工作人员将一个拍摄相机缓慢放入深水中

  现在已不是魏格纳或者哥伦布的时代了,人们都知道地球是圆的,而且从里到外可分为地壳、地幔和地核。近五十年来,人类已经征服了月球,并且将探空器发送到了太阳系的边缘,但是人类却还是无法了解从地下6300千米深处直到地心那部分区域的存在物。我们只知道那里有岩石在不停缓慢运动,有一个铁水层,还有一个呈固态并且密集的铁质内核。
  地下7千米
  了解地球的内部必须采用一种间接的方法。虽然从地球内部到达地球表面的热量要比来自太阳的热量低数千倍,但如果从地表向地心进发,每走1千米温度就会增加20摄氏度,这样当到达地幔的表层时,温度会达到300摄氏度,而压力大约是几千个大气压。
  然而现在日本一艘叫做地球号(Chikyu)的探测船,它的钻头将要穿越地球的地壳,从而到达地幔。在2012年前,地球号探测船会第一次前进到地幔。
  地球号已于2001年下水。探测任务需要它将钻机钻入地壳大约6千米处,如果从海洋底部算起,则是海底下三四千米的深度。
  如果在海底下三四千米钻探,那不仅需要一个能在几千个大气压和最高30摄氏度温度的条件下工作的凿子,还要用到GPS定位系统,使凿子能在数年内保持在相同的位置。而船的大小与这项壮举也是旗鼓相当:船长210米,重5.7万吨,并且它还有一个高达112米的控制塔。


日本地球号钻探船工作示意图

  地球号引入了大量的石油开采技术,它有6条连接船身,钻探管是由卫星来确定位置。钻探管由铁架塔支撑住,然后采集来的样本会由连接钻探管的传输管传送到地球号上的实验室。
  为了能在这样的深度的压力和温度的极限条件下工作,钢制的钻头会利用钻机上的泵,在高压下推动泥浆流,然后再将泥吸进去。这样做是为了使在压力很高的情况下,被打出的孔能一直处于打开状态。
  在2007年将会进行第一次钻探,地点大约是在日本南海岸。专家们认为这次钻探对地震产生的研究甚至是对地震的预报都是十分重要的,巴塞罗那大学的地质学家安杰洛?卡玫勒连基(Angelo Camerlenghi)解释说,而下一次的钻探就是要到达地幔了。



正在钻探的工人。图中央可以看到用于挖掘和抽取岩石标本的钻机

  在海洋中发掘
  至今为止,人们所进行过的最大胆的一次进军地幔的试验是在俄罗斯的科拉(Kola)半岛上进行的。但是试验并没能取得成功。
  俄罗斯科拉半岛上的钻探开始于1970年,可是在刚刚到达12千米多一点的时候,挖掘工作就因为缺乏资金而被迫停止了。但即使钻探工作继续下去,工作人员还要面临另一件严重的事情,那就是估算错误。
  由于估算错误,结果人们发现,从挖掘进度处到达地幔大约还有50千米的距离。最终这个计划无疾而终。而现在,地球号将要尝试穿越地壳。它选取钻探的地点也颇具心思,因为钻探的目标是包括一些因为板块运动而使地幔接近地壳的区域,或者是地壳相对比较薄的地方,比如日本太平洋海岸外的南海海槽。
  地球号的这次探测计划经过长期的准备,它不仅有海面上最精密的仪器,还配置了世界上最高的钻探铁架塔。不过作为钻探工作,重点还是在于钻管的长度。地球号的钻管有9.5千米长,如果拿上海金茂大厦作为对比的话,这个钻管相当于22座金茂大厦重叠起来的高度。

