人類的科學(xué)探索手段早已到達(dá)浩瀚的太空；但要觸及我們腳下的地球深處仍然很困難。早在20世紀(jì)50年代，科學(xué)家們就夢想著在地殼-幔邊界處鉆一口超深井，一直到達(dá)莫霍面，看看原位地幔是什么樣子。

六十多年過去了，這個(gè)夢想還沒有實(shí)現(xiàn)。然而由此發(fā)展起來的大洋鉆探計(jì)劃卻成為地球科學(xué)史上規(guī)模最大、持續(xù)時(shí)間最長的國際合作計(jì)劃，而我國正是該計(jì)劃的成員國之一。記者從近日在上海舉辦的2023年后大洋鉆探學(xué)術(shù)研討會(huì)上獲悉，鉆穿地球莫霍面仍然是地球科學(xué)家追求的重要目標(biāo)。

流產(chǎn)的Mojo 鉆石項(xiàng)目

地球是人類的家園。 1909年，克羅地亞地震學(xué)家莫霍羅維奇首次發(fā)現(xiàn)地球內(nèi)部存在不連續(xù)界面。通過該界面，地震波的縱波和橫波的傳播速度急劇增加。這個(gè)界面稱為莫霍面，是地殼和地幔之間的界面。

Moho是什么樣的接口？原位地幔的真面目是什么？ 1957年，美國地質(zhì)學(xué)家哈雷·海耶斯提出了一個(gè)科學(xué)夢想：如果能直接鉆到莫霍面深井，并能鉆出一些巖石。核心樣本是不是一目了然？因?yàn)槟裘娉霈F(xiàn)的深度在大陸以下約30-40公里，在海洋以下約6-7公里。因此，打這口深井的最佳地點(diǎn)是在海洋中。

1960年，美國國家科學(xué)基金會(huì)批準(zhǔn)資助雄心勃勃的莫霍面鉆探項(xiàng)目，并與全球海洋勘探公司簽署協(xié)議，使用該公司的CUSS I船執(zhí)行莫霍面鉆探任務(wù)。 1961年，CUSS I首次在墨西哥海岸瓜達(dá)盧佩島附近水深3600米處成功鉆探。在170米厚的沉積層下，獲得了14米長的玄武巖樣本，標(biāo)志著人類探索莫霍面邁出了第一步。面對面游行的第一步。

但此后，由于Mojo鉆石項(xiàng)目預(yù)算過高，且出現(xiàn)了技術(shù)和管理問題，美國國會(huì)于1966年取消了該項(xiàng)目。然而，有意栽的花不開，無心栽的柳卻生蔭。由莫霍面鉆頭發(fā)展起來的海洋鉆探技術(shù)，為人們打開了科學(xué)研究的新大門。以該技術(shù)為核心，啟動(dòng)了國際合作大洋鉆探計(jì)劃。

迄今為止，大洋鉆探計(jì)劃已經(jīng)歷了四個(gè)階段。即深海鉆探計(jì)劃（DSDP，1968-1983）、大洋鉆探計(jì)劃（ODP，1985-2003）、綜合海洋鉆探計(jì)劃（IODP，2003-2013）和國際海洋發(fā)現(xiàn)計(jì)劃（IODP，2013-2013）。 2023）。 60多年來，科學(xué)家們從未放棄鉆穿地球莫霍面的夢想。在大洋鉆探四階段中長期科學(xué)規(guī)劃中，莫霍面鉆探被視為重要目標(biāo)之一。

同濟(jì)大學(xué)海洋地質(zhì)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室周懷陽教授介紹，目前中外科學(xué)家正在討論2023年后的大洋鉆探科學(xué)計(jì)劃。美國、日本等國繼續(xù)把穿透莫霍面作為重點(diǎn)之一。目標(biāo)，在過去的基礎(chǔ)上繼續(xù)。從技術(shù)、選址、鉆前勘察等方面扎實(shí)開展工作。中國科學(xué)家還提出建造一艘能夠穿透莫霍面的科學(xué)鉆探船。

鉆穿莫霍面有多難？

同濟(jì)大學(xué)海洋地質(zhì)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室王品賢院士認(rèn)為，迄今為止，人類在應(yīng)對上天、下地、下海三大科技挑戰(zhàn)方面表現(xiàn)最差。相對于地球半徑，最深鉆探不到千分之二。海洋鉆探既進(jìn)入海洋，又進(jìn)入地下，面臨雙重挑戰(zhàn)。

深海海底是距離地球內(nèi)部最近的地方。從深海海底鉆探仍然是人類直接探索地球內(nèi)部不可替代的高效方式。但鉆得越深，巖石就越硬，溫度就越高，壓力就越大。以人類現(xiàn)有的鉆探技術(shù)，很難到達(dá)莫霍面。 2015年底，記者登上美國遠(yuǎn)洋鉆探船“決心”號，親身體驗(yàn)了科學(xué)家夢想的到達(dá)莫霍面的艱難鉆探。

