超薄地壳，透视地球的“窗口”

　　制图 | 侠客君

　　2024年10月8日，发表在《地质学》期刊上的一项研究指出，科学家利用先进的地震全波形反演技术，在大西洋赤道区域发现了一处形成于7000万年前的异常薄的海洋地壳，仅为4±0.2千米，远低于全球平均值，甚至比之前利用传统地震层析成像技术估算的结果还要薄30%。

　　这一发现不仅刷新了我们对地壳厚度的传统认知，还为地球内部结构的研究提供了新的窗口。

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　　地壳最薄的地方

　　地质学家一直在努力寻找地壳最薄的地方，并试图通过深部钻探穿透地壳、直达地幔。可是，地壳最薄的地方究竟在哪里呢？

　　我们都知道，地球分为地壳、地幔和地核三大层圈，其中，地壳是固体地球的表层部分，体积仅为地球体积的0.5%，它在地球上呈连续分布，但厚薄不等，其中大陆地区的平均厚度为35千米，大洋地区为5-10千米。事实上，地壳在地球的不同区域的差异十分显著，例如，中国青藏高原的地壳厚达60-80千米，而太平洋地区仅为4-7千米而已。

　　地球结构示意图

　　图源：视觉中国

　　以前人们通常认为，太平洋西部的马里亚纳海沟是地球上地壳最薄的地方，但事实并非如此。科学家通过对地球引力波动的测量发现，距离南美洲圭亚那1600千米的大西洋底部，有一条从北往南的裂缝，地壳厚度仅为1.5千米，被认为是地壳最薄的地方。

　　在这里，地球的两个板块相互分离，地幔中的高温物质沿着中脊上涌，部分熔融形成岩浆，冷却后形成新的洋壳。这个过程就像是在地壳上拉开了一条“裂缝”，使得中脊区域的地壳厚度远低于周围地区。这是地球上地壳最薄的地方之一，也是海底扩张最为活跃的区域之一。

　　地质学家此次在大西洋赤道区域发现的一处异常薄的海洋地壳，也位于大西洋中脊。经推测，这种超薄地壳的形成可能与该区域的地幔温度较低有关。

　　由于地壳的形成与岩浆活动、板块构造运动等地质过程密切相关，而地幔是地球内部的一个巨大热源，其温度的高低直接影响着地壳的形成和演化。在这项研究中，科学家们发现超薄地壳所在区域的地幔温度比先前估计的要低至少50℃，导致岩浆活动不剧烈，从而形成了较薄的地壳。

　　此外，研究还发现了一个厚度为1±0.5千米的莫霍面过渡带。莫霍面是地壳和地幔的分界面，而莫霍面过渡带则代表了地壳和地幔之间的物质和结构的过渡区域。

　　图1(A)大西洋洋中脊的测深图，描绘了标记的断裂带（FZ）和部署的海底地震仪(OBS); (B) A图黑框中的测深图放大图

　　图源：地刊速览公众号

　　超薄地壳的发现具有重要的科学意义。首先，它们是研究地壳形成和演化的天然实验室。在这些区域，地壳的结构和物质组成往往更为简单和原始，地质学家通过对比分析超薄地壳与正常厚度地壳的结构和物质组成，可以更深入地了解地壳增生、岩浆活动以及板块构造运动等地球动力学过程。

　　其次，地壳最薄处也是研究地球内部热量传输和物质循环的关键区域。地壳作为地球内部的热屏障，其厚度和物质组成对热量的传输效率具有显著影响。超薄地壳的存在可能意味着该区域的热量传输机制更为高效，从而影响地球内部的热平衡状态。

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　　人类能否钻透地壳

　　既然地壳之薄超乎人们想象，那能否通过钻探穿透地壳呢？近几十年来，许多国家都开展了深部钻探计划，努力实现这个充满挑战的伟大梦想。

　　20世纪60年代，美国开展了一项大规模的钻探计划，在海底选定某些地点向下钻探，期望穿透地壳，直达地幔。该计划以地球物理学家莫霍洛维奇的名字命名，称为“莫霍计划”。

