通向地幔之旅 Journey to the mantle of the Earth （本文介绍了地球科学史上人类向地球深部钻探的努力尝试以及大洋钻探计划的相关情况，对超深钻的科学意义进行了讨论。本文为原文翻译，原文发表在2011年3月24日《Nature》评论文章“Journey to the mantle of the Earth”，作者Damon Teagle 和Benot Ildefonse，详见 http://www.nature.com/nature/journal/v471/n7339/full/471437a.html ） 扩展阅读：“50th anniversary of recovery of the first basalt core by means of scientific ocean drilling” http://www.mantleplumes.org/50-YrAnniversary.html 在首个地幔钻探计划实施50周年之际，Damon Teagle 和Benot Ildefonse表示，曾经的科幻小说即将成为现实。 一个多世纪以来获取地幔样品始终是地学界的重要目标。在1909年，克罗地亚气象学家Andrija Mohorovičić就注意到，地震波在30km以下深度比在该深度以上传播速度更快，表明岩石的成分和物性发生了根本变化。他发现了地幔的上边界，即我们所熟知的莫霍维奇不连续面(Mohorovičić discontinuity)，或简称莫霍面（Moho）。该边界标志着地球内部主体的开始，它从地壳的底部（大陆下30-60km，大洋薄地壳近~6km）一直到2890km处的地核。 图注1：1961年钻穿地壳的计划未获成功。半个世纪以来，地质学家准备再次挑战。 向深部钻探获取直接来自地幔的样品，为科学家们提供了可以与阿波罗月岩相媲美的地下宝藏，为地球的起源和演化提供了重要信息。但事实证明这是非常困难的，可能甚至比登月还要困难。到目前为止，洋壳的钻探深度不超过2km，或者说在到地幔的1/3路上（作者注：上文提到洋壳厚度为~6km，所以这里说1/3）。首个地幔钻探计划——莫霍面计划（Project Mohole），失败于地缘政治的泥潭中，并没有完成既定目标。 图注2：板块构造理论创始人之一哈利·赫斯（Harry Hess）正在讲解莫霍超深钻计划。 一场新的超深钻运动正在进行中，由于技术的提高，对我们脚下深处的岩石有了更好的认识，对超深钻的挑战有了更深层的认识。在接下来的几年里，地球物理勘查将会在3个太平洋地点所展开，它们将争夺成为到达地幔的第一个超深钻孔（见‘Drilling sites’）。地幔钻探需要巨量的船时（ship time），而且花费极其昂贵——比目前一个单独的钻探计划昂贵得多，即使比一个月球探测器仍然便宜得多。但是如果有资金资助和科学保证，钻探计划可以在十年内启动并在15年内完成。同时在下月，我们将带领一支远征队赴太平洋向从未到达过的洋壳深度进一步钻探。 灵感 第一个正式的地幔钻探计划是由一部分战后美国地学界贵族（American geoscience grandees）以美国杂艺协会（American Miscellaneous Society，见后注1）的名义在上世纪50年代后期提出的，该组织是美国国家科学院成员中的一个非正式组织，有时也被称为“醉酒俱乐部”（‘drinking club’）。这一想法主要来自于板块构造理论创始人之一哈利·赫斯和沃尔特·蒙克（Walter Munk），他是风驱动洋流研究的先驱，并解释了月球总有一面背向地球的原因。他们为该领域里那些成堆的所谓的有价值的但缺乏想象力的研究计划而感到沮丧，于是他们试图开展一些更具雄心和创意的工作。 1957年4月一个星期六的早上，在加州拉荷亚蒙克家里一次早餐中，他们提出了莫霍面计划，这是首个钻穿地壳直到上地幔的计划。在那时早期的近海石油工业并没有开始考虑深水钻探。莫霍面计划需要新技术的开发，例如动力学定位（dynamic positioning）技术，它可以保证钻探船位置的稳定。研究组从美国自然科学基金获得了资助并使用了适合该工作的最好的船只：钻探船CUSS 1号（the drilling barge CUSS 1），取名于开发它的石油公司：Continental、Union、Shell(壳牌)和Superior。在计划中的四年里，CUSS 1号周围安装了推进器以保证船只的位置固定。 1961年3-4月间在东太平洋瓜达洛普岛（Guadalupe Island）外海，科学家获得了来自洋壳（或称‘地下室’(basement)）最上部坚硬岩石的第一个结核(core)样品，这归功于维拉德·巴斯科姆(Willard Bascom)及其同事在工程学上勇敢革新的努力工作。