利維坦按：很遺憾，至今為止，我們并未像凡爾納《地心游記》中描述的那樣，在地心發(fā)現(xiàn)海洋、巨型的植物，以及古人類的骸骨，我們甚至還未鉆透地殼——和耗費巨資探索太空相比，海洋深處乃至地幔，對于我們來說仍舊是個謎。
相較于德國人鉆井的嚴謹，蘇聯(lián)人對于科拉超深井的鉆掘似乎有些隨性：雖說后者直到7000米深鉆井過程都相對平穩(wěn)（鉆過了堅硬的花崗巖），在這個深度之后鉆頭進入了較為不堅硬的層狀巖石，在經過它們的時候井身開始因空洞而剝落。結果鉆柱被巖石卡住，鉆頭在提升過程中脫落。鉆柱丟失段被水泥封固住，鉆井在鉆具偏離的情況下繼續(xù)開掘。這樣的事故不止一次的發(fā)生，因此鉆井持續(xù)了好幾年。
藝術家們偏愛想象，因此將深井中的聲音理解成地獄的哀嚎倒也在情理之中，不過，未來鉆到地幔，說不定真會遇到另外一個完全陌生的生物世界呢。
文/Mark Piesing
譯/紅蓮螺巖
校對/何里活
原文/www.bbc.com/future/story/20190503-the-deepest-hole-we-have-ever-dug
本文基于創(chuàng)作共同協(xié)議（BY-NC），由紅蓮螺巖在利維坦發(fā)布
文章僅為作者觀點，未必代表利維坦立場
地處俄羅斯廣袤版圖的偏遠角落，科拉半島（Kola Peninsula）上的湖光、樹影、迷霧、飛雪都讓這篇土地看起來像是世外仙境。但是在這樣一片自然風光之中，突兀地聳立著一座前蘇聯(lián)時期遺留下的廢棄研究站。在這座搖搖欲墜的建筑物中央，覆蓋著臟土和雜物的水泥地板上，鑲嵌著一枚看起來很厚重的，生銹的鐵蓋子，在它上面釘著一圈同樣生滿鐵銹的鉚釘。
左圖：上世紀70年代拍攝的科拉超深鉆孔設施全貌。右圖：2009年拍攝到的主塔坍塌照片。圖源：imgur
鉆孔洞口處被巨大的金屬蓋封住，洞口尺寸可以參照右側的安全帽。圖源：imgur
借用一句坊間傳聞，這就是地獄的入口了。
這個金屬蓋就是著名的“科拉超深鉆孔”（Kola Superdeep Borehole），地球上最深的人造洞穴，也是迄今為止人為從地表向下達到的最深距離。從這個金屬蓋子向下，延伸著12.2公里深的人造結構，因此當?shù)厝诵攀牡┑┑卣f，在這里你能聽到地獄中那些受拷打的靈魂發(fā)出哀嚎。如果真有什么哀鳴的話，也許是因為這一向地球深處鉆洞的偉大計劃花費了整整20年時間，好不容易挖到了這里，卻在蘇聯(lián)解體之后俄羅斯的混亂之中被迫磨平了最后的一點資金支持——即使鉆到了這樣的深度，距離穿透地殼（Crust）到達地幔（Mantle）也還有三分之一的遙遠路程。
該鉆孔計劃達到12公里深的紀念照片，顯然曾經的設想是挖掘到地表下15公里的深處。圖源：superdeep.pechenga.ru
超深鉆孔并不只是前蘇聯(lián)的獨家遺物，在冷戰(zhàn)時期，美蘇競賽中的一項就是動用巨大的國力向地殼盡可能深地鉆孔，甚至是比賽誰先達到地幔。
今天，日本也躍躍欲試要加入這一鉆孔比賽。
另外，前蘇聯(lián)的超深鉆孔還有一個來自德國的競爭者，又名國際大陸科學鉆探計劃（International Continental Scientific Drilling Program），參與該計劃的一位年輕科學家烏利·哈姆斯（Uli Harms）說：“當美蘇雙方剛開始在地上打鉆的時候，也是鐵幕落下的年代，雙方順理成章地開始競賽。也許其中一個主要的誘因，就是前蘇聯(lián)方面并不會公開這項研究獲得的真正資料。”
“當年前蘇聯(lián)人開始鉆孔的時候，他們聲稱在深洞中發(fā)現(xiàn)了自由水（Free Water，指在生物體內或細胞內可以自由流動的水），大多數(shù)西方科學家根本不相信這一發(fā)現(xiàn)是真實的。因為當時西方學界已經普遍達成共識，認為5公里深的地殼物質密度極高，水不可能滲透到這樣的深度?！?/span>
