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大洋钻探是如何开始的?(图)
编辑:康凯丽      责任编辑:刘芳     2017-05-17 15:15:31       来源:央视网

    ▲“格罗玛·挑战者”号以及它采集的海底沉积物

    凌光

    新闻背景

    几个月来,“决心”号大洋钻探船正在南海进行科学钻探,此次钻探由我国科学家主导,吸引了很多人的关注。

    很多读者可能并不了解,大洋钻探是从什么时候、又是怎样开展起来的?它的科学目标经过了怎样转换?今天我们就来讲讲这里面的故事。

    一个大胆设想——钻透莫霍面

    1957年3月23日,美国科学基金会地学部在华盛顿召开的研究项目评审会刚结束,在经历了两天十分艰辛的评议后,学者们松了一口气,闲聊起所议项目中一些精彩的创见。但斯克利浦斯海洋研究所的蒙克却认为,这些项目中没有一个能导致地球科学的重大突破,应当有一项研究计划能真正解决地球科学的根本问题,他提议打一口超深钻,穿透莫霍面,看看地幔到底是什么物质组成的。

    什么叫莫霍面?1909年,南斯拉夫地震学家莫霍洛维奇在研究萨拉布地区一次地震时,发现在地下33千米处地震波的波速发生了明显的变化,由原来的6-7千米/秒突变到8千米/秒,说明组成物质明显不同。持续研究发现,这一界面具有全球性,并经证实是地壳和地幔的分界面。后来,这个分界面就被称为莫霍面。

    蒙克作为美国科学院院士,长期研究波浪和地球自转等问题,应当说,地壳与地幔构造并非他的专长,他提出钻探莫霍面未必十分认真。然而当时在座的普林斯顿大学的赫斯教授却深受启发,他对蒙克的提议作了认真严肃的思考,并开始为之奔走游说——赫斯在地质学史上绝非等闲之辈,他后来提出了海底扩张学说,这是后话。

    那个时候,地球科学家对于莫霍面以下的地幔到底是何种岩石众说纷纭,十分关注,因为它直接影响人们对地质作用的解释。

    然而,钻透莫霍面谈何容易。莫霍面在大陆地区深度约在20-70千米左右,在大洋地区的深度也在7-8千米。

    钻透莫霍面,最可能的地点还是在大洋上。经过艰苦的游说,赫斯等人居然取得了初步的成功——1960年12月23日,美国自然科学基金会与洛杉矶的环球海洋勘探公司签约,决定改装CUSS-I钻探船,并于1961年初进行第一次试钻。

    消息传开,舆论大哗。反对者指出存在技术上难以克服的困难:第一,很难在深海上抛锚固定钻探船只;第二,一个钻头是无论如何打不到莫霍面的,而要在大洋里更换钻头并重返原孔,是不可能的。

    然而,第一个技术困难很快被解决了。他们发明了一种动力定位系统,在钻探船上安装了4个马达作为侧向推进器。钻探船到达预定地点后,就从甲板上将一个信号装置沉入海底。该装置不断从海底发出声波信号。船上的接收装置立即将收到的信号输入计算机。当船只从固定的孔位漂开时,计算机就能根据声波信号测出漂移的方向和距离,并将数据传送到船侧的推进器。推进器立即开始工作,调整船只位置,自动校正发生的偏移。要不了多少时间,钻探船就能回到原来的位置,将位移控制在方圆50米的范围内。

    但是,即使没有侧向的漂移,船只也免不了随着海浪上下颠簸。因此由一段段的钻杆连接而成的钻具不能是刚性的,否则就会折断。为此,工程技术人员发明了一种可以吸收上下振动的“缓冲钻杆”。

    装备了这套钻探设备的CUSS-I钻探船,1961年3月初在斯克利浦斯海洋研究所所在地拉霍亚海岸外,在948 米水深的海域中打了第一个钻孔,成功地钻到了海底以下315米的深处。同年3月23日至4月12日,CUSS-I钻探船在墨西哥西岸瓜德鲁普岛以东水深3558米处钻了五口深海钻井,最大井深183米,钻透了170米的沉积物和13米的玄武岩。

    该船返回洛杉矶时,当时的美国总统肯尼迪特地致电祝贺,称之为科学史上“历史性的里程碑”。

    然而,深海钻探是可行的,钻透莫霍面却是太难了。经过一番探索和争论, 1966年8月18日,全体众议院以108票对59票最终否决了对莫霍计划的拨款。至此,莫霍计划经历了近十年的风风雨雨,终于寿终正寝。“莫霍钻”(mohole)变成了“乌有钻”(nohole)。

    不过,由莫霍计划开创的深海钻探事业却继续进行了下去。它后来取得的成就,是当初的莫霍计划也未能预料到的。

    发现古气候,几百米就够了!

