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人类可不可以挖穿地球?苏联用了24年试验最终得出结论

地球的结构就像个鸡蛋一般,从外到内依次由三个圈层构成:有薄薄的地壳,有厚厚的地幔,然后是深埋在最深处的地核。

如果稍微再深入了解一点,能发现地球其实还可以分得更细:比如地壳可以再分为硅铝质的上地壳和硅镁质的下地壳,地幔可以再分为“二辉橄榄岩”的上地幔和“我们知之甚少”的下地幔;而地核呢,也可以再分为由液态铁组成的外核、固态铁组成的内核以及神秘的内内核。


人类关于地球的内部了解知之甚少,科学家也一直想要了解,是什么物理特性造成了莫霍不连续面?这个界面的地质学本质是什么?洋中脊处的洋壳,特别是下洋壳,是怎样形成的?是哪些过程影响了洋壳形成之后的演化?洋壳与海洋和生物的相互作用有多大?深埋在地球中心的铁之结晶到底是怎样一种我们前所未见的新物质?这些相互作用对全球化学循环的影响是什么?生命的极限是什么?控制生命极限的因素有哪些?


那么我们为什么不挖穿地球,一探地球内部究竟呢?其实早在上个世纪的时候,美苏就进行过尝试。

在上个世纪50年代末,美国提出了莫霍面钻探计划,莫霍面是地壳与上地幔的分界面。莫霍面的深度各地不同,一般大洋较浅,为5~15千米:大西洋和印度洋为10~15千米;太平洋中央部分只有5千米;岛弧地区为20~30千米。大陆一般深为30~40千米,高山地区最深,在中国西藏高原及天山地区深达60~80千米。



这个道理美国自然也明白,所以他们选择在海岸边进行钻探,执行钻探任务的是“格洛玛·挑战者”号钻探船,船长121米,宽19米,深8米,船中部竖立着43.3米高的钻井塔,塔顶高出海面61米。该船排水量10500吨,设计最大工作水深6096米,设计最大钻探深度7615米。



1961年,钻探计划正式启动,“格洛玛·挑战者”号钻探船在水深948米的海底向下钻进了315米。由于实施该计划技术难度大且费用高昂,1966年8月美国国会投票否决了对该计划的拨款预算,计划宣告终止。

计划虽然失败,但是证明了实施深海钻探,获取洋底的沉积层和基岩样品在技术上是可行的。美国放弃了钻探地球内部的计划,苏联却接棒搞了起来。

当时苏联决定在佩琴加区进行钻探,佩琴加位于欧洲北部科拉半岛西北,北临巴伦支海瓦朗厄尔峡湾,这是欧洲大陆最大的地盾区,在这里钻15千米深的井,就可以看到通常隐藏在25千米或更深的陆壳中的地层。

1965年,项目负责人找到了合适的钻探地点。经过五年的建设和准备,1970年,苏联正式开始了钻探计划,这就是著名的科拉超深井。

当时苏联人为了能够更好完成钻探任务,苏联吸取了美国的经验,欧洲和美国一运用研磨或研磨切削碎岩工具,高强度的钢钻杆,大提升能力的钻机和旋转钻进方法。而.苏联则采用涡轮钻进方法,切削-剪切型碎岩工具,以铝合金为基础的高强度管制成的钻管,及与其配套的提升能力不太强的钻机。在分析国际经验及钻进工作中可能出现问题的基础上制定了超深钻构想。

苏联科学家发现轻合金钻杆最符合超深井中的使用要求。轻合金钻杆的比重还不到钢的1/2.这有助于大大降低钻管柱的自重以及钻机相应的提升能力。铝合金甚至比制造钻杆所用的坚固钢具有更高的单位强度。



借助专用台架用带钢锁扣的热装配方法将钻杆连接起来.考虑到轻合金钻杆特点及其在井中的工作条件,按照钻杆计算结果采用一套专门的应用程序。所有这一切有助于保证钻杆使用有高度的可靠性和适用性。

苏联人使用世界上最独特的钻头之一Uralmash-4E系列钻机完成第一阶段钻探。设计钻探5000米,实际达到了7263米。这成为该设备达到的最深纪录,也让科拉超深钻孔一举成为了当时欧洲最深的钻孔。

随着深度的不断增加,苏联使用了更为先进的钻机和钻头,最终达到10636米,1983年,该井达到了12000米,超越了世界上最深的马里亚纳海沟

1989年,科拉超深钻孔首次达到了它的最大深度——12262米,最后的262米是在1983-1993年间进行的,地球平均半径6371千米,而当今世界最深的钻孔也就12262米。也就是说,苏联花了大约24年,仅向地心钻进了大约0.2%,,为什么会这样呢?

但和海拔升高100米下降摄氏0.6度不同,深度每下降100米温度大约升高2摄氏度钻到地球深处超万米处,温度将达到300摄氏度以上。这意味着,钻探机器上所使用的孔底马达、震击器、轴承密封等材料得耐得住这样的高温才行。而人类目前的材料技术无法忍耐如此高的温度。一位地质学家形容这个工程就是站在高楼上拿着一根又细又长的干面条朝着楼下的柏油马路钻孔



除了高温之外,还有高压,如果钻孔深度达到一万多米,预计井内泥浆压力将达到175MPa以上,地层压力将达到400MPa。而现有很多测量仪器所能耐受的压力为140MPa到170MPa之间,而且,在高温高压下,井壁岩石物理力学性质会发生变化,容易破碎,影响施工。

最后就是高地应力。地应力就是指的是地应力(crustal stress)存在于地壳中的应力。即由于岩石形变而引起的介质内部单位面积上的作用力。它一般包括两部分:(1)由覆盖岩石的重量引起的应力,它是由引力和地球自转惯性离心力引起的;(2)由邻近地块或底部传递过来的构造应力。高地应力非常容易造成井壁垮塌、卡钻等井下事故。像苏联某个钻井钻到7000米深度时,钻探的钢管就断裂留在了钻井内。


地下12260米处的岩心,从SG-3钻孔获取

所以最后苏联也无奈宣布放弃了钻探计划,钻探工作在1992年停止,停止钻进的官方理由是经费不足。但是相关的研究并没有停止,直到2008年,科拉超深钻孔才被废弃。

从科拉超深井里取出的岩心样本

人类目前想要彻底了解地球内部的秘密,依照目前的科技水平还是无法实现的。这是一个无奈的现实。


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