《科學新聞》：地心爭奪戰

　　美國當地時間2013年12月9日11:30，舊金山Moscone會展中心，中國深部探測技術與實驗專項(SinoProbe)首席科學家董樹文和他的伙伴們站在了美國地球物理學會(AGU)年會新聞中心的主席臺上。

　　在這場題為《SinoProbe：一個前所未有的洞察地球最大大陸內部的科學計劃》的新聞發布會上，SinoProbe研究團隊應邀發布SinoProbe的當前進展情況和對未來的展望。

　　“這是AGU第一次為中國科研項目舉行專場新聞發布會。”AGU公眾新聞部主任Peter Weiss表示。

　　一年一度的AGU秋季大會，是全球規模最大、層次最高的地球科學大會。今年，大會的注冊人數達到了24000人。

　　“中國的SinoProbe在某些方面已經超過了美國。”SinoProbe的合作伙伴、美國斯坦福大學教授Simon Kelemberer此語一出，便震驚了在座的美國科學記者。AGU會員通訊雜志的記者一再追問：“SinoProbe在哪些方面、哪些技術超過了美國?”

　　在赴美之前，董樹文就對《科學新聞》記者表示：“SinoProbe的實施，使我國真正進入到了世界深部探測大國的行列。”

　　其實，與世界其他大國相比，中國的深部探測起步較晚。縱觀世界各國，無論是從上世紀五六十年代開始的美蘇兩國，還是到七八十年代以后的英國、德國、意大利、瑞士、加拿大和澳大利亞，無一不陸續實施了對地球深部探測的重大計劃，并取得了豐碩的成果。直到今天，這場對地心的爭奪戰從未停止過。

　　美蘇的較量

　　位于俄羅斯西北端、瀕臨巴倫支海和白海的科拉半島，大部分地區處于北極圈內。除了終年不凍港摩爾曼斯克和豐富的礦藏資源外，這里還與前蘇聯一項重大工程有關。

　　這項至今看來仍然有些神秘色彩的工程，位于摩爾曼斯克州扎波利亞爾內市10公里外的貝辰加地區。由于地處科拉半島，人們將其稱之為“科拉超深鉆井”。

　　科拉超深鉆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，而競爭目標是先于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鉆井。一年后，前蘇聯地質部和前蘇聯科學院也提出了本國的“莫霍鉆探計劃”，目的是研究莫霍面和地下貴重礦石的形成過程。

　　該計劃交由“地球內部與超深鉆井研究跨部門科學委員會”負責，由前蘇聯地質部長艾弗杰尼·柯茲洛夫斯基直接領導，只有少數科學家能夠參與進來。

　　《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。

　　科拉超深鉆井作為該計劃的重要一環，一直處于密不透風的狀態。雖然艾弗杰尼·柯茲洛夫斯基在上世紀80年代編著了《科拉超深鉆井》一書，披露了該鉆井的一些情況，但人們始終認為這里還隱藏了許多重要的信息。

　　直到美國《連線》雜志2008年公布了科拉超深鉆井的10張照片，才讓人們對這個“世界上最深的鉆孔”有了更為直觀的認識。

　　照片中，一座淺灰色的高塔矗立在雪跡斑駁的廣袤荒原上，周圍還有幾片低矮的廠房。廠房內部充滿了大型號的金屬管道，戴著頭盔的工人在對鉆頭進行著操作。而在另一間科技控制室里，一名科研人員正在將從幾公里的地下傳來的數據收集在一起。

　　1966年，美國的“莫霍計劃”由于經費和技術等方面的原因宣告終止，而科拉半島的鉆探工作卻一直在進行。當1994年停止繼續鉆進時，科拉超深鉆井的深度已經達到了12262米，這個記錄至今未能被打破。

　　雖然在陸地超深鉆井方面美國較前蘇聯略遜一籌，但在此期間，美國在海洋的深部探測還是引起了世界的關注。

　　1968年，美國實施的“深海鉆探計劃”中的核心裝備“格洛瑪·挑戰者”號探測船揚帆起航。1975年，由于聯邦德國、日本、英國、前蘇聯和法國的加入，該計劃變成了一個國際范圍的項目。

