超薄地殼，透視地球的“窗口”

　　制圖 | 俠客君

　　2024年10月8日，發(fā)表在《地質(zhì)學(xué)》期刊上的一項研究指出，科學(xué)家利用先進(jìn)的地震全波形反演技術(shù)，在大西洋赤道區(qū)域發(fā)現(xiàn)了一處形成于7000萬年前的異常薄的海洋地殼，僅為4±0.2千米，遠(yuǎn)低于全球平均值，甚至比之前利用傳統(tǒng)地震層析成像技術(shù)估算的結(jié)果還要薄30%。

　　這一發(fā)現(xiàn)不僅刷新了我們對地殼厚度的傳統(tǒng)認(rèn)知，還為地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)的研究提供了新的窗口。

　　01

　　地殼最薄的地方

　　地質(zhì)學(xué)家一直在努力尋找地殼最薄的地方，并試圖通過深部鉆探穿透地殼、直達(dá)地幔。可是，地殼最薄的地方究竟在哪里呢？

　　我們都知道，地球分為地殼、地幔和地核三大層圈，其中，地殼是固體地球的表層部分，體積僅為地球體積的0.5%，它在地球上呈連續(xù)分布，但厚薄不等，其中大陸地區(qū)的平均厚度為35千米，大洋地區(qū)為5-10千米。事實上，地殼在地球的不同區(qū)域的差異十分顯著，例如，中國青藏高原的地殼厚達(dá)60-80千米，而太平洋地區(qū)僅為4-7千米而已。

　　地球結(jié)構(gòu)示意圖

　　圖源：視覺中國

　　以前人們通常認(rèn)為，太平洋西部的馬里亞納海溝是地球上地殼最薄的地方，但事實并非如此。科學(xué)家通過對地球引力波動的測量發(fā)現(xiàn)，距離南美洲圭亞那1600千米的大西洋底部，有一條從北往南的裂縫，地殼厚度僅為1.5千米，被認(rèn)為是地殼最薄的地方。

　　在這里，地球的兩個板塊相互分離，地幔中的高溫物質(zhì)沿著中脊上涌，部分熔融形成巖漿，冷卻后形成新的洋殼。這個過程就像是在地殼上拉開了一條“裂縫”，使得中脊區(qū)域的地殼厚度遠(yuǎn)低于周圍地區(qū)。這是地球上地殼最薄的地方之一，也是海底擴張最為活躍的區(qū)域之一。

　　地質(zhì)學(xué)家此次在大西洋赤道區(qū)域發(fā)現(xiàn)的一處異常薄的海洋地殼，也位于大西洋中脊。經(jīng)推測，這種超薄地殼的形成可能與該區(qū)域的地幔溫度較低有關(guān)。

　　由于地殼的形成與巖漿活動、板塊構(gòu)造運動等地質(zhì)過程密切相關(guān)，而地幔是地球內(nèi)部的一個巨大熱源，其溫度的高低直接影響著地殼的形成和演化。在這項研究中，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)超薄地殼所在區(qū)域的地幔溫度比先前估計的要低至少50℃，導(dǎo)致巖漿活動不劇烈，從而形成了較薄的地殼。

　　此外，研究還發(fā)現(xiàn)了一個厚度為1±0.5千米的莫霍面過渡帶。莫霍面是地殼和地幔的分界面，而莫霍面過渡帶則代表了地殼和地幔之間的物質(zhì)和結(jié)構(gòu)的過渡區(qū)域。

　　圖1(A)大西洋洋中脊的測深圖，描繪了標(biāo)記的斷裂帶（FZ）和部署的海底地震儀(OBS); (B) A圖黑框中的測深圖放大圖

　　圖源：地刊速覽公眾號

　　超薄地殼的發(fā)現(xiàn)具有重要的科學(xué)意義。首先，它們是研究地殼形成和演化的天然實驗室。在這些區(qū)域，地殼的結(jié)構(gòu)和物質(zhì)組成往往更為簡單和原始，地質(zhì)學(xué)家通過對比分析超薄地殼與正常厚度地殼的結(jié)構(gòu)和物質(zhì)組成，可以更深入地了解地殼增生、巖漿活動以及板塊構(gòu)造運動等地球動力學(xué)過程。

　　其次，地殼最薄處也是研究地球內(nèi)部熱量傳輸和物質(zhì)循環(huán)的關(guān)鍵區(qū)域。地殼作為地球內(nèi)部的熱屏障，其厚度和物質(zhì)組成對熱量的傳輸效率具有顯著影響。超薄地殼的存在可能意味著該區(qū)域的熱量傳輸機制更為高效，從而影響地球內(nèi)部的熱平衡狀態(tài)。

　　02

　　人類能否鉆透地殼

　　既然地殼之薄超乎人們想象，那能否通過鉆探穿透地殼呢？近幾十年來，許多國家都開展了深部鉆探計劃，努力實現(xiàn)這個充滿挑戰(zhàn)的偉大夢想。

　　20世紀(jì)60年代，美國開展了一項大規(guī)模的鉆探計劃，在海底選定某些地點向下鉆探，期望穿透地殼，直達(dá)地幔。該計劃以地球物理學(xué)家莫霍洛維奇的名字命名，稱為“莫霍計劃”。

