通向地幔之旅*
Damon Teagle1),Beno?t Ildefonse2)
1)National Oceanography Centre,University of Southampton,Southampton SO14 3ZH,UK
2)Géosciences Montpellier,CNRS,UniversitéMontpellier 2,34095Montpellier cedex 5,F(xiàn)rance
在人類首次嘗試地幔鉆探50周年之際,Damon Teagle和Beno?t Ildefonse表示,曾經(jīng)的科幻現(xiàn)在有可能變成現(xiàn)實。
一個多世紀(jì)以來,地幔巖石取樣一直是地球科學(xué)界追求的重要目標(biāo)。1909年,克羅地亞氣象學(xué)家Andrija Mohorovii注意到在地下30km左右傳播的地震波比該深度以上的地震波傳播得更快,說明此處巖石的成分和物理性質(zhì)均發(fā)生了根本性變化。他發(fā)現(xiàn)了地幔的上邊界,即現(xiàn)在我們所熟知的莫霍洛維奇不連續(xù)面(Mohoroviidiscontinu-ity),簡稱“莫霍面”。這一界面標(biāo)志著地球內(nèi)部主體的開始,地球內(nèi)部主體是指從地殼底部(大陸下30~60km,大洋薄地殼下僅6km)延伸至下方2 890km深的地核的部分。
開展超深鉆探,并從地幔中直接取回巖石樣本,將為科學(xué)家提供可與阿波羅帶回的月球巖石樣本相媲美的寶藏,使我們對所居住的行星的起源和進(jìn)化有更加深刻的認(rèn)識。但事實證明此項工程與登月一樣困難,抑或比登月還要難。迄今為止,大洋地殼的鉆探深度都不超過~2km,這一深度只是通向地??偮贸痰?/3。第一個試圖到達(dá)地幔的超深鉆探項目“莫霍面鉆探計劃”(Project Mohole)”因地緣政治困局而告失敗,沒有實現(xiàn)其預(yù)期目標(biāo)。
現(xiàn)在,由于技術(shù)水平的提高,以及我們對腳下深處巖石的更多了解和對鉆穿這些巖石所面臨的挑戰(zhàn)的深刻認(rèn)識,一項新的莫霍面鉆探計劃正在進(jìn)行之中。未來幾年中將在太平洋的3個競相成為第一個到達(dá)地幔的超深鉆孔的位置開展地球物理探測(見圖1)。鉆探到地幔將需要大量的船時,而且非常昂貴——雖然比登陸月球費(fèi)用低得多,但其費(fèi)用將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過目前的任一鉆探考察項目。但是,如果能夠找到經(jīng)費(fèi),而且相關(guān)部門維持承諾,那么鉆探工作將在10年內(nèi)開始,15年內(nèi)結(jié)束。在此期間,也就是下個月,我們將率領(lǐng)一個科考隊到太平洋開展大洋地殼鉆探,其深度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過以往。
到達(dá)地幔的超深鉆探計劃最初是在20世紀(jì)50年代由幾位二戰(zhàn)后美國地球科學(xué)界的顯赫人物假借美國雜學(xué)會(American Miscellaneous Society)的名義提出的。該學(xué)會是一個由美國國家科學(xué)院院士組成的非正式團(tuán)體,有時被稱為“暢飲俱樂部”。超深鉆探的想法首先來自Harry Hess和Walter Munk。Harry Hess是板塊構(gòu)造理論的創(chuàng)始人之一,而Walter Munk則對風(fēng)是如何推動洋流的進(jìn)行了開創(chuàng)性研究,并解釋了為什么月球總是以固定的一面對著地球。他們認(rèn)為自己在所研究的領(lǐng)域中所從事的研究工作雖然還算有價值但很乏味,因而感到有些沮喪,所以,他們雄心勃勃地想干一件更具創(chuàng)意的大事。
