作者:张文静 来源:《科学新闻》 发布时间:2014-1-7 11:57:47
选择字号:
《科学新闻》:地心争夺战

 
美国当地时间2013年12月9日11:30,旧金山Moscone会展中心,中国深部探测技术与实验专项(SinoProbe)首席科学家董树文和他的伙伴们站在了美国地球物理学会(AGU)年会新闻中心的主席台上。
 
在这场题为《SinoProbe:一个前所未有的洞察地球最大大陆内部的科学计划》的新闻发布会上,SinoProbe研究团队应邀发布SinoProbe的当前进展情况和对未来的展望。
 
“这是AGU第一次为中国科研项目举行专场新闻发布会。”AGU公众新闻部主任Peter Weiss表示。
 
一年一度的AGU秋季大会,是全球规模最大、层次最高的地球科学大会。今年,大会的注册人数达到了24000人。
 
“中国的SinoProbe在某些方面已经超过了美国。”SinoProbe的合作伙伴、美国斯坦福大学教授Simon Kelemberer此语一出,便震惊了在座的美国科学记者。AGU会员通讯杂志的记者一再追问:“SinoProbe在哪些方面、哪些技术超过了美国?”
 
在赴美之前,董树文就对《科学新闻》记者表示:“SinoProbe的实施,使我国真正进入到了世界深部探测大国的行列。”
 
其实,与世界其他大国相比,中国的深部探测起步较晚。纵观世界各国,无论是从上世纪五六十年代开始的美苏两国,还是到七八十年代以后的英国、德国、意大利、瑞士、加拿大和澳大利亚,无一不陆续实施了对地球深部探测的重大计划,并取得了丰硕的成果。直到今天,这场对地心的争夺战从未停止过。
 
美苏的较量
 
位于俄罗斯西北端、濒临巴伦支海和白海的科拉半岛,大部分地区处于北极圈内。除了终年不冻港摩尔曼斯克和丰富的矿藏资源外,这里还与前苏联一项重大工程有关。
 
这项至今看来仍然有些神秘色彩的工程,位于摩尔曼斯克州扎波利亚尔内市10公里外的贝辰加地区。由于地处科拉半岛,人们将其称之为“科拉超深钻井”。
 
科拉超深钻井被普遍认为是冷战时期美苏两国在深部探测领域相互竞争的结果,而竞争目标是先于对方抵达地壳与地幔之间的界面——莫霍洛维奇不连续面,简称莫霍面。
 
1961年,美国开始实施“莫霍计划”,在加利福尼亚湾附近地区钻井。一年后,前苏联地质部和前苏联科学院也提出了本国的“莫霍钻探计划”,目的是研究莫霍面和地下贵重矿石的形成过程。
 
该计划交由“地球内部与超深钻井研究跨部门科学委员会”负责,由前苏联地质部长艾弗杰尼·柯兹洛夫斯基直接领导,只有少数科学家能够参与进来。
 
《地球科学》一书的作者Dean Dunn认为,前苏联之所以制定出自己的“莫霍面计划”,是“1960年到1962年间太空竞赛期间经济利益与国家自信心相结合”的结果。
 
科拉超深钻井作为该计划的重要一环,一直处于密不透风的状态。虽然艾弗杰尼·柯兹洛夫斯基在上世纪80年代编著了《科拉超深钻井》一书,披露了该钻井的一些情况,但人们始终认为这里还隐藏了许多重要的信息。
 
直到美国《连线》杂志2008年公布了科拉超深钻井的10张照片,才让人们对这个“世界上最深的钻孔”有了更为直观的认识。
 
照片中,一座浅灰色的高塔矗立在雪迹斑驳的广袤荒原上,周围还有几片低矮的厂房。厂房内部充满了大型号的金属管道,戴着头盔的工人在对钻头进行着操作。而在另一间科技控制室里,一名科研人员正在将从几公里的地下传来的数据收集在一起。
 
1966年,美国的“莫霍计划”由于经费和技术等方面的原因宣告终止,而科拉半岛的钻探工作却一直在进行。当1994年停止继续钻进时,科拉超深钻井的深度已经达到了12262米,这个记录至今未能被打破。
 
虽然在陆地超深钻井方面美国较前苏联略逊一筹,但在此期间,美国在海洋的深部探测还是引起了世界的关注。
 
1968年,美国实施的“深海钻探计划”中的核心装备“格洛玛·挑战者”号探测船扬帆起航。1975年,由于联邦德国、日本、英国、前苏联和法国的加入,该计划变成了一个国际范围的项目。
 
