蘇聯的地球望遠鏡計劃——科拉超深鑽的故事

為了讓大家更好的了解蘇聯的地球望遠鏡——大陸科學深鑽計劃，我們將從本帖開始介紹，同時也對帖子主題做一修改，希望樓主能夠理解。

上天、入地、下海是人類向自然界挑戰的三大壯舉。自古以來人類從沒有停止過破解地球之謎，這不僅是好奇心的驅使，也是生存的迫切需要。從最初的觀察推斷得出天圓地方的猜測，到後來用科學計算試驗方法推翻地心說，而後用地球物理方法通過電磁波記錄地球活動的曲線。人類又把目光投向地球深遠處。著名法國科幻作家儒勒.凡爾納曾寫過一本名為《地心遊記》的小說，他極盡想像之能事描述了人們至今無法企及的大地核心景象。承載我們人類和萬物的大地深處到底是什麼？它是虛是實、是寒冷的冰窟還是沸騰的熔巖？還隱藏著什麼至今不為人知的東西？這是普通人的好奇，也是科學家孜孜以求的科學問題。即使在今天人類的太空飛行器已經駛出了太陽系，但對我們腳底的地球母親卻了解不過12公裡。

根據儒勒.凡爾納《地心遊記》改編的電影

1910年，南斯拉夫地震學家莫霍洛維奇契意外地發現，地震波在傳到地下50公裡處有折射現象發生。他認為，這個發生折射的地帶，就是地殼和地殼下面不同物質的分界面。1914年，德國地震學家古登堡發現，在地下2900公裡深處，存在著另一個不同物質的分界面。後來，人們為了紀念他們，就將兩個面分別命名為「莫霍面」和「古登堡面」並根據這兩個面把地球分為地殼、地幔和地核三個圈層。

從那時起，地質學形成了今天我們知道的一些基本理論：
-地殼是地球最外面的一層，一般厚33公裡（大陸）或7公裡（海洋）。地殼分為上下兩層，其間是康拉德面，在10公裡左右。上部地殼只有大陸有，海洋基本缺失。上部地殼主要為花崗巖層，下部地殼主要為玄武巖層。
-介於地殼和地核之間的部分是地幔，平均厚度為2870公裡左右。地幔也分為上下兩層，分界面約在1000公裡左右。上地幔主要由超基性巖組成。下地幔主要由超高壓礦物組成的超基性巖構成。
-在上地幔分布著一個呈部分熔融狀態的軟流圈，其深度在60-400公裡左右，是液態巖漿的發源地。由於莫霍面上下物質都是固態，其力學性質區別不大，所以將地殼和軟流圈以上的地幔部分統稱為巖石圈。"
-地球的中心部分為地核，半徑為3473公裡左右。地核又可分為外核和內核。根據對地震波傳播速度的測定，外核可能是液態物質，內核則是固體物質。地核的物質成分同鐵隕古相似，所有有時又叫「鐵鎳核心」。
-地球的形狀呈梨形，赤道半徑約為6378公裡，兩極半徑約為6356公裡。