　　莫霍计划

　　1961年，莫霍计划开始实施，在墨西哥湾西海岸成功完成5个钻孔，在3558ｍ的深水区钻透170米深的洋底沉积物，获取了13米厚的玄武岩，但距离钻透地壳还相差甚远。最后，这项计划在管理上出现了很多问题，虽然投入了巨额资金却还是于1966年宣告失败。

　　1970年，苏联在位于北极圈深处的科拉半岛上开启了雄心勃勃的深钻计划，19年后达到它的最大井深——12262米，创造了新的世界纪录。尽管如此，该深度还不足地球半径的1/500，如果把地球比作一个鸡蛋，它连鸡蛋壳还没钻破。

　　科拉超深井

　　图源网络

　　2008年，新闻媒体报道，日本的“地球”号深海探测船项目首次尝试钻入地幔层，该项目计划在东京以南的一处水深2500米的海洋进行钻探，进而从海底向下钻入7000米深处，进行探测、钻孔、取样和安装地震监控仪器，整项计划预计到2012年完成。

　　然而，科学家对钻透地壳的计划过于乐观了。据日本媒体报道，截至2024年9月21日，“地球”号深海探测船在日本海沟水深6897.5米处向下钻探980米，自海面探测深度达7877.5米，刷新该船此前保持的深海科学钻探纪录，但这个结果仍未达到钻入地幔层的目的。

　　此后，世界各国相继启动了深海钻探计划、国际大陆科学钻探计划、深地钻探计划等。甚至还有科学家提出了更为大胆的设想，如美国加州理工学院的一位行星学家曾提出，通过某种途径打开一个地壳裂缝（不排除采用核武方式），将一个柚子大小的探针与几十万吨重的溶化的铁水一起注入裂缝，使其慢慢沉入地核，从而实现地心探测的目的。

　　很显然，这个设想如同科幻电影中的场景，不仅需要巨额投资，而且操作起来难度极大，有些不切实际。

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　　向地球深部进军

　　超深钻一直是世界难题。随着钻探的深度不断增加，施工难度越来越大，成本也越来越高。首先，面临着温度的考验。从地表向下，平均每深入100米，温度大约会上升3℃，如果钻到10千米深度，温度将高达300℃以上。这意味着，无论是钻头还是钻杆都要面临极大的考验。

　　其次，在钻探过程中还经常遇到钻进方向倾斜或弯曲、因孔壁不稳定而发生坍塌等诸多科技难题。所以有专家直言不讳地说：“表面上看是打一口井，实际上却是在考验一个国家的经济实力、基础工业实力和整个科技的发展水平。”

　　2023年5月30日，位于新疆塔克拉玛干沙漠腹地的深地塔科1井开钻。尽管深井钻探面临着高温高压等重重困难，但技术人员凭借精湛的专业能力和惊人的毅力朝着万米深度挺进，终于在2024年3月4日突破10000米，使其成为世界陆上第二口、亚洲第一口垂直深度超万米的井。这不仅为今后的深地钻探提供核心技术和装备储备，也证明了我国深地探测系列技术已跨入世界前列。

　　深地塔科1井

　　图源 | 网络

　　2023年12月18日，我国首艘大洋钻探船“梦想”号首次亮相。这艘钻探船具备全球海域无限航区作业能力和海域11000米的钻探能力，承载着全球科学家“打穿莫霍面、进入上地幔”的梦想，未来有望率先打开“地心之门”。

　　我国首艘大洋钻探船“梦想”号

　　图源 | 网络

　　钻探就像外科医生的“手术刀”，深入地球取出某些“组织”供科学家化验。虽然现在的地质学家可以利用地震波对地球进行“CT扫描”并推断地层深部结构，但相比之下，钻探更直接、更准确。我们相信，未来的钻探技术一定能够突破重重困难，带我们目睹地壳之下的秘密。

　　本文创作团队

　　撰文 | 马志飞

　　编辑 | 李馨宇

　　封面设计 | 侠客君

　　审稿 | 李忠东

　　部分图源| 爱给网 豆包AI