指向地球内部的望远镜:超深钻井
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指向地球内部的望远镜:超深钻井

2022-05-26 09:00:03 投稿作者:网友投稿 点击:

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登月成功后,“阿波罗计划”家喻户晓。但今天许多人可能不知道的是,当年美苏两个超级大国的目光并不只是盯着星空,同样也投向了脚下的大地。

多年以来,人类对地球内部的研究手段都极为有限,基本上只能依赖地震波,其原理有些类似于做B超。地震波有三种:纵波(或称P波)、横波(或称S波),以及更为复杂一些的面波。1909年,南斯拉夫地震学家莫霍洛维奇发现,纵波与横波的传播速度在地下某一深度处会突然增加,这一深度由此被命名为“莫霍不连续面”,是地壳与地幔的分界线;1914年,美國地质学家古登堡发现第二个地震波突变面,在此处纵波速度急剧下降,而横波完全消失,这个不连续面被称为“古登堡面”,是地幔与地核的分界线。

冷战的大幕拉起后,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,打穿地壳,直达莫霍面。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!

苏联不甘落后,20世纪60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,超深钻探的难度超出了所有人想象:随着深度增加,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;此外,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;最重要的是,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钻杆偏离垂直线,需要上面的操作者及时纠正。更要命的是,很多时候工程师们甚至不大清楚钻头的位置——他们的科考船下面有几千米深的海水,海水下面是几千米深的地壳,钻头像一只小老鼠在里面孤独地掘进——总统先生问“我们最近的航母在哪儿”,一分钟内就能得到回答;但如果他问“我们最深的钻头在哪儿”,工程师们就得停下来数数用了多少钻杆,评估地质条件和偏角,忙活半天,最后也只能回答个也许并不准确的计算值。

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,有时甚至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……

三亿美元打穿地壳?Too young, naïve!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。

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。

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。

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,持续一千万年,花岗岩可以变成任何形状。电影《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。

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,他们将材料力学运用到了极致,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,导致当局不得不终止钻探计划。网上甚至可以找到所谓的“地狱录音”。

但事实应该是这样的:

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。它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。但是这些曲线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(没错就是这个漂亮的数字)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。

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。

把地球看成是个鸡蛋,经过美国与苏联的几十年努力,我们连蛋壳都没钻透。抵达莫霍面至今仍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。如果把我們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。

冷战落幕后,由于吸取了苏联的教训,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“第一”“巅峰”或象征意义。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。人类登上火星几乎是有生之年一定能看到的事情,但抵达地心?可能真的唯有指望儿孙们“家祭无忘告乃翁”了。

不过,未来总是令人充满期待的。刘慈欣在《地球大炮》里设想了可以抵御极端温压的中子态物质,用它制造的高密度飞船可以自动下沉,一路穿过地幔、抵达地心。钻井技术已经发展了一百余年,依旧看不到钻穿地球的希望;但以目前物理学进步的速度,也许当我们老去时,真的能有机会坐在中子物质制造的地心飞船里,到炽热的地核熔浆里去遨游。


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