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人類花了300年,僅向地心深處走了0.2%(組圖)

▲ Laurent Durieux為儒勒·凡爾納《地心遊記》繪製的概念圖(來源:firewireblog.com)

編者按:當層出不窮的太空歌劇片把人類的足跡拓展到銀河盡頭,我們對地底的幻想,卻停留在幾十年前的《地心遊記》——跳進火山口,發現伊甸園,聽起來更像奇幻而非科幻。但其實,在宇航員搶盡風頭的同時,地質學家從沒閑著。

300多年來,科學家對腳下這顆球體的研究從未停止,人類難以克服的困難也許正橫亘在地底,而非遠在天邊……

進軍地心並不是什麼新鮮的想法,科學界對它的討論已有數百年之久。早在17世紀,英國科學家羅伯特•胡克就設想過挖掘一條穿過地核的隧道作為新的旅行方式,並致函牛頓進行討論。可惜後來兩人交惡,這個設想也就此擱淺。

19世紀,法國科學院的學者們又重新撿起這一想法,那是經典物理學的黃金時代,人們沉浸在物理學大廈即將完工的喜悅中,許多人樂觀地認為本世紀或下世紀內人類就可以抵達地心。以當時的技術條件來看,鑽一個直通地心的洞可比發射飛出太陽系的飛行器簡單多了。

阿瑟•柯南道爾爵士是這個美好幻想的堅定支持者之一。他筆下的大偵探福爾摩斯享譽全球,但許多人可能不知道,除偵探小說外,柯南道爾還創作過一系列科幻小說,主人公為喬治•愛德華•查林傑教授。

查林傑教授於《失落的世界》中初次出場,從這部小說開始,巨猿、恐龍和蠻荒生物大規模進入讀者的視野,它堪稱後來《金剛》和《侏羅紀公園》的祖師爺。一九二九年,柯南道爾又出版了《地球痛叫一聲》,在這部小說里,柯南道爾將行星想象成海膽般有硬殼的生物,它們從遍布宇宙的以太中汲取養分;而查林傑教授打了一口八英里深的井,穿過地殼抵達了地球母親裸露的內臟。

▲ 《失落的世界》,阿瑟·柯南道爾著(來源:維基百科)

再往前追溯,上一部出自名家之手、意圖征服地心的科幻小說大概就得推到凡爾納那篇《地心遊記》了。無論柯南道爾還是凡爾納,他們似乎都想不出什麼辦法克服橫亘在人類與地心之間的最大障礙:地溫梯度。每向下一百米,溫度要升高兩到三度,雖然緩慢,但十分無情。以全球平均地溫梯度每百米3℃計算,地下四千米處溫度超過水的沸點,地下十千米處可達到普通打火機火焰的溫度,而地心處——雖然尚無精確數據,但地質學界普遍認為地心溫度在6000℃以上。

太陽表面也不過5000多攝氏度而已。從這一角度說,征服地心比抵近太陽還要困難。

但科幻小說家畢竟不是鑽井工程師,地溫梯度並不能阻擋人類的想象力,凡爾納與柯南道爾乾脆忽視了它,假設地底深處的環境仍然允許人類生存,以方便故事進行下去。

二戰結束后,冷戰的大幕拉起,美蘇兩個超級大國在所有科學領域都展開了競爭。除了家喻戶曉的星球大戰計劃、阿波羅計劃以外,當年美蘇的目光並不只是盯著星空,同樣也投向了腳下的大地。相比遙遠的月球、火星,離我們僅有6000多千米的地心似乎是個更具吸引力的探索目標。

宇航學家們忙著射火箭放衛星送載人飛船上天,地質學家們同樣沒閑著。1958年,美國啟動了「莫霍計劃」(Project Mohole):在大洋底開一口超深井,直達地殼與地幔的分界線——莫霍面。如果做成這件事,其意義將足以與阿波羅計劃比肩,美國將成為第一個挖通地殼的國家!

▲ 莫霍計劃所用的科考船,CUSS Ⅰ (來源:維基百科)

蘇聯不甘落後,二十世紀六十年代初,蘇聯地球科學家制定了他們自己的超深鑽井方案——俄羅斯莫霍計劃(Russia Mohole),但進展並不迅速。

另一方面,美國原本計劃用三億美元完成莫霍計劃,可惜事與願違,大地母親好像並不歡迎人類的拜訪,隨著鑽井深度增加,自牛頓時代以來的美好幻想逐漸被打破:工程師們真切感受到了地溫梯度的威力,每前進一米,鑽頭都要經受更高溫度的考驗,金屬能對付堅硬的岩石,但高溫令它們變得脆弱柔軟;此外,地層壓力梯度是征服地心的又一巨大障礙,超深井的井壁承受著來自周圍數千米厚的地殼的水平壓力,這口井就像插進地球深處的一根脆弱蛋卷,怎樣維持井壁不崩潰令工程師們費盡了心思。

他們甚至無法保證鑽頭向下垂直前進!

