我們可以把地球結構比作一個雞蛋,雞蛋有薄薄的蛋殼、呈膠狀的蛋白和中心部分的蛋黃,而地球也可以粗略地分為地殼、地幔和地核。
如果對地球瞭解得更多一些,還能夠劃分得更為詳細:最外部為岩石圈,岩圈以下則是軟流層,地殼可以根據元素不同分為上地殼和下地殼,地幔也有上地幔和下地幔之分,地核同樣有外核和核心的分別。
雖然人類對地球的結構有了初步的瞭解,但詳細情況卻知之甚少,科學家也想了解地球內部的詳細情況,比如地幔和地殼之間的“莫霍不連續面”是怎麼形成的?洋殼又是怎麼回事,為什麼會出現?洋殼與海洋生物的關係有多大?在地球中心的巨型“鐵塊”是不是一種新的物質?地球的結構到底是如何形成的?這一切都是巧合還是必然?
為啥科學家不挖穿地球,詳細地探索地球內部呢?事實上關於挖穿地球的想法,美國和蘇聯在上世紀就已經做了實驗。
美國花了5年鑽探莫霍面,最終以失敗告終20世紀50年代末期,美國就已經啟動了莫霍面鑽探計劃(Mohole Drilling Project),想要穿透莫霍面研究地幔結構。所謂的莫霍面,指的就是地幔和地殼之間的分介面,根據地殼在不同地區的厚度不同,莫霍面的厚度也不相同,陸地上的莫霍面深度約為30~40千米,海洋中的莫霍面比較淺,最薄處僅有5~7千米,山地和高原則更深一些,部分高原的深度可達50~80千米。
美國也明白選擇鑽探地點的重要性,把首次鑽探任務就選在了德拉霍亞海岸邊,由CUSSl號鑽探船進行鑽探任務,這是一艘環球海洋勘探公司的鑽油船,為了完成這一實驗,美國政府拿出了3億美元的預算。
1961年3月,CUSSl號鑽探船在3558米的水深處鑽了5口深海鑽井,其中最深的鑽井達到了183米,此時科學家發現想用3億美元的預算打穿莫霍面根本就是天方夜談,隨著施工的不斷深入,地熱和定位問題也逐漸顯現,想要繼續進行該計劃,將會面臨資金投入上的無底洞,簡單來說就是不容易搞還費錢,因此在1966年8月,美國眾議院直接投票否決了該計劃。
儘管穿透莫霍面的計劃沒有成功,但是此次鑽探讓美國人找到了另一條路,沒過幾年就搞了個深海鑽探計劃,在世界各地的海洋中打淺鑽井,用來收集沉積岩分析上地殼,這個新計劃也確實證明了一些理論,其中最出名的莫過於海底擴張學說和板塊構造學說,也算為人類瞭解地球構造做出了貢獻。
深海鑽探計劃研究地點
再到後來,深海鑽井計劃就成了現在的大洋發現計劃(IODP),這個計劃也變成了多國合作的國際科學研究計劃,由世界多個國家共同合作研究地球問題,目前該計劃已經有24個成員國,中國也在2004年的時候,加入了大洋發現計劃。
人類能夠挖穿地球嗎?蘇聯花了24年試驗得出結論上面說到的都是美國的鑽探計劃,而目前達到地球最深處的卻不是美國,而是擅長“暴力美學”的蘇聯。看到了美國的失敗以後,當時的蘇聯用了5年時間挑選實驗地點,最終選擇了歐洲北部的佩琴加區,最終打出了著名的科拉超深井。
因為有美國的失敗在先,蘇聯研究了美國鑽井失敗的原因,發現美國選用高強度鋼鑽桿是一種錯誤,應該選用具有同樣強度,但是比重僅有鋼一半的輕合金鑽桿,再配合渦輪鑽進方法,這樣可以降低鑽桿的自重,大大提高了鑽機的鑽井效率。
經過實驗設計篩選之後,蘇聯人打造了特製的超深井鑽頭,並製作出了Uralmash-4E系列鑽機,蘇聯的科學家又配合鑽機制作了一套程式,以保證鑽桿在地下工作的的穩定性,最終該鑽機順利完成第一階段的任務,鑽孔深度達到了7263米。
隨著鑽孔越來越深,原先設計的鑽頭已經不能使用,蘇聯的科學家又設計了新的鑽頭和機器,經過鑽機沒日沒夜地工作,終於在1983年的時候,鑽孔深度達到了12000米,超過地球上最深的海溝馬裡亞納海溝的深度。
1994年,蘇聯宣佈停止科拉超深孔的鑽探,理由是經費不足,鑽井深度最終停在了12262米,從12000米鑽探到12262米,僅僅只有262米,卻花了整整10年時間。要知道地球的平均半徑是6371千米,毫不誇張地說,蘇聯用了24年的時間,還不到地球深度的0.2%,問題到底出在哪裡呢?
為什麼人類探索太空成就卓越,探索地心卻屢遭失敗?對於科學界來說,探索太空確實比地下容易得多,即便是人類鑽探技術已經非常成熟,但是面對超深度的鑽探也是無能為力,最主要的難點有3個。
首先遇到的就是溫度問題,我們都知道海拔每升高100米,溫度會下降0.6℃,但是在地下情況卻截然不同,鑽孔深度增加100米,溫度就會升高2℃,在科拉超深孔的12000米深處,溫度已經超過了240℃,鑽頭工作的時候溫度會更高,這就要求鑽探所需要的工具,都要耐得住如此的高溫才行,以人類目前的科技來說是一個挑戰。
即便能夠克服高溫問題,還需要面臨壓力問題,在12000多米的鑽井深處,泥漿壓力可以能夠達到175兆帕,更不要說還要面地層壓力,高溫高壓的環境下,鑽頭的物理特性會發生改變,鑽機工作起來就像是用麵條鑽柏油路,鑽頭變得非常脆弱。
最後還有一個高地應力,也就是岩石抗壓強度與地應力的比值,因為土質不同,地下的變數非常多,一不小心就會造成井壁垮塌、鑽孔斷裂等事故,最終導致鑽探工作功虧一簣。
當然了,以上問題也不是不能克服,畢竟人類就是解決問題的,只不過這個計劃需要大量的時間和資金,世界上沒有任何一個國家能夠提供如此龐大的資金支撐,更沒有任何實際意義,這也是為什麼蘇聯和美國最終放棄鑽探的原因!