曾經參與過科拉超深鉆孔計劃的地質學家尤里·斯米爾諾夫（Yuri Smirnov）向媒體展示一些紀念品，這是1984年制作的一份科拉超深鉆孔巖石樣本禮品。圖源：Annette Wolfsberger
日本海洋地球研究開發(fā)機構（國立研究開発法人海洋研究開発機構）的項目經理肖恩·托茨科（Sean Toczko）說，“今天日本的這項新的鉆孔計劃，其終極目標就是到達地幔，并從地幔中獲得此時此刻生存于那里的生物樣本。地球上有些地方的地幔距離地表更近一些，比如阿曼蘇丹國（Oman）一帶，地幔很接近地表，但是那里的地幔還保留著幾百萬年以前的狀態(tài)?！?/span>
“這兩種不同地幔的區(qū)別，就相當于發(fā)現(xiàn)了活生生的恐龍，與發(fā)現(xiàn)恐龍化石二者之間的區(qū)別?！?/span>
圖源：Universe Today
如果把地球比喻成一顆洋蔥，地殼就相當于洋蔥表面最薄的一層表皮。大陸地殼的平均厚度只有40公里左右，而地殼覆蓋之下的地幔，厚度大約2865公里，地幔包裹著的就是地核，正是我們這顆星球的內核。
世界上一些洞穴鉆井的深度對比，需注意科拉深井的鉆井路線并非垂直的。另外，伯沙·羅杰斯鉆洞由一家天然氣開發(fā)公司GHK于1974年鉆成，是當時世界上的最深鉆孔。圖源：beyondsciencetv
就像冷戰(zhàn)時期的太空競賽，向未知的地核進發(fā)的這場“挖掘深層國界”競賽同樣展現(xiàn)了非凡的尖端科技，工程師和科學家們到達了以往沒有人能夠企及的深度。從這些超深鉆孔中取出的巖石樣本，與美國航天局從月球帶回的巖石樣本具有同等重要的科研價值。太空競賽與深洞競賽唯一的區(qū)別，也許就是美國當年并沒有贏得這場比賽，事實上，這場比賽并沒有贏家。
“蘇聯(lián)人從20世紀70年代開始在北極圈內鉆孔。”
打響這場競賽頭一槍的是美國人，早在20世紀50年代，名字很大氣的美國百科學會（American Miscellaneous Society）提出了史上第一個挖掘到地幔的嚴肅科研計劃。該學會還有一個地下的飲酒集會，成員全部是當時美國科學界的頭號人物。由他們提出的貫穿地殼、抵達地幔的挖掘計劃名叫“莫霍面鉆探計劃”（Mohole Drilling Project），該計劃取名自“莫霍界面”（Mohorovi?i? discontinuity），即地殼與地幔的分界面。
根據美國紀實作家約翰·斯坦貝克（John Steinbeck）的描述，當時這只美國地下遠征隊并沒有打算從地表開始鉆孔，而是決定走個捷徑，從太平洋海底開始挖掘，挖掘點位于墨西哥西部城市瓜達盧佩海域。
從海底開始鉆孔的優(yōu)勢是那里的地殼更薄，但劣勢在于，地殼最薄的挖掘點，往往也是海底最深的地方。
前蘇聯(lián)是從20世紀70年代開始加入這場競賽的，當時他們在北極圈內鉆孔。到了20世紀90年代，德國大陸深鉆計劃項目（Kontinentales Tiefborh programm der Bundesrepublik Deutschland）于德國巴伐利亞地區(qū)正式啟動——該計劃最終達到的深度是9公里。
所有這些地下探險隊都遇到了相同的問題，因為就像完成登月任務一樣，整個探險計劃涉及到的技術都需要從頭開始發(fā)明創(chuàng)造。
莫霍面鉆探計劃在1961年終于開始在海床上鉆孔，但是以當時的技術來說，想要實現(xiàn)今天各國的深海石油、天然氣鉆井作業(yè)仍然是天方夜譚。當時還遠遠沒有發(fā)明出如今的一些關鍵技術，比如動態(tài)定位（Dynamic Positioning），必須借助這一技術才能確保鉆井船能在鉆井點上方保持其位置不變。由于缺乏技術支持，當時的工程師們不得不劍走偏鋒，他們在鉆井船的底部，沿著船底周圍安裝了一圈螺旋槳，借此盡可能保證鉆井船能維持自己的位置不變。
1961年的報紙對這次鉆探進行報道，并刊登了2幅照片。左圖：搭載于船體側方的發(fā)動機在安裝之前的照片，其螺旋槳將從側面給船體施加推力。右圖：鉆井船側方可以看到穩(wěn)定發(fā)動機螺旋槳攪動出的水花。圖源：mantleplumes.org
