2024年10月8日,发表在《地质学》期刊上的一项研究指出,科学家利用先进的地震全波形反演技术,在大西洋赤道区域发现了一处形成于7000万年前的异常薄的海洋地壳,仅为4±0.2千米,远低于全球平均值,甚至比之前利用传统地震层析成像技术估算的结果还要薄30%。这一发现不仅刷新了我们对地壳厚度的传统认知,还为地球内部结构的研究提供了新的窗口。
地壳最薄的地方
地质学家一直在努力寻找地壳最薄的地方,并试图通过深部钻探穿透地壳、直达地幔。可是,地壳最薄的地方究竟在哪里呢?
我们都知道,地球分为地壳、地幔和地核三大层圈,其中,地壳是固体地球的表层部分,体积仅为地球体积的0.5%,它在地球上呈连续分布,但厚薄不等,其中大陆地区的平均厚度为35千米,大洋地区为5-10千米。事实上,地壳在地球的不同区域的差异十分显著,例如,中国青藏高原的地壳厚达60-80千米,而太平洋地区仅为4-7千米而已。
以前人们通常认为,太平洋西部的马里亚纳海沟是地球上地壳最薄的地方,但事实并非如此。科学家通过对地球引力波动的测量发现,距离南美洲圭亚那1600千米的大西洋底部,有一条从北往南的裂缝,地壳厚度仅为1.5千米,被认为是地壳最薄的地方。在这里,地球的两个板块相互分离,地幔中的高温物质沿着中脊上涌,部分熔融形成岩浆,冷却后形成新的洋壳。这个过程就像是在地壳上拉开了一条“裂缝”,使得中脊区域的地壳厚度远低于周围地区。这是地球上地壳最薄的地方之一,也是海底扩张最为活跃的区域之一。
地质学家此次在大西洋赤道区域发现的一处异常薄的海洋地壳,也位于大西洋中脊。经推测,这种超薄地壳的形成可能与该区域的地幔温度较低有关。由于地壳的形成与岩浆活动、板块构造运动等地质过程密切相关,而地幔是地球内部的一个巨大热源,其温度的高低直接影响着地壳的形成和演化。在这项研究中,科学家们发现超薄地壳所在区域的地幔温度比先前估计的要低至少50℃,导致岩浆活动不剧烈,从而形成了较薄的地壳。此外,研究还发现了一个厚度为1±0.5千米的莫霍面过渡带。莫霍面是地壳和地幔的分界面,而莫霍面过渡带则代表了地壳和地幔之间的物质和结构的过渡区域。
超薄地壳的发现具有重要的科学意义。首先,它们是研究地壳形成和演化的天然实验室。在这些区域,地壳的结构和物质组成往往更为简单和原始,地质学家通过对比分析超薄地壳与正常厚度地壳的结构和物质组成,可以更深入地了解地壳增生、岩浆活动以及板块构造运动等地球动力学过程。其次,地壳最薄处也是研究地球内部热量传输和物质循环的关键区域。地壳作为地球内部的热屏障,其厚度和物质组成对热量的传输效率具有显著影响。超薄地壳的存在可能意味着该区域的热量传输机制更为高效,从而影响地球内部的热平衡状态。
人类能否钻透地壳
既然地壳之薄超乎人们想象,那能否通过钻探穿透地壳呢?近几十年来,许多国家都开展了深部钻探计划,努力实现这个充满挑战的伟大梦想。
20世纪60年代,美国开展了一项大规模的钻探计划,在海底选定某些地点向下钻探,期望穿透地壳,直达地幔。该计划以地球物理学家莫霍洛维奇的名字命名,称为“莫霍计划”。1961年,莫霍计划开始实施,在墨西哥湾西海岸成功完成5个钻孔,在3558m的深水区钻透170米深的洋底沉积物,获取了13米厚的玄武岩,但距离钻透地壳还相差甚远。最后,这项计划在管理上出现了很多问题,虽然投入了巨额资金却还是于1966年宣告失败。
1970年,苏联在位于北极圈深处的科拉半岛上开启了雄心勃勃的深钻计划,19年后达到它的最大井深——12262米,创造了新的世界纪录。尽管如此,该深度还不足地球半径的1/500,如果把地球比作一个鸡蛋,它连鸡蛋壳还没钻破。
2008年,新闻媒体报道,日本的“地球”号深海探测船项目首次尝试钻入地幔层,该项目计划在东京以南的一处水深2500米的海洋进行钻探,进而从海底向下钻入7000米深处,进行探测、钻孔、取样和安装地震监控仪器,整项计划预计到2012年完成。然而,科学家对钻透地壳的计划过于乐观了。据日本媒体报道,截至2024年9月21日,“地球”号深海探测船在日本海沟水深6897.5米处向下钻探980米,自海面探测深度达7877.5米,刷新该船此前保持的深海科学钻探纪录,但这个结果仍未达到钻入地幔层的目的。
此后,世界各国相继启动了深海钻探计划、国际大陆科学钻探计划、深地钻探计划等。甚至还有科学家提出了更为大胆的设想,如美国加州理工学院的一位行星学家曾提出,通过某种途径打开一个地壳裂缝(不排除采用核武方式),将一个柚子大小的探针与几十万吨重的溶化的铁水一起注入裂缝,使其慢慢沉入地核,从而实现地心探测的目的。很显然,这个设想如同科幻电影中的场景,不仅需要巨额投资,而且操作起来难度极大,有些不切实际。
向地球深部进军
超深钻一直是世界难题。随着钻探的深度不断增加,施工难度越来越大,成本也越来越高。首先,面临着温度的考验。从地表向下,平均每深入100米,温度大约会上升3℃,如果钻到10千米深度,温度将高达300℃以上。这意味着,无论是钻头还是钻杆都要面临极大的考验。其次,在钻探过程中还经常遇到钻进方向倾斜或弯曲、因孔壁不稳定而发生坍塌等诸多科技难题。所以有专家直言不讳地说:“表面上看是打一口井,实际上却是在考验一个国家的经济实力、基础工业实力和整个科技的发展水平。”
2023年5月30日,位于新疆塔克拉玛干沙漠腹地的深地塔科1井开钻。尽管深井钻探面临着高温高压等重重困难,但技术人员凭借精湛的专业能力和惊人的毅力朝着万米深度挺进,终于在2024年3月4日突破10000米,使其成为世界陆上第二口、亚洲第一口垂直深度超万米的井。这不仅为今后的深地钻探提供核心技术和装备储备,也证明了我国深地探测系列技术已跨入世界前列。
2023年12月18日,我国首艘大洋钻探船“梦想”号首次亮相。这艘钻探船具备全球海域无限航区作业能力和海域11000米的钻探能力,承载着全球科学家“打穿莫霍面、进入上地幔”的梦想,未来有望率先打开“地心之门”。
钻探就像外科医生的“手术刀”,深入地球取出某些“组织”供科学家化验。虽然现在的地质学家可以利用地震波对地球进行“CT扫描”并推断地层深部结构,但相比之下,钻探更直接、更准确。我们相信,未来的钻探技术一定能够突破重重困难,带我们目睹地壳之下的秘密。