资源探测是推手
 
美苏两国对地球深部的探索发生于冷战期间,常被认为是“意气之争”。但从留存的史料来看,两国对地心的探索同样基于现实利益的推动。
 
《科拉超深钻井》一书的序论这样写道:“近年来查明的绝大多数矿物原料资源都与未出露地表的矿床有关。因此,研究地壳深部结构具有越来越大的现实意义。”
 
而书中列出的科拉超深钻探四个主要任务的第一条,便是“研究科拉半岛地区波罗的地盾太古代结晶基底和含镍的贝辰加杂岩的深部结构,查明包括成矿作用在内的地质作用的特点。”
 
可见,对矿产资源的探索是前苏联进行深部钻探项目的内在驱动力,而前苏联也确实从中得到了丰厚的回报。
 
科拉超深钻井在钻进到4024米时提取了岩心。当钻探深度达到9500米时,钻头冲进了一个含有黄金和钻石的地层。科研人员对取出的岩心进行了检测,发现该岩层的金含量高达80克/吨。而一般来说,金矿层只要含金量达到4克/吨,就已经具备了商业开采的价值。
 
也许是科拉超深钻井的发现让前苏联人倍受鼓舞。在《科拉超深钻井》一书中,作者继续写道:“已规定要大大扩大深井钻进和超深钻进的工作量。科拉和萨特雷钻井将继续钻进。安排了秋明、阿纳斯塔斯耶夫-特罗伊茨克和乌拉尔超深钻井的钻进。同时,在第十一个五年计划期间要开始打六个深钻井,其中三个(第聂伯-顿涅茨、滨里海、提曼-伯绍拉)位于含油区,三个(穆龙套、诺里尔斯克、克里沃罗格)位于矿区。”
 
由美国首先发起的“深海钻探计划”也同样不甘示弱,在计划实施过程中发现了具有重大现实意义的白垩纪中期黑色页岩,而这被认为是大西洋沿岸许多重要油田的生油层。
 
黄金时代
 
从上世纪70年代开始,全球进入了地球深部探测的黄金时期。以美国大陆反射地震探测计划(COCORP)为起点,世界主要大国陆续启动了国家深部探测重大计划和工程。
 
COCORP开始于上世纪70年代末期,开辟了使用多道地震反射剖面技术系统探测大陆地壳结构的先河。
 
在此之前的60~70年代,为了寻找新的油气资源,深地震反射剖面技术已经广泛应用于世界范围内的石油勘探行业。在此基础上,COCORP将石油勘探的近垂直反射地震技术发展到穿透地壳甚至岩石圈的深地震反射技术,在深度与精度方面都达到了前所未有的高度。
 
计划实施的过程中,COCORP在美国的30个州共采集了1.1万公里长的反射剖面。除了首次揭示出北美地壳的精细结构外,COCORP更是取得了意想不到的收获——在落基山等造山带下发现了一系列油田。而更为重要的是,COCORP的开展引发了全球各个国家深部探测项目的计划和实施,开启了国际深部探测的新纪元。
 
上世纪80年代,国际岩石圈委员会(ILP)发起了全球地学断面计划(GGT)。该计划在全球重要的大陆和造山带完成了对数十条几万公里长的断面的探测。
 
1982年,欧洲地球探测计划(EUROPROBE)开始实施,目的是“更好地了解地壳和地幔的构造演化,以及一直以来控制整个演化的动力过程。”
 
这个由欧洲各国联合开展的重大项目,取得了丰硕的成果,不但完成了横穿欧洲的地学断面,而且通过对阿尔卑斯造山带的地震反射剖面探测的完成,建立了碰撞造山理论和薄皮构造理论,极大地推动了地球物理理论的发展。
 
与此同时,欧洲各国也各自实施了国家的深地震反射探测计划,包括法国(ECORP、3D France)、德国(DEKORP)、英国(BIRPS)、瑞士(NRP20)和意大利(CROP)等。这些探测计划在不同的方面推动了世界对于地球深部的研究和探索。
 
1984年,加拿大科学基金委,地质调查局和一些高等院校的科学们共同启动了国家级的岩石圈探测计划(LITHOPROBE)。
 
值得一提的是,LITHOPROBE特别重视通过对矿产富集地区的探测,提供丰富可靠的成矿信息。这种做法增加了投资者的信心,促使很多矿业公司增加深部探测的投资,使得加拿大一直得以保持世界矿业大国的地位。
 
