指向地球內(nèi)部的望遠(yuǎn)鏡：超深鉆井

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登月成功后，“阿波羅計(jì)劃”家喻戶曉。但今天許多人可能不知道的是，當(dāng)年美蘇兩個(gè)超級大國的目光并不只是盯著星空，同樣也投向了腳下的大地。

多年以來，人類對地球內(nèi)部的研究手段都極為有限，基本上只能依賴地震波，其原理有些類似于做B超。地震波有三種：縱波（或稱P波）、橫波（或稱S波），以及更為復(fù)雜一些的面波。1909年，南斯拉夫地震學(xué)家莫霍洛維奇發(fā)現(xiàn)，縱波與橫波的傳播速度在地下某一深度處會突然增加，這一深度由此被命名為“莫霍不連續(xù)面”，是地殼與地幔的分界線；1914年，美國地質(zhì)學(xué)家古登堡發(fā)現(xiàn)第二個(gè)地震波突變面，在此處縱波速度急劇下降，而橫波完全消失，這個(gè)不連續(xù)面被稱為“古登堡面”，是地幔與地核的分界線。

冷戰(zhàn)的大幕拉起后，宇航學(xué)家們忙著射火箭放衛(wèi)星送載人飛船上天，地質(zhì)學(xué)家們同樣沒閑著。1958年，美國啟動了“莫霍計(jì)劃”（ProjectMohole）：在大洋底開一口超深井，打穿地殼，直達(dá)莫霍面。如果做成這件事，其意義將足以與“阿波羅計(jì)劃”比肩，美國將成為第一個(gè)挖通地殼的國家！

蘇聯(lián)不甘落后，20世紀(jì)60年代初，蘇聯(lián)地球科學(xué)家制定了他們自己的超深鉆井方案——“俄羅斯莫霍計(jì)劃”（RussiaMohole），但進(jìn)展并不迅速。另一方面，美國原本計(jì)劃用三億美元完成“莫霍計(jì)劃”，可惜事與愿違，超深鉆探的難度超出了所有人想象：隨著深度增加，工程師們真切感受到了地溫梯度的威力，每前進(jìn)一米，鉆頭都要經(jīng)受更高溫度的考驗(yàn)；此外，超深井的井壁承受著來自周圍數(shù)千米厚的地殼的水平壓力，這口井就像插進(jìn)地球深處的一根脆弱蛋卷，怎樣維持井壁不崩潰令工程師們費(fèi)盡了心思；最重要的是，他們甚至無法保證鉆頭向下垂直前進(jìn)！

覺得一根鋼管很堅(jiān)硬？把幾百幾千根鋼管連起來試試，它們會組成一根柔軟的金屬面條，地下巖石的硬度并不均一，使得鉆頭很容易帶著后面幾千米長的鉆桿偏離垂直線，需要上面的操作者及時(shí)糾正。更要命的是，很多時(shí)候工程師們甚至不大清楚鉆頭的位置——他們的科考船下面有幾千米深的海水，海水下面是幾千米深的地殼，鉆頭像一只小老鼠在里面孤獨(dú)地掘進(jìn)——總統(tǒng)先生問“我們最近的航母在哪兒”，一分鐘內(nèi)就能得到回答；但如果他問“我們最深的鉆頭在哪兒”，工程師們就得停下來數(shù)數(shù)用了多少鉆桿，評估地質(zhì)條件和偏角，忙活半天，最后也只能回答個(gè)也許并不準(zhǔn)確的計(jì)算值。

我們平常概念里的鉆頭是這樣的：

而地質(zhì)鉆探用的鉆頭是這樣的：

看著就很疼是不是？為了抵抗地底深處的高溫高壓，鉆頭的材料、形狀、鍛造工藝都需要精心設(shè)計(jì)，造價(jià)不菲；另一方面，鉆頭雖然堅(jiān)固，但磨損速度依舊驚人，有時(shí)甚至僅僅掘進(jìn)幾十米就必須更換；為了維持井壁穩(wěn)定，還要使用套管、鉆井液，而每一樣都不是便宜貨……

