人类将首次打穿地壳 抵达地幔了解地震火山成因
2015年12月04日 10:05  来源:中国新闻网-长江日报  宋体
2日,美国“决心”号钻探船停靠在斯里兰卡科伦坡的港口 新华社发
2日,美国“决心”号钻探船停靠在斯里兰卡科伦坡的港口 新华社发
AtBk6钻井底部图像,显示钻脚前海底裸露的岩石和薄碳酸盐层(IODP官网截图)
AtBk6钻井底部图像,显示钻脚前海底裸露的岩石和薄碳酸盐层(IODP官网截图)

  打超深钻井,钻穿地壳,直接“触摸”到地壳与地幔的边界,这是全世界地球科学家的理想。美国、英国、中国等12个国家的30名科学家已登上美国“决心”号钻探船,准备在西南印度洋开展打穿地球壳幔边界的第一次大洋钻探。

  这是国际大洋发现计划的第360航次,也是名为“SloMo”计划的第一个航次。“SloMo”是“慢速扩张脊下地壳和莫霍面的性质”缩写。该计划致力于在人类历史上首次钻穿壳幔边界,以检验“在慢速、超慢速扩张脊下方的莫霍面代表了地幔的蚀变边界”的假说。中国科学院地质与地球物理研究所刘传周研究员、同济大学海洋地质国家重点实验室周怀阳教授、课题组成员马强博士等人全程参加。

  莫霍面是以地震学家莫霍洛维奇命名的地壳与地幔的分界面。在这一界面,地震波的纵波和横波传播速度明显增加。传统的理论认为:大洋下地壳由辉长岩组成,与地幔之间被莫霍面分开。

  但最新的假说认为:在慢速或超慢速扩张洋脊下方,地震波很难准确反映出下洋壳内部的岩性变化。因为,海水渗入到地幔后,与橄榄岩发生反应,橄榄岩在反应过程中降低了地震波速,变得和下洋壳辉长岩的地震波速相近。因此,莫霍面也可能是蚀变的橄榄岩和未蚀变的橄榄岩之间的界面,而不是壳幔边界。

  为检验上述假说,在今后两个月,科学家将乘坐“决心”号前往南纬32度、东经57度附近的西南印度洋中脊海域,钻一个1300米深的钻孔。在后续计划中,科学家还将乘坐钻探能力比“决心”号更强的日本“地球”号,把这一钻孔加深至3000米,最终打穿壳幔边界。

  钻井位置示意图

  0

  4000

  2000

  南

  三角:定向水听器

  绿线 360航次第一阶段目标深度

  橙线

  红线

  北

  8000

  6000

  莫霍面

  地壳

  735B钻井

  (1公里南)

  第二阶段目标深度

  深度(米)

  地幔

  AtBk6钻井

  解读>>> 最直观数据探寻地球深处信息

  地幔是地球上一个比百慕大、金字塔更加神秘的地方——它集中了地球的大部分质量,还是众多地震的“发源地”。揭开地幔的“面纱”有望让我们更好地了解地震的起源、火山喷发等现象,我们甚至有可能像“地心游记”一样在地幔深处发现生命。

  知道>>>

  神秘的莫霍面

  钻探意义 打超深钻井获取直观参数

  “全球主要的大地震都发生在大洋板块和陆地板块的结合处,是由大洋板块俯冲到其他板块下面造成的。”中国科学院测量与地球物理研究所、大地测量与地球动力学国家重点实验室研究员储日升认为,由此可以看出,通过在海洋地壳上钻孔的方法获取从地表到地幔的原位观测数据,对于了解地壳的结构和演化以及地震研究具有重要的意义。

  储日升向长江日报记者举例说:“地球的地壳和地幔类似于鸡蛋的蛋壳和蛋清,所不同的是,我们对地壳和地幔的分界面以及地壳内部的岩石组成、温度结构的了解还不是很充分,尤其是对于海洋地壳。”

  他说,以前这类领域的研究主要是通过地震波给地球做CT和野外地质考察两种方法来得到研究结果,“但这两种方法得到的结果通常不太一致”。谈及原因,储日升认为主要是由于前者的精确度不高,而后者是在构造作用以后在地表的观测,因而缺少原位数据。

