人类科学探索的手段已经到达了广阔的空间。然而，仍然很难触摸到你脚下的地球深处。早在20世纪50年代，科学家们就梦想在地壳和地幔边界的“莫霍面”钻一口超深井，看看地幔在原地到底是什么样子。
60多年过去了，这个梦想还没有实现。然而，由此发展起来的海洋钻探项目已经成为地球科学史上最大、最长的国际合作项目。中国是该计划的成员国之一。记者从近日在上海召开的“2023年后海洋钻探研讨会”上了解到，钻透地球的“莫霍面”仍然是地球科学家追求的重要目标。
流产的“莫霍钻探”计划
地球是人类的家园。1909年，克罗地亚地震学家莫霍洛维奇首次发现地球上有一个不连续的界面。通过这个界面，地震波的纵波和横波的传播速度突飞猛进。人们称这个界面为“莫霍面”，即地壳和地幔之间的界面。
“莫霍面”是什么样的界面？原地地幔的真实面貌是什么？1957年，美国地质学家哈雷·海斯(Harley Hayes)提出了一个科学梦想:如果你能钻一口深井，直接撞击莫霍表面，钻一些岩心样本，那岂不是一目了然？由于莫霍面的深度，它在大陆以下大约30-40公里，在海洋以下大约6-7公里。因此，这口深井的最佳钻探地点是在海洋中。
1960年，美国国家科学基金会批准了雄心勃勃的“莫霍钻探”计划的资金，并与全球海洋勘探公司签署了一项协议，由该公司的“CUSSⅰ1”号船执行莫霍表层钻探任务。1961年，在墨西哥海岸的瓜达卢佩岛附近，第一次在3600米的深度成功钻探了“CUSSⅰ1”。在一个170米厚的沉积层下，它获得了一个14米长的玄武岩样本，这是人类向莫霍面进军的第一步。
然而，自那以后，美国国会于1966年取消了“Mohawd”计划，原因是其预算高、技术和管理问题。然而，莫霍钻探公司开发的海洋钻探技术为科学研究打开了一扇崭新的大门。以这项技术为核心，一项国际合作海洋钻探计划已经启动。
到目前为止，海洋钻探计划已经经历了四个阶段。即深海钻探计划(DSDP，1968-1983)、海洋钻探计划(ODP，1985-2003)、综合海洋钻探计划(IODP，2003-2013)和国际海洋发现计划(IODP，2013-2023)。60多年来，科学家们从未放弃过钻透地球莫霍面的梦想。在海洋钻探长期科学计划的四个阶段中，“莫霍钻探”是重要目标之一。
同济大学海洋地质国家重点实验室的周淮阳教授表示，目前，中外科学家正在讨论2023年后的海洋钻探科学计划。美国、日本和其他国家继续将莫霍面钻探作为其主要目标之一，并继续在技术、选址和钻探前调查方面继续保持过去的基础和稳定的工作。我国科学家还提出了建造一艘能够穿透莫霍面的科学钻探船的建议。
钻透“莫霍面”有多难？
同济大学海洋地质国家重点实验室的王院士认为，到目前为止，人类在应对“上天、入地、下海”三大科技挑战方面取得的成绩最差。与地球的半径相比，最深的钻孔小于2/1000。海洋钻探在进入海洋和地下时面临双重挑战。
深海海底是离地球内部最近的地方。从深海海底钻探仍然是人类直接探索地球内部不可替代的有效方式。然而，钻得越深，岩石越坚硬，温度越高，压力越大。利用现有的钻井技术，很难到达莫霍表面。2015年底，记者登上美国海洋钻探船“决心号”，亲身体验了科学家梦寐以求的到达莫霍的艰难钻探。
那次航行的钻探地点在西南印度洋的中脊，一个叫做亚特兰蒂斯浅滩的山脊。根据科学家多年的研究，大洋中脊存在超慢扩张，地幔熔融不能产生足够的岩浆，地壳断裂十分普遍，暴露下地壳的“构造窗”分布广泛。这些“结构窗户”是人类用当前的钻探技术“触摸”地幔边界的最佳场所。根据计划，将进行三次海洋钻探航行，以钻透地壳并到达地壳和地幔的边界。第一次航行的钻井目标是1300米，第二次和第三次航行分别将钻井延伸到3000米和5500米。
“决议”是计划的第一次钻井航行。从水深约700米的海底开始，第一个410米的钻孔非常顺利。然而，随着钻头越来越深，它遇到断层破碎带，并且钻孔开始频繁失效。要么钻头磨损，要么钻头的牙轮或配件在钻孔中丢失，要么数千米的钻杆卡在钻孔中而无法拔出。钻井工人不得不一次又一次地修井。直到航程结束前的最后一天，仍在寻找一个在钻孔中丢失的螺栓。
在这两个月中，“确定”总共使用了24个不同类型的钻头。仅钻芯就损坏了11个钻头。然而，它只在海底钻了789.7米深，就获得了469.7米的岩心，距离1500米钻井目标的第一阶段还很远。
本世纪初，日本为应对“决心”钻井技术的短缺，投入巨资建造了“地球”号海洋钻井船。它采用了一种新型的“垂直管”钻井技术，通过一根大直径钢管将钻井船与海底连接起来，使得钻井更加安全和深入。理论上，它可以在水深4000米的海域钻入海底7000米。
2007年，当57000吨重的“地球”建成时，日本雄心勃勃地向世界宣布，其最终目标是“穿透地壳”。然而，在过去的十年左右，由于其巨大的船体，它带来了许多问题，如成本，操作和管理，“地球”实际上只有3000米。实践表明，用目前的地球钻探技术钻透地壳并不容易。
王表示，面对“莫霍钻探”等硬岩钻探任务，科技界正在探索第三代海洋钻探船的技术前景。例如，一种新型钻井技术已经初步实施，其中钻机直接下降到海底，泥浆泵安装在海底。面对高温高压的地质条件，钻具材料也需要从金属材料升级为碳材料。此外，仅靠钻井解决科学问题的时代也已过去，“深钻”需要与“深网”和“深潜”技术相结合，才能与时俱进。
为什么要钻透“莫霍面”？
地幔占地球体积的4/5，质量的3/4，是地球上最大的“化学库”。科学研究表明，地球的深部过程及其对地表环境的影响等一系列科学问题都与地幔密切相关，其中充满了许多未解之谜。科学家梦想钻透“莫霍面”，直接从“原位”地幔取样进行深入研究。
据周淮阳说，这些年来，科学家们提出了许多与莫霍钻孔有关的科学问题。例如，什么物理特征导致莫霍不连续？这个界面的地质性质是什么？大洋中脊的洋壳，尤其是下洋壳，是如何形成的？海洋地壳形成后，什么过程影响了它的演化？海洋贝壳与海洋和生物有多少互动？这些相互作用对全球化学循环有什么影响？生命的极限是什么？控制生命极限的因素是什么？等等。
在太阳系中，我们生活的地球有一种独特的“生理机制”，这是其他行星所没有的。自20世纪60年代以来，板块构造理论成功地回答了“地球如何运动”的问题，但地球运动的具体过程、细节和机制仍不清楚，世界各地的科学家仍需集思广益，共同寻找答案。
“地球是人类的家园，但对人类来说，地球内部仍是一个未知的新秘密世界。”周淮阳说，“与几十万公里外的月球样品相比，地球内部几公里深处的莫霍面离我们很近，但似乎很远。我们相信，深入地球的每一点钻探都会加深和更新我们对地球结构和历史的理解。”
我们离钻透地球“莫霍面”的梦想还有多远？》