從2015年12月中旬開(kāi)始，來(lái)自美、英、中等12個(gè)國家的30名科學(xué)家，乘坐一艘名為“決心”號的大洋科學(xué)鉆探船，在一處叫作亞特蘭蒂斯淺灘的地方，開(kāi)始了史上具有里程碑意義的大洋鉆探，世界多國的科學(xué)家們開(kāi)始了給地球做“腹腔手術(shù)”。

文/記者 李鵬 編輯/陳永杰

▌與亞特蘭蒂斯消失大陸有關(guān)?

大洋鉆探地點(diǎn)位于西南印度洋中脊

西南印度洋脊的Atlantis Bank

一看到亞特蘭蒂斯這個(gè)名字，不少考古迷的胃口馬上被吊了起來(lái)，這難道是要尋找古希臘大哲學(xué)家柏拉圖所描述的1萬(wàn)年以前離奇突然沉于海底的亞特蘭蒂斯文明？

科通君告訴大家，這兩個(gè)亞特蘭蒂斯沒(méi)有半點(diǎn)兒的關(guān)系，盡管柏拉圖所描述的傳說(shuō)中的亞特蘭蒂斯究竟在何處并沒(méi)有定論，但一般認為其位于直布羅陀海峽外的大西洋中。

而這次進(jìn)行大洋鉆探的亞特蘭蒂斯淺灘位于南緯32度42分、東經(jīng)57度17分的西南印度洋中脊，是一個(gè)海嶺頂端長(cháng)40公里、寬30公里的穹狀隆起，兩者相距甚遠，前者在大西洋，后者在印度洋，后者只是科學(xué)家們?yōu)榱艘俗⒛咳×艘粋€(gè)具有轟動(dòng)效應的名字而已。

鉆探地殼，為何要選擇亞特蘭蒂斯淺灘？同濟大學(xué)海洋地質(zhì)國家重點(diǎn)實(shí)驗室教授周懷陽(yáng)表示，地球大陸地殼的平均厚度大約有40公里，大洋地殼的厚度約為5至10公里，而亞特蘭蒂斯淺灘的地殼厚度更薄，僅為3公里左右。在最薄的地方鉆探是最容易的選擇。

科學(xué)家確信這里是研究地殼與地幔轉化的理想“構造窗口”。事實(shí)上，這里的確是科學(xué)家進(jìn)行地球研究的一個(gè)好地方，這些年來(lái)，除了開(kāi)展大洋鉆探，科學(xué)家還在亞特蘭蒂斯淺灘開(kāi)展過(guò)多波束探測、磁異常調查、重力異常調查、水下機器人地質(zhì)取樣、載人深潛器地質(zhì)取樣、地質(zhì)拖網(wǎng)等多種科學(xué)考察，并繪制出約25平方公里的高分辨率等深線(xiàn)圖。

大洋鉆探可能是人類(lèi)有史以來(lái)難度最大的“腹腔手術(shù)”。從漂浮于茫茫大海的船上，伸出幾千米長(cháng)的鉆桿，穿過(guò)海水找到確定的洋底位置，向下鉆進(jìn)千余米的孔，再把孔里的巖芯取到船上，這一看似簡(jiǎn)單的大洋鉆探過(guò)程實(shí)則難度極大。即使是在淺灘地區鉆探，也需要具備一定的條件，鉆探技術(shù)與人員水準必須達到一定水平。

這并不是人類(lèi)第一次在亞特蘭蒂斯淺灘打孔鉆探。1987年，科學(xué)家在亞特蘭蒂斯淺灘鉆了一個(gè)編號為735B的孔，鉆孔深度為504.5米。1997年，科學(xué)家找到735B鉆孔繼續鉆探，不幸的是鉆到1508米時(shí)，惡劣的天氣與海況不幸使近千米長(cháng)的鉆桿折斷在鉆井里，再也無(wú)法取出。1998年，科學(xué)家又在附近鉆了一個(gè)編號為1105A的160米的深孔。但因為多方面的原因，后來(lái)也沒(méi)有繼續進(jìn)行下去。

