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央视纪录片《破解地球的奥秘——向地球内部进发》的一些问题 精选

已有 3645 次阅读 2024-2-5 16:46 |个人分类:地学科普|系统分类:科研笔记

最近在整理科学钻探相关的材料时,看到了央视“解码科技史”栏目新近播出的纪录片《破解地球的奥秘——向地球内部进发》。总体上,这是一部内容比较翔实、科学意义比较重大的片子,洋洋洒洒一个小时,文字脚本超过13000字。毫无疑问,创作人员肯定下了不少功夫。从头到尾仔细观看后确有不少收获,但也发现了一些比较大的问题,几句话说不清楚,特此撰文指出,首发在科学网,希望起到抛砖引玉的作用,得到科学网博友更多的补充和修正。

人类向地球内部探索的梦想和实践方面的行动和故事多如牛毛,一个60分钟的纪录片不可能完全讲述清楚,挂一漏万在所难免。但是,以下几个大的事件或方面应该得到正确体现。

一、海洋钻探缘起以及后期几个大型的海洋钻探计划

从第二次世界大战结束至上世纪90年代前苏联的解体,以美国为首的西方现代资本主义国家和以前苏联为首的社会主义东方阵营进行了一场长时间的冷战。冷战期间,除在军事、经济、外交、体育等领域明争暗斗外,科技是双方PK的主要战场。首先为炫耀实力,其次为科技发展,美、苏两大集团均实施了多个大的科学工程,例如人造卫星、宇宙飞船、阿波罗登月等等。冷战时代,能够制造爆炸性新闻的大科学家往往是最吸引公众眼球的高大上人物。

冷战期间地球科学领域最具代表性的两大科学工程是大洋钻探和大陆超深钻,两大科学工程均始于上世纪50年代后期至60年代初期。当时,根据地震波等地球物理方法,科学家已经知道地球主要分为地壳、地幔和地核三大层圈,其中,地壳与地幔的边界首先由莫霍洛维奇发现,因而简称莫霍面。

大陆下的莫霍面深度多在30-50km之间,喜马拉雅地区最厚,达70多km,而大洋底下的莫霍面深度只有5-6km。但是,科学家对莫霍面下面的岩石是由哪些矿物或化学元素组成的知之甚少。因此,钻穿地壳,直抵莫霍面并获取原位的地幔样品就成为东、西两大阵营地球科学家们共同竞争的战略目标。1958年,美国自然科学基金委员会率先批准了由海底扩张学说的代表人物哈里´海斯(Harry Hess)以及蒙克(Walter Munk)等人起草的“莫霍孔(MOHOLE)计划“,并于1961年3月借助一艘由二战驳船改装的CUSS-1号钻探船在加州外海948米深的海域成功打了一个深度为315米的海底钻孔,当年4月又在墨西哥湾连续稳定作业3周,成功完成5个钻孔,在3558m的深水区钻透170米深的洋底沉积物,获取了13米厚的玄武岩。

墨西哥湾的钻探结束不久,CUSS-I钻探船退役,于是“莫霍孔计划”准备建造一艘全新的大型钻探船。这无疑大大增加了钻探成本和实施周期,与此同时,该计划的科学性更是得到了质疑。有些地质学家指出,地幔物质很可能就出露于深海沟的陡壁上,完全不必要花费巨资通过钻透莫霍面的方法即可获得。1966年,美国众议院通过表决取消了“莫霍孔计划”。

纪录片通过美国放弃“莫霍孔计划“引出了前苏联的深地钻探计划——科拉超深钻井计划。

事实上,虽然 “莫霍孔计划“被美国的众议院取消了,但以美国地球科学家为主导的大洋钻探的雄心并没有取消,而是在更科学、更理性的前提下扩大了。

“莫霍孔计划”1966年被中止后,以美国科学家为首的地质学家们相继于1968年至1983年实施了“深海钻探计划”【Deep Sea Drilling Program (DSDP)】,于1985年至2003年实施了“大洋钻探计划 ”【Ocean Drilling Program (ODP)】,于2003年至2023年接连实施了“综合大洋钻探计划” 【Integrated Ocean Drilling Program (IODP)】和“国际大洋发现计划” 【International Ocean Discovery Program (IODP)】。后两个计划可看做是一个大计划的两个不同阶段,其英文缩写均为IODP,但是代表的含义发生了质的变化,因为已有包括中国在内的20多个国家加入到了这个计划。

从1968年至1983年,DSDP在执行期间,钻探平台只有美国的“格洛玛·挑战者”(Glomar Challenger)号一艘钻探船,共完成96个航次624个地点的932个钻孔,总进尺21万多米,获取岩心近7.8万米,单井钻入洋底最大深度达1741米。

Glomar-Challenger.jpg

为地球科学立下战功的“格洛玛·挑战者”海洋钻探船

从1985年至2003年ODP执行期间,美国的钻井平台由“格洛玛·挑战者”号换成了“乔迪斯·决心号”(JOIDES Resolution),共实施了111个航次的调查,行程355781海里,足迹遍布全球各大洋。

