深入挖掘地幔的秘密

“这次探险的花费还不到卡纳维拉尔发射台发射一枚闪闪发光的导弹，但这个项目肯定是一次发现新世界的冒险，就像哥伦布的三艘小船一样。”约翰·斯坦贝克说写了在生活杂志1961年4月。

斯坦贝克在莫霍项目期间在一艘钻井船上进行报道。这次科学巡航的目的是深入墨西哥瓜达卢佩岛海岸附近的太平洋海底，从地壳和地幔之间的边界收集第一个样本。这个区域被称为莫霍罗维契不连续面，简称莫霍面。

莫霍计划没有达到它的目标:它只成功地在海底沉积物下的玄武岩中钻了几米。尽管如此，这次探险是科学界的一次重大胜利。法国蒙彼利埃大学(University of Montpellier)的地球科学家Benoît Ildefonse解释说:“他们证明了在海洋地壳深处钻探的可行性。”

该项目及其开发的技术导致了一个持续了50多年的国际科学海洋钻探计划。德国基尔Geomar Helmholtz海洋研究中心的海洋地球物理学家Christian Berndt说，这个目前被称为国际海洋发现计划(IODP)的项目，已经监督了1500多个出于科学研究目的在海洋下面的地壳上钻的钻孔。

海底

伯恩特解释说:“钻井是真正了解海底深处情况的唯一可能。”我们所掌握的关于地壳、地幔和地核组成的大多数线索，都来自于对地球重力和磁场的观测，以及地震波是如何在其中传播的。伯恩特说:“但你无法证明你在地球物理数据中解释的东西是真的，(直到)在海底钻探。”

在海底而不是陆地上钻探似乎是一个奇怪的选择，但这是有充分理由的:“这里是地壳最薄的地方。它只有6公里厚，而大陆上有几十公里厚，”Ildefonse解释道。来自日本海洋地球科学技术机构(Jamstec)探险项目管理团队的Sean Toczko补充说，海洋钻探让我们“走了一条捷径，更快地到达下地壳和上地幔”。

然而，这是一个陆上钻探项目，保持着最深的人造洞的记录。负责前苏联科拉超深钻孔项目的科学家们花了24年时间，在俄罗斯与挪威边境附近钻了一个直径23厘米的洞，深度达到12.26公里，该项目于1994年被封存。

下钻

还没有人能钻到莫霍面那么深，也就是地幔。目前为科学研究而钻的最深海底钻孔的记录是3.25公里。这是2019年初在日本西南部太平洋南开海槽的一个地点实现的。

科学钻井船Chikyu, Jamstec皇冠上的宝石，被用于这项任务。Chikyu号自2007年开始运营，全长210米，与英吉利海峡上最大的渡轮大小相同，可容纳200名科学家、工程师和技术人员。它拥有最先进的科学实验室和立管和非立管钻井系统。

Chikyu是唯一一艘拥有立管系统的科学钻井船，正是这台机器开启了成功到达地幔的诱人可能性。隔水管钻井过程有许多附加组件，包括使用连接船舶与海底井口的管道(隔水管)。Toczko解释说:“隔水管钻井过程创造了一个封闭的循环系统，可以调节泥浆的重量，以平衡周围岩石的静岩力，从而使钻井比其他方法更深入。”

在海洋钻探探险期间，从钻机系统上的科学仪器中收集了大量的数据。在取出钻头后，还将其他仪器放入空孔中。测量的参数包括周围岩石的密度和孔隙度及其电阻，这使科学家能够计算出那里存在的流体类型。

样本的审查

从科学上讲，从地壳中收集的岩心也很有趣。Chikyu的取芯系统一次可收集950万颗岩芯。Toczko说:“取样完成后，将岩心桶拉回船上回收岩心，然后将一个新的空岩心桶放入钻杆中继续取心。”一旦岩心被放到甲板上，就会收集从岩心中释放出的气体样本。然后它们被分成更小的部分，并被带到船上的实验室。

首先，将核心部分放入计算机断层扫描仪中，以检查任何值得仔细检查的有趣的内部结构。然后，科学家们开始认真地进行分析。托奇科说:“有一整套昼夜不停的工作机制。”

日本大阪城市大学的地球化学家Harue Masuda解释说:“在船上分析了岩芯样品的固体、液体和气体相的无机和有机成分。”她补充说:“分析的成分包括主要、次要和稀土元素、无机和有机碳、甲烷、其他烷烃、氢和碳同位素。”科学家们还对这些液体进行了微生物测试，并评估了矿物质的化学和物理性质。

岩芯随后被冷冻起来，准备在研究团队之间进行分配，以便日后在岸上进行进一步分析。

行星宝藏

莫霍计划60年后，人们一直梦想着下钻获取原始地幔的样本。英国南安普顿国家海洋学中心的地球化学家达蒙·蒂格尔说:“如果我们能得到一些原始的地幔样本，那将是行星地质学的宝库。”他补充说:“地幔是地球上体积和质量最大的部分，但我们没有任何原始样本。”