  “这次钻探与石油钻探原理大致是一回事,但钻地更深,打超深钻井。”大地测量与地球重力学应用研究院研究员刘根友认为,这次的钻探活动将会获取很多直观参数,这对于未来地质学以及地球物理学的研究产生直接推动作用。(见习记者高萌)

  1910年,地震学家莫霍洛维奇通过观测地震波在地球内部的传播情况,率先提出地球的地壳和地幔之间存在一个不连续的分界面。人们将这一壳幔分界面称为“莫霍洛维奇不连续面”,简称“莫霍面”。

  神秘的莫霍面到底是由什么物质组成的?这一谜题吸引了无数地球科学家的好奇心。

  我们知道,地球内部可划分为三个基本圈层,即地壳、地幔和地核,莫霍面就是地壳层和地幔层间的一个界面。人们通过地震波探测研究发现,莫霍面平均深度17km,在陆地区域为33km,海洋区平均6km;在莫霍面上,地震波的纵波和横波传播速度增加明显,说明其下物质的弹性和密度随深度逐渐增加,因此得到地幔的物质密度、硬度大于地壳。(综合科技日报)

  钻探难点 地底高温对钻头设备要求极高

  对于这次大洋钻探打穿地球壳幔边界是否属于全球首次,储日升表示,苏联早在70年代在科拉半岛上打过12000多米的超深钻,而我国在本世纪初在江苏东海县也打了5000多米的钻井,“不过这些钻井都位于大陆上,其地壳厚度超过30公里,所以未能穿过地壳到达地幔”,因此,如果本次打超深钻井钻穿地壳,直接“触摸”到地壳与地幔的边界,应属全世界首次。

  这种直接打通地壳的工程过程中会有哪些较大的困难?储日升表示,主要难度在于地幔的温度非常高,“那种高温环境下,对钻头和测量的各种传感器有着很高的要求。”储日升说,具体的钻探过程会非常专业,这个钻探活动需要有专业的团队分工合作才能完成,不同的人员和团队将负责不同的事情。

  刘根友表示,钻穿地壳,直接抵达地壳与地幔的边界进行采样,将可获取到最直观的样本,有利于更精确地了解边界地质介质的密度、化学成分等参数,“但这一过程对钻机的要求很高,不仅力度要达到,更不能打弯”。(见习记者高萌)

  钻探选址 “亚特兰蒂斯浅滩”洋壳较薄

  “人们对头顶的天空充满好奇,对脚踩的大地却知之甚少,研究手段也十分有限。打穿洋壳,进入莫霍面,是我们长久以来的梦想。”美国伍兹霍尔海洋研究所的亨利·迪克教授说,“在较薄的洋壳基岩钻孔非常重要,因为那里的岩芯能向我们传递地球深处的信息。”

  科学家为此次前往钻探的地点起了一个非常浪漫的名字——“亚特兰蒂斯浅滩”。根据以往的研究,位于西南印度洋中脊、面积约25平方公里的“亚特兰蒂斯浅滩”,是一处研究地球壳幔转化的理想“构造窗口”。科学家曾在“亚特兰蒂斯浅滩”成功打过两个深钻孔,都获得了很长的辉长岩剖面。

  在即将进行的第360航次中,“决心”号将在“亚特兰蒂斯浅滩”的北部边缘新钻一个1300米的孔。新孔将与以前的两个孔组成一个断面,以便今后开展横向的火成岩、变质岩与构造的层序对比研究,检验洋壳的磁性条带异常特征,并调查地球深部的生命活动。(据新华社)

  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。故以他的名字命名为莫霍洛维奇不连续面,简称莫霍面

  1957年

  美国科学家提出“莫霍超深钻计划”,计划穿透地壳至莫霍不连续面,以取地幔岩石样品用于科学研究

  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,最大井深183米

  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”,并提出了“深海钻探计划(DSDP)”

  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,回收岩心9.5万多米

  1970年

  苏联在科拉半岛邻近挪威国界的地区进行一项科学钻探,其中最深的一个钻孔达12262米

  1985年

  由于苏联、德、法、英、日等国相继加入,深海钻探计划成为国际性的大洋钻探计划(ODP),集中世界各国深海探测的顶尖技术,探索地球深处开展科学研究

  1998年

  中国加入大洋钻探计划,并作为ODP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(IODP)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所有海区,研究领域从地球科学扩大到生命科学,手段从钻探扩大到了海底深部观测网和井下试验(整理/康克兢)

编辑:陈少婷

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