“觸摸”地幔

卓然

早在人類成功探月后，雄心勃勃擬定征服火星計(jì)劃之時，便有科學(xué)家提出異議——我們對自己的地球家園還知之甚少，對于深海和地球內(nèi)部的了解，還不及對月球了解得多，為何我們要如此著急地踏足太空呢？

盡管這樣的論調(diào)已經(jīng)提出了數(shù)十年，但迄今，人類依舊對深海不太了解，對“地球化學(xué)儲庫”——地幔更是所知甚少。不過在2015年12月5日，一個由12個國家的科學(xué)家組成的科考團(tuán)隊(duì)，在西南印度洋展開了鉆探地幔的大行動。他們乘坐一艘名為“決心號”的大洋科學(xué)鉆探船，急速駛向南印度洋一處叫做亞特蘭蒂斯淺灘的地方，開始了人類科學(xué)史上具有里程碑意義的科考行動——大洋鉆探。

挑選西瓜的最好方法是將它剖開，雖然切開地球不可能，但這次科學(xué)家將以鉆桿為手術(shù)刀，給地球做一次“腹腔手術(shù)”，以期揭開地幔及地殼與地幔銜接處所蘊(yùn)涵的自然奧秘。

艱難歷程

回溯人類科學(xué)史，我們不難發(fā)現(xiàn)，與天文學(xué)家相比，地質(zhì)學(xué)家的成就仿佛是“九牛一毛”。直到20世紀(jì)前，人們對于地球的內(nèi)部結(jié)構(gòu)還只能用想象來描繪。19世紀(jì)的法國小說家凡爾納在他的《地心游記》里描述了一個中空的地球，這也成了小說的硬傷。

隨著地質(zhì)學(xué)家找到了認(rèn)知地球的有效工具——地震波，人類由此開辟了探知地球奧秘的重要途徑，科學(xué)家也開始利用它來還原地球的本真面目。通過觀測地震波在地球內(nèi)部的傳播情況，科學(xué)家把地球大致劃分成了地殼、地幔和地核三部分。

但在隨后的半個世紀(jì)里，地質(zhì)學(xué)又陷入了徘徊期。盡管科學(xué)家已經(jīng)掌握了地震波這個利器，但我們對地震的預(yù)測預(yù)報水平至今仍裹足不前。1957年，美國地質(zhì)學(xué)家沃爾特芒克提出了一個雄心勃勃的計(jì)劃，這個計(jì)劃的核心內(nèi)容非常簡單——打一口井，鉆透整個地殼。由于這口井要一直打到莫霍界面（地殼與地幔的分界面，由克羅地亞地震學(xué)家莫霍洛維奇于1909年發(fā)現(xiàn)），因此得名“莫霍計(jì)劃”。

在當(dāng)時看似瘋狂的“莫霍計(jì)劃”選擇在洋底而不是在陸地上鉆井，原因很簡單：洋底的地殼比陸地的地殼要薄得多。在大陸上挖一口貫穿地殼的井，需要向下挖30～50千米，而從洋底出發(fā)，距離可直接縮短為5～10千米。

1961年3月，“莫霍計(jì)劃”的第一口科學(xué)鉆孔井在地拉霍亞海岸附近施工，在水深948米的海底向下鉆了315米。不過，由于實(shí)施計(jì)劃的技術(shù)難度大且費(fèi)用高昂，該計(jì)劃于1966年8月宣告終止。

該計(jì)劃雖然中途夭折，但它對于地球科學(xué)的發(fā)展仍起到了不可估量的作用，開啟了科學(xué)鉆探的先河，為科學(xué)家了解地殼的演化以及監(jiān)測地震做出了一定的貢獻(xiàn)，證明了實(shí)施深海鉆探，獲取洋底的沉積層和基巖樣品在技術(shù)上是可行的。

然而，打一口直接“觸摸”到地殼與地幔邊界的超深鉆井，讓我們能了解莫霍界面的真實(shí)情況，仍然是許多地質(zhì)學(xué)家夢寐以求的終生夙愿。

意義重大

此次具有里程碑意義的大洋鉆探，是國際大洋發(fā)現(xiàn)計(jì)劃的第360航次，也是名為“SloMo”計(jì)劃的第1個航次。根據(jù)本輪大洋科考的規(guī)劃，“決心號”大洋科學(xué)鉆探船的最終目標(biāo)就是鉆穿地殼，“觸摸”地幔。至于為何選擇在亞特蘭蒂斯淺灘作業(yè)，科學(xué)家認(rèn)為那里的地殼厚度僅為3千米左右，是一個非常理想的鉆探地點(diǎn)。

截至目前，人類對地球的鉆探還從未抵達(dá)莫霍面，此前只是通過地震波探測得出了一些研究結(jié)論，但地球內(nèi)部到底是什么模樣，至今仍是個謎。人類想要徹底了解地心溫度、地球的化學(xué)物理構(gòu)成，以及地球的電磁活動，那就必須要“觸摸”地幔，“看看”莫霍面的具體情況。

地幔位于地殼下方，是地球的中間層，厚度約2865千米，主要由致密的造巖物質(zhì)構(gòu)成，這是地球內(nèi)部體積最大、質(zhì)量最重的一層。地幔堪稱最大的“地球化學(xué)儲庫”，但由于人類尚未直接從地幔取樣觀察，因此對其詳細(xì)成分所知甚少。神秘而龐大的地幔充滿著許多未解之謎，在2013-2023年度的國際大洋發(fā)現(xiàn)計(jì)劃提出的科學(xué)挑戰(zhàn)中，地球深部演化過程及其對地表環(huán)境的影響等一系列科學(xué)問題，無不與地幔的存在密切相關(guān)。

