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架起通往“地心”的望远镜,一窥“地心”究竟

(2007-04-05 15:06:46)
标签:

地球

望远镜

超深钻

地质教育

科普

刘继顺

分类: 矿业课堂


架起通往“地心”的望远镜,一窥“地心”究竟

刘继顺

2007-04-05

    国际大陆科学钻探中国委员会2007年年会宣布,中国地质学家将与中国石油化工集团联手,在塔里木盆地打中国第一口超深科学钻井,设计入地深度为8000-10000米。

   之前,中国在江苏省东海县的超高压变质带内实施了一个科学钻探工程,于2001年8月5日启动,历时近4年,于2005年4月18日,在江苏连云港东海县毛北村胜利竣工,其钻井终孔深度达5158米。这意味着什么呢?
   我们人类在地球上已经生活了数千年了。我们及我们的祖先试图通过各种方法对地球进行探测,但由于坚硬地壳岩石的阻隔,迄今为止,人类对地球内部仍然知之甚少。一个世纪以来,科学工作者利用宇宙飞船、星际航空站和人造卫星对天际间其他星球,特别是月球和火星进行了探索,开辟了通往宇宙星际的大门。可对我们脚下的地球深处的情况,却懵懵懂懂。可谓:上天容易入地难!
   但难归难,科学工作者仍然在一直努力,架起通往“地球深部的望远镜”,去一一破解地心之迷!

   早在1100年前,我国就有为取盐水而在地上钻孔的记载,曾钻到深约304米处。而19世纪50年代,西方还很少有人能钻到约76米的深度。1918年,世界最深钻孔为2251米;1930年大约为3040米。由此可见,用技术的力量来增加钻探的深度是一定可行的。
   从1970年5月起,前苏联地质学家在北冰洋之滨的科拉半岛上进行钻探,至1989年已钻进到地底下12262米。这是目前钻进地球的最深钻孔。第二深的钻孔为德国上法耳次地区的KTB超深钻,1987年开钻,至1994年已钻进地球9101米深,他们声称要钻到14000米深。
    目前,人类在地球上已经打了数不胜数的洞眼,从大洋到陆地,遍及世界各地。打洞的目的多半是为了开采天然气和石油,钻进的深度通常为几公里。这些超深钻揭露的奇异现象,让人叹为观止。在深达9500米处还有可以利用的金属,1万米深处还存在天然气和含矿物的地下水。
   这些成就的取得,有些地质学家称之为“地球科学大规模研究进入一个新时代”,意义非比寻常!
   这是因为:地球是一个非均匀、极复杂与难穿透的自然系统。许多矿物与岩石的硬度都大于钢铁,可穿透性差。而地质作用又极其复杂,无法对地球内部进行直观的研究,导致对地球科学现象的认识往往假说多于理论,而且众说纷纭。学者研究时也只能依据这些假说,因为真正验证过的理论依据实得少得可怜。  
   科学思想与假说要上升为理论,需要通过实际的检验。由于地质作用的尺度巨大和延续时间极长,地球科学理论的验证很难在室内试验室进行。因此,验证地质理论的最主要手段就是在典型的地质场地上进行科学钻探,然后检验其结果是否符合科学家提出的预想。比如,根据海底扩张与板块构造的理论,可以预测出洋底岩石的生成年代。经过大洋钻探计划在全球各大洋上进行取心钻探,结果证实了板块构造的预测,从而使全球板块构造学成为目前普遍公认的理论,也使得板块构造学说成为20世纪的重大科学成就之一。尽管大陆漂移和海底扩张的假说早在100多年以前就已经有人提出,但若无大洋科学钻探计划的资料和检验,就不可能上升为板块构造学说。  
    有远见卓识的地球科学家都认为,新的科学假说必须用直接的证据来验证,如直接钻取地下岩心进行研究。在板块学说发展的高潮时期(1968年),美国建造了“格洛玛·挑战者”号新型钻探船,先后在墨西哥湾、大西洋、太平洋、红海与印度洋打了几百口取心钻,用直接证据证实了海底扩张和板块俯冲的模式,证实和进一步丰富了板块学说。板块学说的成功得益于大洋地质构造的简单和不古老的地层(不超过2亿年),因此用不多的数据就可以建立其演化模式。大洋钻探之后,人们的眼光便转向大陆,1970年代的“国际地球动力学计划(IGP)”和1980年代的“国际岩石圈计划(ILP)”,都试图把板块学说推广到大陆,但成效甚微。因此1990年代开始了“大陆动力学计划”,专攻大陆岩石圈的动力学作用及地质演化。而且大陆是人类生存的空间,基本上提供了人类赖以生存的资源和能源,研究大陆动力演化具有重要的实际意义。  
   大陆地壳与海洋地壳相比要复杂得多。海洋地壳中的岩石类型比较简单,而且年龄不超过2亿年;而大陆地壳上最古老岩石的年龄为45亿年,许多2亿年前消失了的大洋,都在大陆碰撞带上留下了痕迹。因此,大陆岩石圈的形成、结构与演化历史都比大洋要复杂得多。当然在地球的形成历史中,还有许多的问题无法找到答案,如为什么大陆能保存40亿年不受消减;大陆是怎样形成的,又是怎样变形和裂解的;大陆碰撞、地壳底侵和拆沉起了什么作用;大陆下的地幔有什么特征;是什么机制控制大陆地震;大陆拉张的驱动力是什么;沉积盆地是怎么形成的;大陆与水圈、大气圈是怎么相互作用的。这一系列的问题都是对地球科学的新挑战。  
    上述与大陆动力学有关的问题,目前还处于摸索阶段,有许多说法。而需要的有关大陆深部的依据,也主要通过地球物理方法取得,即间接的依据。鉴于大洋钻探的成功经验,通过全球大陆深钻取得直接证据来认识地球深部逐渐成为共识。1992年11月在法国的布雷斯特,国际经济合作发展组织(OECD)理事会举行了深部钻探讨论会,建立了国际大陆科学钻探计划(ICDP)的框架。1993年9月,全世界250名地球科学家汇集于德国波茨坦,讨论成立国际大陆科学钻探计划的科学目标与组织机构,宣布执行全球大陆科学钻探的共同纲领。1997年1月,中国参加了国际大陆科学钻探计划,成为该组织的理事国之一。
    科学钻探工程不仅仅是打一口钻井。由于在坚硬的结晶岩中钻进的成本昂贵和深度有限,要了解地球的内部状态还必须配合以地球物理遥测系统。因此,深部钻探同地球物理遥测结合起来的相互反馈系统,便构成了伸入地球内部的大科学设施与望远镜,这便是大陆科学钻探的全面含义。
    然而,这点钻探深度(最深不超过15000米),与地球之大相比,至多是蚊子在大象肚皮上叮了一口。大陆深钻计划的钻进度只及地球半径的2.2‰,而且在可以预见的将来,也无法从我们星球更深的地方取得用来检验它的内部活动的样品。

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