这是美国乔迪斯-决心号,工作人员身后的铁架塔被用以支撑钻探管

  地壳以下
  当我们挖到地球深处的时候,我们会发现些什么?答案要取决于我们是在什么地方进行挖掘。
  在靠近海脊,也就是地状岩分开的地方,同时也是地壳最薄的地方,这里的厚度只有不到1千米。但即使如此,该处地幔下的岩石已经被地壳的岩石所污染。而地球号将会在远离海脊的区域进行勘探,因为在那里,地壳和地幔可以区分得很清楚。
  钻探首先是在一个富含沉淀物的深度进行,这个深度充满了微生物遗迹、泥浆和黏土。再往下勘探的话,人们还会发现了玄武岩,也就是会迅速冷却的火山熔岩。先会是凝固的气泡,然后就是类似于'圆柱形玄武岩'的岩石,也有人说是辉长石,卡玫勒连基描述着钻探的可能状况,在4千米之后,还有一个厚约1千米的过渡区域,到最后就是地幔了。
  根据科学家仓本真一的介绍,地球号会用于多个钻探和岩心取样的计划,在它所钻出的孔洞中,有些会用来放置固定的地壳监视仪器,以加强对地震的预测。
  寻找生命的线索
  在上个世纪,科学家们研究的主要方向是物质和宇宙的起源。相对论以及大爆炸理论,将人们的视野拓展到了遥远的宇宙。不过,现在是时候考虑一下我们的生命是从何而来这个问题了。
  关于生命的起源,一种说法是宇宙的彗星经过地球,带来了生命的种子。另一种说法就是生命是起源于地区内部,而地球内部的热量为生命之源提供了一个温暖的环境。
  其实在早期的钻探中,科学们就曾经在样本中发现了一种细菌,这种细菌在经过化学反应后,可以变成一种酶。这个发现给科学家们增加了信心,虽然地心的环境比地表极端,而且水分和氧气也稀少,但细菌的出现代表了生命的一种可能迹象。
  所以这次地球号钻探任务,就是希望能取出一个高1.5米,直径为15厘米的圆柱体地幔样本,以此研究在地幔是否存在着有机微生物,从而来探索地球的形成与气候变化的线索,并进一步验证生命起源的理论。
  不仅如此,地幔的质量约占地球的质量的2/3,而且由于热对流的缘故,使得板块运动在不停而缓慢的进行。板块运动在地表上的表现是地震。因此,钻探取样的样本分析将对科学家考证地震来源会有着很大的帮助。按照计划,工作人员将在地壳附近放置感应器,希望能首次为日本以及东亚地区提供有效的地震预测系统。
  国际综合大洋钻探
  并不是所有的任务都是需要在这么深的地下进行,有很大一部分任务只需探测几千米的深度。
  现在所有的大洋钻孔工程都已经成为了综合大洋钻探(IODP)这一项国际性的计划组成部分。根据意大利综合大洋钻探(IODP)主席卡玫勒连基解释,该计划由3个部分组成。美国的乔迪斯-决心(Joides Resolution)号轮船将会担任大部分的全球钻探工作。
  还有一个由欧洲17个国家加上加拿大所组成的集团会在特殊情况下进行工作,例如在较低的深度或者北极冰块。然后就是日本地球号计划。
  除了大洋钻探以外,钻探还包括了大陆钻探。至今为止所展开的研究已经有了相当重要的发现。由于乔迪斯-决心号的钻探工作,我们已经能够重建大约1亿5千万年前地球的地质史和气候史。
  国际综合大洋钻探项目的计划是打穿大洋地壳,揭示地震的机理。查明深部生物圈和天然气水合物,以及理解极端气候变化的过程,同时为深海新资源勘探开发、环境预测和防震减灾等实际目标服务。
  钻探在全球
  为了重建北极的地质史,2004年,综合大洋钻探计划的地质学家们在距北极点约200千米的北极冰块间进行了一项令人叹为观止的举动。他们用一艘租借的并且经过特别改造的挪威破冰船提取到了沉淀物的标本。
  我们找到了证据可以证明在1千5百万年前就已经有了冰块的存在,参加试验的帕多瓦大学地质学讲师多玫尼科?里奥(Domenico Rio)说道:"之前只有水。有一段时期,大约是在5千5百万年前,北极曾是一个巨大的淡水湖,温度约为20℃。
  我们可以了解为什么会发现在那种条件下生活的蕨类植物。但是为什么是一个湖而不是一片海呢?按照里奥的解释,是因为在那个时期,北极被大洋孤立了起来。在接下来的数百万年里,在亚洲、美洲以及北大西洋的一个更深的海峡之间,才开辟了白令(Bering)海峡。
