超薄地殼，透視地球的“窗口”

　　制圖 | 俠客君

　　2024年10月8日，發表在《地質學》期刊上的一項研究指出，科學家利用先進的地震全波形反演技術，在大西洋赤道區域發現了一處形成于7000萬年前的異常薄的海洋地殼，僅為4±0.2千米，遠低于全球平均值，甚至比之前利用傳統地震層析成像技術估算的結果還要薄30%。

　　這一發現不僅刷新了我們對地殼厚度的傳統認知，還為地球內部結構的研究提供了新的窗口。

　　01

　　地殼最薄的地方

　　地質學家一直在努力尋找地殼最薄的地方，并試圖通過深部鉆探穿透地殼、直達地幔。可是，地殼最薄的地方究竟在哪里呢？

　　我們都知道，地球分為地殼、地幔和地核三大層圈，其中，地殼是固體地球的表層部分，體積僅為地球體積的0.5%，它在地球上呈連續分布，但厚薄不等，其中大陸地區的平均厚度為35千米，大洋地區為5-10千米。事實上，地殼在地球的不同區域的差異十分顯著，例如，中國青藏高原的地殼厚達60-80千米，而太平洋地區僅為4-7千米而已。

　　地球結構示意圖

　　圖源：視覺中國

　　以前人們通常認為，太平洋西部的馬里亞納海溝是地球上地殼最薄的地方，但事實并非如此。科學家通過對地球引力波動的測量發現，距離南美洲圭亞那1600千米的大西洋底部，有一條從北往南的裂縫，地殼厚度僅為1.5千米，被認為是地殼最薄的地方。

　　在這里，地球的兩個板塊相互分離，地幔中的高溫物質沿著中脊上涌，部分熔融形成巖漿，冷卻后形成新的洋殼。這個過程就像是在地殼上拉開了一條“裂縫”，使得中脊區域的地殼厚度遠低于周圍地區。這是地球上地殼最薄的地方之一，也是海底擴張最為活躍的區域之一。

　　地質學家此次在大西洋赤道區域發現的一處異常薄的海洋地殼，也位于大西洋中脊。經推測，這種超薄地殼的形成可能與該區域的地幔溫度較低有關。

　　由于地殼的形成與巖漿活動、板塊構造運動等地質過程密切相關，而地幔是地球內部的一個巨大熱源，其溫度的高低直接影響著地殼的形成和演化。在這項研究中，科學家們發現超薄地殼所在區域的地幔溫度比先前估計的要低至少50℃，導致巖漿活動不劇烈，從而形成了較薄的地殼。

　　此外，研究還發現了一個厚度為1±0.5千米的莫霍面過渡帶。莫霍面是地殼和地幔的分界面，而莫霍面過渡帶則代表了地殼和地幔之間的物質和結構的過渡區域。

　　圖1(A)大西洋洋中脊的測深圖，描繪了標記的斷裂帶（FZ）和部署的海底地震儀(OBS); (B) A圖黑框中的測深圖放大圖

　　圖源：地刊速覽公眾號

　　超薄地殼的發現具有重要的科學意義。首先，它們是研究地殼形成和演化的天然實驗室。在這些區域，地殼的結構和物質組成往往更為簡單和原始，地質學家通過對比分析超薄地殼與正常厚度地殼的結構和物質組成，可以更深入地了解地殼增生、巖漿活動以及板塊構造運動等地球動力學過程。

　　其次，地殼最薄處也是研究地球內部熱量傳輸和物質循環的關鍵區域。地殼作為地球內部的熱屏障，其厚度和物質組成對熱量的傳輸效率具有顯著影響。超薄地殼的存在可能意味著該區域的熱量傳輸機制更為高效，從而影響地球內部的熱平衡狀態。

　　02

　　人類能否鉆透地殼

　　既然地殼之薄超乎人們想象，那能否通過鉆探穿透地殼呢？近幾十年來，許多國家都開展了深部鉆探計劃，努力實現這個充滿挑戰的偉大夢想。

　　20世紀60年代，美國開展了一項大規模的鉆探計劃，在海底選定某些地點向下鉆探，期望穿透地殼，直達地幔。該計劃以地球物理學家莫霍洛維奇的名字命名，稱為“莫霍計劃”。