但是，這些還僅僅是科學假說，因為那時人類認識的地球深度不過2公裡，即使對海洋的認識也是如此。凡爾納在小說《地心遊記》中描寫找到一條通往地心的秘密通道，其實，現實還很難有這樣的情況，而科學鑽探是人類目前獲得地球內部信息最直接有效的途徑。科學鑽探是通過鑽孔獲取巖芯、巖屑、巖層中的流體(氣體和液體)以及進行地球物理測井和在鑽孔中安放儀器進行長期觀測，來獲取地下巖層中的各種地球信息。它可以分為大洋科學鑽探、大陸科學鑽探、湖泊鑽探和極地鑽探。其鑽孔的深度可淺至數十米，也可深至數千米、甚至上萬米。因為大陸地殼比大洋地殼更古老，它的深處不僅蘊藏著更豐富的寶藏，而且有更多的不為人知的秘密。固體地球由地殼、地幔和地核組成。地殼和地幔的上部構成了支撐地球上生命的巖石圈。通過大陸科學鑽探對巖石圈進行直接取樣和觀測，可以了解和認識到大洋及大陸的板塊運動，地殼應力與地震活動、火山作用、深部資源、生命起源、全球環境與氣候變化，解決一系列重大基礎科學問題。因此在上個世紀60年代，隨著航天的發展，世界各國，尤其是美國和蘇聯，也展開了對地球深部探索的步伐，這就是著名的」地球望遠鏡「——大陸科學深鑽計劃的起因。
大陸科學鑽探是地球科學研究發展到一定階段的產物。大陸科學鑽探計劃的目標和要求解決的地球科學重大問題， 不同國家是不同的，隨著時間的推移，也有很大的發展。六十年代初，蘇聯出現用超深鑽研究大陸殼的思想，目的是要獲得有關地殼成分、內力作用，礦產資源等方面的直接資料。蘇聯大陸科學鑽探計劃的總目標是要建立地殼和上地幔結構模型， 研究礦床預測的新方法等等。較偏重於基礎地質和礦產資源方面。大陸科學鑽探受到了許多國家的重視，並召開了「國際大陸鑽探會議」，強調要解決的問題更寬廣了。國際大陸鑽探會議所強調要求解決的主要地學問題歸納為10個方面：
(1)地球早期歷史、全球氣候變化和生物圈界限；
(2)隕石衝擊和質量消失；
(3)地殼內流體問題；
(4)礦床起源，熱/巖石/水相互作用， 礦脈、礦床成因、流體來源通道
(5)火山系統；
(6)地殼地球物理的撿驗，特別是結晶巖中反射體成因；
(7)盆地演化和碳氫化物起源、遷移和儲集；
(8)巖石圈的動力學；
(9)地震機制；
(10)大陸巖石圈演化，包括地殼結構、大陸邊緣和大陸增生、殼/幔過渡、陸-陸碰撞帶、巖漿形成、遷移、定位、火山孤等。
從上可以看出，大陸科學鑽探作為地質研究的新窗口，並進行多學科多手段的綜合研究，將不斷有重大新發現， 推動地球科學的發展。大陸科學深鑽與地球早期歷史、地殼演化、深部地質等一些重大基礎研究問題，都要藉助深鑽提供的資料進行深入而有效的研究。

有關蘇聯大陸科學鑽探計劃中最著名的科拉超深鑽井的故事在網絡上流傳很多，最著名、最吸引眼球的就是所謂「科拉深鑽鑽到了地獄」的帖子，還煞有介事的附上了所謂地獄裡哭嚎的錄音，已經不知被瘋傳了多少。另外一個，就是2008年美國《連線》雜誌發表的一篇「蘇聯如何鑽出世界最深的井」的文章，附上了10張照片，同樣也是貌似公正地找了幾個所謂美國科學家，對科拉超深井做了一點似是而非的介紹後，不無酸楚地下了一個結論：科拉鑽井對地球學沒有產生太大的價值。文章這樣寫道：這種情況引出一個問題：為什麼前蘇聯付出的所有努力最終對地球學沒有產生太大的價值？史丹福大學的地質學家佐白科表示，科拉的目標沒有其他項目那麼明確，導致這一結果的原因可能是該項目只是為了獲得勝利，只想比其他國家鑽得更深，並不是出於一個特殊科學目的。

事實上，對於真實的科拉超深鑽的發展歷程、科研成果等，除了我國地質地球科學研究的專家學者們有一些論文外，還沒有認真做過詳細介紹，這也就是為什麼各種奇聞怪談能夠流行到如此地步。因此作為對蘇聯充滿熱愛的我們，有責任來挖掘整理，還原一個真實的蘇聯超深鑽計劃和展示蘇聯科學技術成就。

說到鑽井，我們就不得不說一下，1930年以前，世界鑽井的記錄是中國自貢的鹽井，燊海井是被稱作世界上第一口最早由人工鑽鑿的超千米深井。它在鑽井技術之上，堪稱世界之最。這口井座落在四川大安區阮家壩山下，佔地面積3畝，井位海撥341.4米，處在一口叫做長堰塘的堰塘旁邊。該井開鑽於清代道光十五年(公元1835年)，歷時3年，用人力衝擊式頓鑽法鑿成。井深1001.42米，既產滷，又產氣。而當井鑽成11年後，俄國的謝苗諾夫才於1846年鑽成了口淺井，採出少量井油。再過13年之後，美國的狄拉克才於1859年8月，鑽成一口21.69米深的井，而且只從井裡採出1.8噸多的井油。由此看來，中華民族不僅是一個勤勞勇敢的民族，而且具有昭著於世界的聰明才智。直到1930年才達到了3000米的記錄。