    上世纪50年代,在芝加哥大学工作的C·伊米利尼,创立了测定有孔虫壳体的氧同位素以确定海水古温度的方法。他在“更新世古温度”(1955年)这篇著名论文中,首次用氧同位素曲线标示了冰期和间冰期更替的古气候旋回。

    1962年2月的一天,已转至迈阿密大学海洋实验室工作的伊米利尼与同事在大楼外聊天时,同事对他说:“你应当考虑大问题。” 伊米利尼问同事指的是什么,同事说:“就是要想大的。”说完就走了。

    伊米利尼回到办公室开始考虑什么是大问题。几分钟后,他形成了一个想法——要把他的氧同位素曲线上溯到更为久远的地质时代。这意味着要有很长的岩芯,就需要能连续取芯的钻探船。

    当然,伊米利尼这个想法不是偶然的。那个时候,环球海洋勘探公司的CUSS-I钻探船,已经在墨西哥海域完成了深海钻探。

    伊米利尼打电话给环球公司,问了两个问题:第一,环球公司能否在波多黎各附近4000米的水深处打上四口井,井深1000米,要连续取芯?第二,如果能打,要花多少钱?

    对方给了他明确的回答:第一,能打;第二,需要200万美元。

    伊米利尼又惊又喜,他写了一份计划纲要,目标是从深海底采获长岩芯,以研究气候变化的历史和原因,并分发给国家科学基金会、海军研究署、环球海洋勘探公司以及其他许多学者,获得了广泛关注和高度评价。伊米利尼充满自信地说:“只要给我100米海洋沉积岩芯,我们就能取得比耗资十亿的莫霍钻探多得多的科学资料!”

    越来越多的人们意识到,与耗资巨大、前途未卜的莫霍钻探计划相比,在世界大洋打数量较多不太深的钻井,广泛采集沉积岩芯,看来是更为稳妥而明智的选择。

    1966年夏,莫霍计划行将夭折。6月24日,美国科学基金会决定资助一项以揭示洋底地壳上层为目标的长期钻探计划,这就是举世瞩目的深海钻探计划。环球海洋勘探公司被委托建造一艘深海钻探计划的专用钻探船。为了纪念1872-1876年开创环球海洋考察新纪元的英国“H. M. S挑战者”号调查船,这艘新建的钻探船被命名为“格罗玛·挑战者”号,它于1968年3月建成下水,是15年深海钻探计划唯一的专用钻探船。

    “格罗玛·挑战者”号钻探船长121米,宽19米,最引人注目的是耸立于船中部的43米高的钻塔,塔顶高出海面61米,钻塔限于这一高度是根据世界上主要海港的桥梁高度设定的。钻塔下即是井口,直通海里。该船排水量10500吨,是第一艘能在水深大于6000米的深海底钻探的船只。钻探用的数百根钻杆为12.5厘米口径的无缝钢管,用一套自动垒管装置来处理并堆放于钻台前面。钻探时,钻杆需一根一根接起来,通常要耗时十小时接上百余根钻杆,才能在数千米深的海底开钻。

    海底真是扩张的!

    有趣的是,“格罗玛·挑战者”号钻探船建成后,早期的科研目标并没有用来研究古气候,而是把最主要的目标用来验证海底扩张理论,这也堪称它最辉煌的科学成就。

    因为就在这个时期,地球科学正在经历革命性的变革。1962年,积极推动了莫霍计划的赫斯教授发表了他的著名论文——《大洋盆地的历史》,革命性地提出了“海底扩张”学说。

    简要地说,这个理论是这样的:早在19世纪末20世纪初,人们就发现世界四大洋都存在中央海岭,被称为大洋中脊,它隆起于洋底中部,并贯穿整个世界大洋。赫斯认为,大洋中脊其实并不稀奇,只不过是一组断到地幔的深裂缝而已。地球深部的熔融岩浆沿着这些裂缝喷溢而出,一边形成新的洋底,一边将早先形成的洋底自动地推向两边。随着洋底的运动,炽热的岩浆逐渐冷却,热量消散,洋壳下沉,密度增加,最后在大陆边缘的海沟深处扎到陆壳下面,重新回归地球的深处。整个过程就像一个永动的传送带,维持着洋底的更新和地球的物质循环。

    “海底扩张”说,恰好可以解释当年魏格纳无法解释、长期被冷落的大陆漂移理论,为崭新的现代地球科学奠定了科学基础。

    然而,“海底扩张”说提出以后,虽然也有很多方面的科学依据,但并没有为全体地球科学界接受,很多人仍然对此抱怀疑态度。

    最直接的检验办法,就是沿大洋中脊向外依次进行海底钻孔取出岩芯,直接测定洋底的年龄,看看它们与“海底扩张”学说的预言是否相符。而“格罗玛·挑战者”号是惟一可以实现这一目标的工具。1968年12月,在它建成后的第三次航行中,就肩负起了这个使命。

    根据海底扩张理论,洋底的年龄随远离中脊轴带而增大。在南大西洋中脊西翼,第三航次五个钻探点分别布置在离南大西洋中脊轴190、420、760、1000、1300公里的地方,而根据取出岩芯的最老沉积物年龄,证明这里洋底的年龄分别是950万年、2100万年、3800万年、4900万年、6700万年。将距离除以年龄,可知自6700万年来,这里的洋底一直以2厘米/年的速率扩张推移。测量的结果与海底扩张学说惊人的一致!