本輪在這里開(kāi)始的鉆探計劃，是否會(huì )始終順利地開(kāi)展下去呢？因為種種不可預知的因素，目前還不能做出清晰的回答。

▌目標：鉆穿地殼，“觸摸”地幔

國家地震局地質(zhì)所研究員陳九輝表示，在亞特蘭蒂斯淺灘鉆孔，可能會(huì )真正看到莫霍面的樣子。莫霍面是個(gè)什么玩意兒？太專(zhuān)業(yè)了！科通君給大家解釋一下： 根據地球科學(xué)的研究，地幔和地殼的分界面是莫霍面，其由南斯拉夫地震學(xué)家莫霍洛維奇于1909年發(fā)現，莫霍面正是根據這位地震學(xué)家進(jìn)行的命名。

截止目前，人類(lèi)對地球的鉆探還從未抵達莫霍面，此前只是通過(guò)地震波探測得出的一些研究結論，地球內部到底“長(cháng)什么樣”，至今仍是個(gè)謎。

根據本輪大洋科考的規劃，“決心”號大洋鉆探船的最終目標就是鉆穿地殼，“觸摸”地幔。

為何要鉆探到地幔？也許很多人并不太明白。

為了給大家解釋得更為明白一些，科通君先和大家說(shuō)說(shuō)地幔。地幔位于地殼下面，穿過(guò)莫霍面就是，它是地球的中間層，厚度約2865公里，主要由致密的造巖物質(zhì)構成，這是地球內部體積最大、質(zhì)量最大的一層。

地?？胺Q(chēng)最大的“地球化學(xué)儲庫”，但迄今位置由于人類(lèi)尚未能直接從地幔取樣，因此對其知之甚少。

神秘而龐大的地幔充滿(mǎn)了許多未解之謎。在2013－2023年度的國際大洋發(fā)現計劃提出的科學(xué)挑戰中，地球深部過(guò)程及其對地表環(huán)境的影響等一系列科學(xué)問(wèn)題，無(wú)不與地幔息息相關(guān)。

英國卡迪夫大學(xué)麥克勞德教授介紹科學(xué)任務(wù)

據悉，“決心”號計劃通過(guò)３個(gè)航次的大洋鉆探，即在亞特蘭蒂斯淺灘重新鉆一個(gè)孔，目標是分三步鉆穿地殼，直達殼幔邊界。本航次的目標是鉆取1300米的巖芯，獲得記錄地球生命歷程的材料。最終目的是想打穿地殼與地幔的邊界即莫霍面，從而得以零距離“觸摸”地幔。

周懷陽(yáng)是參加本航次大洋鉆探工作的中方科學(xué)家馬強博士的導師，他表示“決心”號的工作目的是為了進(jìn)一步了解地球深處的結構構造及物質(zhì)組成。地球的巖石是一定地質(zhì)作用的產(chǎn)物，形成和穩定于一定的地質(zhì)環(huán)境。每當地質(zhì)環(huán)境改變，巖石也將隨之改變。因此深入研究巖石，就能窺探到地球發(fā)展和演化過(guò)程的一些“蛛絲馬跡”。

大洋鉆探猶如打入海底的“巖石探針”，就像醫生們平時(shí)所做的“腹腔手術(shù)”一般，通過(guò)這樣的方式，就可以直接獲取珍貴的研究樣品和科學(xué)數據。

▌不懈向“地心”靠攏，人類(lèi)瘋了?

