破纪录的岩芯样本，揭示地球深处的秘密

想象一下，你有一把大刀能把地球切开，你会发现地球分成了不同的层。最上层是我们居住的相对较薄的地壳，下面则是厚达约2900千米的地幔层，被地幔包裹的是地球最内层的金属核心。

地球切面示意图。（图/USGS）

但由于地幔被至少数千米厚的地壳覆盖着，一般很难进行钻探研究。唯一的例外是，地壳在断层处会形成裂缝，让地幔有机会在这些位置暴露出来。

国际大洋发现计划的名为“生命的基石，亚特兰蒂斯山块”的第399次考察，于2023年春发现了1268米几乎连续的地幔岩石。（图/Thomas Ronge）

在国际大洋发现计划（IODP）的第399次考察中，一组国际团队搭乘乔迪斯·决心号（JOIDES Resolution）科考船，在大西洋中脊区域采集了一份长达1268米的地幔岩芯。这份样本的长度超过了先前采集的海洋橄榄岩岩芯的6倍，它不仅创下了长度纪录，还让科学家得以窥探地幔的构成和其他地质方面。研究已发表在《科学》上。

  海洋下的地壳  

洋壳，也就是海洋之下的地壳，往往比大陆上的地壳薄得多，也年轻得多，这是因为岩石会在构造板块运动中不断循环。

洋壳大多由致密的玄武岩构成。这种岩石是由下方岩浆沿着洋中脊从海底裂缝涌出时形成的。而岩浆则来自地幔的部分熔融过程。

通常，只有岩浆会喷发到海底。但在某些地方，地幔岩石同样会被带到表面，与海水发生一种叫做蛇纹石化的反应。这会改变岩石的结构，让它们呈现出一种类似大理石的外观，并释放包括氢在内的各种物质。这种蛇纹石化过程产生的碳氢化合物对海底生物至关重要。

  “失落之城”  

去年年中，乔迪斯·决心号就发现了一处具有蛇纹岩的地点，位于大西洋洋中脊以西的亚特兰蒂斯山块（Atlantis Massif）海底山脉。在这里，洋脊以平均每年2厘米的速度缓慢扩张。暴露的地幔岩石会与循环的海水发生反应，产生了独特的橄榄岩水热系统。‍

（图/雯雯）‍‍

团队选择了一片被称为“失落之城”的区域附近进行钻探。原本的计划大约只会钻200米深，但出乎意料的是，钻探过程异常轻松，速度也更快，最终他们得到了超过1200米的钻孔U1601C。

研究介绍了这份岩芯样本的初步分析。平均而言，岩芯中的蛇纹石化程度非常高。40%的原始地幔矿物与海水发生了反应，转变成了蛇纹岩。还有一个出乎意料的发现是，与全球深海橄榄岩相比，斜方辉石（一种富含镁的硅酸盐矿物）的量很低，单斜辉石（主要含钙的硅酸盐）的含量也极低。

U1601C钻孔结果示意图。展示了地幔上涌、拐角流和滑脱断层的等比例界面图。特写（B）-（E）的位置已标出。（图/Lissenberg et al，Science）

岩芯中的地幔岩石夹杂着其他种类的岩石，这说明，幔-壳边界并不像地震数据显示的那样分明。研究还发现了熔岩通过地幔输送的通道，让科学家得以追踪岩浆形成并上升后到达表面的过程，并了解火山（特别是海底火山）和岩浆以及地幔之间的关联。

显微镜下地幔岩石的样本。（图/Johan Lissenberg）

此外，钻取的岩芯也为了解失落之城的岩基提供了最佳机会。它可以说是一个巨大的天然实验室，可用来研究发生在这种水热系统中的各种反应。这可能对生命起源的探索非常重要。

  未来的挑战  

这次采集的岩芯将被储存在德国IODP储存库中。接下来，所有希望研究它的科学家都可以进行采样。而科考船上收集的所有数据也会完全公开。

地球科学家认为，严格来说，我们还没能钻进真正的地幔。未来一个巨大的挑战是钻穿玄武岩层，穿越地壳和地幔之间的边界，也就是所谓的莫霍界面。这样就能获得没有和海水发生反应的原始地幔岩石。