　　莫霍計劃

　　1961年，莫霍計劃開始實施，在墨西哥灣西海岸成功完成5個鉆孔，在3558ｍ的深水區(qū)鉆透170米深的洋底沉積物，獲取了13米厚的玄武巖，但距離鉆透地殼還相差甚遠(yuǎn)。最后，這項計劃在管理上出現(xiàn)了很多問題，雖然投入了巨額資金卻還是于1966年宣告失敗。

　　1970年，蘇聯(lián)在位于北極圈深處的科拉半島上開啟了雄心勃勃的深鉆計劃，19年后達(dá)到它的最大井深——12262米，創(chuàng)造了新的世界紀(jì)錄。盡管如此，該深度還不足地球半徑的1/500，如果把地球比作一個雞蛋，它連雞蛋殼還沒鉆破。

　　科拉超深井

　　圖源網(wǎng)絡(luò)

　　2008年，新聞媒體報道，日本的“地球”號深海探測船項目首次嘗試鉆入地幔層，該項目計劃在東京以南的一處水深2500米的海洋進(jìn)行鉆探，進(jìn)而從海底向下鉆入7000米深處，進(jìn)行探測、鉆孔、取樣和安裝地震監(jiān)控儀器，整項計劃預(yù)計到2012年完成。

　　然而，科學(xué)家對鉆透地殼的計劃過于樂觀了。據(jù)日本媒體報道，截至2024年9月21日，“地球”號深海探測船在日本海溝水深6897.5米處向下鉆探980米，自海面探測深度達(dá)7877.5米，刷新該船此前保持的深海科學(xué)鉆探紀(jì)錄，但這個結(jié)果仍未達(dá)到鉆入地幔層的目的。

　　此后，世界各國相繼啟動了深海鉆探計劃、國際大陸科學(xué)鉆探計劃、深地鉆探計劃等。甚至還有科學(xué)家提出了更為大膽的設(shè)想，如美國加州理工學(xué)院的一位行星學(xué)家曾提出，通過某種途徑打開一個地殼裂縫（不排除采用核武方式），將一個柚子大小的探針與幾十萬噸重的溶化的鐵水一起注入裂縫，使其慢慢沉入地核，從而實現(xiàn)地心探測的目的。

　　很顯然，這個設(shè)想如同科幻電影中的場景，不僅需要巨額投資，而且操作起來難度極大，有些不切實際。

　　03

　　向地球深部進(jìn)軍

　　超深鉆一直是世界難題。隨著鉆探的深度不斷增加，施工難度越來越大，成本也越來越高。首先，面臨著溫度的考驗。從地表向下，平均每深入100米，溫度大約會上升3℃，如果鉆到10千米深度，溫度將高達(dá)300℃以上。這意味著，無論是鉆頭還是鉆桿都要面臨極大的考驗。

　　其次，在鉆探過程中還經(jīng)常遇到鉆進(jìn)方向傾斜或彎曲、因孔壁不穩(wěn)定而發(fā)生坍塌等諸多科技難題。所以有專家直言不諱地說：“表面上看是打一口井，實際上卻是在考驗一個國家的經(jīng)濟實力、基礎(chǔ)工業(yè)實力和整個科技的發(fā)展水平。”

　　2023年5月30日，位于新疆塔克拉瑪干沙漠腹地的深地塔科1井開鉆。盡管深井鉆探面臨著高溫高壓等重重困難，但技術(shù)人員憑借精湛的專業(yè)能力和驚人的毅力朝著萬米深度挺進(jìn)，終于在2024年3月4日突破10000米，使其成為世界陸上第二口、亞洲第一口垂直深度超萬米的井。這不僅為今后的深地鉆探提供核心技術(shù)和裝備儲備，也證明了我國深地探測系列技術(shù)已跨入世界前列。

　　深地塔科1井

　　圖源 | 網(wǎng)絡(luò)

　　2023年12月18日，我國首艘大洋鉆探船“夢想”號首次亮相。這艘鉆探船具備全球海域無限航區(qū)作業(yè)能力和海域11000米的鉆探能力，承載著全球科學(xué)家“打穿莫霍面、進(jìn)入上地幔”的夢想，未來有望率先打開“地心之門”。

　　我國首艘大洋鉆探船“夢想”號

　　圖源 | 網(wǎng)絡(luò)

　　鉆探就像外科醫(yī)生的“手術(shù)刀”，深入地球取出某些“組織”供科學(xué)家化驗。雖然現(xiàn)在的地質(zhì)學(xué)家可以利用地震波對地球進(jìn)行“CT掃描”并推斷地層深部結(jié)構(gòu)，但相比之下，鉆探更直接、更準(zhǔn)確。我們相信，未來的鉆探技術(shù)一定能夠突破重重困難，帶我們目睹地殼之下的秘密。

　　本文創(chuàng)作團隊

　　撰文 | 馬志飛

　　編輯 | 李馨宇

　　封面設(shè)計 | 俠客君

　　審稿 | 李忠東

　　部分圖源| 愛給網(wǎng) 豆包AI