覺得一根鋼管很堅硬?把幾百幾千根鋼管連起來試試,它們會組成一根柔軟的金屬麵條,地下岩石的硬度並不均一,使得鑽頭很容易帶著後面幾千米長的的鑽桿偏離垂直線,需要上面的操作者們及時糾正。

我們平常概念里的鑽頭是這樣的:

而地質鑽探用的鑽頭是這樣的:

看著就很疼是不是?為了抵抗地底深處的高溫高壓,鑽頭的材料、形狀、鍛造工藝都需要精心設計,造價不菲;另一方面,鑽頭雖然堅固,但磨損速度依舊驚人地快,有時僅僅掘進幾十米就必須更換;為了維持井壁穩定,還要使用套管、鑽井液,而每一樣都不是便宜貨……到1965年,該計劃耗資已經超過1億1500萬美元,但成果相當令人失望。

三億美元打穿地殼?Too young, naive! 高昂的費用令美國國會憤怒地得出結論:地球對他們比出了中指。於是莫霍計劃被叫停,人們的注意力集中在了看起來更加高大上、而且視覺效果更加震撼的阿波羅計劃上。

美國人如願了。1969年,尼爾•阿姆斯特朗在月面上踩下了第一個人類腳印,這讓蘇聯領導人們如坐針氈,極力想要在其他方面扳回一城。

1970年,在北極圈內的科拉半島上,一項了不起的超級工程開始了。大陸地殼平均厚度為33千米,而大洋地殼平均厚度只有7千米,所以美國人選擇在墨西哥近海的海底向下打洞;但蘇聯人並沒理會這點,他們在列寧格勒州荒涼的曠野上豎起了一座鬱金香般的金黃井塔,為了保障這裡工作人員的正常生活,蘇聯人還在不遠處建起了整整一個城市——扎波利亞爾內。

自1970年開始,至1990年結束,上千名工作人員在這裡忙碌了二十年。1983年,科拉超深井抵達了12000米深度。1989年,科拉超深井的SG-3鑽孔抵達了地面以下12262 米處。

▲ 1983年12月27日,這些人應當被銘記,從這裡開始,科拉井塔每向下鑽進一寸都是在創造歷史。他們的目標是15000米。 (來源:http://superdeep.pechenga.ru

當然,如果純粹只是向著地心挖洞,意義不大。科研鑽探除了追求深度之外,更重要的是取得岩心樣本。

看見那些複雜的螺旋狀花紋了嗎?岩石在漫長的時光里會變得像黏土一樣柔軟,給一塊花崗岩施加一個微小的力,持續五千萬年,花崗岩可以變成任何形狀。《肖申克的救贖》里說地質學所有的要素就在於壓力與時間,某種程度上來說,沒錯。

在地質學家眼裡,這些花紋是地殼的自白書,它們講述著寂靜的大地深處發生的故事,講述著溫度與壓力的變化規律,講述著礦物熔融與結晶的歷程,而故事發生的歲月可能遠在生命誕生之前。蘇聯人希望這些知識能夠告訴我們怎樣尋找礦床、地球內部的物質怎樣運動、乃至地球從何而來。超深井是指向地球內部的望遠鏡,通過它的「鏡頭」,我們能窺見滄海桑田變化的歷史。

▲ 科拉井塔的岩心庫 (來源:http://superdeep.pechenga.ru

這兩張圖是科拉井塔的岩心庫,看著很有冷戰背景科幻片中武器庫的感覺,是不是?當年蘇聯人希望這裡能夠引爆一顆「核彈」:世界上第一口抵達地幔的深井!他們對「深井冰」的執著簡直到了可怕的地步,曾經攔住美國人的難題沒能攔住蘇聯人,他們將材料力學利用到了極致,蘇聯的鑽頭經受住了高溫高壓的考驗,不停掘進,向下,再向下。

也許是深入地殼一萬兩千米這件事聽起來太過科幻,以致圍繞科拉井塔傳出了許多謠言:有人信誓旦旦地說這口井挖到了地獄,地質學家們從井口聽到了地獄里罪人們的恐怖慘叫,更有人說SG-3鑽孔里飛出了惡魔,導致當局不得不中止鑽探計劃。網上甚至可以找到所謂的「地獄錄音」。