中國古代鑽井工具

在做完了有關的科普知識鋪墊後，現在開始我們對蘇聯的超深鑽探技術之旅。
在一些美國「磚家」的眼裡，蘇聯60年代開始的超深鑽探似乎也是當年太空競賽的翻版，蘇聯人就是為了和他們搶第一而進行的，下面的描述來自美國《科學新聞》：
「科拉超深鑽井被普遍認為是冷戰時期美蘇兩國在深部探測領域相互競爭的結果，而競爭目標是先於對方抵達地殼與地幔之間的界面——莫霍洛維奇不連續面，簡稱莫霍面。
1961年，美國開始實施「莫霍計劃」，在加利福尼亞灣附近地區鑽井。一年後，前蘇聯地質部和前蘇聯科學院也提出了本國的「莫霍鑽探計劃」，目的是研究莫霍面和地下貴重礦石的形成過程。
《地球科學》一書的作者Dean Dunn認為，前蘇聯之所以制定出自己的「莫霍面計劃」，是「1960年到1962年間太空競賽期間經濟利益與國家自信心相結合」的結果。」

但事實上是，鑽超深井用於科學目的的想法是由蘇聯地質學家在上世紀30年代推出的。只是由於當時各種條件的不成熟，蘇聯的計劃一直在科學家的醞釀中，直到1957年，美國宣布其大陸科學鑽探計劃後，蘇聯科學家們的方案終於開始清晰，尤其是1957年蘇聯發射成功世界上第一顆衛星開始了航天新時代後，這個入地的計劃在1958年開始起草並上報蘇共中央，蘇聯的超深鑽探終於開始啟動。

美國人一開始就採取了簡便的做法，在大洋上找一個地方開始鑽探，道理很簡單：按照常理，貌似海洋地殼怎麼說也比陸地要薄嘛！所以1957年，美國人在夏威夷群島附近毛伊島海域最有前途的領域開始鑽探，當時認為這裡的地殼只有5公裡就可以鑽到地幔，所以當美國人興高採烈的開始後，卻只鑽了3公裡就放棄了，因為這裡鑽不下去，最後被迫放棄。

一開始，蘇聯也是計劃在水下開始鑽探，基本設想和美國一樣，當時選擇的地點有裏海和貝加爾湖，前者是最大的內陸海，後者是世界上最深最大的淡水湖。1961年，當時主持這些項目的是蘇聯地質部成立了一個小組，專門負責深鑽計劃，成員包括：蘇聯地質學家Н.А. 費拉奇科瓦Беляевского，В.В. 別拉斯基Федынский ，地球物理學家В.В. 費登斯基Федынский。所以1962年，蘇聯在位於哈薩克斯坦共和國西部裏海低地阿勒索斯卡Аралсорская開始了第一口超深鑽探井，命名為「超深井-1號СГ-1」，該井鑽探於1961年10月6日開始鑽探，到1964年3月達到5公裡的深度，1966年9月7日首次在蘇聯和歐洲達到6公裡深度，1968年12月26日井深達到了6806米，該井成為蘇聯第一口超深井。

也就在同時期，蘇聯第2口超深鑽探井也在裏海附近比克扎斯卡Биикжальская開始開鑽，命名為「超深井-2號」（СГ-2），該井1962-1971年鑽探，最後達到6700米深度。

這兩口超深井是在沉積蓋層大盆地類型上進行鑽探，為後來科拉深井的鑽探提供了先期技術基礎，以研究裏海盆地在地球1000公裡直徑最大深度上的形成石油和天然氣的基本可能性。特別是為蘇聯開發本地區豐富的油氣資源提供了寶貴的資料，但是由於鑽探開始於60年代，技術手段還沒有更新，因此沒有再進行深入研究，隨著科拉超深井的開始鑽進，2口井在1971年全部停止。

