来自地下

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所有这些地下探险队都遇到了相同的问题,因为就像完成登月任务一样,整个探险计划涉及到的技术都需要从头开始发明创造。

在这个话题无孔不入且热爱阅读的新媒体编辑部,我们经常在各种五花八门的公众号上,遇到或曲高和寡或趣味小众、但非常有意思的新鲜玩意儿。

前苏联是从20世纪70年代开始加入这场竞赛的,当时他们在北极圈内钻孔。到了20世纪90年代,德国大陆深钻计划项目(Kontinentales
Tiefborh programm der Bundesrepublik
Deutschland)于德国巴伐利亚地区正式启动——该计划最终达到的深度是9公里。

“苏联人从20世纪70年代开始在北极圈内钻孔。”

为了完成这一壮举,巨大的钻井船“地球号”早在20年前就开始为该项计划建造。“地球号”上搭载的GPS系统和6个电脑控制的推进器可以将船体的位移精确到50厘米。

今天,在另一项深钻计划国际海洋发现计划(International Ocean Discovery
Program)之中,“穿越莫霍界面到达地幔项目”(MoHole to
Mantle)正进行到关键环节。就像几十年前的“莫霍面钻探计划”,科学家希望能在地壳最薄的海床进行钻探,大概只有6公里深。这一耗资10亿美元的计划,其核心目标是在人类历史上首次挖掘出地幔岩石样本,而非化石样本。

左图:上世纪70年代拍摄的科拉超深钻孔设施全貌。右图:2009年拍摄到的主塔坍塌照片。图源:imgur

对于德国的超深钻孔计划科学家来说,当时的情况并没有这么诗情画意,乌利·哈姆斯说:“我们当年的计划是超过前苏联超深钻孔的深度,但实际上我们还没有达到10公里这一里程碑。一个重要原因是,我们钻孔的打钻点,比俄罗斯人的打钻点要热得多,因此对于我们来说,想要钻到更深的地方就更难。”

“‘这些计划有一个共同点,它们都很像星际远征。’——戴蒙·迪格”

原文/www.bbc.com/future/story/20190503-the-deepest-hole-we-have-ever-dug

地处俄罗斯广袤版图的偏远角落,科拉半岛(Kola
Peninsula)上的湖光、树影、迷雾、飞雪都让这篇土地看起来像是世外仙境。但是在这样一片自然风光之中,突兀地耸立着一座前苏联时期遗留下的废弃研究站。在这座摇摇欲坠的建筑物中央,覆盖着脏土和杂物的水泥地板上,镶嵌着一枚看起来很厚重的,生锈的铁盖子,在它上面钉着一圈同样生满铁锈的铆钉。

莫霍面钻探计划在1961年终于开始在海床上钻孔,但是以当时的技术来说,想要实现今天各国的深海石油、天然气钻井作业仍然是天方夜谭。当时还远远没有发明出如今的一些关键技术,比如动态定位(Dynamic
Positioning),必须借助这一技术才能确保钻井船能在钻井点上方保持其位置不变。由于缺乏技术支持,当时的工程师们不得不剑走偏锋,他们在钻井船的底部,沿着船底周围安装了一圈螺旋桨,借此尽可能保证钻井船能维持自己的位置不变。

世界上一些洞穴钻井的深度对比,需注意科拉深井的钻井路线并非垂直的。另外,伯沙·罗杰斯钻洞由一家天然气开发公司GHK于1974年钻成,是当时世界上的最深钻孔。图源:beyondsciencetv

“当荷兰艺术家洛特·吉文把一枚由隔热板保护的麦克风下放到德国钻孔中时,它监听到了一种科学家无法解释的低沉的隆隆声。”

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“当年前苏联人开始钻孔的时候,他们声称在深洞中发现了自由水(Free
Water,指在生物体内或细胞内可以自由流动的水),大多数西方科学家根本不相信这一发现是真实的。因为当时西方学界已经普遍达成共识,认为5公里深的地壳物质密度极高,水不可能渗透到这样的深度。”

日本海洋地球研究开发机构(国立研究開発法人海洋研究開発機構)的项目经理肖恩·托茨科(Sean
Toczko)说,“今天日本的这项新的钻孔计划,其终极目标就是到达地幔,并从地幔中获得此时此刻生存于那里的生物样本。地球上有些地方的地幔距离地表更近一些,比如阿曼苏丹国一带,地幔很接近地表,但是那里的地幔还保留着几百万年以前的状态。”