　　資源探測是推手

　　美蘇兩國對地球深部的探索發生于冷戰期間，常被認為是“意氣之爭”。但從留存的史料來看，兩國對地心的探索同樣基于現實利益的推動。

　　《科拉超深鉆井》一書的序論這樣寫道：“近年來查明的絕大多數礦物原料資源都與未出露地表的礦床有關。因此，研究地殼深部結構具有越來越大的現實意義。”

　　而書中列出的科拉超深鉆探四個主要任務的第一條，便是“研究科拉半島地區波羅的地盾太古代結晶基底和含鎳的貝辰加雜巖的深部結構，查明包括成礦作用在內的地質作用的特點。”

　　可見，對礦產資源的探索是前蘇聯進行深部鉆探項目的內在驅動力，而前蘇聯也確實從中得到了豐厚的回報。

　　科拉超深鉆井在鉆進到4024米時提取了巖心。當鉆探深度達到9500米時，鉆頭沖進了一個含有黃金和鉆石的地層。科研人員對取出的巖心進行了檢測，發現該巖層的金含量高達80克/噸。而一般來說，金礦層只要含金量達到4克/噸，就已經具備了商業開采的價值。

　　也許是科拉超深鉆井的發現讓前蘇聯人倍受鼓舞。在《科拉超深鉆井》一書中，作者繼續寫道：“已規定要大大擴大深井鉆進和超深鉆進的工作量。科拉和薩特雷鉆井將繼續鉆進。安排了秋明、阿納斯塔斯耶夫-特羅伊茨克和烏拉爾超深鉆井的鉆進。同時，在第十一個五年計劃期間要開始打六個深鉆井，其中三個(第聶伯-頓涅茨、濱里海、提曼-伯紹拉)位于含油區，三個(穆龍套、諾里爾斯克、克里沃羅格)位于礦區。”

　　由美國首先發起的“深海鉆探計劃”也同樣不甘示弱，在計劃實施過程中發現了具有重大現實意義的白堊紀中期黑色頁巖，而這被認為是大西洋沿岸許多重要油田的生油層。

　　黃金時代

　　從上世紀70年代開始，全球進入了地球深部探測的黃金時期。以美國大陸反射地震探測計劃(COCORP)為起點，世界主要大國陸續啟動了國家深部探測重大計劃和工程。

　　COCORP開始于上世紀70年代末期，開辟了使用多道地震反射剖面技術系統探測大陸地殼結構的先河。

　　在此之前的60～70年代，為了尋找新的油氣資源，深地震反射剖面技術已經廣泛應用于世界范圍內的石油勘探行業。在此基礎上，COCORP將石油勘探的近垂直反射地震技術發展到穿透地殼甚至巖石圈的深地震反射技術，在深度與精度方面都達到了前所未有的高度。

　　計劃實施的過程中，COCORP在美國的30個州共采集了1.1萬公里長的反射剖面。除了首次揭示出北美地殼的精細結構外，COCORP更是取得了意想不到的收獲——在落基山等造山帶下發現了一系列油田。而更為重要的是，COCORP的開展引發了全球各個國家深部探測項目的計劃和實施，開啟了國際深部探測的新紀元。

　　上世紀80年代，國際巖石圈委員會(ILP)發起了全球地學斷面計劃(GGT)。該計劃在全球重要的大陸和造山帶完成了對數十條幾萬公里長的斷面的探測。

　　1982年，歐洲地球探測計劃(EUROPROBE)開始實施，目的是“更好地了解地殼和地幔的構造演化，以及一直以來控制整個演化的動力過程。”

　　這個由歐洲各國聯合開展的重大項目，取得了豐碩的成果，不但完成了橫穿歐洲的地學斷面，而且通過對阿爾卑斯造山帶的地震反射剖面探測的完成，建立了碰撞造山理論和薄皮構造理論，極大地推動了地球物理理論的發展。

　　與此同時，歐洲各國也各自實施了國家的深地震反射探測計劃，包括法國(ECORP、3D France)、德國(DEKORP)、英國(BIRPS)、瑞士(NRP20)和意大利(CROP)等。這些探測計劃在不同的方面推動了世界對于地球深部的研究和探索。

