科学家印度洋钻探地壳:与地幔“亲密接触”

2016年01月04日 11:00 次阅读 稿源:科通社 条评论

从2015年12月中旬开始,来自美、英、中等12个国家的30名科学家,乘坐一艘名为“决心”号的大洋科学钻探船,在一处叫作亚特兰蒂斯浅滩的地方,开始了史上具有里程碑意义的大洋钻探,世界多国的科学家们开始了给地球做“腹腔手术”。

与亚特兰蒂斯消失大陆有关?

大洋钻探地点位于西南印度洋中脊

西南印度洋脊的Atlantis Bank

一看到亚特兰蒂斯这个名字,不少考古迷的胃口马上被吊了起来,这难道是要寻找古希腊大哲学家柏拉图所描述的1万年以前离奇突然沉于海底的亚特兰蒂斯文明?

科通君告诉大家,这两个亚特兰蒂斯没有半点儿的关系,尽管柏拉图所描述的传说中的亚特兰蒂斯究竟在何处并没有定论,但一般认为其位于直布罗陀海峡外的大西洋中。

而这次进行大洋钻探的亚特兰蒂斯浅滩位于南纬32度42分、东经57度17分的西南印度洋中脊,是一个海岭顶端长40公里、宽30公里的穹状隆起,两者相距甚远,前者在大西洋,后者在印度洋,后者只是科学家们为了引人注目取了一个具有轰动效应的名字而已。

钻探地壳,为何要选择亚特兰蒂斯浅滩?同济大学海洋地质国家重点实验室教授周怀阳表示,地球大陆地壳的平均厚度大约有40公里,大洋地壳的厚度约为5至10公里,而亚特兰蒂斯浅滩的地壳厚度更薄,仅为3公里左右。在最薄的地方钻探是最容易的选择。

科学家确信这里是研究地壳与地幔转化的理想“构造窗口”。事实上,这里的确是科学家进行地球研究的一个好地方,这些年来,除了开展大洋钻探,科学家还在亚特兰蒂斯浅滩开展过多波束探测、磁异常调查、重力异常调查、水下机器人地质取样、载人深潜器地质取样、地质拖网等多种科学考察,并绘制出约25平方公里的高分辨率等深线图。

大洋钻探可能是人类有史以来难度最大的“腹腔手术”。从漂浮于茫茫大海的船上,伸出几千米长的钻杆,穿过海水找到确定的洋底位置,向下钻进千余米的孔,再把孔里的岩芯取到船上,这一看似简单的大洋钻探过程实则难度极大。即使是在浅滩地区钻探,也需要具备一定的条件,钻探技术与人员水准必须达到一定水平。

这并不是人类第一次在亚特兰蒂斯浅滩打孔钻探。1987年,科学家在亚特兰蒂斯浅滩钻了一个编号为735B的孔,钻孔深度为504.5米。1997年,科学家找到735B钻孔继续钻探,不幸的是钻到1508米时,恶劣的天气与海况不幸使近千米长的钻杆折断在钻井里,再也无法取出。1998年,科学家又在附近钻了一个编号为1105A的160米的深孔。但因为多方面的原因,后来也没有继续进行下去。

本轮在这里开始的钻探计划,是否会始终顺利地开展下去呢?因为种种不可预知的因素,目前还不能做出清晰的回答。

目标:钻穿地壳,“触摸”地幔

国家地震局地质所研究员陈九辉表示,在亚特兰蒂斯浅滩钻孔,可能会真正看到莫霍面的样子。莫霍面是个什么玩意儿?太专业了!科通君给大家解释一下: 根据地球科学的研究,地幔和地壳的分界面是莫霍面,其由南斯拉夫地震学家莫霍洛维奇于1909年发现,莫霍面正是根据这位地震学家进行的命名。

截止目前,人类对地球的钻探还从未抵达莫霍面,此前只是通过地震波探测得出的一些研究结论,地球内部到底“长什么样”,至今仍是个谜。

根据本轮大洋科考的规划,“决心”号大洋钻探船的最终目标就是钻穿地壳,“触摸”地幔。

为何要钻探到地幔?也许很多人并不太明白。

为了给大家解释得更为明白一些,科通君先和大家说说地幔。地幔位于地壳下面,穿过莫霍面就是,它是地球的中间层,厚度约2865公里,主要由致密的造岩物质构成,这是地球内部体积最大、质量最大的一层。

地幔堪称最大的“地球化学储库”,但迄今位置由于人类尚未能直接从地幔取样,因此对其知之甚少。

神秘而庞大的地幔充满了许多未解之谜。在2013-2023年度的国际大洋发现计划提出的科学挑战中,地球深部过程及其对地表环境的影响等一系列科学问题,无不与地幔息息相关。

英国卡迪夫大学麦克劳德教授介绍科学任务

据悉,“决心”号计划通过3个航次的大洋钻探,即在亚特兰蒂斯浅滩重新钻一个孔,目标是分三步钻穿地壳,直达壳幔边界。本航次的目标是钻取1300米的岩芯,获得记录地球生命历程的材料。最终目的是想打穿地壳与地幔的边界即莫霍面,从而得以零距离“触摸”地幔。