對于本輪科學(xué)家們計劃計劃“觸摸”地幔的鉆探計劃，網(wǎng)絡(luò )空間中也是非議紛紛，甚至有人認為科學(xué)家們的舉動(dòng)太大膽，擔心這種腹腔手術(shù)會(huì )給人類(lèi)自身帶來(lái)危險，比如說(shuō)引發(fā)火山爆發(fā)什么的。

這種擔心完全是多余的，國際大洋發(fā)現計劃中國辦公室信息顯示，截至目前，科學(xué)家共在全球大洋鉆了3000多個(gè)孔，從來(lái)還沒(méi)有導致火山爆發(fā)等危險的事情發(fā)生。盡管本輪鉆探要超過(guò)以外，最終達到地幔，但由于鉆探的都是堅硬的巖石層，也不會(huì )有什么危險。就是“觸摸”到地幔也沒(méi)有問(wèn)題，研究發(fā)現，地幔又可分成上地幔和下地幔兩層，盡管上地幔頂部存在一個(gè)軟流層，但軟流層以上的地幔，也就是上地幔的頂部也是巖石圈的組成部分，在巖石圈中鉆孔不會(huì )有什么問(wèn)題，這種“腹腔手術(shù)”不會(huì )導致地球“肚子”里的巖漿噴發(fā)出來(lái)。何況，現在的鉆孔也都有現代科技的密切跟蹤和監控。因此，擔心鉆孔會(huì )導致火山爆發(fā)是多慮了。

中國地質(zhì)大學(xué)教授、構造地質(zhì)學(xué)家顏丹平表示，由于太深，目前科學(xué)家尚無(wú)辦法直接觀(guān)察地幔的巖石類(lèi)型和礦物組成。因此只能夠通過(guò)一些間接手段、模擬實(shí)驗和計算，來(lái)推測其物質(zhì)組成。

以前，科學(xué)家們都是通過(guò)地震波傳播速度分布推測莫霍面的深度以及地幔的組成狀況，但是這種方法不是直接看到的，往往有一些假設和前提。通過(guò)這次鉆探，也許可以檢驗原來(lái)的推測是否正確，甚至修正一些模糊認識。

在很多研究地球的科學(xué)們看來(lái)，截止目前，人類(lèi)關(guān)于地球深部的了解和認識并不比人類(lèi)對太空的認識要多，對人類(lèi)而言，更為深入地了解地球本身，也是一個(gè)重要使命。

比如傳統觀(guān)點(diǎn)認為莫霍面就是地殼與地幔的分界面。地震波探測結果顯示，亞特蘭蒂斯淺灘下方莫霍面位于5500米深處。但區域構造地質(zhì)分析卻顯示，亞特蘭蒂斯淺灘下方的殼幔分界面位于更淺位置。

近年來(lái)科學(xué)界一般把大洋型地殼（簡(jiǎn)稱(chēng)洋殼）從上到下分為三層，最上層是未固結的沉積物，在大西洋中平均厚度為1千米，在太平洋底厚度僅0.5千米，中間層為固結的沉積物，厚約1.7千米，最下面的是厚度不到5公里的下洋殼，可能是玄武巖或輝長(cháng)巖層。水下機器人考察結果發(fā)現，亞特蘭蒂斯淺灘下洋殼的輝長(cháng)巖厚度可能只有1500米至2895米，再往下就是蛇紋石化的橄欖巖，目前觀(guān)點(diǎn)認為橄欖巖主要存在于地幔中。

上述結果對莫霍面的傳統概念提出挑戰，即通過(guò)地震波探測得出的莫霍面可能并不代表地殼與地幔分界面，科學(xué)家們認為，至少在亞特蘭蒂斯淺灘這一特殊構造區域，莫霍面并不能代表殼幔邊界，而是代表了地幔橄欖巖的蝕變界面。本輪大洋科考的中外科學(xué)家們分為3個(gè)航次的大洋鉆探計劃，正是為了驗證這一新觀(guān)點(diǎn)。

▌地幔深處還藏著(zhù)哪些秘密?

主要成分是硅酸鹽、金屬的氧化物和硫化物，所以下地幔又稱(chēng)金屬帶

150年前，法國科幻小說(shuō)先驅儒勒·凡爾納在《地心游記》中描述了地球內部的巨大海洋。一直以來(lái)，人們僅僅把這個(gè)描述當作是一種科幻，但今天，科學(xué)家們發(fā)現凡爾納的描述其實(shí)是“科”而不是“幻”，是地球“肚里”埋藏的一個(gè)驚天秘密。不僅如此，地球“肚里”還有一個(gè)驚天秘密!

