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地下奥秘何其多?!这些你知道吗?


发布人:系统管理员         浏览量:1351       发布日期:2020-10-06 10:42:46

我们知道,我们生活的土地下面埋藏着丰富的能源和矿产。因此,人类迫不及待地想要弄清地下岩石的结构,寻找能源及矿产,并加以开采利用。

然而,对于自然,我们理应心怀敬畏。必须承认的是,即便在科技日新月异的今天,我们对于大地母亲的内部结构依然所知不多。人类并没有“透视眼”,地下岩石及矿产资源的分布就像一个黑箱,充满了未知。

不过,人们从未停止过一窥地底真容的幻想,著名电影《地心历险记》正是这种幻想的完美呈现。虽然电影中的瑰丽场景或许并不真实,却代表了人类对地下未知世界的一种美好愿景。也许正是在这种愿景的驱动下,人类对探索地底世界的渴望愈发强烈。幸运的是,随着科技的进步,人们对地下结构的认知已愈发清晰。甚至已经可以做到某种程度上的“透视”,下面我们就来看看地质学家们“透视”地层最常用的三大法宝。

《地心历险记》海报(图自豆瓣网)

大宝露头:地下黑箱的冰山一角

我们知道,地球诞生距今已经有45.5亿年的历史了。在这么漫长的岁月里,地球经历了十分强烈的构造运动。很多古老的岩石都在这些强烈的构造运动中受到抬升,暴露在地表之上,经历风吹雨打。现在,我们在山脉里看到的很多出露地表的岩石,都形成于几千万甚至几亿年前。它们形象地被称为“露头”(lù tóu),因为看得见摸得着,甚至可以用锤子敲下来带回实验室分析,因此它们成为了科学家们研究古老岩石的重要工具。

那么问题来了,这些暴露在地面上的露头和地下几千米的岩石有什么关系吗?地下几千米的岩石会不会和这些露头形成于同一时期,属于同一类岩石?只是由于构造运动的差异,有的地方抬升到了地表被我们看到,有的地方却被深埋到了地下几千米的地方?

为了解答这样的问题,科学家不得不取出位于地下几千米的岩石来一看究竟,毕竟眼见为实,看得见摸得着的东西研究起来才有底气。而取出地下岩石的秘密武器便是我们的二宝了。

出露地表的野外露头(图自University of Kentucky)

二宝钻井:解开黑箱之秘的一孔之见

取出地下岩石的方法其实相当的简单粗暴,那就是——往下挖。当然,信息时代不可能是人工用铲子去挖。通常采用的方法是用钻头向地下打钻,称为钻井。通过钻井,科学家们可以取出埋藏在地下的岩石样本,称为岩心,从而可以和地表出露的岩石样本进行对比。

当然,由于钻井的高昂成本,取出的岩心数量往往十分有限。况且钻井取出的岩心直径通常仅有十厘米左右,相比于大地的广袤,人类耗尽移山心力取出的这点岩心终不过是沧海一粟。显然,仅仅依靠有限的岩心和零星出露的露头,是无法准确判断岩石在地下的分布情况的。那么在既没有岩心,又没有露头的地方,科学家们又是如何确定岩石分布的呢?这时候就需要三宝登场了。

钻井示意图(图自iStock)

钻井平台照片(图自wiseGEEK)

利用钻井从地下约2000m深处取出的岩心(图自参考文献2)

三宝物探:勾勒地下山脉的制胜法宝

地球物理勘探简称物探,是一类通过探测地下地球物理场分布来推测地质结构的勘探手段。由于组成地壳的岩层在密度、弹性、导电性、磁性、导热性等物理性质上往往存在差异,因此,通过探测和研究这些地球物理场的分布和变化,可以推断出地下的地质构造和岩石分布情况。主要的物探方法包括:重力勘探、磁法勘探、电法勘探和地震勘探等。

以常用的地震勘探为例,说起来,这种物探方法的原理和蝙蝠的“回声定位”有些类似。蝙蝠在飞行的时候,喉内发射超声波,当超声波遇到障碍物反射回来时,蝙蝠能用耳朵接收声信号,并以此判断障碍物的方位和距离。类似地,人们在地表人为地向地底激发地震波。地震波在地下岩层中发生反射,返回地表,并被接收器接收。由于地下岩层在弹性和密度上存在差异,地震波在不同岩层中的传播速度也不尽相同。利用接收到的地震波信息,就可以推断出岩层的分布情况了。相比于钻井岩心的一孔之见和野外露头的零星分布,地震勘探能够在很大面积的区域内进行,并描绘出地下岩层的分布情况。因此,受到了各大石油公司的青睐。目前,几乎所有的石油公司都利用地震勘探来预测地下岩层和石油的分布情况。

当然,上帝在打开一道门的同时,往往要关上一扇窗。地震勘探虽然具有极尽开阔的“视野”,却没有足够的探测精度,因此,通常需要结合已有的岩心和露头观测,才能精确地推测出地下岩层的性质和分布情况。

在这“三宝”合力的情况下,科学家们能轻松地绘制出地下岩层的分布情况,下面这张酷炫的彩色三维图就是“三宝”齐出的伟大成果,通过它,我们能够清楚的看到地下几千米的岩层分布情况。

利用地下岩层弹性和密度的差异绘制的地下岩层分布图(图自Petroleum Experts)

然而,地心究竟长什么样子?人类早已成功登月,但何时才能抵达地心?这似乎依旧悬而未决。

上世纪90年代,前苏联开展了雄心勃勃的“科拉超级钻井计划”,苏联人的目标是打穿地壳。然而,随着钻井深度的加大,钻头所需要承受的温度和压力也不断增加,耗费的时间和经费也越来越多。直到1993年,这个计划因经费不足而被迫停止,钻井的深度也定格在最终的12262米,遗憾的是,这个深度仅达到了地壳平均深度的1/3。如今,快30年过去了,科拉钻井仍是世界上最深的钻井,人类的钻头也并未再前进一步,钻穿地壳的梦想似乎依旧遥不可及。