“尼爾·阿姆斯特朗（Neil Armstrong）成功踏上月球的前兩年，美國國會取消了對蘇聯(lián)人從20世紀70年代莫霍面鉆探計劃的資金支持，當時該計劃的代價正失控般地變成一個無底洞。”
另一邊，擺在德國工程師面前的難題是盡可能鉆探一個垂直的鉆孔。他們最終找到的解決方案，如今已經是全球石油天然氣鉆井領域的標準技術。
“蘇聯(lián)人的經驗中，最明確的一條教訓就是你必須打一條盡可能垂直的鉆孔，否則的話，你就是在增加扭矩，讓鉆孔變得越來越彎曲，”烏利·哈姆斯說，“解決方案在于研發(fā)一個垂直方向的鉆孔系統(tǒng)，然而德國大陸深鉆計劃項目之中，這樣一個垂直鉆孔系統(tǒng)只能保證7.5公里深的垂直鉆孔。在最后的1.5至2公里鉆孔中，孔洞還是偏離了軌道，鉆孔終點與垂直點的距離大約200米。”
德國大陸深鉆計劃項目鉆孔周圍的三維視圖，以及土壤、巖石分析。圖源：Advances in Geosciences
“我們嘗試過利用一些俄羅斯在20世紀90年代早期或者80年代晚期使用的技術，當時俄羅斯變得更開放，與西方合作的意向也更強，”烏利·哈姆斯補充道，“不幸的是，當時我們沒能及時獲得相關的設備?！?/span>
不管怎么說，所有的這些探險隊都以某種失敗告終，有些鉆孔計劃一開始就埋下禍根，也有一些中途碰觸到地下的屏障。更不必說他們的設備會在地下遭受長時間高溫，鉆孔以外的世界還存在經費、政策相關的種種困難——為了科學家的夢想付出了種種代價之后，他們不斷鉆得更深，不斷打破最深鉆孔的記錄。
尼爾·阿姆斯特朗（Neil Armstrong）成功踏上月球的前兩年，美國國會取消了對莫霍面鉆探計劃的資金支持，當時該計劃的代價正失控般地變成一個無底洞。科研人員從這個鉆孔中最后取出的幾米長的玄武巖樣本，其代價大約相當于今天的4000萬美元。
“當荷蘭藝術家洛特·吉文把一枚由隔熱板保護的麥克風下放到德國鉆孔中時，它監(jiān)聽到了一種科學家無法解釋的低沉的隆隆聲?！?/span>
接過這枚接力棒的，就是科拉超深鉆孔。這次鉆孔計劃于1992年最終停止，鉆孔終點位置的地殼，正常狀態(tài)下溫度達到180℃，而當時的技術以及人力物力都不可能繼續(xù)鉆探。隨著前蘇聯(lián)解體，這樣宏大的科研項目找不到資金支持——蘇聯(lián)解體之后的第三年，全部科研設施關停。如今這片荒蕪的廢棄建筑物只有荒野探險者偶爾光顧。
科拉超深鉆孔的信息表格，放大后可以從立體圖中看到科拉鉆孔曾經嘗試過4個不同的鉆孔路線。圖源：superdeep.pechenga.ru
只有德國的鉆孔逃避了其他鉆孔被廢棄的命運，巨大的鉆機還在原位——如今是一個旅游景點——但是今天起重機下放到鉆孔中的只是一些測量儀器，而非鉆頭。這一鉆孔如今只是一個觀測地球內部的觀測點，有時甚至充當美術館的角色。
當荷蘭藝術家洛特·吉文（Lotte Geeven）把一枚由隔熱板保護的麥克風下放到德國鉆孔中時，它監(jiān)聽到了一種科學家無法解釋的低沉的隆隆聲。洛特說，這種隆隆聲讓她“感到自己非常渺小，這是我有生以來第一次感覺到我們賴以生存的這顆星球本身變得活生生的，它發(fā)出的聲音就像是鬼哭狼嚎?！彼€說，“一些人說這聲音聽起來像是地獄之聲，也有人說聽起來像是這顆星球的呼吸聲?！?/strong>
2013年荷蘭藝術家洛特·吉文在鉆孔大約9公里的深處錄制了這段聲音。事實上，當時條件并不允許使用麥克風作為錄音設備，而是聲波傳感器和檢波器，最終將獲得的數(shù)據重新映射成音頻文件。視頻來源：Vemio
對于德國的超深鉆孔計劃科學家來說，當時的情況并沒有這么詩情畫意，烏利·哈姆斯說：“我們當年的計劃是超過前蘇聯(lián)超深鉆孔的深度，但實際上我們還沒有達到10公里這一里程碑。一個重要原因是，我們鉆孔的打鉆點，比俄羅斯人的打鉆點要熱得多，因此對于我們來說，想要鉆到更深的地方就更難。”
