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比海底更深的地方

编译 汤恒岩

很多人小时候都想过一个问题,如果在地上打洞,一直挖下去,能不能挖到地球另一侧?其实,不只是小朋友,科学家对钻凿地球这件事也很感兴趣。

1909 年,地震学家莫霍洛维奇在研究欧洲某处的地震记录时发现,地震纵波的参数在地表下50 千米深度处显著改变。他认为这是地质结构在此处急剧变化所致。后来人们证实,该突变面在全球普遍存在,并将其命名为“莫霍面”,界面以上的区域称为地壳,界面以下的区域称为地幔。

随后几十年间,关于莫霍面的结构形态和物质组成,再无革命性的研究发现。当下,科学家已无法压制对地底世界的好奇……

1957 年,美国的地质学家和海洋学家们在会议中提出了“打个洞,直抵莫霍面!”的想法。

会后,“莫霍计划”正式启动策划。考虑到大陆上地壳平均厚33 千米,而大洋地壳平均厚仅7 千米,策划组织判断,要想钻穿地壳,到达地幔,就得在水下开展。

对于“莫霍计划”,有科学评论家半带挖苦地写道:“在阳光明媚的阳台举行的早餐会上,这个项目听起来既简单又合理。”

如今我们已经知道,虽然只是打洞,但钻穿地壳这件事没那么简单,莫霍计划打一开始就难题不断。

如何把钻头送到几千米深的海底?

如何在水中锚定钻头,不让它随波逐流?

如何抽出岩芯?

面对重重困难,科学家决定先定个小目标——在海底戳几个浅洞,找找感觉。他们改装了一艘钻探船,于1961 年在太平洋西海岸靠近墨西哥的海域钻了5 口深度不超过200 米的井。该船返回时,时任美国总统肯尼迪致电祝贺,称之为科学史上“历史性里程碑”。

遗憾的是,这几口浅洞几乎是“莫霍计划”的全部直接成果。莫霍计划的预算不断增加,取得的成果却寥寥无几,让人感觉很没盼头。毕竟,在20 世纪60 年代那会儿,美国还有非常重要的航天事业要发展。1966 年,美国国会砍掉了拨款,莫霍计划搁浅。

莫霍计划的初衷是钻穿地壳,虽然这个目标没实现,但科学家通过这个项目发现,在海底钻凿采集地质数据和样品,无疑是一种新颖又直接的“窥探”地球的手段。

1968 年,美国四大海洋所共同提出“深海钻探计划”,这也开启了已延续数十年的、地球科学历史上规模最大的国际合作计划。迄今,该计划经历深海钻探计划、大洋钻探计划、综合大洋钻探计划、国际大洋发现计划的多次更名、扩建、重构,已取得丰硕科研成果。

地中海曾是个“晒盐场”

1971 年 和1975 年,钻探船两次进入地中海,从海底以下取出岩芯。科学家惊讶地发现,在形成于约600万年前的岩层中,竟然有石膏和岩盐。这些矿物需由海水或盐湖里的卤水经强烈蒸发形成,怎么会出现在深海海底以下呢?科学家推测,600 万年前的构造运动使地中海和大西洋的通道被切断,导致地中海水位越来越低,最后变成了“晒盐场”,堆积起了岩盐、石膏等蒸发岩。

海底岩层中生机盎然

20 世纪90 年代,钻探船在太平洋底下的深部岩层中发现了微生物,有的沉积物中每立方厘米甚至有1000 多万个活细菌。科学家将这些生活在海底下部岩石里的微生物群称作“深部生物圈”,这是地球上微生物最大的储库,生活在地球深处的微生物可以享有远超“万岁”的高寿。

恐龙灭绝的原因很可能是行星撞地球

中生代地球上横行一时的恐龙,在距今6500 万年前消失。恐龙灭绝,谁是罪魁祸首?地质界有两种解释:火山活动和小行星撞击。结果是大洋钻探给出了答案:一颗直径10 千米的小行星撞上墨西哥湾,砸出了直径180千米的陨石坑。

1997 年,钻探船从水深2600 米的海底取得了这次撞击事件的证据:富含化石的软泥上,突然出现一个10 多厘米厚的暗绿色层,其中含有大量硅质球粒和岩石碎屑。经分析,这些物质来自撞击地球的小行星和炸裂的撞击坑,它们生动地记录着这场旷世悲剧的惨烈情景。

温暖的“北冰洋”

600 万年前,地中海可能曾像富集大量盐分的青海茶卡盐湖一样,是天然晒盐场

一种产甲烷菌,发现于太平洋日本沿海底部以下2 千米处

一颗直径10 千米的小行星撞上了墨西哥湾,致恐龙灭绝

2004 年夏,三艘破冰船在北冰洋执行大洋钻探任务:一艘钻凿,两艘破浮冰(以保证钻探船的稳定)。这场“冰上大战”十分艰苦,却换来了巨大发现:5000 万年前,北冰洋居然是个温暖的“湖泊”!

这次大洋钻探取得的岩芯中有大量的真蕨植物“满江红”的孢子。这是一种小型浮水植物,幼时呈绿色,也叫“绿萍”,常在水面上长成一片,到秋冬季节呈现一片红色,所以叫作“满江红”,现在广泛分布于江南的水池和稻田里。5000 万年前,这些植物居然漂浮在北极的水面上,这表明当时的北极具有亚热带气候。这个“北极湖”的生产力极高,沉积了丰富的有机碳,因此可以说,北冰洋底具有重大石油前景。

半个多世纪以来,大洋钻探船成了海洋科学的“航母”,接二连三的重大发现成了20 世纪地球科学研究成果的关键组成部分,其研究过程中也不乏我国科学家的身影。

1998 年,我国加入大洋钻探计划,当时提出的钻探建议书在全球竞争中脱颖而出。1999 年春,在我国的设计和主持下,科学家实施了南海大洋钻探184 航次,取得了南海3000 多万年来的沉积记录,这是当时西太平洋海区的最佳长期沉积记录,科学家由此发现了气候演变的长周期。这一发现为探索气候变化打开了新途径,也使我国的深海基础研究跻身世界前列。二十多年来,我国在南海开辟了17 个钻探站位,为人类认识南海深部做出了不可估量的贡献。

真蕨植物“满江红”曾漂浮在北冰洋的水面上

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