但事實應該是這樣的:

這是根據科拉超深井取得的岩心與地質資料編製的圖表,可能是人類歷史上至今為止記錄深度最深的地質表格,懸挂在前科拉超深鑽探項目負責人尤里•斯米爾諾夫家中。那些波形多半就是所謂的地獄鬼嚎了,而這些曲線也不一定是聲波或地震波——許多地質參數以深度為自變數繪圖后都會得到一條漫長的曲線。

▲ (來源:http://superdeep.pechenga.ru

來看一眼這塊了不起的石頭吧。這可不是什麼惡魔,它實實在在出自科拉超深井SG-3鑽孔,深度12260米,是人類歷史上曾取得的最接近地心的物質。在這個深度,岩石與其中所含的礦物高度變質化,對地質學界而言,它比與之等重的鑽石還要珍貴。

1991年蘇聯解體后,科拉超深井項目隨之終止,15000米的目標也變得遙不可及。2008年,卡達的阿肖辛油井抵達12289米深度,首次打破SG-3鑽孔的紀錄;2011年,俄羅斯在庫頁島的Odoptu OP-11油井達到12345米深度,再次打破最深紀錄。然而,若考慮到海拔、井壁並不垂直等因素,科拉超深井的SG-3鑽孔依舊是人類世界里離地心最近的地方。

更重要的是,這兩口「後來居上」的超深井都是石油生產井,而非鑽探井,它們不以取得岩心為目的,對地質學的貢獻遠遠無法與科拉超深井相提並論。

現在回頭看看我們到了哪裡:

左上角的放大圖裡,最上部的淺灰色區域中,由地表向下劃一條大概穿過淺灰色區域厚度三分之一的線段,bingo,你抵達了人類向地心進軍的前哨站。

在柯南道爾的《地球痛叫一聲》中,查林傑教授那口井的深度是八英里,換算一下約為12.8千米,與半個世紀后科拉超深井的成就相去不遠,如此巧合實在令人遐想。

把地球看成是個雞蛋,經過美國與蘇聯幾十的年努力,我們連蛋殼都沒鑽透。抵達莫霍面至今是地質學家的一個夢,今天我們已經擁有了飛出太陽系外的探測器,但對腳下的大地依舊知之甚少。有個笑話說,「新地平線號」探測器駛向冥王星之前,我們對冥王星的了解能寫在一張撲克牌上。如果把我們對地球深部結構的了解寫下來,估計也就是十幾張撲克的事兒,保不齊還有富餘。

還記得美國人那個燒起錢來不要命的莫霍計劃嗎?他們冷靜下來之後提出了這個計劃的經濟適用版:深海鑽探計劃(Deep Sea Drilling Program,DSDP),然後經過若干次系統升級與資料片更新,終於得到了莫霍計劃2.0版本:大家一起來燒錢。這就是綜合大洋鑽探計劃,或稱IODP(Integrated Ocean Drilling Program),帝國主義列強基本人人有份,中國於2004年加入了列強們的行列(咦哪裡不對),成為向地幔進軍的先鋒。

現實很嚴酷,不過科幻作家們已經無數次證明,物理規律從來攔不住他們的想象力。

劉慈欣在《帶上她的眼睛》和《地球大炮》兩篇小說中則提出了新的進軍地心方案:使用簡併態物質製造井圈與地心飛船。簡併態物質具有極高的密度,以致在地殼中可以自行下沉,就像石子在水中下沉那樣。形成簡併態物質本身就需要相當極端的溫壓條件,因此地溫與地層壓力也對它無可奈何。但很可惜的是,製造簡併態物質和製造《三體》中的水滴差不多,對目前的物理學界來說實在有點過於遙遠。

冷戰落幕後,由於汲取了蘇聯的教訓,各國在科技研發方面越來越注重效益與實際收穫,而非追求政治上的象徵意義。耗資巨大的超深井計劃在世界範圍內都進入了平穩發展的階段,蘇聯人那種十年狂飆突進一萬米深度的盛況多半是不會再現了,作為地質人,有些惋惜,但更多的是慶幸。

縱觀19世紀末以來的科學發展史,幾乎任何一門自然科學的突破都是在物理學為其鋪墊好道路之後才實現的。X射線的發現推動醫學進步,衍射成像推動化學進步,電磁學與光學則為天文學做出了巨大貢獻,如果將來某一天物理學家們發現了簡併態物質或其他高強度材料的製造方法,隨之而來的一定是地質學的新一輪大發展。

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