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上天不易,入地更難

莫霍(Moho)分介面簡稱莫霍面,是地殼和地幔的分介面,以克羅埃西亞地震學家Andrija Mohorovicic 名字命名。1909年, Mohorovicic首次觀測到淺源地震有兩組P波(地震壓縮波)到達地震觀測站,一組地震波在地殼傳播,沿著直線路徑到達觀測站,另外一組地震波在地殼下傳播,在地球內部沿著曲線路徑到達觀測站。他推測這個曲線路徑的形成是由於地震波在地球內部發生折射。透過分析更多觀測站的資料,Mohorovičić得出結論,地球內部的結構不是連續結構,而是分層結構,存在分層介面。Mohorovičić是第一個根據地震波觀測證據確定地殼和地幔之間存在不連續性分介面的科學家。

地殼中的主要物質是玄武岩。在莫霍面上的地殼中,P波的傳播速度大約為6.7-7.2 km/s,接近P波在實驗室玄武岩中的傳播速度。根據火山爆發的噴出物,地質學家知道地殼下的主要物質是橄欖岩。在莫霍面下的地幔中,P波的傳播速度大約為7.6-8.6 km/s,接近P波在實驗室橄欖岩中的傳播速度。科學家透過地震波的速度變化確定地殼和地幔物質成分不同。

在地殼與地幔的接觸面,地幔物質逐漸冷卻並粘附在地殼上,形成了莫霍面。地球化學實驗表明,在莫霍面中,從地殼滲出的水與地幔橄欖岩發生化學反應,生成一種稱為蛇綠岩的礦物。蛇綠岩是莫霍面的主要物質成分,莫霍面的厚度大約為500米。由於地質變化,地球上一些地方莫霍面裸露在地表,這些古老的莫霍面就是以各種蛇綠岩的形式在地表存在。

莫霍面距離地表的深度——也就是地殼的厚度,在地球各地不一樣。由於海底地殼較薄,在大洋中,莫霍面的深度約為5~15千米,在大西洋和印度洋,深度為10~15千米,太平洋中央部分深度只有5千米;在島弧地區,深度為20~30千米。在大陸,莫霍面深度為30~40千米,在高山地區,例如在青藏高原和天山地區,深度達60~80千米。

挖到莫霍面是一個重要的地球科學研究工程。由於海洋地區的莫霍介面比大陸地區淺得多,因此科學家設想在大洋深處地殼較薄的地方鑽孔,一直鑽穿莫霍介面,透過鑽孔巖芯直接觀察莫霍介面的物質。1961年3月,美國國家自然科學基金會資助了一項浩大的地球科學專案——莫霍面鑽探計劃(Mohole Drilling Project),在海底鑽洞達到莫霍面邊界。在隨後的五年中,莫霍鑽探孔隊在地殼中向下挖掘,但最大深度僅為183米,這距離莫霍面還很遠。但考慮到這一鑽孔的深度是在水深為3566米的海面上完成,這個結果還是很了不起的。由於當時美國正在開展載人登月專案,這個挖地專案費錢多,彰顯力度卻不大。因此,美國國會在1967年取消了這一專案。

當時美蘇正處於“冷戰”時期。美蘇兩國在軍事領域激烈競爭,在科技領域的競爭不亞於軍事領域。美國在“上天”方面已經領先,率先將女宇航員人送上地球太空軌道,1969年7月20日又完成了人類首次登月。蘇聯一定要在“入地”方面領先美國,其目標是鑽出一個15000米深的孔,到達莫霍面。

1970年5月24日,蘇聯開始了超深鑽孔施工。鑽孔位置定在北極圈內的科拉半島。在科拉半島開展鑽探工程是有原因的,蘇聯地質學家經過全面研究後,認為這裡的地殼內部溫度較低,莫霍面深度較淺,大約為15km,且在陸地上鑽孔實施比在海面上容易。在科拉半島的鑽探點,蘇聯工程師建造了一個61米高的鑽探塔,以容納鑽探裝置。

科拉超深鑽井的鑽孔平均直徑為23cm,其上部直徑為92cm,下部直徑僅為為21.5cm,比一枚1元的硬幣還小。蘇聯工程師設計了特殊的小鑽頭,用加壓泥漿推進鑽頭旋轉前進。鑽頭僅在末端旋轉,而不是從上到下旋轉。科拉超深鑽工程開工4年後,就鑽了一個7公里深的鑽孔。在這段時間裡,沒有發生任何事故。但在隨後鑽探中,每公里的前進都伴隨著事故。主要原因是地殼內部的高溫對鑽頭影響最大,導致旋轉的鑽頭會熔化斷裂。鑽孔深度超過1.2 km,地殼內部的測量溫度接近180˚C,而蘇聯科學家預計在這個深度的溫度大約為100˚C。 1989年,鑽孔深度達到了12262米,鑽桿突然脫落,鑽孔工作不得不中止,未能達到莫霍介面。蘇聯解體後,鑽探工作停止。2006年,鑽探工作因資金耗盡而完全停止。2008年,科拉鑽探基地徹底廢棄。

在隨後的幾年裡,雖然有其它的地質探勘鑽出了更長的鑽孔,但其深度未超過科拉鑽孔。科拉鑽孔仍然是地殼中最深的鑽孔。毫無疑問,這是人類最驚人的成就之一!

雖然科拉超深鑽孔未能到達莫霍面,但取得了3個科學家意想不到的科學發現:

一是在6.7公里深度發現了微型浮游生物的化石,浮游生物年齡是驚人的20億年!

二是發現地殼深部存在水和氣體!科學家發現沿鑽孔路徑各處都有熱礦化水。科學家還在科拉超深鑽孔中提取到了氣體,在整個鑽孔中都有氮、氦、氫和二氧化碳。氣體來自地殼中埋葬的微生物。

三是發現大陸地殼的花崗岩下面不存在玄武岩,而是存在變質花崗岩。而在這以前,科學家根據地震波的觀測結果,一直認為大陸地殼分為兩層,上地殼主要成主要成分為花崗岩, 下地殼的深度約為9公里,主要成分為玄武岩。

挖到莫霍介面依然是地球科學研究不懈的追求。最近幾年,美國科學家發現印度洋的亞特蘭蒂斯海床的海洋地殼特別薄,鑽孔1.5公里就可能達到莫霍介面。由此開展了新一輪的挖地科學工程,目前在亞特蘭蒂斯海床的鑽孔深度約達800米。

分類: 情感
時間: 2021-11-26

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