在3800m的水下和170m的沉积物中，他们拉上来几米玄武岩，以当时150万美元代价（根据美国总体经济平均，相当于2009年大约4千万美元）。这一伟大成就由小说家和业余海洋研究者约翰·斯坦贝克(John Steinbeck)报道在“生活”(Life)杂志上(1961年4月14日)，他曾经参加了CUSS 1号的开钻剪彩。 这是莫霍面计划成功钻取得仅有的大洋结核样品。在这次探险以后，该计划的决策也出现了变化，在有关采取何种钻探技术的问题上做出了糟糕的决定，导致成本螺旋升高而失控。1966年，美国国会投票取消了资助致使莫霍面计划流产。 然而，该计划和板块构造理论的不断得到承认是一致的。对洋壳的认识和演化方面的兴趣不断深化。莫霍面计划证明洋底科学钻是可行的。它对于大洋科学钻的国际合作的建立以及长达40多年的坚持不懈和运行做出了贡献。综合大洋钻探计划(Integrated Ocean Drilling Program, IODP: www.iodp.com)及其前身深海钻探计划(Deep Sea Drilling Project, DSDP)和大洋钻探计划(Ocean Drilling Program, ODP)，无疑是所有领域当中最成功的长期国际科学合作。 深部前缘 地幔占有地球大约68%的质量。它的绝对体积建立起了对其成分和变化的准确认识，这对于认识地球的形成和演化具有重要意义。几乎所有的地球表壳——组成海底和大陆的物质，起初都来自于地幔。 地幔的某些块体在构造造山运动中被逆冲推覆到地表，这些地方可以研究。另外一些地幔块体则被岩浆包裹由火山喷出；海底扩张也会携带一些到洋底。这些块体显示，地幔主要是由橄榄岩组成，他们是由富镁贫硅矿物如橄榄石和辉石构成。结合远程地震观测，他们也表明，地幔的成分随地区不同而变化，但是这种变化的幅度仍然不清楚。获取的样品在化学成分上，均在被携带到地表的过程中或者暴露在水中时被改造过。许多主要元素的富集和同位素示踪（包括水，U、Th、Li、C、S、Si、K，惰性气体元素和Fe的氧化状态）这些可以用来重现地球演化过程的方法具有极高的不确定性。地壳下几公里的新鲜橄榄岩将提供大量的新信息。 到达地幔需要钻穿整个洋壳，而洋壳也算是地质学家的福地。地壳信息是板块构造循环的基础。它是将热量和物质从地球深部带上来的主要机制，每2亿年使大约60%的地球表层重铺。目前对洋壳深部中的热交换，化学交换以及可能的生物交换作用均缺乏了解认识，因为缺乏直接的原位(in situ)观测。 钻取一个穿过6km厚地壳、直径达几英寸钻孔的技术现在已经具有了或者正在进行可行性开发（1，2）。一个非常具有潜力的候选技术已经安装在日本钻探船“地球号”(Chikyu, 即“地球”的日语读法，作者注)上，于2002年投入使用。该船拥有一个竖管系统(riser system)：在钻杆周围有一个外管，通过该钢管可以获取结核样品。钻井泥浆和钻屑返回至钻探船两个外管之间的空处。这有助于回收钻井泥浆，控制钻孔内地物理性质和压力，并帮助稳定钻孔壁。这意味着钻屑也可以根据科学目的来评估。“地球号”是一艘能够携带10km钻样的大船，装备了可以在水下2.5km深度钻探的设备。 在未来数十年里，研究人员和工程人员不得不设计和开发新的钻头、润滑剂和电缆设备，以在水下大约4km压力高达2千巴（1 kbar=0.1 GPa，相当于1000个大气压，作者注）温度高达300C的条件下钻取地幔样品。尤其是，这需要一个超过目前“地球号”所能到达的深度的新竖管系统，或者一个不同的泥浆循环系统，以及部分安装在海底的设备。 为了给新莫霍面计划挑选最好的位置，需要考虑众多因素。理想的选址应该洋壳之上水位最浅的地方，这意味着要尽可能靠近产生新地壳的大洋中脊。同样也应该在远离大洋中脊的最冷的地壳位置。这些限制条件使得仅剩下三处候选地点——分别是夏威夷外海、下加利福尼亚州和哥斯达尼加。三者皆具有利有弊。例如靠近夏威夷的位置是最冷的但也是最深的，并且很靠近现在的火山活动，而这将有可能使地幔经历化学改造并扰动上覆地壳。所有的选址都在太平洋中，因为那里洋壳形成的速度比其他大洋都快，这使得基地构造最简单均一。地震学和地质学研究暗示着快速扩张的洋壳是相对非常均一的，而且和教科书模型极其相似。我们希望能找到与简单地壳模型相一致的物质：一个由熔岩、岩墙和辉长岩岩石类型所构成的层状“蛋糕”。 同时，大洋钻探小组将继续在地壳深部采样，利用钻探船“JOIDES Resolution”号上传统的非竖管技术，它刚刚在IODP中重装服役。 下地壳 在约翰·斯坦贝克跟随洋壳钻探先驱者们一道在CUSS 1号上航行之50年后，我们成为一个钻探计划的联合首席科学家，首次获得了一条下洋壳剖面——地幔稍上的物质。