通向地幔之旅＊

通向地幔之旅＊

Damon Teagle1），Benoît Ildefonse2）
1）National Oceanography Centre，University of Southampton，Southampton SO14 3ZH，UK
2）Géosciences Montpellier，CNRS，UniversitéMontpellier 2，34095Montpellier cedex 5，France

在人类首次尝试地幔钻探50周年之际，Damon Teagle和Benoît Ildefonse表示，曾经的科幻现在有可能变成现实。

一个多世纪以来，地幔岩石取样一直是地球科学界追求的重要目标。1909年，克罗地亚气象学家Andrija Mohorovii注意到在地下30km左右传播的地震波比该深度以上的地震波传播得更快，说明此处岩石的成分和物理性质均发生了根本性变化。他发现了地幔的上边界，即现在我们所熟知的莫霍洛维奇不连续面（Mohoroviidiscontinu－ity），简称“莫霍面”。这一界面标志着地球内部主体的开始，地球内部主体是指从地壳底部（大陆下30～60km，大洋薄地壳下仅6km）延伸至下方2 890km深的地核的部分。

开展超深钻探，并从地幔中直接取回岩石样本，将为科学家提供可与阿波罗带回的月球岩石样本相媲美的宝藏，使我们对所居住的行星的起源和进化有更加深刻的认识。但事实证明此项工程与登月一样困难，抑或比登月还要难。迄今为止，大洋地壳的钻探深度都不超过～2km，这一深度只是通向地幔总旅程的1/3。第一个试图到达地幔的超深钻探项目“莫霍面钻探计划”（Project Mohole）”因地缘政治困局而告失败，没有实现其预期目标。

现在，由于技术水平的提高，以及我们对脚下深处岩石的更多了解和对钻穿这些岩石所面临的挑战的深刻认识，一项新的莫霍面钻探计划正在进行之中。未来几年中将在太平洋的3个竞相成为第一个到达地幔的超深钻孔的位置开展地球物理探测（见图1）。钻探到地幔将需要大量的船时，而且非常昂贵——虽然比登陆月球费用低得多，但其费用将远远超过目前的任一钻探考察项目。但是，如果能够找到经费，而且相关部门维持承诺，那么钻探工作将在10年内开始，15年内结束。在此期间，也就是下个月，我们将率领一个科考队到太平洋开展大洋地壳钻探，其深度远远超过以往。

1 最初的灵感

到达地幔的超深钻探计划最初是在20世纪50年代由几位二战后美国地球科学界的显赫人物假借美国杂学会（American Miscellaneous Society）的名义提出的。该学会是一个由美国国家科学院院士组成的非正式团体，有时被称为“畅饮俱乐部”。超深钻探的想法首先来自Harry Hess和Walter Munk。Harry Hess是板块构造理论的创始人之一，而Walter Munk则对风是如何推动洋流的进行了开创性研究，并解释了为什么月球总是以固定的一面对着地球。他们认为自己在所研究的领域中所从事的研究工作虽然还算有价值但很乏味，因而感到有些沮丧，所以，他们雄心勃勃地想干一件更具创意的大事。

1957年4月的一个星期六早晨，在Munk家中的一次果酒早餐会上，他们提出了“莫霍面钻探计划”，这是第一个试图钻穿地壳进入地幔的计划。

那时，新兴的海上石油工业尚未开始认真考虑深水钻井问题。“莫霍面钻探计划”需要诸如动力定位等新技术的研发，这种技术可使钻井船稳稳地停在预定位置。科学家们得到了美国国家科学基金会的资助，并委派当时可用的最好的钻井船“CUSS 1”号执行任务，这艘船的名字源自其研发公司（Continental，Union，Shell and Superior）。在项目实施后的4年之内，“CUSS 1”的船舷被安上了螺旋桨，一套使船舶保持在预定位置的系统也被研发出来。

由于Willard Bascom及其同事的大胆而创新的工程计划，1961年3月至4月期间，科学家在东太平洋瓜达卢佩岛（Guadalupe Island）的沿海地区从海洋地壳的最上部硬岩（或称“基岩”）中取回了第一块岩心。他们耗资150万美元（若按其占美国经济总量的比重算，约合2009年的4 000万美元），从3 800m深的水域、170m深的沉积物中，取出了几米厚的玄武岩样本。小说家、业余海洋学家John Steinbeck曾在《生活》杂志上（1961年4月14日）对此进行了报道，在“CUSS 1”号钻井船最初几次作业时，他就在这艘船上。