周怀阳是参加本航次大洋钻探工作的中方科学家马强博士的导师,他表示“决心”号的工作目的是为了进一步了解地球深处的结构构造及物质组成。地球的岩石是一定地质作用的产物,形成和稳定于一定的地质环境。每当地质环境改变,岩石也将随之改变。因此深入研究岩石,就能窥探到地球发展和演化过程的一些“蛛丝马迹”。

大洋钻探犹如打入海底的“岩石探针”,就像医生们平时所做的“腹腔手术”一般,通过这样的方式,就可以直接获取珍贵的研究样品和科学数据。

不懈向“地心”靠拢,人类疯了?

对于本轮科学家们计划计划“触摸”地幔的钻探计划,网络空间中也是非议纷纷,甚至有人认为科学家们的举动太大胆,担心这种腹腔手术会给人类自身带来危险,比如说引发火山爆发什么的。

这种担心完全是多余的,国际大洋发现计划中国办公室信息显示,截至目前,科学家共在全球大洋钻了3000多个孔,从来还没有导致火山爆发等危险的事情发生。尽管本轮钻探要超过以外,最终达到地幔,但由于钻探的都是坚硬的岩石层,也不会有什么危险。就是“触摸”到地幔也没有问题,研究发现,地幔又可分成上地幔和下地幔两层,尽管上地幔顶部存在一个软流层,但软流层以上的地幔,也就是上地幔的顶部也是岩石圈的组成部分,在岩石圈中钻孔不会有什么问题,这种“腹腔手术”不会导致地球“肚子”里的岩浆喷发出来。何况,现在的钻孔也都有现代科技的密切跟踪和监控。因此,担心钻孔会导致火山爆发是多虑了。

中国地质大学教授、构造地质学家颜丹平表示,由于太深,目前科学家尚无办法直接观察地幔的岩石类型和矿物组成。因此只能够通过一些间接手段、模拟实验和计算,来推测其物质组成。

以前,科学家们都是通过地震波传播速度分布推测莫霍面的深度以及地幔的组成状况,但是这种方法不是直接看到的,往往有一些假设和前提。通过这次钻探,也许可以检验原来的推测是否正确,甚至修正一些模糊认识。

在很多研究地球的科学们看来,截止目前,人类关于地球深部的了解和认识并不比人类对太空的认识要多,对人类而言,更为深入地了解地球本身,也是一个重要使命。

比如传统观点认为莫霍面就是地壳与地幔的分界面。地震波探测结果显示,亚特兰蒂斯浅滩下方莫霍面位于5500米深处。但区域构造地质分析却显示,亚特兰蒂斯浅滩下方的壳幔分界面位于更浅位置。

近年来科学界一般把大洋型地壳(简称洋壳)从上到下分为三层,最上层是未固结的沉积物,在大西洋中平均厚度为1千米,在太平洋底厚度仅0.5千米,中间层为固结的沉积物,厚约1.7千米,最下面的是厚度不到5公里的下洋壳,可能是玄武岩或辉长岩层。水下机器人考察结果发现,亚特兰蒂斯浅滩下洋壳的辉长岩厚度可能只有1500米至2895米,再往下就是蛇纹石化的橄榄岩,目前观点认为橄榄岩主要存在于地幔中。

上述结果对莫霍面的传统概念提出挑战,即通过地震波探测得出的莫霍面可能并不代表地壳与地幔分界面,科学家们认为,至少在亚特兰蒂斯浅滩这一特殊构造区域,莫霍面并不能代表壳幔边界,而是代表了地幔橄榄岩的蚀变界面。本轮大洋科考的中外科学家们分为3个航次的大洋钻探计划,正是为了验证这一新观点。

地幔深处还藏着哪些秘密?

主要成分是硅酸盐、金属的氧化物和硫化物,所以下地幔又称金属带

150年前,法国科幻小说先驱儒勒·凡尔纳在《地心游记》中描述了地球内部的巨大海洋。一直以来,人们仅仅把这个描述当作是一种科幻,但今天,科学家们发现凡尔纳的描述其实是“科”而不是“幻”,是地球“肚里”埋藏的一个惊天秘密。不仅如此,地球“肚里”还有一个惊天秘密!

