苏联超深钻探挖到地狱?钻孔深达12公里却仍未触及地壳边缘

人类自古以来都对未知的东西既敬畏又向往。

仰望满天繁星,他们会联想到星座和各种神话传说。

凝视脚下的大地,有人就能想象出地狱的可怕情景。

近百年来,科技进步让人类成功在20世纪登上月球。

向宇宙出发,目标是星辰大海已经不仅是一句口号。

而不为人知的是,在登月计划进行得如火如荼时,有一批人同样憋足了劲向地心进发

这场“打洞竞赛”始于冷战时期,美苏两个老对手都试图首先钻透地壳,为自己创造又一个耀眼的记录。

与月球竞赛中的大获全胜不同,美国付出几年努力后便草草收场。

反倒是苏联不仅向下掘进了前所未有的万米深度,还有坊间传言他们挖穿了地狱的天花板而被迫停工。

这场竞赛的源自于美国海洋物理学家沃特·蒙克(Walter Munkm)的一个想法。

1957年,他首先提议在大洋底部打一口穿透莫霍面*的超深钻井,为地球科学领域取得重大突破。

我们知道地壳平均厚度约为17km,其中大洋地壳远比大陆地壳薄,一般只有10km左右。

因此选择在海底钻探的话,穿透地壳所需的路程会更短。

 

*注:地壳与地幔间的分界面,由克罗地亚地震学家莫霍洛维奇于1909年发现,故称为莫霍洛维奇不连续面。

1957年,一批具有相似想法的美国科学家正式向国家科学基金会(NSF)提出了莫霍计划(Project Mohole)。

这项计划预计会耗费1500至2000万美元,里面包括租用大型钻探船以及每年的钻探费用。

次年计划获得了基金会的资金支持,研究人员红红火火地开工了。

1961年4月,莫霍计划取得了初步的进展。

负责钻探作业的“CUSS I号”钻井船在墨西哥瓜德罗普岛近海3558米水深处钻了5口深海钻井。

这些钻井最深达183m,是有史以来第一次在深海海底打钻成功

用于定位的潜水浮标,“CUSS I号”钻井船

然而此后钻探技术并没有取得突破,在深海钻进200m已是操作的极限了。

与此同时,莫霍计划的预算却越涨越高

到了1965年,计划费用已经高达11000多万美元,是早期计划的6倍。

从技术发展上来说,实现钻穿莫霍面的目标并非不可能,无奈是后续成本太高。

高额的费用没有换来等价值的成果,同时期的载人登月任务阿波罗计划前景似乎更佳。

于是莫霍计划失去了拨款,美国把精力投入到了其他研究中。

眼看着美国人放弃了,苏联对自己的超深钻井计划却没有迟疑。

他们在1960至1965年间围绕计划共制定了198项任务。

苏联地质部牵头吸收了全苏150多个部门参与到此计划中。

超深钻井计划目标深度为15000m。

有别于海洋钻探的方式,苏联打算在科拉半岛上实施他们的雄心壮志。

此次计划肩负着多项任务,不仅要查明大陆地壳深部的性质结构,还得获取完整的岩石标本供后续研究。

著名的科拉超深钻孔就是出自其中编号为SG-3的钻孔。

实际上深层钻探并没有想象中简单,它对钻掘工具和动力设备的要求都相当高。

钻头每往下挖100m,周围温度大约就会上升3℃,同时压力也会相应增大。

由于长期在高温高压下工作,钻头变得非常容易损毁,需要频繁更换。

同时,极限深度也对连接钻头的钻杆提出了很大的挑战。

我们印象中一根钢管也许很结实,但数千根钢管连接在一起就会变得像面条一样柔软。

而且几公里长的钻杆自身重量也是不小的负担。

为此苏联采用了轻铝合金作为钻杆材料,重量仅为钢质钻杆的一半,钻探工作这才得以顺利进行。

科拉井于1970年开钻,正值纪念列宁诞辰100周年。

从地表至7000m深的钻进过程都比较顺利,随后钻头进入到一个相对脆弱的岩层中。

在继续向下挖掘的时候,周围的岩石突然出现了塌落,塌落的碎石正好卡住了钻杆。

操作人员试图提起钻头,不料钻头也在提升过程中意外掉落。

这样的事故发生了不止一次,钻探进度也因此受阻。

经过好几年的努力,科拉井终于迎来了它首个历史性时刻

1979年6月,钻孔深度达到了9584m,一举打破由美国奥克拉荷马州Berthar Rogers超深钻孔保持的世界记录。

之后钻头每前进一米,都是在创造人类的历史,但等待着它的是越来越极端的地底环境。

成功进入深度10km的岩层后,钻头和钻杆的自重已经超过了200吨

再加上与周围岩石的摩擦力,钻杆有些不堪重负,好几次都被拧断了。

为了解决问题,苏联专家开发了不依赖地面马达的牙轮钻头

这种钻头不仅能够自动旋转,减轻钻杆承担的压力,还可以通过本身的牙轮连续获取地底深处的岩芯样本。

同时他们还使用冲洗液*为钻头降温和润滑,顺便带走孔底的岩石碎屑。

 

