科學也可以如此靠近

【元素家族——連載78】「莫霍孔」計劃


2018年6月14日13時 今日科學 知乎專欄
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鎂是第十二號元素,在鈉的篇章里,我們已經提到了恆星核聚變的碳燃燒可以產生鎂,當然這隻存在於大恆星中。在這些巨大的恆星發生超新星爆炸之後,散逸出來的成分在引力作用下再次聚集,生成新的星體或者行星系,我們地球上的鎂就是這麼來的。

你可能會覺得,鎂應該是一種不常見的元素吧?其實不然!

之所以大家會有這樣的錯覺,是因為鎂在地殼裡的分布不多,比鈉還少一點,排在第八位。但是你能想到嗎?鎂竟然占據整個地球質量的13%,僅僅排在氧、矽、鐵之後,穩坐第四把交椅,這是怎麼回事?

原來,鎂最主要分布在地幔中。

地幔中各種元素和主要化合物的百分比,鎂是除了氧之外最多的元素,主要以氧化鎂的形式存在。

有人可能要噴,沒搞錯吧?地幔在地球內部,怎麼去了解它的成分呢?你憑什麼說地幔裡面有那麼多鎂呢?

舉個例子,如果有一個西瓜,不能切開,你怎麼知道它裡面是什麼呢?

一個方法是可以用手拍拍西瓜,你可能覺得這個例子沒啥可比性,你是不是覺得不可能有人能夠把地球舉起來拍拍?其實地球每天都在「自拍」,這就是地震。記錄觀察總結地震波的表現就可以推斷出地球內部的結構,現在我們知道地球和雞蛋類似,可以分成三個圈:地殼、地幔、地核。地幔的體積最大,約占地球體積的84%。地殼地幔的交介面叫做「莫霍面」,地幔地核的交介面叫做「古登堡面」,是兩位科學家觀測地震波而發現的。

地球的圈層,有一個很薄的地殼(crust),最大的中間層是熔融的地幔(mantle),以及熾熱的地核(Core)。

知道地球是由幾個圈組成的還遠遠不夠,科學家還需要探究每個圈層的組份,這三個圈層中,地殼位於最外圍,被我們研究的最多,基本上地殼中的元素分布已經很清楚了。而對於地幔,是不可能有人抵達那樣深處去採集樣本的。但是還是有方法的,既然不能切開西瓜,那還可以鑽一個小洞啊。你可能又覺得這是異想天開,地球不比西瓜,地殼平均厚度17千米,怎麼可能打出這麼深的井呢?其實地球上就存在很多天然的「鑽孔」呢,這就是火山。

火山的內部結構,火山就是一個「天然鑽井」。

地幔的最上部稱為軟流層,深度在80—400km之間,這一層的溫度很高,岩石都融化了,可以流動。這些軟流質的密度小於地殼平均密度,在壓力的作用下,這些輕質的軟流質無時無刻不在尋找著地殼的縫隙,向上噴發出來。噴發處就形成了火山,噴射出的軟流質就是岩漿。

岩漿冷卻之後凝結形成的岩石叫做玄武岩,玄武岩中的礦物成分有很多種,最常見的是輝石和橄欖石,這兩種的化學成分很相似,都是鎂鐵矽酸鹽,不同的是晶體結構不一樣。

在阿富汗出土的輝石,晶體結構依稀可見。

輝石和橄欖石在地球上分布都非常廣,輝石顯墨綠色,取自希臘文「火」和「陌生人」之意。而橄欖石更為常見,早在古埃及就記錄在案,它呈現出黃綠色,被認為是「太陽的寶石」,象徵著和平、幸福、安詳等美好意願,還是八月份和獅子座的幸運石。

美麗的橄欖石。橄欖石比綠寶石便宜得多,不要被騙了。

這兩種石頭中同時含有鎂元素和鐵元素,相對而言鐵元素更重,所以,從「古登堡面」到「莫霍面」,從下往上,存在一個從富鐵到富鎂的濃度差梯度,地幔上部的鎂元素更多,越接近地核,鐵元素越多。本來,地核就是以鐵元素為主的啊。