那次航行的鉆探地點(diǎn)是西南印度洋海脊上一個(gè)名為亞特蘭蒂斯淺灘的山脊。根據(jù)科學(xué)家多年來的研究，存在著超緩慢擴(kuò)張的洋中脊，地幔熔化無法產(chǎn)生足夠的巖漿。地殼斷裂十分常見，暴露下地殼的構(gòu)造窗廣泛分布。這些結(jié)構(gòu)窗口是人類利用現(xiàn)有鉆探技術(shù)接觸地幔邊界的絕佳場所。按照計(jì)劃，將進(jìn)行3次大洋鉆探，鉆穿地殼，到達(dá)殼幔邊界。第一航次鉆探目標(biāo)深度為1300米，第二航次和第三航次分別將鉆探延伸至3000米和5500米。

Resolve 號正在進(jìn)行首次計(jì)劃的鉆井航行。鉆探從水深約700米的海底開始，前410米的鉆探非常順利。但隨著鉆頭鉆得越來越深，遇到斷層破碎帶，鉆頭開始頻繁出現(xiàn)故障。要么是鉆頭磨損，要么是鉆頭的牙輪或附件在鉆孔中丟失，要么是數(shù)千米的鉆桿被卡在鉆孔中。拔不出來。鉆井人員不得不一次又一次地修井。直到航程結(jié)束前的最后一天，我們?nèi)栽趯ふ襾G失在鉆孔中的螺栓。

兩個(gè)月的時(shí)間里，“決心”共使用了24個(gè)各種類型的鉆頭。僅僅為了鉆取巖心就磨損了11 個(gè)鉆頭。但僅鉆探海底深度789.7米，獲得巖心469.7米。這距離一期鉆探目標(biāo)1500米還很遠(yuǎn)。

本世紀(jì)初，針對分辨率鉆探技術(shù)的缺陷，日本投入巨資建造了地球大洋鉆探船。它采用了新型立管式鉆井技術(shù)，通過大直徑鋼管將鉆井船與海底連接，使鉆井更加安全。深度更大，在水深4000米的海域，理論上可鉆探至海底7000米。

2007年，當(dāng)重達(dá)5.7萬噸的地球建成時(shí)，日本雄心勃勃地向世界宣布，其最終目標(biāo)是穿透地殼。然而十多年來，由于船體巨大，帶來了成本、運(yùn)行管理等諸多問題，地球?qū)嶋H只行駛了3000米。實(shí)踐證明，利用地球現(xiàn)有的鉆探技術(shù)來穿透地殼并不是那么容易的事。

王品賢介紹，面對莫霍面等硬巖鉆探任務(wù)，科技界正在探索第三代大洋鉆探船的技術(shù)前景。例如，將鉆機(jī)直接放置在海底、將泥漿泵放置在海底的鉆井新技術(shù)已初步實(shí)現(xiàn)。面對高溫高壓的地質(zhì)條件，鉆具材料也需要升級，從金屬材料轉(zhuǎn)向碳材料。此外，單純依靠鉆探解決科學(xué)問題的時(shí)代已經(jīng)過去。深鉆需要與深網(wǎng)、深潛等技術(shù)結(jié)合才能與時(shí)俱進(jìn)。

為什么要鉆穿莫霍面？

地幔占地球體積的4/5，質(zhì)量的3/4。它是地球上最大的化學(xué)儲存庫?？茖W(xué)研究表明，地球深部過程及其對地表環(huán)境的影響等一系列科學(xué)問題都與地幔密切相關(guān)。神秘而巨大的地幔充滿了許多未解之謎?？茖W(xué)家們夢想能夠鉆穿莫霍面，以便直接對地幔進(jìn)行原位采樣，進(jìn)行深入研究。

周淮陽介紹，多年來，科學(xué)家提出了許多與莫霍面鉆石相關(guān)的科學(xué)問題。例如，什么物理特性會(huì)產(chǎn)生莫霍面不連續(xù)性？該界面的地質(zhì)性質(zhì)是什么？大洋中脊的洋殼，特別是下洋殼是如何形成的？哪些過程影響洋殼的形成？接下來的演變是什么？洋殼與海洋和生物有多少相互作用？這些相互作用對全球化學(xué)循環(huán)有何影響？生命的極限是什么？控制生命極限的因素有哪些？等等。

在太陽系中，我們?nèi)祟惥幼〉牡厍蛴兄渌乔蛏蠜]有的獨(dú)特的生理機(jī)制。 20世紀(jì)60年代以來，板塊構(gòu)造理論相對成功地回答了地球如何運(yùn)動(dòng)的問題。然而，地球運(yùn)動(dòng)的具體過程和細(xì)節(jié)，以及運(yùn)動(dòng)的機(jī)制，目前還非常不清楚，需要全世界科學(xué)家的集中精力。集思廣益，共同尋找答案。

地球是人類的家園，但地球內(nèi)部對于人類來說仍然是一個(gè)全新的、未知的秘密世界。周淮陽表示，與幾十萬公里之外的月球樣本相比，地球內(nèi)部幾公里深處的莫霍面離我們很近，但又顯得遙不可及。我們相信，每一次深入地球，我們對地球結(jié)構(gòu)及其歷史的認(rèn)識就會(huì)變得更深、更新！ （記者張建松）