这是“莫霍面钻探计划”成功取回的第一块海洋岩心。此次考察后，该项目改变了管理模式，在究竟推行哪些钻探技术的问题上作出了一些不当的决定，花费也失去控制，急剧上升。1966年，美国国会否决了对该计划的拨款，“莫霍面钻探计划”因此搁浅。

然而，该计划的实施阶段正是板块构造理论逐步被认可的时期。人们对于海洋地壳的信息和演化所产生的兴趣陡然上升。“莫霍面钻探计划”证明，对海洋基底实施科学钻探是可行的。这便促成了科学大洋钻探国际合作的启程，并连续不断地推行了40年。“综合大洋钻探计划”（Integrated Ocean Drilling Program，IODP；www.iodp.org）及其前身“深海钻探计划”（Deep Sea Drilling Project，DSDP），以及“大洋钻探计划”（Ocean Drilling Program，ODP）联手构成了大概是所有领域中长期国际科技合作的最成功的范例。

2 深部前沿

地幔约占地球质量的68%。其绝对体积就足以说明准确了解其成分和变化对于认识地球的形成和演化过程至关重要。地球的表面壳层——构成海底和大陆的物质——几乎全都源自地幔。

造山运动期间被上推至地球表面的一些地幔碎片可供研究使用。其他一些包裹在熔岩内的地幔碎片是从火山中喷射出来的，而海底扩张则把一些碎片带到了洋底。这些碎片表明地幔主要由被称为橄榄岩的岩石组成，其成分为富镁贫硅的矿物，如橄榄石和辉石等。此外，结合远场地震勘测结果，这些碎片也表明地幔的成分因地而异，但这种差异的程度尚不清楚。取回的样本全都因将其带入地表的过程或因接触到海水而发生了化学变化。可用于地球过程重现的许多主要元素的浓度和同位素示踪剂（包括水、铀、钍、锂、碳、硫、硅、钾、惰性气体以及铁的氧化态）都极不稳定。来自地壳下方的几千克新鲜橄榄岩就会提供大量的全新信息。

到达地幔需要钻穿整个大洋地壳，这对地质学家而言也是件好事。地壳的形成是板块构造旋回的基础。它是热和物质从地球内部上翻的主要机制，使约60%的地球表面每2亿年就更新一次。目前，由于缺乏直接的原位观测资料，我们对大洋地壳深处正在发生的热交换、化学交换、抑或生物交换仍然知之甚少。

现在，钻一个穿过地壳6km、直径达几英寸的探孔的技术已经具备，或者说研发这种技术是切实可行的［1－2］。一项有望被选中的候选技术就是2002年下水的深海钻探船“地球”（Chikyu）号所使用的技术。这艘船有一个隔水管装置——环绕钻柱的一根出口管，岩心取样就是通过这根钢管完成的。钻探泥浆和钻粉被返回到钻探船上两根钢管之间的空隙内。这样一来，钻探泥浆便可循环利用，其物理性质和钻孔内的压力得到控制，而且还有助于井壁的稳定性。这也意味着可对钻粉进行科学意义上的评估。“地球”号是一艘巨大的船舶，可以携带10km长的钻管，还装有可在2.5km深的水域进行立管钻探作业的设备。

今后10年间，研究人员和工程师将设计并研发出新钻头、润滑剂和电缆设备，用于在水下约4km、压力高达2kbar、温度高达300℃的条件下钻取地幔岩心样本。尤其是需要一个超过目前“地球”号装备所能到达深度的隔水管装置，或者一个不同于以往的泥浆循环系统，这些装备中的一部分将被安装在海底。

要确定新的“莫霍面钻探计划”的最佳地点，需要考虑多种因素。一种理想的选择就是覆在大洋地壳上方的最浅的海域，这就意味着要尽可能靠近洋中脊，即新地壳形成的地方。这个地点还必须尽可能是最冷的地壳，而这种地方又往往远离洋脊。受这些约束条件的限制，可开展超深钻探的地点仅剩下3个，它们分别是夏威夷附近海域、下加里福尼亚和哥斯达黎加（图1）。这些地点各有利弊。例如，夏威夷附近海域是最冷的，但也是最深的，而且靠近最近的火山活动区，因而有可能引起地幔物质发生化学变化，并对上覆地壳形成干扰。所有地点都位于太平洋，因为那里的地壳比其他海洋的地壳形成得快，从而有利于形成最简单、最均匀的基底构造。地震学和地质学研究暗示快速扩张的大洋地壳应该是相对均匀的，而且最接近教科书模型。我们希望找到符合这些简单地壳模型的物质，这种地壳就像一块由熔岩、岩墙和辉长岩等各种岩石组成的层状蛋糕。

