我們挖過的最深的洞

2020-12-05 老胡說科學

北極圈深處的科拉半島的湖泊,森林,霧氣和雪可以使俄羅斯的這個角落看起來像一個童話般的場景。然而,在自然之美中矗立著一個廢棄的蘇聯科學研究站的廢墟。在搖搖欲墜的建築物中間是一個沉重的,生鏽的金屬帽嵌入混凝土地板中,由一圈厚厚且同樣生鏽的金屬螺栓固定。

據一些人說,這是地獄的入口。

這是Kola Superdeep Borehole,是地球上最深的人造洞,也是地球上最深的人造點。40,230英尺深(12.2公裡)的建築非常深,當地人發誓你可以聽到地獄中受到折磨的靈魂的尖叫聲。蘇聯人用了差不多20年的時間才鑽到這裡,但是當這個項目在後蘇聯時期的俄羅斯陷入混亂之後,鑽頭仍然只有通過地殼到地球地幔的三分之一。

蘇聯人的超深井並不孤單。在冷戰期間,超級大國有一場比賽儘可能深地鑽入地殼 - 甚至到達地球本身的地幔。 現在日本人想要去。

「這是在鐵幕開始鑽井時的時候,」國際大陸科學鑽探計劃的Uli Harms說道,他是一名年輕的科學家,他在德國競爭對手Kola鑽孔工作。「我們之間肯定存在競爭。其中一個主要動機是俄羅斯人根本不對他們的數據開放。

「當俄羅斯人開始鑽探時,他們聲稱他們已經找到了自由水 - 大多數科學家都不相信這一點。西方科學家之間曾經有過共同的理解,認為地殼在5公裡處非常密集,水不能透過它。「

「[新]項目的最終目標是獲得現有的地幔實際生活樣本,」日本海洋地球科學局項目經理Sean Toczko說。「在像阿曼這樣的地方你可以找到靠近地表的地幔,但那是數百萬年前的地幔。

鑽孔位於俄羅斯北部科拉半島的野外

「這是生活恐龍和化石恐龍骨之間的區別。」

如果地球就像一個洋蔥,那麼地殼就像地球上的薄皮。它只有25(40km)英裡厚。除此之外,還有1800英裡深的地幔以及地球中心以外的地幔。

像太空競賽一樣,探索這個未知的「深度前沿」的競賽展現了工程實力,尖端技術和「正確的東西」。科學家們前往沒有人去過的地方。這些超深井眼可供應的巖石樣本對於科學來說可能與美國國家航空航天局從月球帶回來的任何東西一樣重要。唯一的區別是這次美國人沒有贏得比賽。事實上,沒有人真的這樣做過。

蘇聯人於1970年開始在北極圈進行演習

美國已經開啟了第一次探索深海邊境的演習。在20世紀50年代後期,美妙的美國雜項協會提出了第一個深入到地幔的嚴肅計劃。社會轉型飲酒俱樂部是一個非正式的團體,由美國科學界的主要燈光組成。他們穿過地殼鑽到地幔的裂縫稱為Mohole項目,將地殼與地幔分開。

由小說家約翰斯坦貝克觀察的美國探險隊決定在墨西哥瓜達盧佩附近的太平洋海底進行短途切割,而不是鑽一個非常非常深的洞。

在海底鑽探的優勢在於地球的地殼更薄; 缺點是地殼最薄的區域通常是海洋最深的地方。

鑽孔仍然存在 - 但入口已被焊接關閉蘇聯人於1970年開始在北極圈進行鑽探。最後,1990年,德國大陸深鑽探計劃(KTB)在巴伐利亞開始 - 最終鑽探到5.6英裡(9公裡)。

與登月任務一樣,問題在於這些探險成功所需的技術必須從頭開始發明。

當1961年Mohole項目開始鑽入海底時,石油和天然氣的深海鑽探仍然遙遠。目前還沒有人發明過動態定位等基本技術,這使得鑽井船能夠保持在井上的位置。相反,工程師不得不即興發揮。他們沿著鑽船的兩側安裝了一個螺旋槳系統,使其在鑽孔上保持穩定。

在尼爾·阿姆斯特朗登上月球的兩年前,美國國會取消了Mohole項目的資金,當時成本開始失控

德國工程師面臨的最大挑戰之一是需要鑽一個儘可能垂直的孔。他們提出的解決方案現在已成為世界石油和天然氣領域的標準技術。

「俄羅斯人的經驗顯而易見的是,你必須儘可能垂直鑽孔,否則會增加鑽孔的扭矩和鑽孔中的扭結,」Uli Harms說。「解決方案是開發垂直鑽井系統。這些現在是行業標準,但它們最初是為KTB開發的 - 它們的工作時間直到7.5kms(4.7英裡)。然後在最後1.5-2km(.9到1.25英裡)的距離,這條洞離開垂直線近200米。

德國人在1990年開始了他們自己的超深井項目「我們試圖在90年代初期或80年代後期利用一些俄羅斯技術,當時俄羅斯變得更加開放,並願意與西方合作,」他補充說。「不幸的是,不可能及時獲得設備。」

