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超薄地壳,透视地球的“窗口”

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  制图 | 侠客君

  2024年10月8日,发表在《地质学》期刊上的一项研究指出,科学家利用先进的地震全波形反演技术,在大西洋赤道区域发现了一处形成于7000万年前的异常薄海洋地壳仅为4±0.2千米,远低于全球平均值,甚至比之前利用传统地震层析成像技术估算的结果还要薄30%。

  这一发现不仅刷新了我们对地壳厚度的传统认知,还为地球内部结构的研究提供了新的窗口。

  01

  地壳最薄的地方

  地质学家一直在努力寻找地壳最薄的地方,并试图通过深部钻探穿透地壳、直达地幔。可是,地壳最薄的地方究竟在哪里呢?

  我们都知道,地球分为地壳地幔地核三大层圈,其中,地壳是固体地球的表层部分,体积仅为地球体积的0.5%,它在地球上呈连续分布,但厚薄不等,其中大陆地区的平均厚度为35千米,大洋地区为5-10千米。事实上,地壳在地球的不同区域的差异十分显著,例如,中国青藏高原地壳厚达60-80千米而太平洋地区仅为4-7千米而已

  地球结构示意图

  图源:视觉中国

  以前人们通常认为,太平洋西部的马里亚纳海沟是地球上地壳最薄的地方,但事实并非如此。科学家通过对地球引力波动的测量发现,距离南美洲圭亚那1600千米的大西洋底部,有一条从北往南的裂缝,地壳厚度仅为1.5千米,被认为是地壳最薄的地方

  在这里,地球的两个板块相互分离,地幔中的高温物质沿着中脊上涌,部分熔融形成岩浆,冷却后形成新的洋壳。这个过程就像是在地壳上拉开了一条“裂缝”,使得中脊区域的地壳厚度远低于周围地区。这是地球上地壳最薄的地方之一,也是海底扩张最为活跃的区域之一。

  地质学家此次在大西洋赤道区域发现的一处异常薄的海洋地壳,也位于大西洋中脊。经推测,这种超薄地壳的形成可能与该区域的地幔温度较低有关。

  由于地壳的形成与岩浆活动、板块构造运动等地质过程密切相关,而地幔是地球内部的一个巨大热源,其温度的高低直接影响着地壳的形成和演化。在这项研究中,科学家们发现超薄地壳所在区域的地幔温度比先前估计的要低至少50℃,导致岩浆活动不剧烈,从而形成了较薄的地壳。

  此外,研究还发现了一个厚度为1±0.5千米的莫霍面过渡带。莫霍面是地壳和地幔的分界面,而莫霍面过渡带则代表了地壳和地幔之间的物质和结构的过渡区域

  图1(A)大西洋洋中脊的测深图,描绘了标记的断裂带(FZ)和部署的海底地震仪(OBS); (B) A图黑框中的测深图放大图

  图源:地刊速览公众号

  超薄地壳的发现具有重要的科学意义。首先,它们是研究地壳形成和演化的天然实验室。在这些区域,地壳的结构和物质组成往往更为简单和原始,地质学家通过对比分析超薄地壳与正常厚度地壳的结构和物质组成,可以更深入地了解地壳增生、岩浆活动以及板块构造运动等地球动力学过程。

  其次,地壳最薄处也是研究地球内部热量传输和物质循环的关键区域。地壳作为地球内部的热屏障,其厚度和物质组成对热量的传输效率具有显著影响。超薄地壳的存在可能意味着该区域的热量传输机制更为高效,从而影响地球内部的热平衡状态。

  02

  人类能否钻透地壳

  既然地壳之薄超乎人们想象,那能否通过钻探穿透地壳呢?近几十年来,许多国家都开展了深部钻探计划,努力实现这个充满挑战的伟大梦想。

  20世纪60年代,美国开展了一项大规模的钻探计划,在海底选定某些地点向下钻探,期望穿透地壳,直达地幔。该计划以地球物理学家莫霍洛维奇的名字命名,称为“莫霍计划”。