  另外有一项重要计划在冰岛展开,钻探工作重点放在了一些海脊浮出海面的区域,尤其是在雷克雅尼斯(Reykjanes)半岛。还有其它的钻探正在夏威夷群岛附近进行,那里的岩浆似乎直接来自于地幔和地心之间的边界。
  为了探索地下世界,不仅仅在地壳最薄的海洋里有钻探工作,大陆上的钻探工作也同样在进行。比如,在德国进行的钻探工作,在重建被钻探区域从5亿年前开始的地质史上,有着非常大的帮助。
  而在美国加利福尼亚美国所进行的钻探是为了研究圣安地列斯(San Andreas)断层,以及看是否可能预报地震。钻探进行了12个月后,我们进入了断口。计划的负责人之一马克?佐白科(Mark Zoback)说。在这里,研究者们对一系列同类的微地震进行了记录,通常来说,微地震之后将会出现更大强度的地震。
  在墨西哥的犹加敦(Yucatan)半岛上,钻探在一个曾经有巨大的小行星坠落的位置进行。到1.5千米处,采掘出的岩心证明了之前的理论:碰撞发生在大约6千5百万年前,它所产生的灰尘导致了气候的变化,从而造成了恐龙的灭绝。
  知道的远远不够
  我们所知甚少。即使在过去的时间里,我们对地球的研究已经有着大方面的进展,然而对于脚下这颗星球,我们的了解并不比宇宙中任何一个星球了解更多。
  在全球变暖的情况下,大气中二氧化碳的浓度引起人们广大关注。人们根据从南极、格陵兰以及青藏高原等高海拔地区钻探,所取得的冰芯进行分析,冰芯记载了在42万年以来,全球的气候和大气成分的演变。
  研究的结果是,地球过去比现在热多了。在白垩纪这段时间内并没有极冠的存在,整个地球都是同样的热气候,卡玫勒连基分析着观察结果,据可靠理论,高温是由一种超温室效应所导致的,而该效应的产生是由于一系列大型的海底火山爆发释放了极大量的二氧化碳。后来,气候慢慢变冷,并形成了东南极冠,西南极冠,以及最终出现的南极冠。
  然而一个问题就是,虽然在短时间尺度上,可以看出二氧化碳浓度的变化与全球温度变化一致。然而对于二氧化碳和全球变暖之间的关系,科学家们还有待进一步的研究。
  不仅如此,回想到之前科学家进行钻探的时候发现了地底深处细菌的情形。细菌的存在改变了人们的观念,在这之前人们根本没有想到会在海脊,附近压力为几百个大气压且温度超过100℃的条件下发现它们的存在。
  地球号将会在地幔发现生命体吗?很可能不会。也许之前那些国际钻探计划所找到的细菌在很长一段时间都只是生命迹象的一个含糊的信号。但是科学家们已经为每一个发现做好了准备。
  国际钻探工作记录
  1:19681983年,由美国等20多国参加了国际深海钻探计划(DSDP)。执行计划的美国格洛玛·挑战者号钻探船航行世界各大洋,历时15年。施工场地最大水深为7044米,最深钻孔为1741米,钻进玄武岩层的最大深度为1080米。 
  2. 19852003年实施的大洋钻探计划(ODP)是DSDP的后续计划,实施从全球海底取样,研究地壳演化及环境。参加ODP计划的成员有20多个国家和地区。我国于1998年取得ODP的参与成员国资格。
  ODP(19852003年)在世界各大洋共完成了111个航次,行程66万千米,钻进了1797个钻孔,最大钻探海水深度5980米,最大海底以下钻探深度2111米,共获取岩心222,000米。 
  3. 2003年9月,历时18年的国际大洋钻探计划(ODP)结束。国际海洋科学钻探工作转入国际综合大洋钻探计划(IODP)新阶段。这个计划是以地球系统科学思想为指导,计划打穿大洋壳,揭示地震机理,查明深部生物圈和天然气水合物,了解极端气候变化的过程。该项目争取在生物科学领域取得重大突破。同时为深海资源勘探开发、环境预测和防灾减灾等提供服务。
         前苏联地质研究员曾经在科拉半岛钻出深达12261米的钻孔,这是人类迄今为止深入地下最远的地方,成为世上最大的地上凿孔-科拉超深钻(Kola Superdeep Borehole),他们是从1970年开始挖掘,直到1989年才结束。