科拉半島的海岸，裸露的巖石是上古地球時期形成的代表

儘管1961年已經開始在裏海區域進行超深鑽探，但該井屬於地質部，當時由於部門之間的關係協調問題，有關部門的科學家們開始商討進行國家統一管理、部門協作機制。大陸地殼遠比洋殼古老，隱藏有更多的地球奧秘。大陸還是人類直接居住，獲取主要礦產資源以及遭受地質災害威脅最大的地方，因此人們迫切希望通過大陸科學鑽探來更多和更深入地了解大陸。通過直接穿透研究地殼深部問題的提出始於1962年，根據蘇聯地質部和蘇聯科學院的提議，蘇聯最高蘇維埃主席團做出了專門的決議，決定實施國家超深（6000米）鑽探計劃，於是將20多個部門、機構和蘇聯科學院的代表人物聯合起來，建立了「地球內部和超深鑽探研究」的聯合科學委員會，它匯集了各部委和部門的大型科學和工業組織的約200名科學家和專家。首任主席是蘇聯地質學家、蘇聯科學院地質學委員會負責人А. В. 西多連科Сидоренко教授。這個委員會要為鑽探計劃提供經濟和技術援助， 選定鑽探位置，管理鑽探進度等， 並分析所獲得的資料。計劃總共打20口井，其中第一口井是科拉CГ-3 號, 它位於摩爾受斯克地區的貝辰加鎳礦區。這項工作由蘇聯地質部的專門小組來完成。

А. В. 西多連科

廣義地說，蘇聯的超深鑽探計劃是以下面三個相互聯繫而又相當困難的重大課題為目的:
1. 研究大陸地殼的結構與演化；
2. 尋找和發現超深礦床(包括石油和天然氣)；
3. 尋找適合於鑽探1-15公裡(溫度、壓力極高) 的既實用又經濟的鑽探技術。
選擇超深鑽孔位裡時必須高度謹慎, 以便為我們提供最多的資料。一般來說, 布置鑽孔要同時解決兩組問題：第一組問題包括在深部測定典型地質剖面的熱流和物理、機械、化學性質, 以及地殼的結構和成分隨深度和時代的變化；第二組問題是要獲得諸如地震、礦床的形成與變質作用、構造形變和巖漿熔融狀態等資料。

根據當時蘇聯科學家提出的一般地震模型，將大陸地殼分為三層：上部是幾公裡厚的沉積-火山成因的覆蓋層，中間是厚達35-40公裡的「花崗巖層」； 下層是厚約30公裡的「 玄武巖」 層。在某些地方，「 花崗巖」 層可以直接出露於地表，科拉超深鑽孔正是位于波羅的地盾結晶巖區這樣的地方。
何謂地盾？
地盾是一個地質學名詞，構造地貌的術語，是大陸地殼上相對穩定的區域。和造山帶相反，在地盾中造山活動、斷層以及其它地質活動都很少。地盾通常是大陸板塊的核心，環繞著寒武紀巖石褶皺。地盾是克拉通中前震旦紀或前寒武紀結晶基底大面積出露的地區。地盾長期處於上隆，沒有或很少有沉積蓋層。前寒武紀變質基底大面積出露，周緣被有蓋層的地臺所環繞，平面形態呈盾狀。在長期的地質歷史中，地盾輪廓變化不大，區內地勢起伏較小，由於地盾上出露的巖層都屬太古宙和元古宙，對它的研究可以發掘出地球演化早期歷史的寶貴信息。波羅的地盾（Baltic shield）是歐洲大陸最大的地盾區，包括北歐諸國和俄羅斯的科拉半島至卡累利一帶，面積約110萬平方千米，最老部分構成東部廣闊的基底。

波羅的地盾

據推測，從前寒武紀開始，這一地區發生了廣泛的侵蝕作用，而使上部厚達5-15公裡的花崗巖層被剝蝕掉，因此可認為，科拉剖面在平均的大陸地殼中的深度為15-25公裡。因為貝辰加含鎳區在整個波羅的地盾地質歷史和成礦作用方面是一個重要的具代表性的地區，故選擇這一地區進行超深鑽探。

右為Н.С.吉莫弗耶夫博士

1965年，蘇聯科學家Н.С.吉莫弗耶夫Тимофеев接任委員會主席，在他主持下1966年初，通過了在科拉半島布置第一口超深井的決議。鑽井布置在波羅的地盾上，距摩爾曼斯克州極地市15km，位於一個湖的湖邊。這個地點僅用地面地球物理方法進行過初步研究，距貝辰加鎳礦冶聯合體採礦區不遠有一些地質勘探井，深度都不超過1.5-2km。巖體深部特性的信息具有近似性，這就決定了必須制定直接鑽探的技術政策。