1957年4月的一個星期六早晨,在Munk家中的一次果酒早餐會上,他們提出了“莫霍面鉆探計劃”,這是第一個試圖鉆穿地殼進(jìn)入地幔的計劃。
那時,新興的海上石油工業(yè)尚未開始認(rèn)真考慮深水鉆井問題?!澳裘驺@探計劃”需要諸如動力定位等新技術(shù)的研發(fā),這種技術(shù)可使鉆井船穩(wěn)穩(wěn)地停在預(yù)定位置。科學(xué)家們得到了美國國家科學(xué)基金會的資助,并委派當(dāng)時可用的最好的鉆井船“CUSS 1”號執(zhí)行任務(wù),這艘船的名字源自其研發(fā)公司(Continental,Union,Shell and Superior)。在項目實施后的4年之內(nèi),“CUSS 1”的船舷被安上了螺旋槳,一套使船舶保持在預(yù)定位置的系統(tǒng)也被研發(fā)出來。
由于Willard Bascom及其同事的大膽而創(chuàng)新的工程計劃,1961年3月至4月期間,科學(xué)家在東太平洋瓜達(dá)盧佩島(Guadalupe Island)的沿海地區(qū)從海洋地殼的最上部硬巖(或稱“基巖”)中取回了第一塊巖心。他們耗資150萬美元(若按其占美國經(jīng)濟(jì)總量的比重算,約合2009年的4 000萬美元),從3 800m深的水域、170m深的沉積物中,取出了幾米厚的玄武巖樣本。小說家、業(yè)余海洋學(xué)家John Steinbeck曾在《生活》雜志上(1961年4月14日)對此進(jìn)行了報道,在“CUSS 1”號鉆井船最初幾次作業(yè)時,他就在這艘船上。
這是“莫霍面鉆探計劃”成功取回的第一塊海洋巖心。此次考察后,該項目改變了管理模式,在究竟推行哪些鉆探技術(shù)的問題上作出了一些不當(dāng)?shù)臎Q定,花費(fèi)也失去控制,急劇上升。1966年,美國國會否決了對該計劃的撥款,“莫霍面鉆探計劃”因此擱淺。
然而,該計劃的實施階段正是板塊構(gòu)造理論逐步被認(rèn)可的時期。人們對于海洋地殼的信息和演化所產(chǎn)生的興趣陡然上升?!澳裘驺@探計劃”證明,對海洋基底實施科學(xué)鉆探是可行的。這便促成了科學(xué)大洋鉆探國際合作的啟程,并連續(xù)不斷地推行了40年?!熬C合大洋鉆探計劃”(Integrated Ocean Drilling Program,IODP;www.iodp.org)及其前身“深海鉆探計劃”(Deep Sea Drilling Project,DSDP),以及“大洋鉆探計劃”(Ocean Drilling Program,ODP)聯(lián)手構(gòu)成了大概是所有領(lǐng)域中長期國際科技合作的最成功的范例。
地幔約占地球質(zhì)量的68%。其絕對體積就足以說明準(zhǔn)確了解其成分和變化對于認(rèn)識地球的形成和演化過程至關(guān)重要。地球的表面殼層——構(gòu)成海底和大陸的物質(zhì)——幾乎全都源自地幔。
造山運(yùn)動期間被上推至地球表面的一些地幔碎片可供研究使用。其他一些包裹在熔巖內(nèi)的地幔碎片是從火山中噴射出來的,而海底擴(kuò)張則把一些碎片帶到了洋底。這些碎片表明地幔主要由被稱為橄欖巖的巖石組成,其成分為富鎂貧硅的礦物,如橄欖石和輝石等。此外,結(jié)合遠(yuǎn)場地震勘測結(jié)果,這些碎片也表明地幔的成分因地而異,但這種差異的程度尚不清楚。取回的樣本全都因?qū)⑵鋷氲乇淼倪^程或因接觸到海水而發(fā)生了化學(xué)變化。可用于地球過程重現(xiàn)的許多主要元素的濃度和同位素示蹤劑(包括水、鈾、釷、鋰、碳、硫、硅、鉀、惰性氣體以及鐵的氧化態(tài))都極不穩(wěn)定。來自地殼下方的幾千克新鮮橄欖巖就會提供大量的全新信息。
到達(dá)地幔需要鉆穿整個大洋地殼,這對地質(zhì)學(xué)家而言也是件好事。地殼的形成是板塊構(gòu)造旋回的基礎(chǔ)。它是熱和物質(zhì)從地球內(nèi)部上翻的主要機(jī)制,使約60%的地球表面每2億年就更新一次。目前,由于缺乏直接的原位觀測資料,我們對大洋地殼深處正在發(fā)生的熱交換、化學(xué)交換、抑或生物交換仍然知之甚少。