IODP 335计划将在4月13日至6月3日航行（3）。 这次任务的选址位于哥斯达尼加外海科克斯板块(Cocos plate)上（ODP 1256点位）。该处洋壳的形成超快——每年超过20cm，比目前任何地壳形成速度都快。这使得那里上地壳厚度比其他地方薄得多，因此或许不需要钻太深就可能到达下地壳。1256D钻孔曾经有三次任务钻到了海底下1.5km深度，到达了岩墙和辉长岩的过渡带（4，5）。 今年春，我们计划将钻孔至少扩深400m，并首次采集来自下地壳的辉长岩样品，这将是从海底以下有史以来获取的最深的岩石类型。（该钻孔本身不是钻入海底最深的钻孔，最深的钻孔是504B钻孔，曾在哥伦比亚外的东太平洋底到达2111m。） 该任务将有助于解决许多争议，如地壳在大洋中脊是如何形成的，地幔岩浆是如何侵入到下地壳的，海水是如何将下洋壳热量携带上来的，以及下地壳对海洋磁异常的作用。我们仍然离莫霍面相差3.5km，但是该计划将会为并将肯定会为深部大洋地壳钻探注入新的活力，为计划钻穿莫霍面到达上地幔提供重要的信息。 地幔钻探是地球科学史上最具挑战性的杰作。它将为基础科学知识留下重要遗产，启发和培养下几代的地球科学家、工程师和技术人员。它吸引了世界范围的令人惊讶的兴趣，以及在该前沿领域中公众的参与。而这有可能只是一个更大计划的序幕而已。由于地壳和地幔都随地点不同而变化，我们最终希望能有大量的这样的钻孔。那或许是遥远的梦想，但是超深钻随时间和经验积累将只会变得更普遍更经济。 正如哈利·赫斯在1958年4月在美国国家科学院会议上所说的，当面临众多批评者而维护第一个莫霍面计划时，“事实上也许我们并没有如愿地从一个钻孔中发现有关地球内部足够多的信息。对那些高唱反调的人我要说的是，如果没有第一个钻孔，那么也就没有第二个、第十个、第一百个钻孔。万事开头难。” 参考文献： 1.Ildefonse, B. et al. Sci. Drill. No. 10, 56–62 (2010). 2.Workshop Report Writing Group Sci. Drill. No. 11, 53–57 (in the press). 3.Teagle, D. A. H., Ildefonse, B. Blum, P. IODP Exp 335 Scientific Prospectus doi:10.2204/iodp.sp.335.2010 (2010). 4.Wilson D. S. et al. Science 312, 1016–1020 (2006). 5.Teagle D. A. H. et al. Proc. Integrated Ocean Drilling Program 309/312 Expedition Reports (IODP Management International, 2006). 后注： （1）有关“American Miscellaneous Society”组织的信息，请参考wikipedia上的简介： http://en.wikipedia.org/wiki/American_Miscellaneous_Society The American Miscellaneous Society (AMSOC - 1952 to 1964) was formed by Gordon Lill, of the Office of Naval Research, as an organization designed to collect various Earth science research ideas that were submitted by scientists to the U.S. Navy and didn't fit into any particular category. Membership in AMSOC was open to everyone and so there was no official membership list. Prospective members could join whenever two or more members were together. The most famous project to come out of AMSOC was the Project Mohole, whose goal was to drill into the Earth's mantle. The society dissolved itself in 1964.
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