向地心挺进：万米深地，非入不可吗？
来源： 中国科协、中科院携手“互联网 科普”平台，深耕科普内容创作 发布时间：2023-07-14
出品：科普中国
作者：李勃（陕西省生物农业研究所）
监制：中国科普博览
古今中外，神话故事中那些法力无边的神仙，总是会被描述为高深莫测，能飞天遁地。“上天”、“入地”一直是人类渴望揭秘自然、拓展认知边界的梦想。
自1957年，苏联成功发射了第一颗人造卫星以来，人类已对太空进行了无数次成功探索。如今，我国“天问一号”火星探测器已成功着陆火星表面，我们的“天和”空间站也已经遨游太空。
“上天”，对于人类来说，似乎已经不是什么难事。相比之下，人类“入地”的本事又有多大呢？
为什么一定要“入地”？
地球是人类赖以生存的家园，但又时不时会给人类带来地震、火山和泥石流等各种地质灾害。为了自身生存的需要，人类迫切地希望了解地球。从但丁《神曲》描绘想象中的地狱景象，到凡尔纳《地心游记》描写有着大海、蘑菇森林和远古巨兽的地下世界，都表露出人类对地球深部奥秘的揣测想象与强烈好奇。
事实上，迄今为止人类发展所需的全部物质资源都来自于地球。现有的科学研究成果显示，地下深度2公里以内是地下水资源和人类可利用的空间；深度5000米到1万米左右则是能源和资源空间，这里有丰富的油气、矿产和地热资源。据估算，如果平均开采深度能够达到地下2000米，那么我国的矿物和油气资源供给将能够在现存基础上再翻一番。近年来，我国在塔里木不断地发现一些超深的大气田，差不多都是在地下9000米到1万米之间发现的。
图1《地狱的深渊》由波提切利于1480年为但丁的《神曲》绘制的插图，现收藏于罗马梵蒂冈图书馆
（图片来源：中央美术学院）
此外，随着全球变暖问题日益加剧，对于地热的利用也正在受到重视。将这些深埋地下的热能置换出来用于发电或者直接应用于生产生活，对于未来人类的可持续发展具有重要意义。
同时，地表1万米再往下则是地震、火山爆发等自然灾害发生的空间。对地球内部的探索，不仅有益于进一步解决人类发展的资源和能源需求，从更长远看，如何及时预测地质灾害、有效应对全球气候变化危机，也需要从尘封在地下的岩石中寻找答案。
“入地”究竟有多难？
然而，相比空无一物的太空，我们身处的这个有着46亿年历史的蓝色星球，有它自己独特的构造和物质分布。如果把地球的构造想象成这个咸鸭蛋，地壳就相当于这一层薄薄的蛋壳，平均厚度大概33公里。而目前人类探索地球的最深记录是上世纪末苏联在科拉半岛上创造的12262米。与6000多公里的地球半径相比，这点儿距离就好像仅仅是在地球的表皮上凿了个小坑。
图2 地球结构示意图
（图片来源：veer图库）
其实，自人类文明诞生之日起，我们就一直在努力的向地下进行着探索。早在公元前1500年前后，我国商代的甲骨文中就已经有了“井”字，这个象形文字生动地向我们展示了人们从地表向下挖掘一个筒形的通道，目的很简单，就是为了汲取地下水。
图3商代甲骨文中井字
（图片来源：中国文字博物馆）
可能有人会诧异，所谓“入地”，说白了不就是向下挖，这有什么难的？但其实，说起来简单，做起来却很难。历经2500多年的发展，到北宋时期我们钻井的深度也仅仅达到130米左右，而这在当时已经是全球领先水平了。
“入地”之所以艰难，主要有三个原因：首先，最主要的原因是地球表面的坚硬岩石阻隔，要持续向下开凿这些坚硬的石头需要消耗巨大的人力物力。其次是温度，钻探深度每下降100米，温度就会升高1-3摄氏度，同时压力也会越来越大，这对于挖掘设备的破坏是十分严重的。最后是压力，相比“飞天”只需要克服重力和空气阻力的影响，“入地”面对的情况则要复杂的多，地壳深部的岩层会受到来自四面八方各种压力的作用。所以，当钻探深入地下取出岩心后，形成的钻孔就受到周围压力的作用，很容易垮塌、变形，让之前所有的努力都付诸东流。综上，随着深入地下的距离越大，钻探的难度也会成几何倍数增加。
仍以我们前面提到的科拉半岛钻探为例，从1970年开凿，到1983年该井深度就已经达到了12000米。但是，从12000米到12262米，短短的262米却耗时整整十年。而实现这一人类历史壮举背后耗费的资金，更是难以估量的。最终，受限于当时技术和资金的问题，1992年科拉深井的钻探被迫停止。
