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地球最深鑽孔似地獄入口:大國之間的地球鑽探競賽



北京時間1月6日消息,據國外媒體報導,在冷戰期間,美國和蘇聯都制定了雄心勃勃的鑽探計劃,試圖穿過地殼,接近地球中心。湖泊、森林、霧氣和積雪,在俄羅斯位於北極圈深處的科拉半島上,一切看起來就像是童話故事裡的場景。然而,在這片自然美景中,卻矗立著一座蘇聯科學研究站的廢墟。在這棟搖搖欲墜的建築中間,混凝土地板上嵌著一個沉甸甸、鏽跡斑斑的金屬帽,由一圈同樣鏽跡斑斑的金屬螺栓固定著。

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一些人說,這裡是地獄的入口。這就是科拉超深鑽孔(Kola Superdeep Borehole),地球上最深的人造洞,也是到達地球最深處的人造物。這座建築深達12.2公里,以至於當地人發誓稱,你可以聽到在地獄裡受刑的靈魂的尖叫聲。蘇聯人花了將近20年的時間才鑽到這麼深的地方,但當這個項目在蘇聯解體後戛然而止時,鑽頭才鑽到地殼到地幔距離的三分之一處。

蘇聯的超深鑽孔並非個例。冷戰時期,超級大國之間展開了一場競賽,都想要盡可能地深入地殼,甚至到達地幔。

現在,日本人也想試一試。國際大陸科學鑽探計劃(ICDP)的烏利•哈姆斯說:“鑽探開始的時間正好處於鐵幕時代。”當時哈姆斯還是一位年輕的科學家,參與了德國的超深鑽孔項目。 “我們之間肯定存在競爭。其中一個主要的動機是,俄羅斯人並沒有真正公開他們的數據,”哈姆斯說,“當俄羅斯人開始鑽探時,他們聲稱發現了自由水——但大多數科學家根本不相信這一點。過去,西方科學家普遍認為,在地下5公里處,地殼密度非常大,水無法滲透到那裡。”

“(新)項目的最終目標是獲得目前活躍的地幔實際樣品,”日本海洋研究開發機構的項目經理肖恩·托茲科說,“在阿曼這樣的地方,你可以找到接近地表的地幔,但那是數百萬年前的地幔。這就相當於活恐龍和恐龍骨骼化石的區別。”

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如果將地球比作一個洋蔥,那麼地殼就像洋蔥的薄皮,它只有40公里厚。地殼下方是2900公里深的地幔,再往下便是地球的中心——地核。

就像太空競賽一樣,探索未知“深度邊疆”的競賽展示了工程能力和前沿技術,以及某種“正確的東西”。科學家們要前往從來沒有人去過的地方。這些超深鑽孔所能提供的岩石樣本對科學的重要性,可能不亞於美國宇航員從月球上帶回的任何東西。唯一的不同是,這次美國人沒有贏得比賽。事實上,也沒有人真正獲勝。

在探索“深度邊疆”的競賽中,美國進行了第一次預演。 20世紀50年代末,美國百科學會提出了第一個深入研究地幔的嚴肅計劃。這是一個非正式團體,由美國科學界的領軍人物組成。他們將這一鑽過地殼直達地幔的計劃稱為“莫霍計劃”(Project Mohole),以提出莫霍不連續面的克羅地亞地震學家安德里亞·莫霍羅維奇的名字命名。

美國人並沒有鑽一個很深很深的洞,而是決定在墨西哥瓜達盧佩附近的太平洋海底進行鑽探。在海底鑽探的好處是那裡的地殼比較薄,而缺點是地殼最薄的地方通常是海洋最深的地方。

蘇聯於1970年開始在北極圈進行鑽探。 1990年,德國大陸深層鑽探計劃(KTB)在巴伐利亞州啟動,最終鑽探深度達到9公里。

與登月任務一樣,超深鑽探所需的技術必須從頭開始摸索。 1961年,當莫霍計劃開始在海床上鑽探時,石油和天然氣的深海鑽探還未出現。當時還沒有發明出諸如動態定位等關鍵的技術。在石油深海鑽探中,這種技術可以使鑽探船停留在油井上方的位置。於是,工程師們不得不臨時想辦法。他們在鑽探船的兩側安裝了一套螺旋槳系統,使船在鑽孔上方保持穩定。

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德國工程師面臨的最大挑戰之一,是如何鑽一個盡可能垂直的洞。他們當時提出的解決方案,現在已成為世界油氣田的標準技術。

“根據俄羅斯人的經驗,你必須盡可能垂直鑽探,否則就會加大鑽機的扭矩,造成孔內扭結,”烏利•哈姆斯說,“解決辦法是開發垂直鑽井系統。”現在這已經是一個行業標準,但它們最初是為大陸深層鑽探計劃開發的。該系統直到鑽探深度達7.5公里還能奏效,但在最後的1.5至 2公里,這個洞偏離了垂直線將近200米。

