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地底下的模樣:想像與現實

要知道地球內部的構造,最直接的方式就是鑽進地底下看看地底下長什麼樣!講是很容易,但實際起來操作可不簡單。5~6公里感覺不長,但請想像往地底下挖幾千倍的長頸鹿脖子的長度……呃不對,想像101大樓高的10倍長金屬管子往地下一插,超難的啊!!!

電影《世界末日》中用的鑽機模型

電影《世界末日》中用的鑽機模型

假如還是無法想像難度,那就看看好萊塢電影的想像方式吧!在電影《世界末日》(Armageddon)裡面,布魯斯威利很威的帶了一群鑽油工跑到小行星上面鑽井,結果不是卡鑽就是鑽到不明氣體引發爆炸;而電影《地心毀滅》(The core)雖然有更厲害的黑科技,擁有在越高溫高壓下會越硬的金屬,但鑽下去還是跟想像中的情況差很多,也一樣莫名奇妙的卡住或是掉到怪洞。其實兩個電影中,像是越鑽越硬的金屬、或是找鑽油工來鑽小行星是很扯的事,但會卡鑽、爆炸這些鳥事可是一點都不扯,現實上,鑽的越深,高溫高壓的情況就越難應付,而地質鑽井取樣的工具和鑽頭也不是在電影上面想像的那樣,像是地質鑽探常常需要取得柱狀的岩心樣本,代表不同深度的岩石性質,就必須需要有空心菜…不是是空心鑽頭,才有辦法取得樣本,就是像把吸管插到石頭中,再想辦法讓前面的地方斷掉、抽上來,才有辦法取出岩心。

地質取樣鑽探示意,黃色是鑽頭、藍色是套管,紅色則是取樣的柱狀岩心。圖片取自維基https://en.wikipedia.org/wiki/File:Edrockcore.jpg

地質取樣鑽探示意,黃色是鑽頭、藍色是套管,紅色則是取樣的柱狀岩心。圖片取自維基

這還不是最難的事,在地上還算容易,在海底的難度就更高了,鑽台也還好,最難的莫過於海洋鑽井船,因為風浪而使鑽井崩壞或是卡住的情形也十分常見,只是這麼吃力不討好的事,為什麼人們要做?好好的在一般地面上鑽不就好了?甚至…幹嘛沒事要鑽下去?地下岩漿噴出來怎麼辦?(其實真的要鑽到岩漿還不容易,而且就算讓我們鑽到岩漿,它在衝到地表前也早就固化堵死了!)

在了解人類為何要往下挖前要先知道的事

所以目前科學家了解地球內部的主要方式,是利用震波+岩礦實驗;地震波對地球物理學家來說就像是醫生看孕婦胎兒的超音波一樣。至於用波速變化分層來推測內部是什麼,運用的背景知識就是我們對地表地殼成分的理解、或是某些從海洋地殼抬升的東西、由火山帶到地表的物質,以及利用實驗室創造出高溫高壓的方式分析相同化學成分的結晶變化。

啊那不就跟猜的沒兩樣?當然不是,只是我們能用有限的資料能推理出來的結果是如此,課本還是許多科普書也都會寫著透過震波得到的結果:把地球比喻成水煮蛋地殼相當於蛋殼地函就是蛋白地核就是蛋黃…但實際上,畢竟震波資料還是間接的資料,地底下到底「是什麼」,還是鑽井求解最直接
而最近的鑽探目標就是莫氏不連續面:由克羅埃西亞地震學家莫霍洛維奇(Andrija Mohorovičić)觀察地震波速度資料,發現波速趨勢突然加快的地方,後來人們把這界面當作地殼和地函的交界面,如果是在大陸地殼的話就會可能比較深(厚度介於2~80公里),在海洋則較淺(0~7公里)

