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“CHIKYU(地球)”号钻井船

  新视野

  在地球上,有一个比百慕大、金字塔更加神秘的地方——它集中了地球的大部分质量,是我们所居住地表质量的155倍,它还是众多地震的“发源地”,这就是地幔。在其内部,拥有高达3000摄氏度的高温,相当于地表100多万倍的压力。一个多世纪以来,获取地幔样品一直是科学家孜孜以求的重要目标。

  英国《新科学家》杂志网站近日在报道中指出,朝地幔进发这一野心勃勃的计划可与人类登上月球相提并论,利用地幔样品揭开地幔的“面纱”有望让我们更好地了解地球的奥秘、地震的起源、火山喷发等现象,我们甚至有可能在地幔深处发现生命。

  “地球”号试图钻透地幔

  除了今年大出风头的大型强子对撞机(LHC)之外,世界上还有另外一些实验机器也相当“酷”,比如跟踪火星的机器人、模拟飓风的设备或揭示超新星诞生之谜的装置以及“地球”号钻井船等,它们不仅看起来“冷酷到底”,而且,还肩负着揭开世界上最大的未解之谜的重任。

  日本三菱重工为日本海洋地球科学和研究机构建造的“CHIKYU(地球)”号钻井船全长210米、宽38米、排水量5.7万多吨,是世界上最大的科研钻探船,也是有史以来钻探地幔深度最深的船只。

  “地球”号也是第一个利用石油工业的提升技术的科研船只。在提升技术中,钻杆被充满液体的保护性外套包围,稳定钻孔内的压力。此外,船上装有最先进的航行控制系统、航海图、雷达系统、可旋转360度的推进器及全球最高的钻井架。同时,亦配备石油探测公司的先进技术,在抽取岩层样本的同时朝其注入泥浆。

  “地球”号目前正漂浮在日本东海岸待命,乍一看,它就像一艘非常奇怪的油轮。体型庞大:栖息在甲板上的是直升飞机场、起重机和一个大约30层楼高的脚手架塔。

  “地球”号当前的目标是寻找导致去年日本东北发生地震的断裂带,以便重现造成地震的原因,但是,这艘巨轮还有一个更加野心勃勃的目标。地质学家们正计划使用“地球”号一路朝下,钻透地壳,并且进入地幔层,最终带回一些岩石样本。迄今为止,还没有一个科研团队完成过这个奇迹。

  从技术上说,俄罗斯有个项目已经向地下钻了12.262公里深的洞,为当今世界最深的超深孔,但“地球”号高120米的钻探架将在远离日本海岸的一处容易发生地震的断裂带,向下钻透海底以下约6公里的地壳(指地球地表至莫霍面之间一个主要由硅酸盐矿物为主体的岩石构成的薄壳,它的质量只占全地球的0.2%),到达海底以下7公里处的地幔层。这里的地壳相对较薄,因此,“地球”号会在此处抽取岩层样本。“地球”号成功探出洞后,还会在洞中放置感应器监测地震。过去的地震监测只能在地震发生数分钟后才作紧急通告,但新的感应器将可预测地震发生的时间及地点,这样有望大大减少伤亡人数。另外,“地球”号亦会抽取地底深层岩石及泥浆样本,协助研究地球千万年前的气候状况及生命起源。部分微生物可在高温高压的环境下生存,若科学家们能证明微生物亦可在地壳深处及地幔生存,那么,它们有可能拥有的一些特殊的生物特性(如耐热等)将有助于人类生物科技的发展。

  如果这一野心勃勃的方案能按计划进行下去,它将是迄今为止人类最令人瞩目的科研冒险之一,可与人类踏入月球相媲美。这一计划有助于改变我们对地球进化的理解;挑战地球科学的基本范式。我们甚至还有机会在地幔深处发现一些非同寻常的事物,其中的有些事物我们直到最近才意识到它们可能存在。

  人类探索地球深处的脚步从未止息

  这并非地质学家们首次渴望探索地球深处。1909年,克罗埃西亚共和国的气象学者安德烈·莫霍洛维奇发现,由地震引起的地震波在地面30公里以下行进的速度比在更高的地方行进的速度快很多。莫霍洛维奇凭借该发现奠定了其在科学界的地位,以其名字命名的莫霍不连续面(通常呈固体形态的地壳与充满岩浆的地幔之间的一个理论性分界线)标志着地幔的上边界。

  现在,地质学家们已经知道,地幔的顶部位于厚厚的大陆型地壳表面下30公里到60公里处,而且,海底以下约5公里处是地壳最薄的地方。在这一地球深处发生的事件改变了筑造板块,形成了我们现在所赖以生存并深深扎根的土地,并释放出狂暴的地震和火山,地球上包括人类在内的生命也因此得以形成。