值得一提的是，與以往的國際空間站等國際重大科研項(xiàng)目“門派林立”的情況不同的是，此次計(jì)劃共有12個國家的科學(xué)家共同參與。

在談到本次大洋鉆探的科學(xué)意義時，中國知名地質(zhì)學(xué)家周懷陽表示，“決心號”的工作目的是為了進(jìn)一步了解地球深處的結(jié)構(gòu)構(gòu)造及物質(zhì)組成。地球的巖石是一定地質(zhì)作用的產(chǎn)物，形成和穩(wěn)定于一定的地質(zhì)環(huán)境。每當(dāng)?shù)刭|(zhì)環(huán)境改變，巖石也將隨之改變。因此深入研究巖石，就能窺探到地球發(fā)展和演化過程中的一些“蛛絲馬跡”。

英國卡迪夫大學(xué)的麥克勞德教授在介紹此次科學(xué)探測任務(wù)時說，“決心號”計(jì)劃通過3個航次的大洋鉆探，在亞特蘭蒂斯淺灘重新鉆一個孔，目標(biāo)是分三步鉆穿地殼，直達(dá)殼幔邊界。本航次的目標(biāo)是鉆取1300米的巖芯，獲得記錄地球生命歷程的材料。最終目的是打穿地殼與地幔的邊界即莫霍面，從而得以零距離“觸摸”地幔。

事實(shí)上，這已不是人類第一次在亞特蘭蒂斯淺灘打孔鉆探。自1987年起，便有科學(xué)家在此處進(jìn)行鉆探，共有3次，但由于惡劣的天氣與海況，這些任務(wù)均告失敗。

危險可控

本次大洋鉆探行動一經(jīng)公布，立即在世界范圍引發(fā)熱議。網(wǎng)絡(luò)上更是響徹各種猜測和質(zhì)疑，甚至有些人還驚呼，科學(xué)家正在瘋狂冒險，這樣的行動極有可能會引發(fā)火山爆發(fā)等意外災(zāi)難。

不過，據(jù)國際大洋發(fā)現(xiàn)計(jì)劃中國辦公室對外發(fā)布的信息顯示，截至目前，科學(xué)家共在全球大洋鉆探了3000多個孔，還從未有過導(dǎo)致火山爆發(fā)等危險情況的發(fā)生。

盡管本輪鉆探深度將超越以往，但由于鉆探的都是堅(jiān)硬的巖石層，因此并不會有什么危險。就算我們最終“觸摸”到了地幔，也大可不必?fù)?dān)心。研究發(fā)現(xiàn)，地?？煞殖缮系蒯：拖碌蒯蓪?，盡管上地幔頂部存在一個軟流層，但軟流層以上的地幔，也就是上地幔的頂部也是巖石圈的組成部分，在這種硬度較高的巖石圈中鉆孔不會有什么意外，地球熔巖不會由此向外噴發(fā)。

亟待揭秘

本世紀(jì)初，曾有美國地質(zhì)學(xué)家大膽推測，地球的內(nèi)核處可能有一個綿延10千米的核反應(yīng)堆，正是因?yàn)樗峁┑木薮蟮哪芰?，才使地球?nèi)部保持了幾十億年的高壓高溫環(huán)境。而日本科學(xué)家則發(fā)表論文指出，除了地殼的表層存在水之外，在地幔里很可能也有水。為了證實(shí)這一猜測，他們甚至還做了個模擬的“下地?！?。下地幔是距地表650～2900千米的部分，主要成分是硅酸鹽，此外還有金屬氧化物與硫化物，主要是鐵和鎳，因此下地幔又被稱為金屬帶。這個模擬的“下地?！笔前凑照鎸?shí)下地幔中鎂、鐵、鈣、鎳等元素在地幔中所占的比例混合而成的。因下地幔中的化合物吸收了大量的水，所以礦物的發(fā)射光譜能夠透露出其中的含水信息?？茖W(xué)家根據(jù)檢測到的數(shù)據(jù)，進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，模擬“下地?！敝械奈镔|(zhì)里水含量達(dá)到了0.2%。基于這個實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，科學(xué)家推測，地球內(nèi)部的水量是地表水的5倍多。

近年來，甚至還有科學(xué)家猜測，地球深處是否存在著其他不為人知的生命形態(tài)。目前，科學(xué)家已經(jīng)在地球表面下1600米左右的地方，發(fā)現(xiàn)存在有微生物，那里的溫度非常高。此外，地質(zhì)學(xué)家還在地球內(nèi)部高達(dá)2萬個大氣壓的環(huán)境里，發(fā)現(xiàn)了細(xì)菌的蹤影。但此前的研究表明，細(xì)菌或者其他形式的生命無法生存在超過幾千個大氣壓的環(huán)境里。以上種種，無不激發(fā)科學(xué)家的好奇心：在更深的地球內(nèi)部，是否還藏著包括另類生命形態(tài)在內(nèi)的諸多秘密。

截至2016年2月1日，“決心號”已向海底鉆探近700米，至1300米后，科學(xué)家還將乘坐鉆探能力更強(qiáng)的日本“地球號”，鉆到殼幔邊界。

半個多世紀(jì)以來，全世界的地質(zhì)學(xué)家從未放棄過探尋莫霍面、“觸摸”地幔的科學(xué)夢想。如今，對生命極限的認(rèn)知再次驅(qū)動著科學(xué)家的求知欲。也許數(shù)十年后，這片位于南緯32度42分、東經(jīng)57度17分的海域依舊祥和，但人類的世界觀將會徹底顛覆。