JOIDES Resolution决心号钻探船-1.jpg

“乔迪斯·决心号”钻探船

IODP执行期间,钻井平台除了“乔迪斯·决心号”外,2007年日本的“地球号”(Chikyu)钻探船成为IODP的备选平台,欧洲则以“特定任务平台”形式也加入到了IODP,这样,IODP项目进行高峰时,全球可以有三艘钻探船同时在不同海域进行科学钻探,极大提高了工作效率。

“地球号”大洋钻探船.jpg

日本综合地球环境所拥有的“地球号”钻探船

有关IODP的三个钻探平台,科学网杨涛的博文中有较详细的介绍,请参见:IODP“三舰客”

DSDP和IODP取得的成果不可胜数。仅以早期的DSSP计划为例,该计划以“格洛玛·挑战者号”钻探船为载体, 共完成航次96 个, 钻探站位624 个, 航程超过60 万km。深海钻探计划取得了大批资料, 弥补了近代地质学在深海地球科学方面的空白, 验证了海底扩张和板块构造学说的基本论点, 提供了晚中生代以来的古海洋学的第一手资料, 极大地推动了海洋地质地球物理学的发展, 对近代地质地球物理学的理论和实践作出了卓越的贡献(地球科学大辞典,2017)。

中国是从1998年起以参与成员的身份加入到ODP的,2004年和2013年同样以参与成员的身份加入了两个阶段的IODP。自1998年以来,中国已有38家单位140余位科学家参加了不同阶段的航次,其中,于2014年1-3月成功实施了新十年IODP的第一个航次—南海IODP 349航次,后又于2017年2-6月,2018年11-12月执行由中国科学家设计主导的IODP 367/368和368X航次,标志着中国已经进入探索海洋成因的地球科学研究新阶段。

正如中国IODP专家咨询委员会顾问委员、中国科学院院士汪品先在2017年所说,半个世纪以来,国际大洋钻探一直是地球科学的最前沿。2023年12月18日,我国自主设计建造的首艘大洋钻探船正式命名为“梦想”号。12月27日,大洋钻探船“梦想”号在珠江口海域顺利完成首次试航。从此,国际大洋钻探计划将出现以梦想号科学钻探平台,中国已经跻身深海钻探和研究的前沿。

从整个地球科学的角度观察,在破解地球奥秘的历史过程中,上述大洋钻探取得的如此多的进展要比大陆科学钻探多得多,因此不应该被忽视。

二、科拉3号钻探方面

纪录片在讲述1984年莫斯科国际地质大会后,科拉3号超深钻重新开钻后的重大事故时,说5000米长的钻杆掉在了井里,经过7个多月的种种尝试,都没有成功把这些钻杆提取出来,“这也就意味着前面的工作全都白费,这个最深的孔彻底报废。无奈之下,工程技术人员只好从另一口7千米深的井重新开始向下挖”。“根据苏联人的测算,如果想要挖到17000多米深的地壳处。。。。”

纪录片中的科拉钻井片断 拷贝.jpg

关于科拉3号的误解

关于科拉3号这个说法有很大问题。事实上,打钻过程中,因为钻杆、钻头或测钻仪器掉落,或者因为井壁坍塌造成钻孔局部堵塞的事故是经常发生的,一旦掉落的钻具打捞不成功,通常不会从另一口全新的井重新开始,也不可能在附近就有现成的7000米钻孔,而是从堵塞处的上方,通过特殊的方法和材料,使钻头、钻杆等避开被堵塞的井孔,继续向下钻进,这个过程或方法称为“侧钻”。

整个科拉3号超深钻的过程中,大的侧钻有多次。例如,1982年10月,钻进深度达到11662米后发生事故,1983年1月从9300米处进行了侧钻,钻到12000米时停钻1年多时间进行种种庆祝、庆功活动,纪录片中讲述的事故发生在1984年9月27日,事故发生时的井深是12066米。处理这次事故用了两年时间,种种方法用尽后,只得于1986年9月从7000米处进行侧钻,并于1990年6月达到了12262米的纪录深度。按照计划,预计在1990年钻到13500米,到1990年末钻到15000米。但是,1990年6月,就在创纪录的12262米处又发生了较大的事故。经过近一年时间后,不得不在1991年1月从9653米处进行侧钻,到1992年4月只钻到11882米深。1994年4月,又因新的事故从8278米处进行侧钻,1994年8月,因资金问题钻探工作停止,井口封闭。而纪录片中出现的“根据苏联人的测算,如果想要挖到17000多米深的地壳处。。。。”,则是不知所云。是认为科拉3号钻井地下17000米的位置是地壳与地幔边界么?还是苏联人的目标深度设定在17000米?希望能够在新的版本中得到更正。

三、关于德国KTB计划、ICDP的成立以及中国大陆科学钻探计划的方面的问题

纪录片中是这样讲述的:

