俄罗斯的科拉超深钻孔是世界上最深的人造洞,深达12262米(12.2公里),其深度超过了马里亚纳海沟和珠穆朗玛峰的高度。

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在1960年代的太空竞赛中,美国和苏联除了主打太空探索外,还在进行另一种竞赛,挖掘到地球中心,或者尽可能接近地球中心,于是才出现了世界上最深的洞:科拉超深钻孔。

为了研究20亿年前单细胞海洋生物的微观化石,以及地球深处的状态。1970年,苏联启动了这个钻探项目。后来随着温度和岩石密度等挑战的增加,该项目在1992年被迫停止,2005年该钻孔被永久封闭。

美苏的深钻竞赛

1958年,美国启动了名为“莫霍尔计划”的项目,目标是在墨西哥瓜达卢佩岛附近海底钻探,再从地幔层取回样本。1966年,由于美国国家科学基金会撤资,美国众议院终止了该项目,最终在海床上只钻进了601英尺(183米)。

1970年,苏联在俄罗斯摩尔曼斯克地区,靠近挪威边境的巴伦支海附近,开始了科拉超深钻孔项目。这个项目的钻探深度超过了以往任何项目,收集到的样本至今仍让科学家们感到惊奇。

德国地球科学研究中心科学地球探测联盟主任,乌尔里希·哈姆斯博士说,该项目是为了“解决关键科学问题”,帮助科学界解开地球的最大的谜团。哈姆斯博士曾亲临钻孔现场查看岩心样本,并研究了现已废弃的钻孔口。尽管科拉超深钻孔未穿透地壳,但它仍然是迄今为止人类钻探的最深孔洞。

科拉钻孔有多深?

科拉超深钻孔现场周围散布着腐朽的木头和被丢弃的金属板,这些都是曾经支撑着俄罗斯钻井架和外壳的遗迹。一个小而不起眼的重型井盖,被十几个生锈的大螺栓紧紧地锁着。正是在这个直径只有9英寸(23厘米)的井盖下,隐藏着世界上最深的人造洞穴。

科拉超深钻孔深入地球表面大约40230英尺(12262米),或者说7.6英里(12.2公里)。如果做对比,它的深度相当于珠穆朗玛峰和富士山加在一起的高度,比地球上最深的海沟还要深,太平洋马里亚纳海沟的深度为36201英尺(11034米)。

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从地球的结构看,我们居住的大陆地壳大约有25英里(40公里)厚,下面是大约1800英里(2896公里)的的地幔层,然后是大约1400英里(2250公里)的外核,最后到达地球的内核,这是一个热度极高、密度极大、主要由铁构成的球体,其半径大约为758英里(1220公里)。

尽管人类创造了最深点,但与地球的整体深度相比,实际上是非常浅的。科拉钻孔仅仅穿透了大约三分之一的地壳,相对于到达地球中心的整个距离,仅占0.2%。

这个工程从1970年5月24日开始钻探,直到1979年,深度达到了约6英里(9.5公里),才打破了地球上最深人造洞的纪录。到了1989年,该项目最终达到了地球表面以下垂直40230英尺(12262米)的深度。那时,井中的温度比预期的212华氏度(100摄氏度)高出很多,达到了356华氏度(180摄氏度)。

为什么要钻这么深?

挖这么深表面是为了研究,其实最直接的原因是为了开采化石燃料、金属等资源。世界上还有很多深层挖掘的例子,比如盐湖城附近有着100年历史的宾厄姆峡谷铜矿,是一个深达四分之三英里(1.2公里)、宽达2.5英里(4公里)的大坑;南非的金伯利钻石矿,也称为大洞,它是世界上最大的人工手挖掘、未使用机械的洞之一。

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后来人们还以科学研究的名义多次挖掘地球,目的是更深入了解地震、火山爆发等地质灾害,地热能、金属能源等地质资源,地球及其生命的演化,以及过去的环境变化。

哈姆斯还举了一个详细的例子,靠近地震带的观测,可以让研究人员监测到最微小的地震活动,他们希望通过这些近距离的物理、化学和机械数据,从根本上理解那些在实验室或计算机模型中无法简化的过程。

挖得这么深有多难?

1977年,美国宇航局发射的旅行者1号进入太空,并穿越了太阳系,进入了星际空间。到了2022年8月,这颗卫星已经飞行了146亿英里(约235亿公里)。但是,为什么20年来,工程师们在地球上只能挖掘几英里的深度呢?

其实挖掘地球中心比预先想象的要困难得多。1970年代在科拉超深钻孔项目开始时,钻头轻松地穿透了花岗岩。但当钻探深度达到大约4.3英里(6.9公里)时,就遇到了密集和难以穿的透岩石层导致钻头断裂,团队不得不多次改变钻孔的方向。最终他们尝试了几种不同的钻探路线,才得到了一条相对垂直的路线。

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在接下来的挖掘中,钻得越深地下的温度就越高。最初的温度梯度大约是每下穿10000英尺(3048米),增加的温度与科学预测相符。后来随着钻探深度的增加,热量变大加剧,在大约7.5英里(12公里)深的地方,温度达到了356华氏度(180摄氏度),远远高于他们预期的212华氏度(100摄氏度)。

工程师们发现,在钻到14800英尺(4511米)时,岩石的孔隙度和渗透性增大,再加上极高的温度,岩石的性质更像塑料而非固体,这让钻探变得极其困难。

这样的温度已经超出了他们的钻探设备的极限。尽管苏联人一直坚持到了1992年,但他们从未超过1989年达到的深度。钻探团队别无选择,只能停止项目,最终未能完成到9.3英里(15公里)的目标。2005年,钻探现场被正式关闭,钻孔被封存。

多年来,包括德国、奥地利和瑞典在内的其他国家也尝试进行了钻探。但没有一个能比科拉超深钻孔挖得更深,尽管有些钻孔的长度更长,是因为偏离了垂直方向。

科拉超深钻孔中发现了什么?

科学家们在科拉超深钻孔的研究中取得了许多发现。首先是地球内部温度的图表。他们还意外地发现,在花岗岩到玄武岩之间并没有过渡层,这个界限被地质学家称为“康拉德不连续性”,之前是根据地震反射调查推测其存在的。

另一个意外的发现是,液态水存在的深度比之前认为的要深得多。他们还发现了开放的盐水充满裂缝,这表明地壳并不是密不透风的,而是存在着允许流体流动的路径。研究人员怀疑,这些水可能是由于地球内部极高的压力,从岩石晶体中挤出来的。

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更加令人兴奋的是,在岩石中发现了生物活动的迹象。在深达4.4英里(7公里)的地方,研究人员发现了多种可以追溯到20亿年前的单细胞海洋生物的化石。这些化石被包裹在有机化合物中,尽管周围岩石承受着极端的压力和温度,但它们仍然保持的很完整。

我们可以更深入地挖掘吗?

哈姆斯表示,最终能否挖掘超过12公里(7.45英里)的深度,主要取决于两个关键因素:温度和钻孔的稳定性,而钻孔的稳定性又依赖于应力、应变,以及钻井液的成分和重量。要做到这一点,需要有相当先进的技术装备,尤其是那个深度的温度预计会达到500华氏度(250摄氏度)。

哈姆斯说,如果钻探到地幔,我们可以学到很多知识。我们的星球是如何演化的仍然是个谜。因此,达到地壳和地幔之间的不连续性边界,是目前科学研究的一个主要目标。