地球最深钻孔似地狱入口：大国之间的地球钻探竞赛

Daphane

來源: 新浪科技



新浪科技讯  北京时间1月6日消息，据国外媒体报道，在冷战期间，美国和苏联都制定了雄心勃勃的钻探计划，试图穿过地壳，接近地球中心。　　湖泊、森林、雾气和积雪，在俄罗斯位于北极圈深处的科拉半岛上，一切看起来就像是童话故事里的场景。然而，在这片自然美景中，却矗立着一座苏联科学研究站的废墟。在这栋摇摇欲坠的建筑中间，混凝土地板上嵌着一个沉甸甸、锈迹斑斑的金属帽，由一圈同样锈迹斑斑的金属螺栓固定着。
　　一些人说，这里是地狱的入口。这就是科拉超深钻孔（Kola Superdeep Borehole），地球上最深的人造洞，也是到达地球最深处的人造物。这座建筑深达12.2公里，以至于当地人发誓称，你可以听到在地狱里受刑的灵魂的尖叫声。苏联人花了将近20年的时间才钻到这么深的地方，但当这个项目在苏联解体后戛然而止时，钻头才钻到地壳到地幔距离的三分之一处。
　　苏联的超深钻孔并非个例。冷战时期，超级大国之间展开了一场竞赛，都想要尽可能地深入地壳，甚至到达地幔。
　　现在，日本人也想试一试。国际大陆科学钻探计划（ICDP）的乌利•哈姆斯说：“钻探开始的时间正好处于铁幕时代。”当时哈姆斯还是一位年轻的科学家，参与了德国的超深钻孔项目。“我们之间肯定存在竞争。其中一个主要的动机是，俄罗斯人并没有真正公开他们的数据，”哈姆斯说，“当俄罗斯人开始钻探时，他们声称发现了自由水——但大多数科学家根本不相信这一点。过去，西方科学家普遍认为，在地下5公里处，地壳密度非常大，水无法渗透到那里。”
　　“（新）项目的最终目标是获得目前活跃的地幔实际样品，”日本海洋研究开发机构的项目经理肖恩·托兹科说，“在阿曼这样的地方，你可以找到接近地表的地幔，但那是数百万年前的地幔。这就相当于活恐龙和恐龙骨骼化石的区别。”




如果将地球比作一个洋葱，那么地壳就像洋葱的薄皮，它只有40公里厚。地壳下方是2900公里深的地幔，再往下便是地球的中心——地核。　　就像太空竞赛一样，探索未知“深度边疆”的竞赛展示了工程能力和前沿技术，以及某种“正确的东西”。科学家们要前往从来没有人去过的地方。这些超深钻孔所能提供的岩石样本对科学的重要性，可能不亚于美国宇航员从月球上带回的任何东西。唯一的不同是，这次美国人没有赢得比赛。事实上，也没有人真正获胜。
　　在探索“深度边疆”的竞赛中，美国进行了第一次预演。20世纪50年代末，美国百科学会提出了第一个深入研究地幔的严肃计划。这是一个非正式团体，由美国科学界的领军人物组成。他们将这一钻过地壳直达地幔的计划称为“莫霍计划”（Project Mohole），以提出莫霍不连续面的克罗地亚地震学家安德里亚·莫霍罗维奇的名字命名。
　　美国人并没有钻一个很深很深的洞，而是决定在墨西哥瓜达卢佩附近的太平洋海底进行钻探。在海底钻探的好处是那里的地壳比较薄，而缺点是地壳最薄的地方通常是海洋最深的地方。
　　苏联于1970年开始在北极圈进行钻探。1990年，德国大陆深层钻探计划（KTB）在巴伐利亚州启动，最终钻探深度达到9公里。
　　与登月任务一样，超深钻探所需的技术必须从头开始摸索。1961年，当莫霍计划开始在海床上钻探时，石油和天然气的深海钻探还未出现。当时还没有发明出诸如动态定位等关键的技术。在石油深海钻探中，这种技术可以使钻探船停留在油井上方的位置。于是，工程师们不得不临时想办法。他们在钻探船的两侧安装了一套螺旋桨系统，使船在钻孔上方保持稳定。