三億美元打穿地殼？Tooyoung，na?ve！高昂的費(fèi)用令美國國會憤怒地得出結(jié)論：地球?qū)λ麄儽瘸隽酥兄?。于是“莫霍?jì)劃”被叫停，人們的注意力集中在了看起來更加高大上、而且視覺效果更加震撼的“阿波羅計(jì)劃”上。

美國人如愿了。1969年，尼爾·阿姆斯特朗在月面上踩下了第一個(gè)人類腳印，這讓蘇聯(lián)領(lǐng)導(dǎo)人如坐針氈，極力想要在其他方面扳回一城。

1970年，在北極圈內(nèi)的科拉半島上，一項(xiàng)了不起的超級工程開始了。大陸地殼平均厚度為33千米，而大洋地殼平均厚度只有7千米，所以美國人選擇在墨西哥近海的海底向下打洞；但蘇聯(lián)人并沒理會這點(diǎn)，他們在列寧格勒州荒涼的曠野上豎起了一座郁金香般的金黃井塔，為了保障這里工作人員的正常生活，蘇聯(lián)人還在不遠(yuǎn)處建起了整整一個(gè)城市——扎波利亞爾內(nèi)。

自1970年開始，至1990年結(jié)束，上千名工作人員在這里忙碌了二十年。1983年，科拉超深井抵達(dá)了12000米深度。1989年，科拉超深井的SG-3鉆孔抵達(dá)了地面以下12262米處。

當(dāng)然，如果純粹只是向著地心挖洞，意義不大。科研鉆探除了追求深度之外，更重要的是取得巖心樣本。

看見那些復(fù)雜的螺旋狀花紋了嗎？巖石在漫長的時(shí)光里會變得像黏土一樣柔軟，給一塊花崗巖施加一個(gè)微小的力，持續(xù)一千萬年，花崗巖可以變成任何形狀。電影《肖申克的救贖》里說地質(zhì)學(xué)所有的要素就在于壓力與時(shí)間，某種程度上來說，沒錯(cuò)。在地質(zhì)學(xué)家眼里，這些花紋是地殼的自白書，它們講述著寂靜的大地深處發(fā)生的故事，講述著溫度與壓力的變化規(guī)律，講述著礦物熔融與結(jié)晶的歷程，而故事發(fā)生的歲月可能遠(yuǎn)在生命誕生之前。蘇聯(lián)人希望這些知識能夠告訴我們怎樣尋找礦床、地球內(nèi)部的物質(zhì)怎樣運(yùn)動，乃至地球從何而來。超深井是指向地球內(nèi)部的望遠(yuǎn)鏡，通過它的“鏡頭”，我們能窺見滄海桑田變化的歷史。

這兩張圖是科拉井塔的巖心庫，看著很有冷戰(zhàn)背景科幻片中武器庫的感覺，是不是？當(dāng)年蘇聯(lián)人希望這里能夠引爆一顆“核彈”：世界上第一口抵達(dá)地幔的深井！他們對“深井冰”的執(zhí)著簡直到了可怕的地步，曾經(jīng)攔住美國人的難題沒能攔住蘇聯(lián)人，他們將材料力學(xué)運(yùn)用到了極致，蘇聯(lián)的鉆頭經(jīng)受住了高溫高壓的考驗(yàn)，不停掘進(jìn)，向下，再向下。

也許是深入地殼一萬兩千米這件事聽起來太過科幻，以致圍繞科拉井塔傳出了許多謠言：有人信誓旦旦地說這口井挖到了地獄，地質(zhì)學(xué)家們從井口聽到了地獄里罪人們的恐怖慘叫，更有人說SG-3鉆孔里飛出了惡魔，導(dǎo)致當(dāng)局不得不終止鉆探計(jì)劃。網(wǎng)上甚至可以找到所謂的“地獄錄音”。

但事實(shí)應(yīng)該是這樣的：

這是根據(jù)科拉超深井取得的巖心與地質(zhì)資料編制的圖表，可能是人類歷史上至今為止記錄深度最深的地質(zhì)表格。它懸掛在前科拉超深鉆探項(xiàng)目負(fù)責(zé)人尤里·斯米爾諾夫家中。那些波形多半就是所謂的“地獄鬼嚎”了。但是這些曲線不一定是聲波或地震波——許多地質(zhì)參數(shù)以深度為自變量繪圖后都會得到一條漫長的曲線。