    此后,在对太平洋和印度洋的海底钻探中,也都无一例外地证实了海底扩张学说的预言。可以说,正是深海钻探取得的辉煌成果,导致这场以海底扩张、板块学说崛起为标志的地球科学革命,在上世纪70年代前半期赢得了最终的胜利。

    地中海600万年前原是晒盐场

    前面已提到,CUSS-I首次在深海打钻,最大井深仅183米。当钻进基底玄武岩10余米后,钻头已被磨坏,而在起钻更换钻头之后,在茫茫大海里就再也找不到原先的钻孔了。当时还只能做到一次钻进,这就明显限制了钻进的深度。

    为解决这一问题,深海钻探计划工程技术人员经多年悉心研究,终于在1970年发明了重返钻孔装置。在起钻时,原先设置的重返钻孔漏斗仍留在海底钻孔上。漏斗上安装了数个声呐反射器。当钻杆试图再进钻孔时,其末端所设的高分辨率扫描声呐,可接收漏斗上声呐反射器发出的回波,从而寻找到原钻孔的位置。钻杆末端的扫描声呐,通过长达数千米的电缆与船上的控制中心相接,控制中心借助钻杆上的喷嘴喷射水流,使钻杆移向重返钻孔漏斗,最后进入原钻孔再次钻进。这套重返钻孔装置于1970年12月“格罗玛·挑战者”号在加勒比海的深海钻探第15航次上首次使用,并获得成功。自此以后,在同一钻探点多次更换钻头重新钻进,已成为深海钻探中的常规作业。这就极大地提高了深海钻探的钻进能力,使深海钻探进入一个新时代。

    但是,有一个难点却是始料未及的,那就是如何从钻孔中排除钻屑。在陆地上,这不是问题。泥浆泵将水或泥浆泵入孔中,在冷却钻头的同时,就能将钻屑带出孔外。陆上钻进是在套管中进行的,钻屑可以通过钻具与套管之间的空间返回地面,排除岩屑易如反掌。但在深海钻探中,不可能从船上的井口通过几千米的海水将套管下到海底。因此从孔中返出的岩屑就会像“蚁冢”一样,堆积在孔口周围。这种“蚁冢”超过一定高度,势必垮落。垮落的岩屑重新落入钻孔,就会妨碍钻具的旋转,甚至卡钻。为了解决这个问题,人们又专门设计了一个工作系统,将钻进的循环液连同岩屑一起返回到钻探船上。

    除了验证海底扩张理论,“格罗玛·挑战者”号还取得了其他方面很多重要的科学成就。比如,在地中海底发现了大量盐层,说明地中海600万年前一度干枯成了晒盐场;北冰洋曾经是个暖温带的淡水湖,5000万年前飘满了浮萍满江红;大洋钻探还证明了6500万年前恐龙灭绝的原因,确实是小行星撞击了地球。大洋钻探还揭示了深海形成金属矿的“热液”,和蕴藏“可燃冰”的“冷泉”区;发现了生活在海底岩石里的微生物群——“深部生物圈”,这里是地球上微生物最大的储库,它们可以享有远超“万岁”的高寿。

    一位学者曾说过,上世纪60年代在科学技术上有两项震惊世界的业绩:一项是人类首次登上月球,另一项就是成功地钻进深海洋底。“格罗玛·挑战者”号船于1983年11月退役后已被拆毁,对此许多学者均感到惋惜。这艘与地球科学革命息息相关的钻探船,本应该保存下来,留作永久的展示和纪念。

    延伸阅读

    后来的船,后来的故事

    “乔迪斯·决心”号

    “乔迪斯·决心”号原是建造于1978年的石油钻井船,后来被改造为科学钻探船,命名为“乔迪斯·决心”号。该船长143米,宽21米,排水量18636吨,随船可携带9000米长的钻杆,最大工作水深超过8000米。相比“格罗玛·挑战者”号,“乔迪斯·决心”号钻探能力更强、船上实验室装备更加先进,预计可以使用至2029年。

    1985年1月至2013年9月,“乔迪斯·决心”号先后为“大洋钻探计划”和“综合大洋钻探计划”服务,共完成145个航次,钻井2236口,获取岩芯279993米。这些岩芯为固体地球旋回与地球动力学、地球过去气候变化和深部生物圈等方面的研究提供了宝贵材料。

    “地球”号

    为了在新世纪的大洋钻探中与美国、欧洲等国竞争领导权,日本政府斥巨资建造了“地球”号钻探船。“地球”号于2002年下水,当时在日本全国范围内开展了声势浩大的宣传工作,以征集船的命名,下水时请皇室公主剪彩,可谓盛极一时。经过几年的设备安装和调试,“地球”号于2007年正式为“综合大洋钻探计划”服务,该船长210米,宽38米,排水量超过57000吨,理论上可在4000米水深的海域向海底钻进7000米。

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