纵观历史，人类花了将近4000年的时间，深入地球内部的距离还不到地球半径的2‰。
图4 1980年科拉深孔突破10000m留念
（图片来源：pechenga）
伸入地球内部的“内窥镜”
基于上述的重重困难，人类对地球内部的直接观察一直十分有限。到目前为止，我们对地球内部的认识大多是通过地球物理学等间接方法获得的推测。因此，若想要对地球奥秘进行最直接的探索，必须深入到地球内部获取样品及各种信息。而科学钻探是获取地球深部物质和了解地球内部信息的最直接、最有效、最可靠的方法。
通过数千米甚至上万米的科学钻探，科学家可以揭示地壳的物质组成与结构构造，探索地球深部流体系统、地热结构，发现生物起源的线索等，从而解决一系列重大基础科学问题。因此，科学钻探也被科学家们形象地称为给地球做个“内窥镜检查”。
科学钻探主要分为大洋钻探和大陆钻探，而世界上最早的科学钻探活动开始于海洋。20世纪50年代末，美国启动了第一个科学钻探计划——“莫霍面钻探计划”，目的是要钻透莫霍面（地壳和地幔的接口）。该计划于1961年3月开钻，但由于技术难度大和费用高昂，到1966年8月就被迫终止了。
其后，美国又陆续发起了“深海钻探计划”（1966-1983）和“大洋钻探计划”（1985-2002）。这两个国际大科学工程，为验证大陆漂移和板块学说提供了支持。
而大陆科学钻探始于20世纪70年代，发端就是我们前面提到的苏联的科拉深井，迄今它仍然是世界最深的钻井。其后，德国、法国、美国、瑞典、加拿大、日本等国也相继开展了大陆科学钻探工程。
1996年由中、德、美三国共同发起的“国际大陆科学钻探计划”正式启动。27年来，在党和国家大力支持下，中国近万名专家学者和技术工人一道，相继开展了中国大陆科学钻探、汶川地震断裂带科学钻探、中国大陆环境科学钻探、渭河盆地科学钻探等多个重大科学工程，为我国科学钻探事业取得前所未有的成绩。
2005年8月，7位院士赴青海湖钻探现场（从左到右）：许厚泽、滕吉文、丁国瑜、安芷生、陈俊勇、钟大赉、刘嘉麒
（图片来源：中国科学院地球环境研究所）
而其中最具代表性的成果，就是由王成善院士牵头完成的松科二井，井深达7018米，成为“国际大陆科学钻探计划”成立以来实施的最深钻井，也是全球首个钻穿白垩纪地层的科学钻井。这些钻探工程不仅取得了大量的科学突破，也极大地促进了我国钻探设备和技术的创新与发展。
图5王成善院士展示采自地球深部7018米的岩心
（图片来源：中科清研（北京）科学技术研究院）
2023年5月29日，神舟十六号飞船成功发射升空。紧接着第二天，中国石油深地塔科1井在塔克拉玛干沙漠鸣笛开钻，奏响了我国“万米深井”时代的序章，中国即将成为世界上第3个在陆上钻达地球万米深度的国家。
图6 万米深井-深地塔科1井开钻 姚东摄
（图片来源：中国石油报）
向地心挺近！
从嫦娥飞天到入地万米，在新时代下，中国人正在以前所未有的速度和勇往直前的气魄，奔赴在科学探索与创新发展的道路上。历经几代地球科学工作者的砥砺奋斗，我们以科学为刃，用自主研发的装备凿穿了沉淀亿万年的坚硬岩石。如今的中国人，终于能够真正直面于地球46亿年的历史。
也许，地心是我们永远想到又到不了的向往之地。但是，它时刻提醒着我们，人类的征途不仅是星辰大海，还有地球深处。探索未知，依然任重道远，让我们心怀梦想，勇敢地向地心挺近！
参考文献：
【1】邹长春等. 中国大陆科学深钻发展的若干思考与建议，现代地质，2023， 37(01)：1-14
【2】薛倩冰等. 大陆科学钻探工程技术发展动态及趋势分析，钻探工程，2021，48（12）：1-6
【3】王志刚等. 万米科学超深井钻完井现状与展望，2022，40（13）：27-35
【4】徐晶晶等. 大洋科学钻探特点与发展趋势——基于国际大洋发现计划科学框架的对比分析，海洋开发与管理，2023，40（03）30-38
【5】赵天宇. 挺进地心：揭秘科学钻探，北京科技报，2021-04-19
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