來看一眼這塊了不起的石頭吧。這可不是什么惡魔，它實(shí)實(shí)在在出自科拉超深井SG-3鉆孔，深度12260米，是人類歷史上曾取得的最接近地心的物質(zhì)。在這個(gè)深度，巖石與其中所含的礦物高度變質(zhì)化，對地質(zhì)學(xué)界而言，它比與之等重的鉆石還要珍貴。1991年蘇聯(lián)解體后，科拉超深井項(xiàng)目隨之終止，15000米的目標(biāo)也變得遙不可及。2008年，卡塔爾的阿肖辛油井抵達(dá)12289米深度，首次打破SG-3鉆孔的紀(jì)錄；2011年，俄羅斯在庫頁島的OdoptuOP-11油井達(dá)到12345（沒錯(cuò)就是這個(gè)漂亮的數(shù)字）米深度，再次打破最深紀(jì)錄。然而，若考慮到海拔、井壁并不垂直等因素，科拉超深井的SG-3鉆孔依舊是人類世界里離地心最近的地方。更重要的是，這兩口“后來居上”的超深井都是石油生產(chǎn)井，而非鉆探井，它們不以取得巖心為目的，對地質(zhì)學(xué)的貢獻(xiàn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法與科拉超深井相提并論。

現(xiàn)在回頭看看我們到了哪里：

左上角的放大圖里，最上部的淺灰色區(qū)域中，由地表向下劃一條大概穿過淺灰色區(qū)域厚度三分之一的線段，bingo，你抵達(dá)了人類向地心進(jìn)軍的前哨站。

把地球看成是個(gè)雞蛋，經(jīng)過美國與蘇聯(lián)的幾十年努力，我們連蛋殼都沒鉆透。抵達(dá)莫霍面至今仍是地質(zhì)學(xué)家的一個(gè)夢。今天我們已經(jīng)擁有了飛出太陽系外的探測器，但對腳下的大地依舊知之甚少。有個(gè)笑話說，“新地平線號”探測器駛向冥王星之前，我們對冥王星的了解能寫在一張撲克牌上。如果把我們對地球深部結(jié)構(gòu)的了解寫下來，估計(jì)也就是十幾張撲克的事兒，保不齊還有富余。

還記得美國人那個(gè)燒起錢來不要命的“莫霍計(jì)劃”嗎？他們冷靜下來之后提出了這個(gè)計(jì)劃的經(jīng)濟(jì)適用版：“深海鉆探計(jì)劃”（DeepSeaDrillingProgram，DSDP），然后經(jīng)過若干次系統(tǒng)升級與“資料片”更新，終于得到了“莫霍計(jì)劃”2.0版本：大家一起來燒錢。這就是“綜合大洋鉆探計(jì)劃”，或稱IODP（IntegratedOceanDrillingProgram），帝國主義列強(qiáng)基本人人有份，中國于2004年加入了列強(qiáng)們的行列（咦，哪里不對？），成為向地幔進(jìn)軍的先鋒。

冷戰(zhàn)落幕后，由于吸取了蘇聯(lián)的教訓(xùn)，各國在科技研發(fā)方面越來越注重效益與實(shí)際收獲，而非追求政治上的“第一”“巔峰”或象征意義。耗資巨大的超深井計(jì)劃在世界范圍內(nèi)都進(jìn)入了平穩(wěn)發(fā)展的階段，蘇聯(lián)人那種十年狂飆突進(jìn)一萬米深度的盛況多半是不會再現(xiàn)了。人類登上火星幾乎是有生之年一定能看到的事情，但抵達(dá)地心？可能真的唯有指望兒孫們“家祭無忘告乃翁”了。

不過，未來總是令人充滿期待的。劉慈欣在《地球大炮》里設(shè)想了可以抵御極端溫壓的中子態(tài)物質(zhì)，用它制造的高密度飛船可以自動下沉，一路穿過地幔、抵達(dá)地心。鉆井技術(shù)已經(jīng)發(fā)展了一百余年，依舊看不到鉆穿地球的希望；但以目前物理學(xué)進(jìn)步的速度，也許當(dāng)我們老去時(shí)，真的能有機(jī)會坐在中子物質(zhì)制造的地心飛船里，到熾熱的地核熔漿里去遨游。