向地心挺進(jìn)：萬(wàn)米深地，非入不可嗎？

出品：科普中國(guó)

作者：李勃（陜西省生物農(nóng)業(yè)研究所）

監(jiān)制：中國(guó)科普博覽

古今中外，神話故事中那些法力無(wú)邊的神仙，總是會(huì)被描述為高深莫測(cè)，能飛天遁地?！吧咸臁?、“入地”一直是人類渴望揭秘自然、拓展認(rèn)知邊界的夢(mèng)想。

自1957年，蘇聯(lián)成功發(fā)射了第一顆人造衛(wèi)星以來(lái)，人類已對(duì)太空進(jìn)行了無(wú)數(shù)次成功探索。如今，我國(guó)“天問(wèn)一號(hào)”火星探測(cè)器已成功著陸火星表面，我們的“天和”空間站也已經(jīng)遨游太空。

“上天”，對(duì)于人類來(lái)說(shuō)，似乎已經(jīng)不是什么難事。相比之下，人類“入地”的本事又有多大呢？

為什么一定要“入地”？

地球是人類賴以生存的家園，但又時(shí)不時(shí)會(huì)給人類帶來(lái)地震、火山和泥石流等各種地質(zhì)災(zāi)害。為了自身生存的需要，人類迫切地希望了解地球。從但丁《神曲》描繪想象中的地獄景象，到凡爾納《地心游記》描寫有著大海、蘑菇森林和遠(yuǎn)古巨獸的地下世界，都表露出人類對(duì)地球深部奧秘的揣測(cè)想象與強(qiáng)烈好奇。

事實(shí)上，迄今為止人類發(fā)展所需的全部物質(zhì)資源都來(lái)自于地球?，F(xiàn)有的科學(xué)研究成果顯示，地下深度2公里以內(nèi)是地下水資源和人類可利用的空間；深度5000米到1萬(wàn)米左右則是能源和資源空間，這里有豐富的油氣、礦產(chǎn)和地?zé)豳Y源。據(jù)估算，如果平均開采深度能夠達(dá)到地下2000米，那么我國(guó)的礦物和油氣資源供給將能夠在現(xiàn)存基礎(chǔ)上再翻一番。近年來(lái)，我國(guó)在塔里木不斷地發(fā)現(xiàn)一些超深的大氣田，差不多都是在地下9000米到1萬(wàn)米之間發(fā)現(xiàn)的。

圖1《地獄的深淵》由波提切利于1480年為但丁的《神曲》繪制的插圖，現(xiàn)收藏于羅馬梵蒂岡圖書館

（圖片來(lái)源：中央美術(shù)學(xué)院）

此外，隨著全球變暖問(wèn)題日益加劇，對(duì)于地?zé)岬睦靡舱谑艿街匾暋⑦@些深埋地下的熱能置換出來(lái)用于發(fā)電或者直接應(yīng)用于生產(chǎn)生活，對(duì)于未來(lái)人類的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

同時(shí)，地表1萬(wàn)米再往下則是地震、火山爆發(fā)等自然災(zāi)害發(fā)生的空間。對(duì)地球內(nèi)部的探索，不僅有益于進(jìn)一步解決人類發(fā)展的資源和能源需求，從更長(zhǎng)遠(yuǎn)看，如何及時(shí)預(yù)測(cè)地質(zhì)災(zāi)害、有效應(yīng)對(duì)全球氣候變化危機(jī)，也需要從塵封在地下的巖石中尋找答案。

“入地”究竟有多難？

然而，相比空無(wú)一物的太空，我們身處的這個(gè)有著46億年歷史的藍(lán)色星球，有它自己獨(dú)特的構(gòu)造和物質(zhì)分布。如果把地球的構(gòu)造想象成這個(gè)咸鴨蛋，地殼就相當(dāng)于這一層薄薄的蛋殼，平均厚度大概33公里。而目前人類探索地球的最深記錄是上世紀(jì)末蘇聯(lián)在科拉半島上創(chuàng)造的12262米。與6000多公里的地球半徑相比，這點(diǎn)兒距離就好像僅僅是在地球的表皮上鑿了個(gè)小坑。