科拉半島大陸殼地質超深井(СГ-3)，由蘇聯地質部委託一支專門隊伍——科拉地質超深井鑽探遠徵隊（Кольская ГРЭ）從事該井鑽探實施。蘇聯地質部負責整個大陸殼研究計劃的組織領導，有150餘個研究單位和工業部門參加了該項計劃。項目負責人，就是當時蘇聯地質部副部長Е.А.科茲洛夫斯基Козловский。

忠誠堅定的蘇共黨員，蘇聯地質部部長Е.А.科茲洛夫斯基

科拉超深鑽的計劃是：
-研究深部地質構造和可能的含礦地層；
-探明地質特徵、地殼內部地熱狀態、深部水溶液和氣體；
-獲取巖石組分和物理狀態，鑽探並研究花崗巖與玄武巖之界面；
-促進深部巖層和礦體鑽探和地球物理勘探裝備與工藝的現代化。
由於當時的蘇聯科學院在科拉半島建設有中心，所以經過部門委員會協調，鑽探後的科研任務由地質部和蘇聯科學院在科拉中心完成，為了保證參與人員解決後顧之憂，經過部長會議批准，對這個鑽探計劃參與人員給予了優厚的福利和保障，因為他們要去的科拉半島，是一個條件艱苦的地方。

科拉半島源自薩米語：Guoládat 意即多魚之地（俄語：Кольский полуостров），在俄羅斯西北端。屬摩爾曼斯克州。北瀕巴倫支海，東、南臨白海，西以科拉河、伊曼德拉湖及尼瓦河為界。面積約10萬平方公裡。北部和中部是低山。南部為多沼澤和湖泊的平原、低地。西部邊緣有1，000米以上的山區，大部在北極圈內，1月平均氣溫-13至8℃，7月8至14℃。年降水量300-750毫米。夏有極晝，冬有極夜。氣候嚴寒，農業不發達。蘇聯科學院科拉中心主要有以下研究機構：

-地質研究所
-山區研究所
-化學和稀有元素以及礦物原料技術研究所
-經濟問題研究所
-信息學和數學建模過程研究所
-北方工業生態問題研究所
-極地高山植物園
-極地地球物理研究所
-北方電源物理和技術問題工程中心
-摩爾曼斯克海洋生物站。
主要研究領域包括：
-研究科拉半島的地質結構；
-自然礦物質地球化學過程和規律，制定有效的採礦和選礦技術；
-科學原理和複雜的處理方法
-研究巴倫支海和提高它的生物生產力的方法；
-摩爾曼斯克地區的土壤，植物和水資源的研究；
-植物馴化；
-環保；
-研究高層大氣和近地空間物理學問題；
-自然資源經濟評價;
-提高摩爾曼斯克地區和鄰近地區生產效率和生產力發展的前景與發展問題。

解禁了，先把視頻發上來，這是一個介紹科拉超深鑽的故事：

http://v.youku.com/v_show/id_XNzA5MDU0NTI0.html

附：地球深鑽的鑽口主要是2個,一個是著名的科拉超深鑽,一個在烏克蘭。也就是著名的大陸科學鑽探計劃。20世紀60年代初期，前蘇聯地質學家E·H·別利亞耶夫斯基等根據深部地球物理資料提供的地質構造，明確提出了前蘇聯科學深鑽和超深鑽計劃，是按「全蘇地球深部研究及超深鑽研究規劃」實施的，是前蘇聯地殼及上地幔綜合研究計劃的一個組成部分。

地殼深部結構研究分三個階段：第一階段（20世紀60年代）主要是提出任務，進行科學準備，製造深鑽設備、地球物理設備等；第二階段（20世紀70年代）進行薩阿特累、科拉半島深鑽試鑽，在一些地區進行深部地球物理探測；第三階段（1981年起）轉入有計劃地進行陸殼與上地幔綜合研究。深鑽試鑽是綜合研究計劃的重要組成部分和基本手段。1964年建立了超深鑽鑽探實驗室，1965年提出了15 000米超深井方案，1970年成立了「地殼深部研究與超深井鑽探部門間科學委員會」。科學委員會由原地質部牽頭，95個科研和生產單位參加，在「十五」（1986～1990年）計劃期間進行了198項深部結構研究任務。蘇聯解體之前，設計了18口科學深孔或超深孔，其中大於10 000米的有5口，大於6 000米的有15口。

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