致在地壳中可以自行下沉,就像石子在水中下沉那样。形成简并态物质本身就需要相当极端的温压条件,因此地温与地层压力也对它无可奈何。但很可惜的是,制造简并态物质和制造《三体》中的水滴差不多,对目前的物理学界来说实在有点过于遥远。

冷战落幕后,由于汲取了苏联的教训,各国在科技研发方面越来越注重效益与实际收获,而非追求政治上的象征意义。耗资巨大的超深井计划在世界范围内都进入了平稳发展的阶段,苏联人那种十年狂飙突进一万米深度的盛况多半是不会再现了,作为地质人,有些惋惜,但更多的是庆幸。

纵观 19 世纪末以来的科学发展史,几乎任何一门自然科学的突破都是在物理学为其铺垫好道路之后才实现的。X 射线的发现推动医学进步,衍射成像推动化学进步,电磁学与光学则为天文学做出了巨大贡献,如果将来某一天物理学家们发现了简并态物质或其他高强度材料的制造方法,随之而来的一定是地质学的新一轮大发展。

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