圖2 地球結(jié)構(gòu)示意圖

（圖片來(lái)源：veer圖庫(kù)）

其實(shí)，自人類文明誕生之日起，我們就一直在努力的向地下進(jìn)行著探索。早在公元前1500年前后，我國(guó)商代的甲骨文中就已經(jīng)有了“井”字，這個(gè)象形文字生動(dòng)地向我們展示了人們從地表向下挖掘一個(gè)筒形的通道，目的很簡(jiǎn)單，就是為了汲取地下水。

圖3商代甲骨文中井字

（圖片來(lái)源：中國(guó)文字博物館）

可能有人會(huì)詫異，所謂“入地”，說(shuō)白了不就是向下挖，這有什么難的？但其實(shí)，說(shuō)起來(lái)簡(jiǎn)單，做起來(lái)卻很難。歷經(jīng)2500多年的發(fā)展，到北宋時(shí)期我們鉆井的深度也僅僅達(dá)到130米左右，而這在當(dāng)時(shí)已經(jīng)是全球領(lǐng)先水平了。

“入地”之所以艱難，主要有三個(gè)原因：首先，最主要的原因是地球表面的堅(jiān)硬巖石阻隔，要持續(xù)向下開鑿這些堅(jiān)硬的石頭需要消耗巨大的人力物力。其次是溫度，鉆探深度每下降100米，溫度就會(huì)升高1-3攝氏度，同時(shí)壓力也會(huì)越來(lái)越大，這對(duì)于挖掘設(shè)備的破壞是十分嚴(yán)重的。最后是壓力，相比“飛天”只需要克服重力和空氣阻力的影響，“入地”面對(duì)的情況則要復(fù)雜的多，地殼深部的巖層會(huì)受到來(lái)自四面八方各種壓力的作用。所以，當(dāng)鉆探深入地下取出巖心后，形成的鉆孔就受到周圍壓力的作用，很容易垮塌、變形，讓之前所有的努力都付諸東流。綜上，隨著深入地下的距離越大，鉆探的難度也會(huì)成幾何倍數(shù)增加。

仍以我們前面提到的科拉半島鉆探為例，從1970年開鑿，到1983年該井深度就已經(jīng)達(dá)到了12000米。但是，從12000米到12262米，短短的262米卻耗時(shí)整整十年。而實(shí)現(xiàn)這一人類歷史壯舉背后耗費(fèi)的資金，更是難以估量的。最終，受限于當(dāng)時(shí)技術(shù)和資金的問(wèn)題，1992年科拉深井的鉆探被迫停止。

縱觀歷史，人類花了將近4000年的時(shí)間，深入地球內(nèi)部的距離還不到地球半徑的2‰。

圖4 1980年科拉深孔突破10000m留念

（圖片來(lái)源：pechenga）

伸入地球內(nèi)部的“內(nèi)窺鏡”

基于上述的重重困難，人類對(duì)地球內(nèi)部的直接觀察一直十分有限。到目前為止，我們對(duì)地球內(nèi)部的認(rèn)識(shí)大多是通過(guò)地球物理學(xué)等間接方法獲得的推測(cè)。因此，若想要對(duì)地球奧秘進(jìn)行最直接的探索，必須深入到地球內(nèi)部獲取樣品及各種信息。而科學(xué)鉆探是獲取地球深部物質(zhì)和了解地球內(nèi)部信息的最直接、最有效、最可靠的方法。

通過(guò)數(shù)千米甚至上萬(wàn)米的科學(xué)鉆探，科學(xué)家可以揭示地殼的物質(zhì)組成與結(jié)構(gòu)構(gòu)造，探索地球深部流體系統(tǒng)、地?zé)峤Y(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)生物起源的線索等，從而解決一系列重大基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)題。因此，科學(xué)鉆探也被科學(xué)家們形象地稱為給地球做個(gè)“內(nèi)窺鏡檢查”。