本世紀初，日本東京技術(shù)學(xué)院的科學(xué)家猜測，地球不僅僅是地殼的表層有水，很可能在地殼下面的地幔里，也有水。為了證實(shí)這個(gè)猜測，科學(xué)家做了個(gè)模擬的“下地?！?。下地幔是距地表650～2900千米的部分，主要成分是硅酸鹽、金屬的氧化物和硫化物，所以下地幔又稱(chēng)金屬帶。這個(gè)模擬的下地幔是按照真實(shí)下地幔中的元素和各自在地幔中所占的比例，由含鎂、鐵、鈣、硅、氧等元素的混合礦物做成的。因下地幔中的化合物吸收了大量的水，所以礦物的發(fā)射光譜能夠透露出其中的含水信息。根據檢測到的數據進(jìn)行模擬后發(fā)現，模擬下地幔中的物質(zhì)里水含量占了0.2%?；谶@個(gè)實(shí)驗數據，科學(xué)家推測，地球內部的水是地表水的5倍多。

這個(gè)模擬實(shí)驗的結果也得到了實(shí)際觀(guān)測的佐證。前不久，美國華盛頓州立大學(xué)的一個(gè)地震學(xué)小組分析了將近60萬(wàn)份的震波圖——地震穿過(guò)地球時(shí)產(chǎn)生的震波記錄。他們注意到，在亞洲大陸下面地震波表現出了減弱的現象，而且速度也略有減慢。因為水可以減慢地震波的速度，所以大量的減弱和減慢的跡象可以預測那里存在著(zhù)水。并且根據這個(gè)發(fā)現，科學(xué)家推測在東亞所處位置的下地幔中，存在著(zhù)一個(gè)非常巨大的水庫，其中的含水量相當于一個(gè)北冰洋的水量。

更為神奇的是，地幔盡然可以“吃石頭，吐鉆石”。早些時(shí)候，科學(xué)家就發(fā)現，地球內部的地幔淺層部分，就會(huì )“吃石頭，吐鉆石”，因為目前地球大部分鉆石均來(lái)自地表下不到19千米的地方。那里的鉆石有著(zhù)與地表巖石相同的組成成分，之所以這樣，是因為地殼變動(dòng)，把地表的巖石帶到了較淺層的地幔，在那里，地幔內部的特殊環(huán)境把部分巖石“變成”了鉆石，后來(lái)部分鉆石又被一種叫做金伯利巖的巖石帶到了地表。金伯利巖是由火山爆發(fā)所產(chǎn)生的，這種巖石一直是人們尋找鉆石的“指標巖”，尋找鉆石礦就是由尋找金伯利巖開(kāi)始的。

但是地幔深處儲水量巨大和地?！俺允^，吐鉆石”的神奇事兒只是根據目前對地球觀(guān)測的研究的推測或者模擬分析，其可靠性如何還有待未來(lái)的深入研究。

另外一個(gè)急需探知的秘密是，碳這個(gè)非常普通的元素在地球深處會(huì )具有何種性質(zhì)。最新的研究發(fā)現，碳氫化合物這種能源物質(zhì)在地球深處可能以無(wú)機化學(xué)的形式和形成過(guò)程產(chǎn)生，而不僅僅是由植物和動(dòng)物的化石遺骸產(chǎn)生。如果能夠解開(kāi)這個(gè)驚天秘密，那么，未來(lái)人們就會(huì )找到一條新的制造能源的途徑。