对于许多元素，我们对它们丰度的估计只是猜测

到目前为止，我们对地幔组成的大部分了解都来自地球物理观测。通过研究在海底几个地方发现的暴露的(高度变形和风化的)地幔、岩浆和火山岩以及陨石，也收集了一些线索。

科学家们特别感兴趣的是量化产生热量的放射性元素和挥发物，如碳、硫、水和惰性气体。“对于许多元素，我们对它们丰度的估计只是猜测。人们观察碳质球粒陨石的组成，并进行一些粗略的计算，计算出地壳中有什么，内核中有什么，然后说“好吧，其余的部分必须在地幔中，”蒂格尔解释道。

确定地幔的组成将有助于我们了解地球是如何运作的。例如，碳含量将提高我们对深层碳循环(碳在地幔和地核中的循环过程)及其在控制地球气候中的作用的理解。

缓慢的深层碳循环和碳在大气和地球表面的快速移动密切相关。伊尔德方斯说:“它们在某些地方相互作用，特别是在大洋中脊，在那里，水圈与下面地壳和地幔中的岩石之间发生了大量交换。”

科学家们还想量化地幔的含水量。日本金泽大学(Kanazawa University)的地球科学家Susumu Umino说，我们不知道地球内部有多少水，但我们认为地幔可能是一个主要的水库。地幔的水浓度决定了它的流变性，并影响对流如何通过它。正是这些对流运动了地壳板块，引起了地震和火山爆发。因此，了解地幔的水浓度将使科学家更好地理解这些地质现象的原因。

莫霍计划，两次

Unimo, Teagle和Ildefonse都是Mohole to Mantle项目的组织团队成员，这是计划中的下一个地幔钻探尝试。大约十年前，在夏威夷、下加利福尼亚和哥斯达黎加海岸发现了三个潜在的钻井地点。这三个地点的选择仍在进行中。长时间的海洋钻井勘探是很常见的。

要了解我们自己星球的一些非常关键的元素，花不了多少钱

Ildefonse解释说:“我们现在在等待几件事。“我们正在等待更多的地壳地震成像，这样我们就能确切地知道我们想要去哪里。他补充说，还需要新的钻井机械来抵御高温，还需要更结实、更轻的钻杆。

Ildefonse预测，在某种程度上，该项目也会遇到资金问题。Mohole至Mantle项目预计耗资约3.5亿美元(2.65亿英镑)。他解释说，地质学家不熟悉在一个项目上花这么多钱。美国国家航空航天局估计，火星毅力探测器项目将花费27亿美元，詹姆斯·韦伯太空望远镜将花费100亿美元。伊尔德芳斯说，如果你从这个角度来看，“了解我们自己星球的一些非常关键的元素并不需要花那么多钱”。

对于那些想要更好地了解地震的人来说，地幔并不是海底下唯一值得参观的地方。地壳中两个构造板块交汇的地方也引起了极大的兴趣。在2019年的南开海槽钻探工作中，Chikyu的钻头达到了创纪录的3.25公里深度，实际上是为了寻找埋在海底5公里以下的板块边界断层。增田解释说，由于钻孔坍塌的问题，不可能再进一步钻探。

我们想要接触地震发震带，了解地震发生时发生了什么

南开海槽是地球上最活跃的地震带之一。她说，地震被认为发生在两个移动的构造板块因摩擦而粘在一起，然后突然分开的时候。增田说:“我们想要接触地震发震带，了解地震发生时(那里的岩石)发生了什么。”识别这些区域的岩石和沉积物结构将有助于深入了解它们的强度和摩擦特性，以及它们如何响应卡板引起的应力而变化。增田说，这将有助于阐明粘性构造板块在引发地震中所起的作用。

样本收集尝试是南开槽孕震带实验(也称为NanTroSeize)的关键要素。到目前为止，该项目在南开海槽周围的17个不同地点钻了80个孔。已经收集了近5公里的岩心，并在海底下安装了许多传感器，包括地震仪、温度和压力传感器，以记录活动中的地震。增田说，他们也计划重新尝试从这里的板块中收集样本。

闭嘴吧

南开海槽的传感器是自1991年以来在海洋地壳上安装的30多个钻孔天文台的全球网络的一部分。这些观测站是装有仪器的设备，被下放到海底约800米深的钻孔中。它们被称为循环排便改造套件，或软木塞。美国西雅图华盛顿大学的海洋地球化学家埃文·所罗门解释说:“软木之所以被称为软木塞，是因为它们可以密封钻孔的顶部。”