　　莫霍計劃

　　1961年，莫霍計劃開始實施，在墨西哥灣西海岸成功完成5個鉆孔，在3558ｍ的深水區鉆透170米深的洋底沉積物，獲取了13米厚的玄武巖，但距離鉆透地殼還相差甚遠。最后，這項計劃在管理上出現了很多問題，雖然投入了巨額資金卻還是于1966年宣告失敗。

　　1970年，蘇聯在位于北極圈深處的科拉半島上開啟了雄心勃勃的深鉆計劃，19年后達到它的最大井深——12262米，創造了新的世界紀錄。盡管如此，該深度還不足地球半徑的1/500，如果把地球比作一個雞蛋，它連雞蛋殼還沒鉆破。

　　科拉超深井

　　圖源網絡

　　2008年，新聞媒體報道，日本的“地球”號深海探測船項目首次嘗試鉆入地幔層，該項目計劃在東京以南的一處水深2500米的海洋進行鉆探，進而從海底向下鉆入7000米深處，進行探測、鉆孔、取樣和安裝地震監控儀器，整項計劃預計到2012年完成。

　　然而，科學家對鉆透地殼的計劃過于樂觀了。據日本媒體報道，截至2024年9月21日，“地球”號深海探測船在日本海溝水深6897.5米處向下鉆探980米，自海面探測深度達7877.5米，刷新該船此前保持的深海科學鉆探紀錄，但這個結果仍未達到鉆入地幔層的目的。

　　此后，世界各國相繼啟動了深海鉆探計劃、國際大陸科學鉆探計劃、深地鉆探計劃等。甚至還有科學家提出了更為大膽的設想，如美國加州理工學院的一位行星學家曾提出，通過某種途徑打開一個地殼裂縫（不排除采用核武方式），將一個柚子大小的探針與幾十萬噸重的溶化的鐵水一起注入裂縫，使其慢慢沉入地核，從而實現地心探測的目的。

　　很顯然，這個設想如同科幻電影中的場景，不僅需要巨額投資，而且操作起來難度極大，有些不切實際。

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　　向地球深部進軍

　　超深鉆一直是世界難題。隨著鉆探的深度不斷增加，施工難度越來越大，成本也越來越高。首先，面臨著溫度的考驗。從地表向下，平均每深入100米，溫度大約會上升3℃，如果鉆到10千米深度，溫度將高達300℃以上。這意味著，無論是鉆頭還是鉆桿都要面臨極大的考驗。

　　其次，在鉆探過程中還經常遇到鉆進方向傾斜或彎曲、因孔壁不穩定而發生坍塌等諸多科技難題。所以有專家直言不諱地說：“表面上看是打一口井，實際上卻是在考驗一個國家的經濟實力、基礎工業實力和整個科技的發展水平。”

　　2023年5月30日，位于新疆塔克拉瑪干沙漠腹地的深地塔科1井開鉆。盡管深井鉆探面臨著高溫高壓等重重困難，但技術人員憑借精湛的專業能力和驚人的毅力朝著萬米深度挺進，終于在2024年3月4日突破10000米，使其成為世界陸上第二口、亞洲第一口垂直深度超萬米的井。這不僅為今后的深地鉆探提供核心技術和裝備儲備，也證明了我國深地探測系列技術已跨入世界前列。

　　深地塔科1井

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　　2023年12月18日，我國首艘大洋鉆探船“夢想”號首次亮相。這艘鉆探船具備全球海域無限航區作業能力和海域11000米的鉆探能力，承載著全球科學家“打穿莫霍面、進入上地幔”的夢想，未來有望率先打開“地心之門”。

　　我國首艘大洋鉆探船“夢想”號

　　圖源 | 網絡

　　鉆探就像外科醫生的“手術刀”，深入地球取出某些“組織”供科學家化驗。雖然現在的地質學家可以利用地震波對地球進行“CT掃描”并推斷地層深部結構，但相比之下，鉆探更直接、更準確。我們相信，未來的鉆探技術一定能夠突破重重困難，帶我們目睹地殼之下的秘密。

　　本文創作團隊

　　撰文 | 馬志飛

　　編輯 | 李馨宇

　　封面設計 | 俠客君

　　審稿 | 李忠東

　　部分圖源| 愛給網 豆包AI