　　1984年，加拿大科學基金委，地質調查局和一些高等院校的科學們共同啟動了國家級的巖石圈探測計劃(LITHOPROBE)。

　　值得一提的是，LITHOPROBE特別重視通過對礦產富集地區的探測，提供豐富可靠的成礦信息。這種做法增加了投資者的信心，促使很多礦業公司增加深部探測的投資，使得加拿大一直得以保持世界礦業大國的地位。

　　LITHOPROBE首席科學家 Ron Clowes在接受《科學新聞》記者采訪時表示，地球深部探測的主要意義首先在于對地球的演化過程形成基本的認識，探索巖石圈的成分、結構和演化過程。同時也有助于礦產和油氣資源的勘探，加深對地震等地質災害引發過程的認識，以及研發適用于化學、物理、天文學或生物學等諸多領域科學研究的復雜儀器設備。

　　從未止步

　　“進入到新世紀以來，人們對地球物理領域的研究興趣再一次被激起。”談起當前全球深部探測的發展，美國地質調查局地震科學中心教授Walter Mooney如是說道。

　　2000年，在之前實施的四維地球動力學計劃(AGCRC)的基礎上，澳大利亞聯邦科學與工業研究院提出了新的玻璃地球計劃(GlassEarth)，目標是使澳大利亞大陸1公里內的地殼變得“透明”。

　　該計劃開展的成礦帶地殼精細結構探測，為研究成礦理論和資源勘測提供了技術支撐，并由此在覆蓋層下發現了奧林匹克壩超大型礦床。六年后，澳大利亞又宣布啟動了澳大利亞大陸結構與演化計劃(AuScope)。

　　2003年，美國國家科學基金會(NSF)設立了地球透鏡計劃(EarthScope)，開啟了繼COCORP后的第二輪地球探測。預算超過200億美元的資金，使得美國再次站到了全球深部探測的領軍位置。

　　而在遙遠的科拉半島，雖然更深一步的鉆探被暫時停止，但鉆井主軸依然處在合適的條件下。2007年，俄羅斯科學院地球物理研究所副主任Yevgeny Rogozhin在接受俄羅斯之聲廣播電臺采訪時稱，仍然有一小部分研究人員留在科拉超深鉆井平臺，對從地殼深處獲取的巖心等進行著持續研究。

　　而在俄羅斯的其他地區，一些超級鉆探項目也在實施之中，這使得俄羅斯在資源勘探方面獲得了巨大成就。

　　在東亞，日本已經于2007年啟動了自己的海洋鉆探船“地球號”，希望打穿大洋地殼，直抵巖石圈作為探尋地球深處秘密的突破口。

　　對人類賴以生存的地球進行深入了解的重要性已經越來越成為各國的共識。聯合國將2008年命名為“行星地球年”，呼吁全世界重視地球科學、保障資源供應、保護生態環境、支持脆弱的生命系統。

　　為此，國際地質科學聯合會(IUGS)和聯合國教科文組織(UNESCO)正式提出，要進軍我們最后的前沿——地下的物質與結構，呼吁強化對地球深部的探測和認識。

　　面對未來，COCORP首席科學家Larry Brown充滿信心地表示，地球物理的相關研究將會在資源勘探、研究地質災害發生的內部機制，以及建立災害預警系統中發揮重要作用。

　　如今，世界對深部探測關注的目光也轉移到了中國。

　　據董樹文介紹，在世界深部探測大國中，截至目前美國已經完成了6萬公里左右的深反射地震剖面，俄羅斯大概有2.48萬公里，英國是2萬公里，而意大利、德國、澳大利亞均在1萬公里左右。

　　由于SinoProbe的實施，中國已經跨入了國際深部探測的1萬公里俱樂部。在AGU的新聞發布會上，Simon Kelemberer表示，如果SinoProbe第二階段繼續執行，將全面超過美國和西方國家。

　　在地殼結構尤其復雜的中國所獲取的數據和信息，不僅對本國地殼結構的認知、資源開發和地質災害預測具有重要意義，更有利于加深國際學界對整個世界地殼結構的理解。

　　“我對SinoProbe心懷欽佩和敬意，我真誠地希望在未來的幾十年中，中國科學家對地球深部的探索能夠繼續堅持下去，甚至有所拓展。”Walter Mooney表示：“未來，新一代的地球科學家，無論是中國的還是國際的，其科學發現都會基于今天SinoProbe所獲得的基礎數據。”