图源:Universe Today

科拉超深钻孔的信息表格,放大后可以从立体图中看到科拉钻孔曾经尝试过4个不同的钻孔路线。图源:superdeep.pechenga.ru

译/红莲螺岩

尼尔·阿姆斯特朗(Neil
Armstrong)成功踏上月球的前两年,美国国会取消了对莫霍面钻探计划的资金支持,当时该计划的代价正失控般地变成一个无底洞。科研人员从这个钻孔中最后取出的几米长的玄武岩样本,其代价大约相当于今天的4000万美元。

另外,前苏联的超深钻孔还有一个来自德国的竞争者,又名国际大陆科学钻探计划(International
Continental Scientific Drilling
Program),参与该计划的一位年轻科学家乌利·哈姆斯(Uli
Harms)说:“当美苏双方刚开始在地上打钻的时候,也是铁幕落下的年代,双方顺理成章地开始竞赛。也许其中一个主要的诱因,就是前苏联方面并不会公开这项研究获得的真正资料。”

当荷兰艺术家洛特·吉文(Lotte
Geeven)把一枚由隔热板保护的麦克风下放到德国钻孔中时,它监听到了一种科学家无法解释的低沉的隆隆声。洛特说,这种隆隆声让她“感到自己非常渺小,这是我有生以来第一次感觉到我们赖以生存的这颗星球本身变得活生生的,它发出的声音就像是鬼哭狼嚎。”她还说,“一些人说这声音听起来像是地狱之声,也有人说听起来像是这颗星球的呼吸声。”

“如果我们重新分析德国大陆深钻计划项目、科拉超深钻孔,你会发现,当这些项目真正开始进行的时候,整个计划最终目标背后的相关理论,可能已经是三四十年前的落后理论了。”

德国大陆深钻计划项目钻孔周围的三维视图,以及土壤、岩石分析。图源:Advances
in Geosciences

“这些计划都有一个共同点,他们都很像星际远征计划。”南安普敦大学国家海洋学中心、海洋与地球科学院、地质化学教授戴蒙·迪格(Damon
Teagle)如是说,他在如今日本提出的最新钻探计划中担任重要角色。“它们是纯粹的科学探索,你永远无法确切预判自己将会发现什么。”

本文基于创作共同协议,由红莲螺岩在利维坦发布

“目前最严峻的工作就是选择一个最佳的钻孔点,备选钻点一个在哥斯达黎加,一个在沙特阿拉伯的巴哈,还有一个在夏威夷。”

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这个金属盖就是著名的“科拉超深钻孔”(Kola Superdeep
Borehole),地球上最深的人造洞穴,也是迄今为止人为从地表向下达到的最深距离。从这个金属盖子向下,延伸着12.2公里深的人造结构,因此当地人信誓旦旦地说,在这里你能听到地狱中那些受拷打的灵魂发出哀嚎。如果真有什么哀鸣的话,也许是因为这一向地球深处钻洞的伟大计划花费了整整20年时间,好不容易挖到了这里,却在苏联解体之后俄罗斯的混乱之中被迫磨平了最后的一点资金支持——即使钻到了这样的深度,距离穿透地壳到达地幔也还有三分之一的遥远路程。

“如此看来,我们需要的是一些出色的政治家去游说这些探险研究的价值。”

现在,它们都将一一出现在这个栏目里。

“在地下深处,你总能找到一些惊人的发现,特别是当你挖掘到地壳深处的时候。”

1961年的报纸对这次钻探进行报道,并刊登了2幅照片。左图:搭载于船体侧方的发动机在安装之前的照片,其螺旋桨将从侧面给船体施加推力。右图:钻井船侧方可以看到稳定发动机螺旋桨搅动出的水花。图源:mantleplumes.org

肖恩·托茨科说:“这艘船将继续传递火炬,完成半个世纪以前莫霍面钻探计划无法完成的任务。以往的超深钻孔已经让我们了解到很多关于大陆地壳的信息,而今天我们要尝试去做的,就是了解更多地壳、地幔边界处的信息。”