科學(xué)鉆探主要分為大洋鉆探和大陸鉆探，而世界上最早的科學(xué)鉆探活動(dòng)開始于海洋。20世紀(jì)50年代末，美國(guó)啟動(dòng)了第一個(gè)科學(xué)鉆探計(jì)劃——“莫霍面鉆探計(jì)劃”，目的是要鉆透莫霍面（地殼和地幔的接口）。該計(jì)劃于1961年3月開鉆，但由于技術(shù)難度大和費(fèi)用高昂，到1966年8月就被迫終止了。

其后，美國(guó)又陸續(xù)發(fā)起了“深海鉆探計(jì)劃”（1966-1983）和“大洋鉆探計(jì)劃”（1985-2002）。這兩個(gè)國(guó)際大科學(xué)工程，為驗(yàn)證大陸漂移和板塊學(xué)說(shuō)提供了支持。

而大陸科學(xué)鉆探始于20世紀(jì)70年代，發(fā)端就是我們前面提到的蘇聯(lián)的科拉深井，迄今它仍然是世界最深的鉆井。其后，德國(guó)、法國(guó)、美國(guó)、瑞典、加拿大、日本等國(guó)也相繼開展了大陸科學(xué)鉆探工程。

1996年由中、德、美三國(guó)共同發(fā)起的“國(guó)際大陸科學(xué)鉆探計(jì)劃”正式啟動(dòng)。27年來(lái)，在黨和國(guó)家大力支持下，中國(guó)近萬(wàn)名專家學(xué)者和技術(shù)工人一道，相繼開展了中國(guó)大陸科學(xué)鉆探、汶川地震斷裂帶科學(xué)鉆探、中國(guó)大陸環(huán)境科學(xué)鉆探、渭河盆地科學(xué)鉆探等多個(gè)重大科學(xué)工程，為我國(guó)科學(xué)鉆探事業(yè)取得前所未有的成績(jī)。

2005年8月，7位院士赴青海湖鉆探現(xiàn)場(chǎng)（從左到右）：許厚澤、滕吉文、丁國(guó)瑜、安芷生、陳俊勇、鐘大賚、劉嘉麒

（圖片來(lái)源：中國(guó)科學(xué)院地球環(huán)境研究所）

而其中最具代表性的成果，就是由王成善院士牽頭完成的松科二井，井深達(dá)7018米，成為“國(guó)際大陸科學(xué)鉆探計(jì)劃”成立以來(lái)實(shí)施的最深鉆井，也是全球首個(gè)鉆穿白堊紀(jì)地層的科學(xué)鉆井。這些鉆探工程不僅取得了大量的科學(xué)突破，也極大地促進(jìn)了我國(guó)鉆探設(shè)備和技術(shù)的創(chuàng)新與發(fā)展。

圖5王成善院士展示采自地球深部7018米的巖心

（圖片來(lái)源：中科清研（北京）科學(xué)技術(shù)研究院）

2023年5月29日，神舟十六號(hào)飛船成功發(fā)射升空。緊接著第二天，中國(guó)石油深地塔科1井在塔克拉瑪干沙漠鳴笛開鉆，奏響了我國(guó)“萬(wàn)米深井”時(shí)代的序章，中國(guó)即將成為世界上第3個(gè)在陸上鉆達(dá)地球萬(wàn)米深度的國(guó)家。

圖6 萬(wàn)米深井-深地塔科1井開鉆 姚東攝

（圖片來(lái)源：中國(guó)石油報(bào)）

向地心挺進(jìn)！

從嫦娥飛天到入地萬(wàn)米，在新時(shí)代下，中國(guó)人正在以前所未有的速度和勇往直前的氣魄，奔赴在科學(xué)探索與創(chuàng)新發(fā)展的道路上。歷經(jīng)幾代地球科學(xué)工作者的砥礪奮斗，我們以科學(xué)為刃，用自主研發(fā)的裝備鑿穿了沉淀億萬(wàn)年的堅(jiān)硬巖石。如今的中國(guó)人，終于能夠真正直面于地球46億年的歷史。

也許，地心是我們永遠(yuǎn)想到又到不了的向往之地。但是，它時(shí)刻提醒著我們，人類的征途不僅是星辰大海，還有地球深處。探索未知，依然任重道遠(yuǎn)，讓我們心懷夢(mèng)想，勇敢地向地心挺進(jìn)！

參考文獻(xiàn)：

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