  然而,直到上世纪50年代晚期,科学家们才开始感到有必要深入研究地幔。那时,科学界掀起了讨论板块构造理论的热潮。美国科学家哈利·赫斯和该理论的支持者们宣称,源于地幔深处的热对流事件让构造板块漂浮在地表周围。然而,赫斯和同事沃尔特·蒙克因为该理论缺乏物理证据感到有点气馁,因此,转而求助于他们来自美国国家科学院的同事。1957年,在一个觥筹交错的早餐会上,这个所谓的美国杂家学会提出,要实施一个计划——“莫霍超深钻计划(Project Mohole,穿透地壳至莫霍不连续面以取地幔岩石样品)”,从地幔深处获得一些样本用于科学研究。

  但是,说起来容易做起来难,要想实现上述目标,他们必须克服诸多挑战,从寻求资金资助到研发技术将钻探船固定在公海上都面临着重重困难。科学家们也无法借鉴离岸石油公司的想法和经验,那时,这些公司也无法在深海内进行钻探活动,因此,该“莫霍超深钻计划”团队研发出了一种名为动力定位的技术,该技术能聪明地将推进器和助推器放置在船上,让轮船保持稳定。1961年,科学家们首次利用该模型在距离太平洋岛上的瓜达卢佩岛海岸进行了钻探,钻探到海底之下183米深处。

  然而,该探险队回来后不久,领头的科学家被调任,成本也不断增加,1966年,美国国会投票取消了对该计划的资助资金,该计划宣告失败。

  尽管如此,钻透海洋地壳却在持续进行着。人类从来没有到达过比从地表到地幔三分之一的距离更深的地方。最近的一次钻探是钻孔到哥斯达黎加海底1507米深的地下,这并非迄今为止科学家们钻探的最深的洞。

  2012年,由日本牵头的一个国际科研团队开始启动“莫霍超深钻到地幔”项目。因为科学家们认为,尽管地幔占地球质量的68%,但是,我们却对其知之甚少。英国国家海洋学研究中心的戴蒙·蒂格尔表示:“目前,我们没有纯粹的地幔样本,因此,只能获得一些与地幔情况有关的线索。” 蒂戈也是该“莫霍超深钻到地幔”项目的研究成员之一。

  尽管有些样本已经送达到表面,但它们都受到了污染。例如,名为地幔核的稀有岩石已经在火山爆发中显现,证明地幔由橄榄石和辉石等富含镁、缺乏硅的矿物质组成。并且,在海底的某些地方,那些曾经是地幔组成部分的岩石暴露在外,但因为其同海水接触过,所以,其组成成分已经发生了很大的变化。这些样本与实际样本之间的差异就如火星陨石和从火星上获得的岩石之间的差异那么大。如果没有新鲜的样本,地质学家们将很难证实与我们的星球有关的事实,包括地幔实际上由什么材料组成,如何形成以及如何工作等。

  地幔的岩石样本是一座宝矿

  在英国国家海洋学研究中心,蒂格尔和同事一直在收集所有支持“莫霍深钻探到地幔”计划的理由,他们将对海洋钻孔取得的样本进行详细分析,并对有可能获取的一些珍贵的地幔样本进行详细的检查。蒂格尔表示,该计划从开始到完成可能会历时几十年毫不令人吃惊。他说:“技术、时间和金钱都是钻孔到地幔的限制因素。”

  首先,精确地钻透海底6公里以下的地方就面临着巨大的挑战,这意味着,他们需要为“地球”号配备一个新的超长的钻头,“地球”号目前还无法钻透到如此深的地方。另外,还需要其他新材料。当以1米/小时的速度在坚硬的火成岩上钻一个30厘米宽的洞口时,钻头只能持续大约50个小时,而且有可能会受损,而正在为该计划研发的超硬材料将需要承受2千巴的压力以及高达250摄氏度的高温。

  2011年,深海钻探公司Blade Energy进行了一项独立的调查,得出结论称,该项目在技术上是可行的,对科学家们来说,这不啻为一个好消息。蒂格尔表示:“以前,工程师们会发明一些小玩意,然后询问科学家这些小玩意是否有用以及有何用,但现在的情况则是,科学需要推动技术不断向前发展。”

  实际上,这项计划能否取得成功在很大程度上并不取决于技术本身,而更多地取决于政策和科学意愿。蒂格尔估计,单单研究船的操作费用可能就高达10亿美元。幸运的是,日本政府会承担其中的大部分费用。尽管投资不菲,但是,考虑到“地球”号可能对地震预报领域产生的影响以及提供的帮助,这一切都是可以接受以及理解的。而且,不仅日本正在支持该项目,其他很多国家也对该项目感兴趣。

  如果该“莫霍深钻探到地幔”计划明年能赢得官方的支持,其成员希望在未来10年内好好挖掘地幔这座金矿。

  到达地幔将是一件非常困难的任务,但是,蒂格尔认为,这一计划对于回答地质学家目前面临的重大问题至关重要。它将让我们更好地理解地球如何进化以及生命的极限是什么。他说:“实施这一计划需要制定详细的规划,不过,其费用与来回月球或者从火星获得岩石样本相比,简直是小巫见大巫。原始而纯粹的地幔样本将是地球化学科研领域的宝库,其在科学领域的地位或许可以与阿波罗月岩相媲美。”