德国工程师面临的最大挑战之一，是如何钻一个尽可能垂直的洞。他们当时提出的解决方案，现在已成为世界油气田的标准技术。　　“根据俄罗斯人的经验，你必须尽可能垂直钻探，否则就会加大钻机的扭矩，造成孔内扭结，”乌利•哈姆斯说，“解决办法是开发垂直钻井系统。”现在这已经是一个行业标准，但它们最初是为大陆深层钻探计划开发的。该系统直到钻探深度达7.5公里还能奏效，但在最后的1.5至 2公里，这个洞偏离了垂直线将近200米。
　　“上世纪90年代初或80年代末，当俄罗斯变得更加开放，并愿意与西方合作时，我们试图利用一些俄罗斯的技术，”哈姆斯补充道，“不幸的是，我们无法及时得到相关设备。”
　　最终，所有这些探险都以某种程度的挫折告终。有的在起步时就遭遇阻碍，有的则是钻探机器在地下深处遭遇高温，加上成本和政治因素，所有这些都让科学家的梦想破灭。他们都想要钻得更深，并打破最深洞的记录。
　　在尼尔·阿姆斯特朗登上月球的两年前，由于成本开始失控，美国国会取消了对莫霍计划的资助。科学家开采出来那几米厚的玄武岩，以今天的货币计算，大约花费了4000万美元。
　　接下来就轮到科拉超深钻孔了。1992年，当温度达到180摄氏度时，钻探停止了。这个温度是原先估计值的两倍，再往深处钻是不可能的。苏联解体后，再没有资金来资助这些项目；三年后，整个设施被关闭。如今，这个荒凉的地方成了喜欢冒险的游客的目的地。
　　德国的超深钻孔没有像其他项目那样遭遇厄运。巨大的钻机仍然在那里，今天已成为旅游景点。这个地方实际上已经变成了地球的观测台，甚至是一个艺术画廊。



当荷兰艺术家洛蒂·吉文将带隔热罩的麦克风放入德国的超深钻孔时，麦克风接收到了一种低沉的隆隆声，科学家也无法做出解释。这种隆隆声让她“觉得自己非常渺小”。她说：“这是我生命中第一次看到这个我们赖以生存的大球活了过来，它的声音让人难以忘怀。有些人认为，这听起来就像地狱，也有人以为，他们听到的是地球的呼吸。”　　哈姆斯表示，当时德国的计划是比苏联钻得更深，但当时他们甚至还没有达到预期的10公里深度。“我们钻探的地方比俄国人的钻孔要热得多。很明显，要想再深入下去，难度要大得多，”他说，“当时正是20世纪90年代初的德国，没有很好的理由来筹集进一步推进计划的额外资金，因为德国的统一耗资太大了。”
　　奔向地幔的竞赛似乎就是著名小说《地心之旅》的升级版，这种感觉很难摆脱。虽然科学家们并不期望找到一个藏有恐龙的洞穴，但他们确实把深度钻探的计划描述为“探险”。“我们认为这是一次探险，因为在准备和执行过程中确实花了一些时间，而且你真的要进入无人地带，那里从来没有人去过，这在今天看来真的很不寻常。”哈姆斯说，“你总会在那里发现一些让你感到惊讶的东西，尤其是当你深入地壳深处的时候。
　　当我们谈论德国大陆深层钻探计划或科拉超深钻孔时，需要了解的一点是，这些计划背后的理论在钻探开始时已经有30至40年的历史了。
　　这些任务的意义在于，它们就像是行星探索，它们是纯粹的科学事业，你永远不知道你会发现什么。在1256号孔[由深海钻探项目（DSDP）和海洋钻探项目（ODP）钻探的一个孔]，我们第一次看到了完整的海洋地壳。以前没有人到过那里。这真的很令人兴奋，总是会有惊喜出现。
　　今天，“从莫霍界面到地幔”（M2M-MoHole to Mantle）计划是国际海洋发现计划（IODP）最重要的组成部分之一。和最初的莫霍计划一样，科学家们计划在地壳只有6公里深的海床上钻孔。这个超深钻探项目将耗资10亿美元，其目标是在人类历史上首次获取原位的地幔岩石。达蒙•蒂格尔也参与了该项目，他说：“这将是一项了不起的任务，需要日本做出巨大承诺。”
　　地球号（Chikyū）是日本建造的世界最大深海钻探船，建于大约20年前，排水量达到59500吨。利用全球定位系统系统和6架可调计算机控制的飞机，地球号可以使船体位置的变化幅度仅为50厘米。
　　“我们的想法是，这艘船将接过火炬，继续50年前启动的莫霍计划，”日本海洋研究开发机构的肖恩·托兹科说，“超深钻孔在研究厚大陆地壳方面取得了很大进展，我们要做的是找出更多关于地壳-地幔边界的信息。
　　目前主要的难点在于如何选择钻探点，已有的三个候选站点分别位于哥斯达黎加海域、墨西哥巴哈海域和夏威夷。每一个钻井点都需要在海洋深度、与钻井点的距离以及是否需要在岸上建立基地之间做出妥协。“基础设施可以建设，但这需要时间和金钱，”托兹科补充道。
　　哈姆斯表示，超深钻探最终确实可以归结为一个成本问题，“这些探险活动非常昂贵，因此很难重复。它们的成本可能高达数亿欧元，其中只有一小部分将用于地球科学，其余部分将用于技术开发，当然还有维持运营。我们需要懂得鼓舞人心的政治家来宣扬这些探险的价值。”