“上世紀90年代初或80年代末,當俄羅斯變得更加開放,並願意與西方合作時,我們試圖利用一些俄羅斯的技術,”哈姆斯補充道,“不幸的是,我們無法及時得到相關設備。”

最終,所有這些探險都以某種程度的挫折告終。有的在起步時就遭遇阻礙,有的則是鑽探機器在地下深處遭遇高溫,加上成本和政治因素,所有這些都讓科學家的夢想破滅。他們都想要鑽得更深,並打破最深洞的記錄。

在尼爾·阿姆斯特朗登上月球的兩年前,由於成本開始失控,美國國會取消了對莫霍計劃的資助。科學家開采出來那幾米厚的玄武岩,以今天的貨幣計算,大約花費了4000萬美元。

接下來就輪到科拉超深鑽孔了。 1992年,當溫度達到180攝氏度時,鑽探停止了。這個溫度是原先估計值的兩倍,再往深處鑽是不可能的。蘇聯解體後,再沒有資金來資助這些項目;三年後,整個設施被關閉。如今,這個荒涼的地方成了喜歡冒險的遊客的目的地。

德國的超深鑽孔沒有像其他項目那樣遭遇厄運。巨大的鑽機仍然在那裡,今天已成為旅遊景點。這個地方實際上已經變成了地球的觀測台,甚至是一個藝術畫廊。

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當荷蘭藝術家洛蒂·吉文將帶隔熱罩的麥克風放入德國的超深鑽孔時,麥克風接收到了一種低沉的隆隆聲,科學家也無法做出解釋。這種隆隆聲讓她“覺得自己非常渺小”。她說:“這是我生命中第一次看到這個我們賴以生存的大球活了過來,它的聲音讓人難以忘懷。有些人認為,這聽起來就像地獄,也有人以為,他們聽到的是地球的呼吸。”

哈姆斯表示,當時德國的計劃是比蘇聯鑽得更深,但當時他們甚至還沒有達到預期的10公里深度。 “我們鑽探的地方比俄國人的鑽孔要熱得多。很明顯,要想再深入下去,難度要大得多,”他說,“當時正是20世紀90年代初的德國,沒有很好的理由來籌集進一步推進計劃的額外資金,因為德國的統一耗資太大了。”

奔向地幔的競賽似乎就是著名小說《地心之旅》的升級版,這種感覺很難擺脫。雖然科學家們並不期望找到一個藏有恐龍的洞穴,但他們確實把深度鑽探的計劃描述為“探險”。 “我們認為這是一次探險,因為在準備和執行過程中確實花了一些時間,而且你真的要進入無人地帶,那裡從來沒有人去過,這在今天看來真的很不尋常。”哈姆斯說,“你總會在那裡發現一些讓你感到驚訝的東西,尤其是當你深入地殼深處的時候。

當我們談論德國大陸深層鑽探計劃或科拉超深鑽孔時,需要了解的一點是,這些計劃背後的理論在鑽探開始時已經有30至40年的歷史了。

這些任務的意義在於,它們就像是行星探索,它們是純粹的科學事業,你永遠不知道你會發現什麼。在1256號孔[由深海鑽探項目(DSDP)和海洋鑽探項目(ODP)鑽探的一個孔],我們第一次看到了完整的海洋地殼。以前沒有人到過那裡。這真的很令人興奮,總是會有驚喜出現。

今天,“從莫霍界面到地幔”(M2M-MoHole to Mantle)計劃是國際海洋發現計劃(IODP)最重要的組成部分之一。和最初的莫霍計劃一樣,科學家們計劃在地殼只有6公里深的海床上鑽孔。這個超深鑽探項目將耗資10億美元,其目標是在人類歷史上首次獲取原位的地幔岩石。達蒙•蒂格爾也參與了該項目,他說:“這將是一項了不起的任務,需要日本做出巨大承諾。”

地球號(Chikyū)是日本建造的世界最大深海鑽探船,建於大約20年前,排水量達到59500噸。利用全球定位系統系統和6架可調計算機控制的飛機,地球號可以使船體位置的變化幅度僅為50厘米。

“我們的想法是,這艘船將接過火炬,繼續50年前啟動的莫霍計劃,”日本海洋研究開發機構的肖恩·托茲科說,“超深鑽孔在研究厚大陸地殼方面取得了很大進展,我們要做的是找出更多關於地殼-地幔邊界的信息。

目前主要的難點在於如何選擇鑽探點,已有的三個候選站點分別位於哥斯達黎加海域、墨西哥巴哈海域和夏威夷。每一個鑽井點都需要在海洋深度、與鑽井點的距離以及是否需要在岸上建立基地之間做出妥協。 “基礎設施可以建設,但這需要時間和金錢,”托茲科補充道。

哈姆斯表示,超深鑽探最終確實可以歸結為一個成本問題,“這些探險活動非常昂貴,因此很難重複。它們的成本可能高達數億歐元,其中只有一小部分將用於地球科學,其餘部分將用於技術開發,當然還有維持運營。我們需要懂得鼓舞人心的政治家來宣揚這些探險的價值。”