現(xiàn)在,鉆一個穿過地殼6km、直徑達(dá)幾英寸的探孔的技術(shù)已經(jīng)具備,或者說研發(fā)這種技術(shù)是切實可行的[1-2]。一項有望被選中的候選技術(shù)就是2002年下水的深海鉆探船“地球”(Chikyu)號所使用的技術(shù)。這艘船有一個隔水管裝置——環(huán)繞鉆柱的一根出口管,巖心取樣就是通過這根鋼管完成的。鉆探泥漿和鉆粉被返回到鉆探船上兩根鋼管之間的空隙內(nèi)。這樣一來,鉆探泥漿便可循環(huán)利用,其物理性質(zhì)和鉆孔內(nèi)的壓力得到控制,而且還有助于井壁的穩(wěn)定性。這也意味著可對鉆粉進(jìn)行科學(xué)意義上的評估。“地球”號是一艘巨大的船舶,可以攜帶10km長的鉆管,還裝有可在2.5km深的水域進(jìn)行立管鉆探作業(yè)的設(shè)備。
今后10年間,研究人員和工程師將設(shè)計并研發(fā)出新鉆頭、潤滑劑和電纜設(shè)備,用于在水下約4km、壓力高達(dá)2kbar、溫度高達(dá)300℃的條件下鉆取地幔巖心樣本。尤其是需要一個超過目前“地球”號裝備所能到達(dá)深度的隔水管裝置,或者一個不同于以往的泥漿循環(huán)系統(tǒng),這些裝備中的一部分將被安裝在海底。
要確定新的“莫霍面鉆探計劃”的最佳地點,需要考慮多種因素。一種理想的選擇就是覆在大洋地殼上方的最淺的海域,這就意味著要盡可能靠近洋中脊,即新地殼形成的地方。這個地點還必須盡可能是最冷的地殼,而這種地方又往往遠(yuǎn)離洋脊。受這些約束條件的限制,可開展超深鉆探的地點僅剩下3個,它們分別是夏威夷附近海域、下加里福尼亞和哥斯達(dá)黎加(圖1)。這些地點各有利弊。例如,夏威夷附近海域是最冷的,但也是最深的,而且靠近最近的火山活動區(qū),因而有可能引起地幔物質(zhì)發(fā)生化學(xué)變化,并對上覆地殼形成干擾。所有地點都位于太平洋,因為那里的地殼比其他海洋的地殼形成得快,從而有利于形成最簡單、最均勻的基底構(gòu)造。地震學(xué)和地質(zhì)學(xué)研究暗示快速擴(kuò)張的大洋地殼應(yīng)該是相對均勻的,而且最接近教科書模型。我們希望找到符合這些簡單地殼模型的物質(zhì),這種地殼就像一塊由熔巖、巖墻和輝長巖等各種巖石組成的層狀蛋糕。
圖1 鉆探地點[1]。正在考慮中的3個作為地幔鉆探計劃實施地點的區(qū)域。其中一個包含“莫霍面鉆探計劃”的最初鉆探地點;另一個包含科學(xué)家今年就要鉆探至下地殼的一個地點(ODP地點1256)(原圖為彩圖)
與此同時,從事大洋鉆探的工作人員正利用傳統(tǒng)的無隔水管技術(shù)繼續(xù)在地殼深部取樣,這種技術(shù)是IODP最近重新裝配的主力作業(yè)船“JOIDES Resolution”號所采用的技術(shù)。
在John Steinbeck跟隨大洋地殼鉆探的先驅(qū)者乘“CUSS 1”號航行50年后,我們也成為一個考察隊的聯(lián)合首席科學(xué)家,該考察隊將首次從一段下洋殼中獲取樣本——緊挨著地幔上方的物質(zhì)。IODP的“Expedition 335”將于2011年4月13日至6月3日期間起航[3]。
本次任務(wù)所選地點位于哥斯達(dá)黎加附近海域的Cocos板塊上(ODP地點1256)。這一地點在超高速形成的大洋地殼內(nèi)——速度超過每年20cm,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過現(xiàn)今任何地殼形變的速度。因此,那里的上地殼比其他地方薄得多,不用鉆很深就可以到達(dá)下邊的部位。先前已經(jīng)在1256D鉆孔完成了3次鉆探任務(wù),其鉆探深度超過洋底下1.5km,進(jìn)入了巖墻與輝長巖之間的過渡帶[4-5]。