*注:可分为清水、泥浆和其他浆液,在钻进过程中循环泵入钻孔,起到冷却润滑、带走碎石和保护孔壁的作用。

随后的十年里,苏联不断投入人力物力到这个计划中。

在最鼎盛的时候,科拉井上聚集有16个实验室,共300名人员协同工作。

据说所有参与项目的人员都分得了一套莫斯科的公寓房,而他们的月薪甚至能比肩大学教授一年的收入。

巨额的投入换来了持续的进步。

1983年,钻孔首次突破了12000m的深度。

而到了1989年,科拉超深钻孔深度更达到了史无前例的12262m

按照人们的设想,科拉井在4年后就可达到15000m的目标。

但由于井底温度比预想中更高,在目标深度更可能达到300℃以上,钻探工作被迫终止了。

这也给不明真相的人们留下了遐想的空间。

最流行的说法是,钻探工作意外停止是因为遇到了超自然现象。

“研究人员听到钻孔里传出奇怪的声音,于是向其中投入了耐热的话筒与传感器。”

“话筒录下了地狱般的哀嚎声,似乎有数不清的人正遭受巨大的痛苦。”

 

芬兰一家报纸更声称,钻探进行到一半时,从钻孔飞出了一只青面獠牙、长有翅膀的怪物

怪物尖叫着飞走了,吓得一些工人转身就跑。

但若仔细推敲,就会发现传言中存在着诸多疑点

耐热的话筒与传感器为何没有文献记录,也不见实物留存。

只凭网上流传的录音我们也无法确定,这究竟确实是出于科拉井底,还是一段合成音频。

此外科拉井直径约为23cm,实在让人很难想象“怪物”如何在这样的狭小空间中飞行数公里抵达地面。

唯一可以肯定的是,截至目前这个钻孔仍是人类挖过最深的垂直钻孔*。

其12262m的深度,比11034米的马里亚纳海沟还要深。

 

*注:库页岛Odoptu OP-11号井的井深为12345m,大于科拉井。但由于绝大部分为水平段,其垂直深度仅为1784m。因此科拉超深钻孔在垂直深度上仍是世界第一。

尽管科拉超深钻井是地球上最深的人造物,但它依然没有实现钻透地壳的宏伟目标。

实际上如果将地球半径比作一位2米高的壮汉,那么这个钻孔只有不到4毫米深,比壮汉的寸头还要短,不到总深度的0.2%。

可是科学家连地壳都没有挖穿,他们是怎么确定地壳具体厚度的呢。

其实判断厚度的方法跟我们挑西瓜有些相似。

挑西瓜时常要拍一拍来听声音,而科学家“听”的是地震波。

按照现在普遍接受的理论,地球的构造是分层的,由外至内分别是地壳、地幔和地核

地壳是由岩石组成的固体外壳;中间的地幔是最厚的一层,占地球总质量的68%;而地核则分为熔融的液体外核与固体内核,温度可达到6000℃,比太阳表面还高。

安德里亚·莫霍洛维奇

1909年,地震学家莫霍洛维奇就“听”到了一些蛛丝马迹。

他在计算地震数据时意外发现,地震波传播速度在地底约54公里处突然有明显的增长。

由于地震波在不同的物质中传播速度不同,这说明在地壳下还存在着另一种性质不同的东西,也即我们所说的地幔。

大家也终于开始意识到,原来地球内部是分层的。

为了纪念他的贡献,人们就将地壳与地幔的分界面命名为莫霍面

自从莫霍面被发现后,人们就知道地球由两层不同的物质构成。

然而这个理论还未能完全符合现实的情况。

来自加州理工学院的宾诺·古登堡就观察到了奇怪的现象。

宾诺·古登堡

古登堡统计了全球的地震数据,他发现地震的纵横波传递存在盲区

假设在北极发生了地震,那么南半球的澳大利亚就完全接收不到地震的纵横波。

而与北极相对应的南极大陆,只能接收到纵波

如果地球内部是均匀的地幔,那么理应全球都能感受到地震波才对。

纵波的传递(左),横波的传递(右)

于是古登堡作出了大胆的假设:这是因为地球内部还存在着一个液态的地核

由于横波无法在液体中传播,所以在经过地核时就会被挡住,这样才能解释南极大陆只能接收到地震纵波的现象。

随着各国科学家的深入研究,人们对地球构造的认识也越来越具体。

地球构造的最后一块拼图是由丹麦地震学家英厄·莱曼补上的。

英厄·莱曼

计算了大量地震波速度后,她发现在深度接近3000km时横波速度消失了,这符合液体不传递横波的理论。

但到了5000km以下,横波又重新出现

通过推断她得出结论,地核内应该还存在着一个固态的内核

在1936年发表的论文中,莱曼提出地核是由内核和外核两层组成的,这进一步完善了古登堡的理论。

至此人类终于对地球的分层情况有了基本认识。

对于地球内部的真实情况,我们目前给出的只是猜想和推论。

毕竟从地底挖一勺地核出来研究对目前的科技来说还遥不可及。

就此而言,莫霍计划与科拉超深钻孔确实有着非凡的意义。

它们不仅是冷战竞赛的产物,还是地球物理学的一次大胆尝试。

正是通过这些尝试,人们才得以证伪或修正已有的猜想。

我们对世界的了解,就是从这样的实践中一点点构建出来的。

 

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