然而,所有這些探險都以一定程度的挫敗感結束。有錯誤的開始和阻塞。然後,他們的機器遇到了地下深處的高溫,成本和政治 - 所有這些都使科學家的夢想深入鑽探,打破了最深洞的記錄。

在Neil Armstrong登上月球的兩年前,美國國會取消了Mohole項目的資金,當時成本開始失控。他們能夠提供的幾米玄武巖的成本約為4000萬美元(3100萬英鎊)。

當荷蘭藝術家樂天Geevan放下她的麥克風保護下來的德國鑽孔保護罩時,它發出一聲深沉的隆隆聲,科學家無法解釋

然後是Kola Superdeep Borehole的轉彎。1992年,當溫度達到180℃(356°F)時,鑽井停止。這是該深度預期的兩倍,鑽井深度不再可能。在蘇聯解體後,沒有資金為這些項目提供資金 - 三年後整個工廠被關閉。現在這個荒涼的地方是冒險遊客的目的地。

德國鑽孔已經倖免於其他人的命運。巨大的鑽機仍在那裡 - 今天是一個旅遊景點 - 但今天起重機只是降低了測量儀器。該網站實際上已成為這個星球的天文臺 - 甚至是一個藝術畫廊。

當荷蘭藝術家樂天Geevan放下她的麥克風保護下來的德國鑽孔保護罩時,它發出了一種深沉的隆隆聲,科學家們無法解釋,這種隆隆聲使她「感覺非常小; 這是我生命中第一次活著的這個大球變得生動起來,聽起來令人難以忘懷,「她說。「有些人認為這聽起來像是地獄。其他人認為他們可以聽到地球呼吸。「

「計劃在那裡比蘇聯更深入地鑽探,」哈姆斯說,「但是在我們擁有的時間裡,我們甚至沒有達到10公裡(6.25英裡)的允許階段。然後,我們鑽井的地方比俄羅斯人的地方要熱得多。很明顯,我們要更加深入了解它將變得更加困難。

「到那時,它也是德國的90年代初期,沒有任何好的論據來籌集額外的資金來進一步深化,因為德國的統一花費了這麼多錢。」

很難不擺脫對地球地幔的競爭是著名小說「地球中心之旅」的更新版本的感覺。雖然科學家們不希望找到一個充滿恐龍的隱藏洞穴,但他們確實將他們的項目描述為「遠徵」。

「我們認為這是一次遠徵,因為它在準備和執行方面確實需要一些時間,」哈姆斯說,「而且因為你真的要進入無人區,以前沒有人去過,那就是今天真的不尋常。

關於這些任務的事情是它們就像行星探索 - 達蒙特哈格

「你總會在那裡找到讓你感到驚訝的東西,特別是如果你進入一個非常深的地殼區域。

「如果我們談論KTB或Kola Superdeep,那麼在鑽探開始時,項目目標背後的理論已經有30到40年的歷史了。」

「這些任務的關鍵在於它們就像行星探測一樣,」南安普頓大學南安普頓國家海洋學中心海洋與地球科學學院地球化學教授Damon Teagle說道,他一直積極參與新日本人項目。「他們是純粹的科學事業,你永遠不知道你會發現什麼。

「在1256洞[由深海鑽探工程(DSDP)和海洋鑽探計劃(ODP)鑽探的一個洞],我們是第一個看到完整的海洋地殼。以前沒人接受過。這真的很令人興奮。總會有驚喜。「

自20世紀90年代初以來,Kola Super Borehole遺址一直處於廢棄狀態今天,「M2M-MoHole to Mantle」是國際海洋探索計劃(IODP)最重要的項目之一。與最初的Mohole項目一樣,科學家們正計劃鑽探海底只有6公裡(3.75英裡)深的地殼。10億美元(7.75億英鎊)超深鑽探項目的目標是在人類歷史上第一次恢復原位地幔巖石。

「要做到這一點將是一項了不起的事情,需要日本的巨大承諾,」參與該項目的Teagle說。

儘管該項目非常重要,但是大約20年前,Chikyū的巨型鑽探船正在建造這個項目。Chikyū使用GPS系統和六個可調節的計算機控制的噴氣機,可以改變大型船舶的位置,只需50釐米(20英寸)。

日本海洋地球科學局項目經理Sean Toczko說:「我們的想法是,這艘船能夠接觸並繼續50年前原始Mohole項目開始的工作。」 「超深井在告訴我們厚厚的大陸地殼方面取得了很大進展。我們要做的是了解更多關於地殼 - 地幔邊界的信息。

這些探險活動非常昂貴 - 因此難以重複 - Uli Harms

「主要的關鍵點是有三個主要的候選站點。其中一個在哥斯大黎加附近,一個在巴哈附近,一個在夏威夷附近。「

每個站點都涉及到海洋深度,距離鑽井現場的距離以及岸上基地需求之間的折衷,這可以支持每天24小時,每天24小時的海上作業。「可以建立基礎設施,但這需要時間和金錢,」Toczko補充道。

「最終,這確實是一個成本問題,」哈姆斯說。「這些探險活動非常昂貴 - 因此很難重複。它們可能花費數億歐元 - 實際上只有一小部分用於地球科學,其餘的將用於技術開發,當然還有操作。

「我們需要鼓舞人心的政治家們來談談這些探險的價值。」

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