這些年來(lái)，不少科學(xué)家們一直在猜測，地球深處是否存在其他不為所知的生命形式。目前科學(xué)家已經(jīng)發(fā)現了在地球表面下1600米左右的地方，還存在著(zhù)微生物，盡管那里的溫度非常高;另外科學(xué)家還發(fā)現，一些細菌竟然可以生存在高達2萬(wàn)個(gè)大氣壓的環(huán)境里，而過(guò)去的研究表明，細菌或者其他形式的生命無(wú)法生存在超過(guò)幾千個(gè)大氣壓的環(huán)境里?？茖W(xué)家因此懷疑，在更深的地球深處，還藏著(zhù)存在包括另類(lèi)生命形式等在內的諸多秘密。

周懷陽(yáng)表示，對生命極限的認識驅動(dòng)著(zhù)人類(lèi)的求知欲，此次大洋鉆探工作的另一個(gè)目的是要了解地幔下是否存在微生物。

▌給地球做“腹腔手術(shù)”為何很重要？

在地球科學(xué)家們看來(lái)，不斷發(fā)掘地球內部的秘密，對人類(lèi)更好地適應和利用環(huán)境，對新資源開(kāi)發(fā)和生命探索都具有非常重大的意義。例如揭開(kāi)地球內部藏水的秘密，對于地球水資源的保護和管理就意義重大；揭開(kāi)地球“吃石頭，吐鉆石”的秘密，對人類(lèi)大量生產(chǎn)“超級鉆石”有直接的幫助；揭開(kāi)碳元素在地球深處的特性秘密，對人類(lèi)生產(chǎn)新能源會(huì )發(fā)揮重大作用；而揭開(kāi)地球深處隱藏的生命的秘密，不但可以進(jìn)一步揭開(kāi)生命演化的秘密，也有助于人類(lèi)探索在極端條件下的外星環(huán)境中，生命是否存在，以及生命會(huì )以何種形式出現等問(wèn)題。

顏丹平表示，現在在亞特蘭蒂斯淺灘進(jìn)行的鉆探對地殼結構與物質(zhì)組成的認識將來(lái)或有助于地震發(fā)震機制的研究。

不過(guò)陳九輝指出，從地質(zhì)上講，形成較年輕的亞特蘭蒂斯淺灘是一個(gè)特殊的地區，要想把這里的研究擴展到對全球地質(zhì)構造的認識還很難，因為全球的地質(zhì)狀況比這個(gè)地區要復雜很多，一些地區可能經(jīng)過(guò)長(cháng)期的地質(zhì)變化，比一些新生區域也要復雜得多。

Tips：

人類(lèi)探尋地球深處歷程

1910年

克羅地亞地震學(xué)家莫霍洛維奇發(fā)現，地殼和地幔間有個(gè)不連續的分界面，即莫霍面。

1961年

科學(xué)家們首次利用動(dòng)力定位技術(shù)打下了第一口科學(xué)鉆孔，在墨西哥近海3558米水深處鉆了5口深海鉆井。

1964年

美國幾個(gè)研究單位發(fā)起組成“地球深層取樣聯(lián)合海洋機構”，提出了“深海鉆探計劃”。

1968年

深海鉆探計劃開(kāi)始實(shí)施，至1983年計劃結束，“格洛瑪·挑戰者”號船完成鉆探站位624個(gè)，實(shí)際鉆井逾千口。

1970年

蘇聯(lián)在科拉半島進(jìn)行科學(xué)鉆探，最深的一個(gè)鉆孔達12262米。

1985年

由于蘇聯(lián)、德、法、英、日等國相繼加入，深海鉆探計劃升級為國際性的大洋鉆探計劃。

1985年

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1998年

中國加入大洋鉆探計劃，并作為第184航次主導者，于1999年在南海順利實(shí)施中國海的首次大洋鉆探。

2003年

國際大洋鉆探計劃轉入綜合大洋鉆探新階段。鉆探船由一艘增加到兩艘以上，鉆探范圍擴大到全球海區。

（本文由北京科技報《科技生活》周刊采編制作。新媒體編輯/陳永杰、郭圓宇。轉載需授權，合作聯(lián)系微信：科通社）