“當時是20世紀90年代初，我們也找不到什么好的理由來籌集資金推進這項計劃，因為東西德的統(tǒng)一就已經耗費了大量資金。”
所有的這些鉆探計劃，都很難在公眾面前甩掉這樣一種印象：今天向地幔挖掘的科研計劃，就是經典科幻小說《地心探險記》（Journey to the Centre of the Earth）的現(xiàn)代版本。雖然這些科學家并不期待發(fā)現(xiàn)什么充滿恐龍的地洞，但他們的確紛紛把自己的項目稱為“探險”。
“我們把它稱之為探險、遠征，是因為在籌備和執(zhí)行過程中的確要花費相當大的人力物力，而且你真的要深入絕對的無人地帶去探測，這在今天已經是非常非常不一般了?！?/span>
“‘這些計劃有一個共同點，它們都很像星際遠征?！?/span>——戴蒙·迪格”
“在地下深處，你總能找到一些驚人的發(fā)現(xiàn)，特別是當你挖掘到地殼深處的時候。”
“如果我們重新分析德國大陸深鉆計劃項目、科拉超深鉆孔，你會發(fā)現(xiàn)，當這些項目真正開始進行的時候，整個計劃最終目標背后的相關理論，可能已經是三四十年前的落后理論了。”
“這些計劃都有一個共同點，他們都很像星際遠征計劃。”南安普敦大學國家海洋學中心、海洋與地球科學院、地質化學教授戴蒙·迪格（Damon Teagle）如是說，他在如今日本提出的最新鉆探計劃中擔任重要角色。“它們是純粹的科學探索，你永遠無法確切預判自己將會發(fā)現(xiàn)什么?！?/span>
“比如在深海鉆探計劃（Deep Sea Drilling Project）和海洋鉆探計劃（Ocean Drilling Program）中，曾經兩次鉆探的編號1256鉆井，在這里人類第一次看到了完整的深海地殼。在此之前沒有人曾經看到過這樣的樣本，這樣的經歷令人非常興奮，總是有驚喜在等著你?！?/span>
今天，在另一項深鉆計劃國際海洋發(fā)現(xiàn)計劃（International Ocean Discovery Program）之中，“穿越莫霍界面到達地幔項目”（MoHole to Mantle）正進行到關鍵環(huán)節(jié)。就像幾十年前的“莫霍面鉆探計劃”，科學家希望能在地殼最薄的海床進行鉆探，大概只有6公里深。這一耗資10億美元的計劃，其核心目標是在人類歷史上首次挖掘出地幔巖石樣本，而非化石樣本。
為了完成這一壯舉，巨大的鉆井船“地球號”（ちきゅう）早在20年前就開始為該項計劃建造?！暗厍蛱枴鄙洗钶d的GPS系統(tǒng)和6個電腦控制的推進器可以將船體的位移精確到50厘米。
“地球號”上搭載的6個方位推進器不僅可以隨時改變動力的方向，還可以隨時控制推進力。由于海面上海流和風的作用力隨時在變化，因此6個推進器必須保證時刻做出全面的反應。圖源：jamstec.go.jp
肖恩·托茨科說：“這艘船將繼續(xù)傳遞火炬，完成半個世紀以前莫霍面鉆探計劃無法完成的任務。以往的超深鉆孔已經讓我們了解到很多關于大陸地殼的信息，而今天我們要嘗試去做的，就是了解更多地殼、地幔邊界處的信息?！?/span>
“‘這些計劃非常昂貴，因此無法一遍遍重復去嘗試?！?/span>——烏利·哈姆斯”
“目前最嚴峻的工作就是選擇一個最佳的鉆孔點，備選鉆點一個在哥斯達黎加，一個在沙特阿拉伯的巴哈，還有一個在夏威夷?！?/span>
肖恩·托茨科補充道：“每一個鉆點都面臨在三個問題之間權衡——鉆點位置的海洋深度、鉆點與海岸的距離、岸上建造基地的難度，畢竟，這是一項全天候數(shù)億美元的海上作業(yè)。所有這些基礎設施都可以建造，但這些同樣需要花費時間和金錢。”
烏利·哈姆斯認為：“最后所有問題都歸結于經費問題，因為這些探險計劃非常昂貴，因此無法一次次重復嘗試。這樣的計劃可能耗費了幾億歐元——但只有一小部分用于地球科學的理論研究，剩下的都必須投入到技術研發(fā)，以及基礎運營建設這兩方面。”
“如此看來，我們需要的是一些出色的政治家去游說這些探險研究的價值?！?/span>
