人类将首次打穿地幔边界

　　

　　□柯普文

　　导读

　　通过研究岩芯中的微生物，探寻地壳和含水的地幔中是否存在生命以及生命的极限，是本次大洋钻探的重要科学目标。美国微生物学家弗吉尼亚·埃奇库姆和贾森·西尔万已经从岩芯中采集了很多微生物样品，并将与中国国家海洋局第三海洋研究所的曾湘等人合作，深入研究地壳深处的微生物资源和海底岩层里微生物的多样性。眼下，这项人类首次打穿地球壳幔边界的科考正在进行中。

　　打穿地球壳幔边界进程近半

　　入夜的西南印度洋，月朗星稀，万顷波涛湮没在无边的黑暗中，唯有“决心”号上灯火通明，上千米长的钻杆不停地旋转，悬挂在钻塔中间的升降补偿器，随着起伏的波涛缓缓移动，发出巨大轰鸣声。

　　1月16日夜晚，美国、英国、中国等12国科学家参加的大洋钻探项目，旨在打穿地球壳幔边界，进行过程十分艰难。钻探进入400米后，随着钻孔越来越深，钻机故障频发，已损坏3个钻头。为了尽快越过故障多发地带，“决心”号采用了力量更大的三牙轮钻头连续向下钻进而不取芯。目前，钻孔深度已突破600米，并恢复了正常取芯。

　　这次的目标是在西南印度洋中脊打一口1300米深的钻井，为人类打穿壳幔边界打下基础，现在进程已近半。科学家将西南印度洋中脊“亚特兰蒂斯浅滩”作为理想的钻探地点，是因为这里相对比较薄，而且近年来关于超慢速-慢速扩张洋中脊是地学领域最前沿的。洋中脊是地壳最薄的地方，慢速扩张洋中脊附近更薄，远小于正常洋壳7公里左右的厚度。

　　再次钻取后，得到一管管来自海底的灰黑色岩芯，科学家们倍感振奋。在灯火通明的“决心”号岩芯甲板和各个实验室，他们按专业分成岩芯描述组、地球化学组、岩石物理组、古地磁组和微生物组，日夜轮流值守在岩芯的周围，描述、分析与研究。

　　来自中国科学院地质与地球物理研究所研究员刘传周和同济大学海洋地质国家重点实验室马强博士，分别在火成岩和变质岩的岩芯描述组。

　　近半个多世纪来，地球科学取得了一系列辉煌成就，无不与大洋钻探这一科学研究手段相关。科学大洋钻探计划是地球科学领域迄今规模最大、影响最深、历时最久的大型国际合作研究计划，先后有3艘专用的深海钻探船为其服务，即“挑战者”号、“决心”号和“地球”号。

　　美国伍兹霍尔海洋研究所的亨利·迪克表示，针对海洋的科学研究需要全世界的科学家一起探索，中国科学家已经成为这个团队的重要组成部分。

　　西南印度洋中脊，让科学家着迷

　　半月谈网此前曾发表文章，详实地介绍“决心”号在西南印度洋钻探研究的相关情况。

　　近年来，西南印度洋中脊成为地球科学研究的热点地区。

　　为什么这儿会吸引全世界的科学家？原来，作为南极洲板块和非洲板块的分界线，西南印度洋中脊有独特的超慢速扩张和倾斜扩张的特征，可以让科学家一窥地壳深处的奥秘。

　　如果去除巨厚的水层，海底地形地貌实际上与陆地很相似：既有平原千里、丘陵逶迤，也有高山峡谷、沟壑纵横。其中，隆起于洋底的巨大“山脉”，成为一道道蔚为壮观的“大洋脊梁”。

　　西南印度洋中脊的西侧与大西洋中脊和美洲—南极洲洋中脊相交于布韦三联点，东侧与中印度洋中脊和东南印度洋中脊相交于罗德里格斯三联点。根据海底扩张和板块构造学说，洋中脊是洋底的“扩张中心”和新洋壳的“制造工厂”。热的地幔物质沿着脊轴不断上升并发生熔融，形成的玄武质岩浆凝固成新洋壳，并不断向两侧扩张推移。在不同的洋中脊，新洋壳的“制造”速度也不一样。

　　科学家根据洋中脊的扩张速率和岩浆供给量的不同，将洋中脊划分为快速、中速、慢速和超慢速四种主要类型。其中，超慢速扩张洋中脊是近年来最新划定的，以西南印度洋中脊和北极的加克尔洋脊最为典型。

　　慢速或超慢速扩张的洋中脊，地幔熔融不能产生足够的岩浆，因此地壳断裂非常普遍，广泛分布着“构造窗”，暴露出地壳的下层。这些“构造窗”是人类目前的钻探技术可以“触摸”到地幔边界的唯一场所。30名科学家前往的西南印度洋中脊“亚特兰蒂斯浅滩”，就是一处理想的钻探地点。

　　目前，科学家已经在西南印度洋中脊观察到很多独有特征，如广泛分布的大型拆离断层、出露海底的蛇纹石化橄榄岩、洋脊斜向扩张、显著变化的轴部水深地形等。深入研究西南印度洋中脊，对于认识超慢速扩张洋脊的岩石圈增生模式，完善地幔上涌模型、热液循环机制等，均具有重要意义。