“我们把它称之为探险、远征,是因为在筹备和执行过程中的确要花费相当大的人力物力,而且你真的要深入绝对的无人地带去探测,这在今天已经是非常非常不一般了。”

“比如在深海钻探计划(Deep Sea Drilling Project)和海洋钻探计划(Ocean
Drilling
Program)中,曾经两次钻探的编号1256钻井,在这里人类第一次看到了完整的深海地壳。在此之前没有人曾经看到过这样的样本,这样的经历令人非常兴奋,总是有惊喜在等着你。”

利维坦按:很遗憾,至今为止,我们并未像凡尔纳《地心游记》中描述的那样,在地心发现海洋、巨型的植物,以及古人类的骸骨,我们甚至还未钻透地壳——和耗费巨资探索太空相比,海洋深处乃至地幔,对于我们来说仍旧是个谜。

接过这枚接力棒的,就是科拉超深钻孔。这次钻孔计划于1992年最终停止,钻孔终点位置的地壳,正常状态下温度达到180℃,而当时的技术以及人力物力都不可能继续钻探。随着前苏联解体,这样宏大的科研项目找不到资金支持——苏联解体之后的第三年,全部科研设施关停。如今这片荒芜的废弃建筑物只有荒野探险者偶尔光顾。

2013年荷兰艺术家洛特·吉文在钻孔大约9公里的深处录制了这段声音。事实上,当时条件并不允许使用麦克风作为录音设备,而是声波传感器和检波器,最终将获得的数据重新映射成音频文件。视频来源:Vemio

乌利·哈姆斯认为:“最后所有问题都归结于经费问题,因为这些探险计划非常昂贵,因此无法一次次重复尝试。这样的计划可能耗费了几亿欧元——但只有一小部分用于地球科学的理论研究,剩下的都必须投入到技术研发,以及基础运营建设这两方面。”

永利,今天,日本也跃跃欲试要加入这一钻孔比赛。

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另一边,摆在德国工程师面前的难题是尽可能钻探一个垂直的钻孔。他们最终找到的解决方案,如今已经是全球石油天然气钻井领域的标准技术。

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就像冷战时期的太空竞赛,向未知的地核进发的这场“挖掘深层国界”竞赛同样展现了非凡的尖端科技,工程师和科学家们到达了以往没有人能够企及的深度。从这些超深钻孔中取出的岩石样本,与美国航天局从月球带回的岩石样本具有同等重要的科研价值。太空竞赛与深洞竞赛唯一的区别,也许就是美国当年并没有赢得这场比赛,事实上,这场比赛并没有赢家。

曾经参与过科拉超深钻孔计划的地质学家尤里·斯米尔诺夫(Yuri
Smirnov)向媒体展示一些纪念品,这是1984年制作的一份科拉超深钻孔岩石样本礼品。图源:Annette
Wolfsberger

只有德国的钻孔逃避了其他钻孔被废弃的命运,巨大的钻机还在原位——如今是一个旅游景点——但是今天起重机下放到钻孔中的只是一些测量仪器,而非钻头。这一钻孔如今只是一个观测地球内部的观测点,有时甚至充当美术馆的角色。

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艺术家们偏爱想象,因此将深井中的声音理解成地狱的哀嚎倒也在情理之中,不过,未来钻到地幔,说不定真会遇到另外一个完全陌生的生物世界呢。

钻孔洞口处被巨大的金属盖封住,洞口尺寸可以参照右侧的安全帽。图源:imgur

该钻孔计划达到12公里深的纪念照片,显然曾经的设想是挖掘到地表下15公里的深处。图源:superdeep.pechenga.ru

“地球号”上搭载的6个方位推进器不仅可以随时改变动力的方向,还可以随时控制推进力。由于海面上海流和风的作用力随时在变化,因此6个推进器必须保证时刻做出全面的反应。图源:jamstec.go.jp

“我们尝试过利用一些俄罗斯在20世纪90年代早期或者80年代晚期使用的技术,当时俄罗斯变得更开放,与西方合作的意向也更强,”乌利·哈姆斯补充道,“不幸的是,当时我们没能及时获得相关的设备。”