另一方面,富鎂的石頭相對於富鐵的石頭熔點更高,經過了漫漫長河般的地質歷史時期,無數次地幔熔融形成岩漿,產生了一個累積效應。最後大部分鎂元素沉入溫度更高的地幔,少部分跟隨火山噴發出來,來到地殼表面,形成美麗的橄欖石,所以橄欖石被認為是地球上質量最大的礦物。而輝石則分布於地殼地幔的交界處,受到更大壓力,就發生晶格變化,形成橄欖岩沉入更深的地幔。

阿波羅15號從月球上帶回的橄欖石。

看起來火山這種

「天然鑽孔」給我們帶來了很多認識,但是說服力仍然是有限的。耳聽為虛眼見為實,即使天文學如此天馬行空,星光都是人們可以看見的,無線電波、伽馬射線也可以被儀器探測到,反而是我們自己星球的內部難以探索,因為不可能將地球開膛破肚拿出來給大家看看。目前的大多數地質學理論還是得依靠假設和推斷,有人開玩笑說:「地質學是最大的『偽科學』!」所以有地質學家開始想辦法主動深入地下,擺脫「罵名」。

早在1950年代,人們已經開始著手研究地下幾十公里的東西了,美國人芒克(Munk)組織了一次家庭早餐會,邀請了幾個當時著名的地質學家參加,包括時任普林斯頓大學地質系主任赫斯(Hess)。早餐會上,芒克建議提出一個「直擊地球科學根本問題」的研究計劃,半開玩笑地提到鑽透莫霍面。結果收到在場人員的響應,他們當場組成了一個委員會,決定向美國自然科學基金會提出一份研究穿透莫霍面的可行性建議書,並將這一計劃命名為「莫霍孔」計劃。

美國人芒克,2010年獲得瑞典的克拉福德獎,獲獎理由是:他對海洋環流、潮汐、波動等方面先驅性和基礎性的研究,以及,他對地球打的洞。。。

這一想法似乎石破天驚,但是他們有自己的道理,雖然大陸上的莫霍面埋在30~50公里之下,要鑽到莫霍面顯然存在技術上的不可逾越性。但在大洋深處的某些地方,莫霍面只位於大洋底之下5公里的地方,似乎是可行的。

他們1960年底改裝了一艘鑽探船,並定於1961年在太平洋上的墨西哥海域試鑽。當年3月份,在水深948米的地方鑽入地下315米,隨後又連續布設了幾個鑽孔。該船返回時,時任美國總統甘迺迪致電祝賀,稱之為科學史上「歷史性里程碑」。

1961年,「莫霍孔計劃」!「歷史性里程碑」!

可惜的是,隨著「莫霍孔」計劃的預算不斷增加,也有其他科學家對它的科學意義的思考,並提出了更好的項目計劃,導致該計劃在1966年被否決掉了。

幾十年過去了,地質學家們對莫霍面始終念念不忘,一直希望能通過自己的工具親吻「莫霍面」。2011年6月國際綜合大洋鑽探計劃(Integrated Ocean Drilling Program, IODP)先後發布了2013—2023年未來十年的科學計劃和地幔莫霍鑽探初始可行性研究報告的最終版,使得「莫霍孔」計劃死而復生,成為未來十年大洋鑽探的終極目標。

早在1997年,就有人開始對印度洋上一個叫做「亞特蘭斯蒂淺灘」的海域做過研究,因為這個海域的地殼很薄。當時科學家們打鑽到海底以下1500m處,可惜海上的大風導致鑽杆折掉,堵塞了鑽孔,不得不終止。

1997年嘗試的目的是選點。

2015年12月16日晚,一艘叫做「決心」號的大洋鑽探船再次抵達「亞特蘭斯蒂淺灘」的海域,重新開展新一代的「莫霍孔」計劃。這次計劃分成若干階段,第一階段在2016年1月30日結束,計劃鑽探深度是1500m。如果一切順利,下一階段可以繼續鑽下去,達到3公里的深度。如果再順利,科學家希望換一艘日本的鑽探船,據說這艘船最大鑽探深度是6公里,計劃一鼓作氣打到莫霍面去。

我們期待著人類能夠首次打穿莫霍面,取得地幔中的寶貴數據。到那個時候,現有理論是不是成立,將得到依據或者反例;地幔中是不是有那麼多的鎂元素,將讓人信服還是受到質疑?

2016年,我們再次嘗試。


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