LITHOPROBE首席科学家Ron Clowes在接受《科学新闻》记者采访时表示,地球深部探测的主要意义首先在于对地球的演化过程形成基本的认识,探索岩石圈的成分、结构和演化过程。同时也有助于矿产和油气资源的勘探,加深对地震等地质灾害引发过程的认识,以及研发适用于化学、物理、天文学或生物学等诸多领域科学研究的复杂仪器设备。
 
从未止步
 
“进入到新世纪以来,人们对地球物理领域的研究兴趣再一次被激起。”谈起当前全球深部探测的发展,美国地质调查局地震科学中心教授Walter Mooney如是说道。
 
2000年,在之前实施的四维地球动力学计划(AGCRC)的基础上,澳大利亚联邦科学与工业研究院提出了新的玻璃地球计划(GlassEarth),目标是使澳大利亚大陆1公里内的地壳变得“透明”。
 
该计划开展的成矿带地壳精细结构探测,为研究成矿理论和资源勘测提供了技术支撑,并由此在覆盖层下发现了奥林匹克坝超大型矿床。六年后,澳大利亚又宣布启动了澳大利亚大陆结构与演化计划(AuScope)。
 
2003年,美国国家科学基金会(NSF)设立了地球透镜计划(EarthScope),开启了继COCORP后的第二轮地球探测。预算超过200亿美元的资金,使得美国再次站到了全球深部探测的领军位置。
 
而在遥远的科拉半岛,虽然更深一步的钻探被暂时停止,但钻井主轴依然处在合适的条件下。2007年,俄罗斯科学院地球物理研究所副主任Yevgeny Rogozhin在接受俄罗斯之声广播电台采访时称,仍然有一小部分研究人员留在科拉超深钻井平台,对从地壳深处获取的岩心等进行着持续研究。
 
而在俄罗斯的其他地区,一些超级钻探项目也在实施之中,这使得俄罗斯在资源勘探方面获得了巨大成就。
 
在东亚,日本已经于2007年启动了自己的海洋钻探船“地球号”,希望打穿大洋地壳,直抵岩石圈作为探寻地球深处秘密的突破口。
 
对人类赖以生存的地球进行深入了解的重要性已经越来越成为各国的共识。联合国将2008年命名为“行星地球年”,呼吁全世界重视地球科学、保障资源供应、保护生态环境、支持脆弱的生命系统。
 
为此,国际地质科学联合会(IUGS)和联合国教科文组织(UNESCO)正式提出,要进军我们最后的前沿——地下的物质与结构,呼吁强化对地球深部的探测和认识。
 
面对未来,COCORP首席科学家Larry Brown充满信心地表示,地球物理的相关研究将会在资源勘探、研究地质灾害发生的内部机制,以及建立灾害预警系统中发挥重要作用。
 
如今,世界对深部探测关注的目光也转移到了中国。
 
据董树文介绍,在世界深部探测大国中,截至目前美国已经完成了6万公里左右的深反射地震剖面,俄罗斯大概有2.48万公里,英国是2万公里,而意大利、德国、澳大利亚均在1万公里左右。
 
由于SinoProbe的实施,中国已经跨入了国际深部探测的1万公里俱乐部。在AGU的新闻发布会上,Simon Kelemberer表示,如果SinoProbe第二阶段继续执行,将全面超过美国和西方国家。
 
在地壳结构尤其复杂的中国所获取的数据和信息,不仅对本国地壳结构的认知、资源开发和地质灾害预测具有重要意义,更有利于加深国际学界对整个世界地壳结构的理解。
 
“我对SinoProbe心怀钦佩和敬意,我真诚地希望在未来的几十年中,中国科学家对地球深部的探索能够继续坚持下去,甚至有所拓展。”Walter Mooney表示:“未来,新一代的地球科学家,无论是中国的还是国际的,其科学发现都会基于今天SinoProbe所获得的基础数据。”■ (原标题:地心争夺战) 
 
 相关专题:聚焦中国入地计划
 
《科学新闻》 (科学新闻2013年第12期 封面)
 
 打印  发E-mail给: 
    
 
以下评论只代表网友个人观点,不代表科学网观点。 
SSI ļʱ
相关新闻 相关论文

图片新闻
一颗小“月亮”离地球而去  蓝环星云谜题破解
藻类DNA中潜伏巨型病毒基因组 从单细胞窥探生命奥秘
>>更多
 
一周新闻排行 一周新闻评论排行
 
编辑部推荐博文
 
论坛推荐