　　打入海底的“岩石探针”

　　蔚蓝色的西南印度洋，连日来晴空万里。“决心”号大洋钻探船自2015年12月16日晚抵达后，稳稳地停在南纬32度42分、东经57度17分的目标海域，开展大洋钻探工作。

　　“亚特兰蒂斯浅滩位”于海面下约700米深处。“决心”号抵达后，一个巨大的水下电视摄像系统和钻杆一起，通过船底与海水相连通的月池缓缓放入海底。所谓月池，是指垂直于海面、贯穿船体、与海水相连的一个空腔。在灯光的照射下，“亚特兰蒂斯浅滩”的神秘面纱被小心翼翼揭开，通过电缆线在船上电视屏幕上直播。

　　这是一片生机勃勃的海底世界。成群结队的小鱼被灯光吸引，像飞舞的雪花一样掠过电视屏幕，一只生活在海底的螃蟹，似乎刚刚被“不速之客”惊醒。

　　随着摄像机缓缓移动，“亚特兰蒂斯浅滩”上白色“沙滩”与黑色岩石相互交错的地形地貌一览无余。据英国卡迪夫大学教授克里斯托弗·马克里德介绍，由于这片海域洋流很大，海底沉积物大多被冲走，这些白色的“沙滩”其实是石灰岩，黑色岩石就是下地壳的代表性岩石——辉长岩。

　　经过近10个小时的搜寻，水下摄像机于17日终于找到一块合适的平坦区域。“决心”号钻探人员连夜在此展开钻孔重返装置的安装工作。他们将钻杆、返孔锥下部导管和底座以及一个扩孔器套在一起，缓缓放入海底。钻杆抵达海底后，钻头开始钻进。随着钻孔一点点深入，返孔锥下部导管和扩孔器就会一点点嵌入钻孔。

　　18日傍晚，经过整整一天钻进，10多米长的导管和扩孔器已全部嵌入钻孔，返孔锥底座也安装在钻孔口。通过月池，工人们将漏斗状的返孔锥套在钻杆上，让它顺着钻杆落到海底的底座上。反转钻杆，扩孔器收缩，直径变小，就可牢牢固定返孔锥。

　　这些安装工作完成后，船上就可收回打底孔的钻杆，换上专门钻取岩芯的钻杆。19日下午，岩芯钻杆顺利进入了钻孔。科学家将这个钻孔编号为U1473A。此后一个多月中，“决心”号将一直在这个孔里钻取岩芯。

　　岩石是一定地质作用的产物，形成和稳定于一定的地质环境。每当地质环境改变，岩石也将随之改变。因此深入研究岩石，就能发现地球发展和演化过程的蛛丝马迹。大洋钻探犹如打入海底的岩石探针，直接获取珍贵的研究样品和科学数据。科学家期待通过钻取U1473A孔的岩芯，研究一系列科学问题。

　　深海研究，国际合作的“大舞台”

　　各司其职、井然有序、严谨认真、舒适整洁，这笔是笔者在“决心”号大洋钻探船上工作生活的深切感受。

　　为了研究地壳、地幔的构造，揭示地球系统演化历史，多国科学家正在实施为期十年(2013～2023)的新一轮国际大洋发现计划(IODP)。中国是IODP计划的成员，“决心”号每年给予中国科考人员上船名额，2014年共有22位中国科学家登上“决心”号。

　　出航之际，总是船上工作人员最忙碌的时候。刘传周、马强等30名中外科学家则显得十分从容。登船介绍之后，科学家们就可以集中精力在会议室里讨论本航次的科学问题。

　　除了科学家团队，“决心”号上还有IODP计划的管理团队、船员以及钻探人员，约130人。每位科学家在登船前都会获悉自己的房间、分组、工作时间等安排，井然有序。

　　“决心”号上的生活区和工作区也是严格区分，每层甲板都有明显的黄线标识，如果没戴头盔和防护镜，严禁进入工作区。登船10天后，船上运营负责人史蒂文·迈迪带领科学家们到驾驶台、轮机部和钻探甲板等船上区域参观。科学家们分成4组，迈迪则详细介绍了船只定位、钻探等功能，一丝不苟地讲解了4遍。

　　“决心”号不仅在外观上与一般船舶很不一样，内部结构也十分复杂,各种粗大的管道纵横交错，犹如迷宫。船上最醒目的标志物是中部耸立的一个45米高的钻塔，提升能力达400吨的船舶升降补偿装置悬挂在这个大钻塔上，十分壮观。

　　船上很多地方堆放了9.5米长的钻杆，钻探作业的时候，这些钻杆每3个结成一组，从后甲板起吊。钻井架位于船底的月池之上。月池里有一个伸入海中7米深的保护套管，钻杆和钻具通过这个保护套管抵达海底。

　　对于“决心”号上采集的岩芯样品，船上科学家拥有一年的优先研究权。一年以后，所有的岩芯样品将向全世界科学家开放。当然，前提是能提交好的研究计划并获得通过。在每个航次结束前，船上科学家都会获得本航次采集的岩芯描述、岩芯测试、井下地层流体监测数据等所有科考数据。