2011年春天,我們計劃將該鉆孔至少加深400m,并首次從下地殼中取到輝長巖,屆時,這將是從海底下方提取的最深類型的巖石。(該鉆孔本身不是最深的海底鉆孔;最深的是504B,該鉆孔位于哥倫比亞附近的東太平洋,深度為海底以下2 111m。)
這次作業(yè)應(yīng)該有助于解決許多有爭議的問題:洋中脊的地殼是如何形成的?來自地幔的巖漿是如何侵入下地殼的?海水從下洋殼中吸取熱量的幾何學(xué)特征與力度如何?下地殼對海洋磁性異常起到了什么作用?本次任務(wù)結(jié)束時,我們離Moho面還差3.5km,但該項目將為深海地殼鉆探注入更多的信心與動力,并且為穿透整個Moho面進(jìn)入上地幔的計劃提供至關(guān)重要的信息。
鉆探至地幔是地球科學(xué)史上最具挑戰(zhàn)性的嘗試。它將為下一代地球科學(xué)家、工程師和技術(shù)人員提供基礎(chǔ)科學(xué)知識,使他們從中得到鍛煉,獲得靈感。對于這一尖端創(chuàng)舉,全球媒體的關(guān)注和公眾參與的熱情都達(dá)到了令人吃驚的水平。這可能只拉開了一項更為重大的計劃的序幕。由于地殼和地幔很可能都會因為地點不同而發(fā)生變化,所以我們最終希望能有多個這樣的鉆孔。那似乎只是一個遙遠(yuǎn)的夢想,但隨著時間的推移和經(jīng)驗的積累,超深鉆探將會變成一件慣常之事,費(fèi)用也會越來越低。
1958年4月,Harry Hess批評了某些人對第一個“莫霍面鉆探計劃”的詆毀,在為該計劃進(jìn)行辯護(hù)時,他對美國國家科學(xué)院說道:“我們或許無法從一個鉆孔中如愿獲取有關(guān)地球內(nèi)部的許多信息。但我要對那些提出異議的人說,如果沒有第一個鉆孔,就不會有第2個、第10個、第100個。萬事總要有個開頭?!苯裉炜磥?,Harry Hess所言極是。
譯自:Nature,24March 2011,Vol.471:437-439
原題:Journey to the mantle of the Earth
(中國地震局地球物理研究所 左玉玲 譯;鄭需要 校)
(譯者電子信箱,左玉玲:yulingzuo@yahoo.com.cn)參考文獻(xiàn)
[1]Ildefonse B,Abe N,Blackman D K,et al.The MoHole:A Crustal Journey and Mantle Quest,Workshop in Kanazawa,Japan,3-5June 2010.Sci.Drill.,2010(10):56-63
[2]Workshop Report Writing Group.Executive Summary:“Mantle Frontier”Workshop.Sci.Drill.,2011(11):51-55
[3]Teagle D A H,Ildefonse B,Blum P.IODP Exp 335Scientific Prospectus.2010,doi:10.2204/iodp.sp.335.2010.http:∥publications.iodp.org/scientific_prospectus/335/
[4]Wilson D S,Teagle D A H,Alt J C,et al.Drilling to Gabbro in intact ocean crust.Science,2006,312:1 016-1 020
[5]Teagle D A H,Alt J C,Umino S,et al.Proc.Integrated Ocean Drilling Program 309/312Expedition Reports.http:∥publications.iodp.org/proceedings/309_312/309312.PDF
P315.6;
D;
10.3969/j.issn.0235-4975.2011.11.001
2011-10-27。