  莫霍计划

  1961年,莫霍计划开始实施,在墨西哥湾西海岸成功完成5个钻孔,在3558m的深水区钻透170米深的洋底沉积物,获取了13米厚的玄武岩,但距离钻透地壳还相差甚远。最后,这项计划在管理上出现了很多问题,虽然投入了巨额资金却还是于1966年宣告失败。

  1970年,苏联在位于北极圈深处的科拉半岛上开启了雄心勃勃的深钻计划,19年后达到它的最大井深——12262米,创造了新的世界纪录。尽管如此,该深度还不足地球半径的1/500,如果把地球比作一个鸡蛋,它连鸡蛋壳还没钻破。

  科拉超深井

  图源网络

  2008年,新闻媒体报道,日本的“地球”号深海探测船项目首次尝试钻入地幔层,该项目计划在东京以南的一处水深2500米的海洋进行钻探,进而从海底向下钻入7000米深处,进行探测、钻孔、取样和安装地震监控仪器,整项计划预计到2012年完成。

  然而,科学家对钻透地壳的计划过于乐观了。据日本媒体报道,截至2024年9月21日,“地球”号深海探测船在日本海沟水深6897.5米处向下钻探980米,自海面探测深度达7877.5米,刷新该船此前保持的深海科学钻探纪录,但这个结果仍未达到钻入地幔层的目的。

  此后,世界各国相继启动了深海钻探计划国际大陆科学钻探计划深地钻探计划等。甚至还有科学家提出了更为大胆的设想,如美国加州理工学院的一位行星学家曾提出,通过某种途径打开一个地壳裂缝(不排除采用核武方式),将一个柚子大小的探针与几十万吨重的溶化的铁水一起注入裂缝,使其慢慢沉入地核,从而实现地心探测的目的。

  很显然,这个设想如同科幻电影中的场景,不仅需要巨额投资,而且操作起来难度极大,有些不切实际。

  03

  向地球深部进军

  超深钻一直是世界难题。随着钻探的深度不断增加,施工难度越来越大,成本也越来越高。首先,面临着温度的考验。从地表向下,平均每深入100米,温度大约会上升3℃,如果钻到10千米深度,温度将高达300℃以上。这意味着,无论是钻头还是钻杆都要面临极大的考验。

  其次,在钻探过程中还经常遇到钻进方向倾斜或弯曲、因孔壁不稳定而发生坍塌等诸多科技难题。所以有专家直言不讳地说:“表面上看是打一口井,实际上却是在考验一个国家的经济实力、基础工业实力和整个科技的发展水平。”

  2023年5月30日,位于新疆塔克拉玛干沙漠腹地的深地塔科1井开钻。尽管深井钻探面临着高温高压等重重困难,但技术人员凭借精湛的专业能力惊人的毅力朝着万米深度挺进,终于在2024年3月4日突破10000米,使其成为世界陆上第二口、亚洲第一口垂直深度超万米的井。这不仅为今后的深地钻探提供核心技术和装备储备,也证明了我国深地探测系列技术已跨入世界前列。

  深地塔科1井

  图源 | 网络

  2023年12月18日,我国首艘大洋钻探船“梦想”号首次亮相。这艘钻探船具备全球海域无限航区作业能力和海域11000米的钻探能力,承载着全球科学家“打穿莫霍面、进入上地幔”的梦想,未来有望率先打开“地心之门”。

  我国首艘大洋钻探船“梦想”号

  图源 | 网络

  钻探就像外科医生的“手术刀”,深入地球取出某些“组织”供科学家化验。虽然现在的地质学家可以利用地震波对地球进行“CT扫描”并推断地层深部结构,但相比之下,钻探更直接、更准确。我们相信,未来的钻探技术一定能够突破重重困难,带我们目睹地壳之下的秘密。

  本文创作团队

  撰文 | 马志飞

  编辑 | 李馨宇

  封面设计 | 侠客君

  审稿 | 李忠东

  部分图源| 爱给网 豆包AI

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