图1 钻探地点［1］。正在考虑中的3个作为地幔钻探计划实施地点的区域。其中一个包含“莫霍面钻探计划”的最初钻探地点；另一个包含科学家今年就要钻探至下地壳的一个地点（ODP地点1256）（原图为彩图）

与此同时，从事大洋钻探的工作人员正利用传统的无隔水管技术继续在地壳深部取样，这种技术是IODP最近重新装配的主力作业船“JOIDES Resolution”号所采用的技术。

3 下地壳

在John Steinbeck跟随大洋地壳钻探的先驱者乘“CUSS 1”号航行50年后，我们也成为一个考察队的联合首席科学家，该考察队将首次从一段下洋壳中获取样本——紧挨着地幔上方的物质。IODP的“Expedition 335”将于2011年4月13日至6月3日期间起航［3］。

本次任务所选地点位于哥斯达黎加附近海域的Cocos板块上（ODP地点1256）。这一地点在超高速形成的大洋地壳内——速度超过每年20cm，远远超过现今任何地壳形变的速度。因此，那里的上地壳比其他地方薄得多，不用钻很深就可以到达下边的部位。先前已经在1256D钻孔完成了3次钻探任务，其钻探深度超过洋底下1.5km，进入了岩墙与辉长岩之间的过渡带［4－5］。

2011年春天，我们计划将该钻孔至少加深400m，并首次从下地壳中取到辉长岩，届时，这将是从海底下方提取的最深类型的岩石。（该钻孔本身不是最深的海底钻孔；最深的是504B，该钻孔位于哥伦比亚附近的东太平洋，深度为海底以下2 111m。）

这次作业应该有助于解决许多有争议的问题：洋中脊的地壳是如何形成的？来自地幔的岩浆是如何侵入下地壳的？海水从下洋壳中吸取热量的几何学特征与力度如何？下地壳对海洋磁性异常起到了什么作用？本次任务结束时，我们离Moho面还差3.5km，但该项目将为深海地壳钻探注入更多的信心与动力，并且为穿透整个Moho面进入上地幔的计划提供至关重要的信息。

钻探至地幔是地球科学史上最具挑战性的尝试。它将为下一代地球科学家、工程师和技术人员提供基础科学知识，使他们从中得到锻炼，获得灵感。对于这一尖端创举，全球媒体的关注和公众参与的热情都达到了令人吃惊的水平。这可能只拉开了一项更为重大的计划的序幕。由于地壳和地幔很可能都会因为地点不同而发生变化，所以我们最终希望能有多个这样的钻孔。那似乎只是一个遥远的梦想，但随着时间的推移和经验的积累，超深钻探将会变成一件惯常之事，费用也会越来越低。

1958年4月，Harry Hess批评了某些人对第一个“莫霍面钻探计划”的诋毁，在为该计划进行辩护时，他对美国国家科学院说道：“我们或许无法从一个钻孔中如愿获取有关地球内部的许多信息。但我要对那些提出异议的人说，如果没有第一个钻孔，就不会有第2个、第10个、第100个。万事总要有个开头。”今天看来，Harry Hess所言极是。

译自：Nature，24March 2011，Vol.471：437－439

原题：Journey to the mantle of the Earth

（中国地震局地球物理研究所 左玉玲 译；郑需要 校）

（译者电子信箱，左玉玲：yulingzuo＠yahoo.com.cn）参考文献

［1］Ildefonse B，Abe N，Blackman D K，et al.The MoHole：A Crustal Journey and Mantle Quest，Workshop in Kanazawa，Japan，3－5June 2010.Sci.Drill.，2010（10）：56－63

［2］Workshop Report Writing Group.Executive Summary：“Mantle Frontier”Workshop.Sci.Drill.，2011（11）：51－55

［3］Teagle D A H，Ildefonse B，Blum P.IODP Exp 335Scientific Prospectus.2010，doi：10.2204/iodp.sp.335.2010.http：∥publications.iodp.org/scientific＿prospectus/335/

［4］Wilson D S，Teagle D A H，Alt J C，et al.Drilling to Gabbro in intact ocean crust.Science，2006，312：1 016－1 020

［5］Teagle D A H，Alt J C，Umino S，et al.Proc.Integrated Ocean Drilling Program 309/312Expedition Reports.http：∥publications.iodp.org/proceedings/309＿312/309312.PDF

P315.6；

D；

10.3969/j.issn.0235－4975.2011.11.001

2011－10－27。