地球內部與地殼附近的構造示意,未完全依比例繪製,僅用來說明大陸地殼、海洋地殼與莫氏不連續面的關係。莫氏不連續面以下已屬地函物質了。

地球內部與地殼附近的構造示意,未完全依比例繪製,僅用來說明大陸地殼、海洋地殼與莫氏不連續面的關係。莫氏不連續面以下已屬地函物質了。

目前地表最深的垂直鑽井就屬前蘇聯/俄羅斯的科拉超深鑽井[1],鑽了超過12公里深(~12662m),但可惜的是它鑽的是大陸地殼,而且是鑽很老、很厚的地區,所以即使有很多鑽井資料,但因為沒鑽穿莫氏不連續面,所以它對於我們了解地殼以下的物質還是沒有太大的幫助[2]。

除了遙遙領先的戰鬥民族,美國的科學家也有想辦法在海底鑽探鑽到地函的「莫荷計畫」(Project Mohole。而這個計畫很快就因為政客很麻煩某些因素而停擺了,不過取而代之的深海鑽探計畫(Deep Sea Drilling Program,DSDP)最後反而支持了海洋擴張學說,也算是為後來的板塊構造學說打下基礎;而後的海洋鑽探計畫ODPOcean Drilling Program)和現在的IODPIntegrated Ocean Drilling Program)仍持續探索海洋地殼[3],總說要功成身退的聯合果敢號,也仍和地球號分別在印度洋與太平洋上各自努力著。

所以地函或莫氏不連續面的研究進展怎麼了?

(雖然有點難,但因為很重要所以還是得講)

前面提到的地函和地殼交界又叫莫氏不連續面,這個定義未必會直接改寫,但可能會隨著即將進行的鑽探研究而可能要稍微調整,至於為什麼需要修正?在開始談到最新最夯的海洋鑽探研究前,我們還是得先回顧關於一些過往的研究。中學課本寫著海洋地殼平均約5公里,最厚差不多7公里,其實比大陸地殼來說,海洋地殼薄得多,且看起來厚度均勻,但實際上各地的「組成」樣子可能差異頗大,而過去也有各種不同的說法和模型,而這些推論也是根據過去DSDP和ODP的計畫鑽探所得到的。

海洋地殼年齡分布圖,接近暖色是年輕的海洋地殼,而接近冷色則是較老的海洋 地殼,紅色中間若有黑線處就是大致的洋脊和轉型斷層位置。紅色範圍越大代表張裂速率比較快,可以發現東南印度洋、東太平洋的洋脊張裂速度極快,而非洲和南極洲之間的洋脊就張裂的非常慢。圖取自於NOAA National Oceanic and Atmospheric Administration

海洋地殼年齡分布圖,接近暖色是年輕的海洋地殼,而接近冷色則是較老的海洋 地殼,紅色中間若有黑線處就是大致的洋脊和轉型斷層位置。紅色範圍越大代表張裂速率比較快,可以發現東南印度洋、東太平洋的洋脊張裂速度極快,而非洲和南極洲之間的洋脊就張裂的非常慢。圖取自於NOAA (National Oceanic and Atmospheric Administration)

簡單來說就是:地函和地殼的邊界長怎麼樣?是不是像莫氏不連續面可以一刀切開?還是漸漸改變的過程?這都是一個觀測數據還不夠、也還沒辦法吵出結果的東西。

這也就是為什麼要持續的鑽、用力的鑽,其實就如同各種太空計畫和宇宙探索一般,我們知道的東西永遠,永遠都不嫌多。所以關於海洋地殼不同的模型與研究,我們就先賣個關子,藉由下一篇介紹IODP Expedition 360計畫[4]的研究來認識,也了解科學家是怎麼看待地下世界的。

參考資料與延伸閱讀:

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關於作者

潘昌志

「你地質系的?」不,但我待過地質所,而且還是海研所的碩士。無論在氣象局、小牛頓…都一樣熱愛地科與科普。現在從事試題研發工作,並持續在《地球故事書》、《泛科學》、《國語日報》等專欄分享地科的各種知識,想以科普寫作喚醒人們對地球的愛。

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