从海底开始钻孔的优势是那里的地壳更薄,但劣势在于,地壳最薄的挖掘点,往往也是海底最深的地方。

不管怎么说,所有的这些探险队都以某种失败告终,有些钻孔计划一开始就埋下祸根,也有一些中途碰触到地下的屏障。更不必说他们的设备会在地下遭受长时间高温,钻孔以外的世界还存在经费、政策相关的种种困难——为了科学家的梦想付出了种种代价之后,他们不断钻得更深,不断打破最深钻孔的记录。

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校对/何里活

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如果把地球比喻成一颗洋葱,地壳就相当于洋葱表面最薄的一层表皮。大陆地壳的平均厚度只有40公里左右,而地壳覆盖之下的地幔,厚度大约2865公里,地幔包裹着的就是地核,正是我们这颗星球的内核。

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文章仅为作者观点,未必代表利维坦立场

借用一句坊间传闻,这就是地狱的入口了。

根据美国纪实作家约翰·斯坦贝克(John
Steinbeck)的描述,当时这只美国地下远征队并没有打算从地表开始钻孔,而是决定走个捷径,从太平洋海底开始挖掘,挖掘点位于墨西哥西部城市瓜达卢佩海域。

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肖恩·托茨科补充道:“每一个钻点都面临在三个问题之间权衡——钻点位置的海洋深度、钻点与海岸的距离、岸上建造基地的难度,毕竟,这是一项全天候数亿美元的海上作业。所有这些基础设施都可以建造,但这些同样需要花费时间和金钱。”

“尼尔·阿姆斯特朗(Neil
Armstrong)成功踏上月球的前两年,美国国会取消了对苏联人从20世纪70年代莫霍面钻探计划的资金支持,当时该计划的代价正失控般地变成一个无底洞。”

所有的这些钻探计划,都很难在公众面前甩掉这样一种印象:今天向地幔挖掘的科研计划,就是经典科幻小说《地心探险记》(Journey
to the Centre of the
Earth)的现代版本。虽然这些科学家并不期待发现什么充满恐龙的地洞,但他们的确纷纷把自己的项目称为“探险”。

超深钻孔并不只是前苏联的独家遗物,在冷战时期,美苏竞赛中的一项就是动用巨大的国力向地壳尽可能深地钻孔,甚至是比赛谁先达到地幔。

“‘这些计划非常昂贵,因此无法一遍遍重复去尝试。’——乌利·哈姆斯”

相较于德国人钻井的严谨,苏联人对于科拉超深井的钻掘似乎有些随性:虽说后者直到7000米深钻井过程都相对平稳(钻过了坚硬的花岗岩),在这个深度之后钻头进入了较为不坚硬的层状岩石,在经过它们的时候井身开始因空洞而剥落。结果钻柱被岩石卡住,钻头在提升过程中脱落。钻柱丢失段被水泥封固住,钻井在钻具偏离的情况下继续开掘。这样的事故不止一次的发生,因此钻井持续了好几年。

打响这场竞赛头一枪的是美国人,早在20世纪50年代,名字很大气的美国百科学会(American
Miscellaneous
Society)提出了史上第一个挖掘到地幔的严肃科研计划。该学会还有一个地下的饮酒集会,成员全部是当时美国科学界的头号人物。由他们提出的贯穿地壳、抵达地幔的挖掘计划名叫“莫霍面钻探计划”(Mohole
Drilling Project),该计划取名自“莫霍界面”(Mohorovičić
discontinuity),即地壳与地幔的分界面。

“这两种不同地幔的区别,就相当于发现了活生生的恐龙,与发现恐龙化石二者之间的区别。”

“当时是20世纪90年代初,我们也找不到什么好的理由来筹集资金推进这项计划,因为东西德的统一就已经耗费了大量资金。”

文/Mark Piesing

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“苏联人的经验中,最明确的一条教训就是你必须打一条尽可能垂直的钻孔,否则的话,你就是在增加扭矩,让钻孔变得越来越弯曲,”乌利·哈姆斯说,“解决方案在于研发一个垂直方向的钻孔系统,然而德国大陆深钻计划项目之中,这样一个垂直钻孔系统只能保证7.5公里深的垂直钻孔。在最后的1.5至2公里钻孔中,孔洞还是偏离了轨道,钻孔终点与垂直点的距离大约200米。”

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