他说:“没有科学天文台，就像天文学家没有望远镜一样。”许多现代软木塞收集井内流体，以及温度、压力和其他地球物理数据。通过渗透压，液体被缓慢地收集起来，通过一个阀门进入一个细长的线圈。所罗门说:“现在你有了一个流体的时间序列，你可以在其中测量任何你想测量的东西。”典型的实验包括分析流体的化学成分如何随时间变化以及对环境扰动的响应，以及监测海底微生物的生命。

没有科学天文台，就像没有望远镜的天文学家

美国阿拉斯加费尔班克斯大学的海洋地球化学家Geoff Wheat解释说，软木塞最近也开始被用于主动实验。这些方法包括向周围岩石中注入地球化学示踪剂，并跟踪它们的前进运动。通过这样做，科学家可以收集有关海洋地壳中流体流动方向和速度的信息。

必须亲自访问软木塞，以便开始主动实验、收集流体样本和下载数据。研究人员每两到五年就会通过潜艇或遥控水下航行器对它们进行一次访问。麦特解释说:“有了潜艇，你就在一个直径6英尺6英寸(2米)的小球里，所以当你有三个成年人在里面，还有各种各样的仪器时，它就会变得非常紧凑。”通常情况下，一次海底之旅要持续9个小时，其中近一半的时间都花在了下潜和上浮上。

最近安装的Corks位于新西兰北岛东海岸的Hikurangi板块边界。该地区的板块运动已经引发了多次大地震和海啸。所罗门是2018年安装软木塞的团队的一员，然后在2021年3月用遥控水下航行器重新访问了它们，恰好在附近发生一系列地震的一周后。所罗门说:“我们刚刚获得了访问天文台的资金，并在2023年恢复井下仪器。”

历史的痕迹

Chikyu并不是唯一一艘用于部署Corks的船只，因为不需要隔水管钻。由美国德州农工大学(Texas A&M University)运营的143米长的Joides Resolution钻井机自1985年以来一直是海洋科学钻探的主力。它有一个非立管钻机，用于大多数海洋钻探探险，包括最近的新西兰软木塞探险。欧洲海洋研究钻探联盟(European Consortium for Ocean Research Drilling)偶尔也会租用商业石油钻井船或平台进行科学考察。

Joides Resolution最近一次科学考察是在2021年8月至10月期间，在挪威西海岸附近进行的。大约5600万年前，在过去的一次气候变化事件中，这个被称为挪威中部火山边缘的地区有许多火山活跃。杰奥马尔的伯恩特是探险队的首席研究科学家之一。他解释说，在9个不同的地方钻了20个洞，最深的洞有405米。

这次巡航的科学目标之一是寻找这段全球快速变暖的古代时期的信息。伯恩特说:“那是气候最后一次像现在这样迅速变暖，所以找到在过去这种变暖过程中活跃的地质和环境过程是非常相关的。”

碳封存

那次考察的目标之一是考察该地区海底下的玄武岩是否可以用来永久储存发电厂和其他碳排放源(如钢铁、水泥和铁厂)产生的过量二氧化碳。

碳捕获与封存(CCS)项目通常将多余的气体储存在不渗透岩层下废弃的地下油藏中。这种类型的存储需要长期监控以检查泄漏。另一种吸引人的方法是将二氧化碳注入玄武岩，在那里气体与岩石反应形成稳定的固体碳酸盐矿物。

像树木和植物一样，玄武岩自然会从大气中吸收二氧化碳，所以这种类型的CCS只是自然过程的加速版本。矿化过程大约需要两年时间，一旦完成，二氧化碳就会永远被封存起来。

“玄武岩是地球上最常见的岩石类型，”南安普顿国家海洋学中心的地球工程师于尔格·马特(Juerg Matter)说。“海洋地壳是玄武岩，地球表面也有玄武岩。“CCS并不是在所有玄武岩中都可行，因此需要在现场采样，以检查其在潜在注入地点的适用性。”

在玄武岩中进行永久性CCS已经在一些地方进行了大规模演示，包括冰岛雷克雅未克附近Hellisheiði地热发电厂的碳修复项目。Matter为CarbFix提供了科学支持，该公司自2012年以来一直在地下注入二氧化碳。到目前为止，所有的CCS注入玄武岩都是在陆地上进行的，但在海上进行CCS注入的计划正在增加。

自从60多年前斯坦贝克起航报道莫霍计划以来，一个原始的地幔样本可能仍然是难以捉摸的，但科学海洋钻探的发展超出了他最狂野的预期。钻孔和软木塞的安装，为我们提供了关于地球内部运作的宝贵信息。这些发现不仅让地质学家感到高兴，还对更好地了解地震和其他影响社会的自然灾害、地壳的宜居性和其他地方的生存潜力，以及地球气候系统以及应对气候危机的潜在解决方案，具有实际意义。

妮娜·诺特曼，英国索尔兹伯里科普作家