  地幔深处有可能发现生命

  因此,为了探索地幔的详情,在没有获得纯净的地幔样本的情况下,作为替代方案,科学家们必须借用间接证据拼接出与地幔有关的理论。地幔宽阔的层结构可以通过追踪地震波的速度推断出来。与地幔的组成成分有关的进一步的线索来自于陨石,这些陨石由与我们的星球一样的宇宙尘埃所形成;另外一部分证据也可以通过其他奇怪的方法获得,诸如通过查看某些元素的放射性衰变产生的中微子获得等。

  然而,还有很多问题需要解决。获得地幔对流的“蛛丝马迹”——诸如惰性气体和同位素等,将揭示我们的星球如何以及什么时候分化成地心、地幔和地壳以及板块构造何时形成等。确定上地幔由什么化学物质和同位素组成将揭示水、二氧化碳和能量如何转移到地壳以及它们会对全球的地球化学循环产生何种影响。另外,发现地幔的异质程度将揭示岩浆如何涌现并且接着喷发在大洋中脊(绵延在大洋中的巨型海底山脉,它具有很强的构造活动性,经常发生大地震和火山活动)的海底上。

  或许,我们可能会在地幔中发现的最非同寻常的事物将是生命。尽管没有任何生物可以比肩19世纪法国著名作家、“现代科学幻想小说之父” 儒勒·凡尔纳在其著名作品《地心游记》中所想象的史前怪兽,但是,有望在地幔深处发现的这些生物对我们来说仍然至关重要。最近的发现表明,这样的“嗜极生物”(也叫嗜极菌,生活在各种极端恶劣环境下的微生物)有可能出现在地幔中。

  去年,美国普林斯顿大学的图里斯·昂斯托特在南非一座金矿下4公里的地方发现了名为线虫的微型蛔虫,昂斯托特将这一发现同在加拿大安大略湖发现白鲸相提并论,另外,他还在金矿之下5公里处发现了单细胞微生物。

  而且,科学家们也已经在加拿大东海岸海底之下1.6公里处发现了其他微生物(《科学》杂志第320期第1046页)。发现了这些微生物的科学家们推测,它们可能已经有数亿年的寿命了。

  其实,对很多嗜极生物来说,压力似乎并非一个问题。在实验室内,微生物能够耐受1000个大气压,而且,在西太平洋附近的马里亚纳海沟(西太平洋关岛西南约322公里海底的一个深沟,距海面高度比全球最高山峰珠穆朗玛峰还要高,长年无光照,温度几近冰点)的海面下11公里处,有一群细菌在此处快乐地生活着。实际上,要想在灼热的环境下生存,压力至关重要,因为,压力会阻止水沸腾,这样,水蒸汽这一水中动物的“杀手”就不会出现。

  因此,温度可能是决定嗜极生物生存状态的决定性的因素。地质学家们认为,莫霍面下方的温度可能低于120摄氏度。英国卡迪夫大学的约翰·派克斯表示:“这与生命能够承受的极限温度——122摄氏度非常接近。”2008年,科学家们证明,在热的海底火山生活的一种微生物能在这一温度下生存。(《美国国家科学院院刊》第105期第10949页)。

  但是,美国东卡罗来纳州立大学的马特·斯科仁科认为,发现地幔生命的可能性微乎其微。他表示,除了此处很热之外,流体循环也很小,因此,矿物质的流动也少得可怜。斯科仁科的研究对象正是在极端环境下生活的微生物。

  尽管抱持这些怀疑,斯科仁科仍然支持该“莫霍深钻探到地幔”计划,因为他认为,这一计划可以确定生命的生理极限,甚至帮助研究气候变化,因为地幔之下的生物圈可能会影响地球深处碳循环的流动。在地心深处可能会发现的生命或许对医学领域也有帮助。他说:“如果地心深处的微生物采用不同的方式进化,它们可能进行一些独特的活动或者拥有独特的酶,而这些在生物技术领域或许非常有用。”

  地幔样本或许也可以帮助我们厘清微生物在地球进化历史中的作用。美国斯坦福大学的地质学家诺曼·思立普最近进行的研究发现,地壳内或许存在生命,地壳内的铵基也可能出现在地球更深的地方。而且,重要的是,地幔中所有的氮气都来自于有机物释放的铵基(《地球和行星科学年度评论》第40期第277页)。这就使得地球极早期出现的生命改变了地幔组成的可能性大大增加,而且,对研究这一时期的生命非常有用的样本可能存在于其下更深的地方。

  上天容易入地难,人类虽然已经将触角伸向了太阳系中最内层的星球——水星,但却一直迟迟未能向地球内部发动“攻击”。最新启动的向地幔进军的计划无疑将为人类了解自身、了解地震等如今越来越多发的自然灾害提供巨大的贡献。虽然现实版的“地心游记”不可能真正将人类送达1959年拍摄的科幻电影《地心游记》中描述的地幔位置,但该计划一旦成功,将会成为比人类探月计划更具革命影响的人类探索活动!(记者 刘霞 综合外电)