1996年2月26日,中国德国美国三个国家正式启动了一项合作计划——国际大陆科学钻探计划,简称ICDP,总部设在德国波茨坦地学研究中心。主要目标就是资助世界各国的大陆科学钻探和超深钻探项目。这是一项投资巨大的科学工程,它与一个国家的实力和相应的技术水平密不可分。

德国作为这个项目的主要发起国,首先开始了他们的工作,简称KTB。这项计划的设计井深是14,000千米,最终深度达到了9,101米。

作为大陆科学钻探计划的第一批成员,中国也提出了深地战略,开始向地球内部进军。2009年11月29日,中国科学家发起的白垩纪松辽盆地大陆科学钻探项目,获得了国际大陆科学钻探计划的资助。这项工程的目标,是获取地心深处的岩石样本,以便于科学家研究白垩纪时期的气候物种演化。

如果不了解ICDP的成立过程,看到上述内容后,很容易让人产生误解:

(1)第一个误解:ICDP成立早于德国的KTB计划。事实上,德国在1966年就完成了一口6200多米的超深井,1974年正式提出了实施万米超深井的建议,1985年完成立项论证后获得联邦德国科技部的批准,正式成立德国大陆科学钻探计划,简称KTB,这是联邦德国80年代10个国家级重大基础研究项目之一。1987年9月至1989年4月完成KTB先导孔施工,孔深4000.1米,1990年10月16日,KTB主孔开钻,目标是在1994年底钻到10千米,终孔目标是钻到14千米。真实的目的很明确,就是要与前苏联的科拉3号争夺最深孔纪录。由于地温梯度明显高过预期,钻井和测井均遇到难题,所以实际完工日期1994年10月10日,终孔深度9101米。

可见,国际大陆科学钻探组织(ICDP)是在德国KTB钻探结束后才成立的

(2)第2个可能的误解:中国的大陆科学钻探始于2009年11月的松辽盆地科学钻探。

事实上,20世纪50年代初,地质学家李四光先生曾指出为加深地质科学研究工作,要施工几千米甚至上万米深的科研深孔。

1959年,地质学家尹赞勋在《科学家谈21世纪》的一篇文章中提出,“地质学家要上天、入地、下海”,我们要向地球的心脏要矿,我们要到地壳的深处去探矿。

1965年,地质学家、原地质部总工程师谢家荣先生指出,二次大战后地质工作已向“外太空”(指发射地球资源卫星) 和“内太空”( 科学深钻) 两个方向发展。可见,中国的地质学家从上世纪60年代就开始跟踪世界钻探方面的先进技术,并着手进行深部勘探的筹备工作了。

1999年,国家科委为推动“九五“科技的发展,正式提出了“上天、入地、下海、登极”的八字方针。

中国大陆科学钻探工程(CCSD)科钻一井早在2001年6月25日即在江苏省东海县正式开钻,并于2005年4月18日竣工,终孔深度5158米,完成了5000米的既定目标。CCSD 是国家“九五”重大科学工程项目之一, 也是中国第一个得到国际大陆科学钻探计划(ICDP)资助的重点项目,该工程建成了亚洲第一个深部地质作用长期观测实验基地, 也是亚洲第一个大陆科学钻探和地球物理遥测数据信息库, 亚洲第一个研究地幔物质的标本岩心馆和配套实验室, 使我国超高压变质带和 地幔物质研究达到国际领先水平。继CCSD之后,我国科学家又于2005年4月至9月在青海湖中实施了青海湖环境钻探项目(CESD),获取323米岩心。2007年, 在松辽盆地实施了全球第一口陆相白垩纪科学钻探井松科一井( SK-1) ,它与松科2井(SK-2)共同属于“全球白垩纪地球表层系统重大地质事件与温室气候变化”项目,实施过程中用到的钻探、取心和岩心编录方法大多是建立在CCSD的工作基础之上的。同时,上述3个项目都得到了ICDP的资助,在松科项目实施之前,中国还实施了多个未申请ICDP资助的科学钻探项目,在此省略。因此,无论是从国家层面还是从ICDP层面上,在介绍中国的科学钻探时,CCSD和CESD这两个项目是必不可少的。

综上,笔者特此向纪录片《破解地球的奥秘——向地球内部进发》的编导们建议,应该考虑出一个更新版或者变成2集,把遗漏的重要材料和历史补上。

欢迎科学网博友们提供更多建议,如发现本文有错漏之处,欢迎批评、指正、补充。

【主要参考资料】

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9.      许志琴,杨文采,杨经绥等.中国大陆科学钻探的过去、现在和未来——纪念中国大陆科学钻探实施15周年、国际大陆科学钻探委员会成立20周年[J]. 地质学报,  2016,  90  (09):  2109-2122. 

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11.   杨涛,2012,IODP“三舰客”,https://blog.sciencenet.cn/blog-4117-570942.html

12.   苏德辰,2016,曾经的辉煌——前苏联科拉超深钻井,https://blog.sciencenet.cn/blog-39317-1009740.html



https://m.sciencenet.cn/blog-39317-1420694.html

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