本世纪初,日本东京技术学院的科学家猜测,地球不仅仅是地壳的表层有水,很可能在地壳下面的地幔里,也有水。为了证实这个猜测,科学家做了个模拟的“下地幔”。下地幔是距地表650~2900千米的部分,主要成分是硅酸盐、金属的氧化物和硫化物,所以下地幔又称金属带。这个模拟的下地幔是按照真实下地幔中的元素和各自在地幔中所占的比例,由含镁、铁、钙、硅、氧等元素的混合矿物做成的。因下地幔中的化合物吸收了大量的水,所以矿物的发射光谱能够透露出其中的含水信息。根据检测到的数据进行模拟后发现,模拟下地幔中的物质里水含量占了0.2%。基于这个实验数据,科学家推测,地球内部的水是地表水的5倍多。

这个模拟实验的结果也得到了实际观测的佐证。前不久,美国华盛顿州立大学的一个地震学小组分析了将近60万份的震波图——地震穿过地球时产生的震波记录。他们注意到,在亚洲大陆下面地震波表现出了减弱的现象,而且速度也略有减慢。因为水可以减慢地震波的速度,所以大量的减弱和减慢的迹象可以预测那里存在着水。并且根据这个发现,科学家推测在东亚所处位置的下地幔中,存在着一个非常巨大的水库,其中的含水量相当于一个北冰洋的水量。

更为神奇的是,地幔尽然可以“吃石头,吐钻石”。早些时候,科学家就发现,地球内部的地幔浅层部分,就会“吃石头,吐钻石”,因为目前地球大部分钻石均来自地表下不到19千米的地方。那里的钻石有着与地表岩石相同的组成成分,之所以这样,是因为地壳变动,把地表的岩石带到了较浅层的地幔,在那里,地幔内部的特殊环境把部分岩石“变成”了钻石,后来部分钻石又被一种叫做金伯利岩的岩石带到了地表。金伯利岩是由火山爆发所产生的,这种岩石一直是人们寻找钻石的“指标岩”,寻找钻石矿就是由寻找金伯利岩开始的。

但是地幔深处储水量巨大和地幔“吃石头,吐钻石”的神奇事儿只是根据目前对地球观测的研究的推测或者模拟分析,其可靠性如何还有待未来的深入研究。

另外一个急需探知的秘密是,碳这个非常普通的元素在地球深处会具有何种性质。最新的研究发现,碳氢化合物这种能源物质在地球深处可能以无机化学的形式和形成过程产生,而不仅仅是由植物和动物的化石遗骸产生。如果能够解开这个惊天秘密,那么,未来人们就会找到一条新的制造能源的途径。

这些年来,不少科学家们一直在猜测,地球深处是否存在其他不为所知的生命形式。目前科学家已经发现了在地球表面下1600米左右的地方,还存在着微生物,尽管那里的温度非常高;另外科学家还发现,一些细菌竟然可以生存在高达2万个大气压的环境里,而过去的研究表明,细菌或者其他形式的生命无法生存在超过几千个大气压的环境里。科学家因此怀疑,在更深的地球深处,还藏着存在包括另类生命形式等在内的诸多秘密。

周怀阳表示,对生命极限的认识驱动着人类的求知欲,此次大洋钻探工作的另一个目的是要了解地幔下是否存在微生物。

给地球做“腹腔手术”为何很重要?

钻探对地壳结构与物质组成的认识将来或有助于地震发震机制的研究

在地球科学家们看来,不断发掘地球内部的秘密,对人类更好地适应和利用环境,对新资源开发和生命探索都具有非常重大的意义。例如揭开地球内部藏水的秘密,对于地球水资源的保护和管理就意义重大;揭开地球“吃石头,吐钻石”的秘密,对人类大量生产“超级钻石”有直接的帮助;揭开碳元素在地球深处的特性秘密,对人类生产新能源会发挥重大作用;而揭开地球深处隐藏的生命的秘密,不但可以进一步揭开生命演化的秘密,也有助于人类探索在极端条件下的外星环境中,生命是否存在,以及生命会以何种形式出现等问题。

颜丹平表示,现在在亚特兰蒂斯浅滩进行的钻探对地壳结构与物质组成的认识将来或有助于地震发震机制的研究。

不过陈九辉指出,从地质上讲,形成较年轻的亚特兰蒂斯浅滩是一个特殊的地区,要想把这里的研究扩展到对全球地质构造的认识还很难,因为全球的地质状况比这个地区要复杂很多,一些地区可能经过长期的地质变化,比一些新生区域也要复杂得多。

人类探寻地球深处历程

1910年

克罗地亚地震学家莫霍洛维奇发现,地壳和地幔间有个不连续的分界面,即莫霍面。

1961年

科学家们首次利用动力定位技术打下了第一口科学钻孔,在墨西哥近海3558米水深处钻了5口深海钻井。

1964年

美国几个研究单位发起组成“地球深层取样联合海洋机构”,提出了“深海钻探计划”。

1968年

深海钻探计划开始实施,至1983年计划结束,“格洛玛·挑战者”号船完成钻探站位624个,实际钻井逾千口。

1970年

苏联在科拉半岛进行科学钻探,最深的一个钻孔达12262米。

1985年

由于苏联、德、法、英、日等国相继加入,深海钻探计划升级为国际性的大洋钻探计划。

1985年

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1998年

中国加入大洋钻探计划,并作为第184航次主导者,于1999年在南海顺利实施中国海的首次大洋钻探。

2003年

国际大洋钻探计划转入综合大洋钻探新阶段。钻探船由一艘增加到两艘以上,钻探范围扩大到全球海区。

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