說到我們生活的地球,乃至我們生活的宇宙,對於我們來說是無邊無際的,而對於我們來說,大自然充滿了魔力,總有無限的奧秘等待著我們去發現和探索。
說到人類對宇宙或我們所居住的地球的探索,我們首先想到的可能是天文探索。自古以來,人們試圖看得更遠,飛得更遠,於是發明了更精確、更清晰的天文望遠鏡,這使得我們對地球以外的星球有了新的有趣的發現,人類也從未停止過對航天器的研究,不斷將我們的探測設備發射到外太空,以期發現更多地球以外的秘密。
但人類對自然的探索遠不止於此,因為我們生活的地球是壹個巨大的球體,而且是實心的。這就提出了壹個問題:地球下面到底藏著什麽?其實,多少年來,人類不僅有壹個飛上天空的夢想,也有鉆入地球,看看地球內部到底藏著什麽秘密的想法。
理論上講,如果壹直往下挖,總有壹天會挖到地球的另壹邊。我們人類有太多強大的機械設備,挖透地球應該不難。畢竟我們已經實現了“天堂之夢”。入土似乎比上天容易得多。直到今天,世界上還沒有壹個國家在鉆透地球方面取得任何進展。看似容易的事,其實很難。
美國曾經計劃“在地球上鉆壹個洞”
早在1952,美國人就想到了,想在地球上“鉆個洞”,看看地球下面到底有什麽奧秘。
於是在1952,這個計劃由美國多樣性協會(AMSOC)向美國國家科學基金會(NSF)提出,在1858,這個計劃最終被批準通過。這就是著名的“莫霍工程”(Project Mohole),之所以命名為莫霍工程,是因為美國人的理想是試圖鉆透地殼,到達莫霍面。
美國人壹開始對這個項目充滿熱情,項目進展也相當快。從3月23日1961到4月1961,在短短半個多月的時間裏,美國多樣性協會用壹艘名為“CUSS I”的鉆井船在墨西哥瓜德羅普島附近海域鉆了5口深海油井,水深3558米。在這些鉆探過程中,
當初這個計劃相當成功,人們也非常看好,因為這是第壹次在深海海底成功鉆探。當然,在這個計劃中,人類也對地球內部有了許多新的發現:人們發現中世紀的海底基地是由大約13米深的玄武巖構成的。
雖然取得了這樣的成績,但是與這個計劃的成績相比,它的代價是非常巨大的。由於經濟和政治壓力,幾年後,這個計劃別無選擇,只能被叫停。早期人類在地球上鉆了壹個洞,想看看下面是什麽,於是轟轟烈烈地開始,然後悄無聲息地死去。
“莫霍計劃”止步,前蘇聯“接力”
雖然美國的計劃失敗了,但是沒過多久,前蘇聯就開始接力,開始了在地球上打洞的計劃。1970前蘇聯鉆探計劃在科拉半島正式開啟。為了這個項目,前蘇聯也投入了巨資。據悉,當時參與的科學家報酬很高,可見前蘇聯當時對這個項目的高度重視,以及“花壹千美元”完成這個項目的決心。
當時,前蘇聯決定將鉆探計劃的地點選在佩森加地區。為了更好的了解這個項目,首先我們來了解壹下佩亨加的具體位置:佩亨加位於北歐科拉半島的西北部,北部與巴倫支海瓦蘭吉爾峽灣接壤。為什麽選擇在這個地方進行項目?因為這個地方是歐洲大陸最大的地下避難所,如果在這裏打壹口15公裏的深井,效果幾乎相當於在其他地方打25公裏左右,甚至更差。這樣,理論上就可以看到大陸地殼的底部。
早在1965,科研人員就開始為這個項目做準備,包括選擇合適的鉆井場地,搭建和調試壹些相關設備。為了讓這個項目成功,前蘇聯做了充分的準備。準備時間長達五年。終於在1970,前蘇聯正式開始鉆探計劃。這個計劃的名字被稱為著名的“科拉超深井”。
前蘇聯在實施這個計劃的時候就知道壹個道理:失敗是成功之母,所以他們吸取了美國之前的失敗經驗,為了讓鉆探任務更加成功,進行了改進。
在歐美國家,研究人員通常使用研磨或研磨後切割巖石等工具,在工具的選擇上使用高強度鋼鉆桿,從而有效提高效率,實現鉆機和旋轉鉆井方法的高效利用。
在設備選型上,前蘇聯采用了獨特的渦輪鉆井方式,采用切割切割破碎巖石的方法進行鉆探。在設備的選擇上,前蘇聯采用了以鋁合金為主要材料的高強度管材制成的鉆桿,以提高不太堅固的鉆機的工作能力和效率。前蘇聯專家通過認真分析當時的壹系列國際經驗和鉆井中可能出現的問題,經過研究和改進,提出了超深鉆井的設想。
“超深井”作業在設備上精益求精
在設備的選擇上,蘇軍為這個“超深井”計劃的成功付出了巨大的努力。前蘇聯的科學家經過壹系列研究發現,最適合超深井的工具應該是氫合金制成的鉆桿。為什麽?由於氫合金鉆桿的比重不到鋼制鉆桿的壹半,這種輕質材料大大降低了鉆柱自重和鉆機相應的提升能力。如果采用鋁合金的材料,不僅提高了效率,而且比傳統的鋼制鉆桿具有更高的單位強度。
在鉆頭的選擇上,前蘇聯可以說是“放出了大招”,他們使用了世界上最“厲害”的鉆頭之壹:烏拉爾馬什-4E系列鉆機來完成第壹階段的鉆探。第壹階段的任務可以用超出人們想象的成功來形容,因為第壹階段預計達到的鉆井深度是5000m,但實際上超額完成了任務,達到了7263m。這次成功也為該設備立下了新的功勛:達到了該設備的最深記錄。而科拉超深井鉆井成為當時歐洲最深的鉆井。
為了應對深度增加帶來的壹系列新問題,前蘇聯曾經用更先進的鉆機和鉆頭進行更換,取得了10636米的好成績。到1983,該井的井深達到12000米。這個數據是什麽概念?這個深度已經超過了世界上最深的馬裏亞納海溝。
鉆了二十多年,不到地心的千分之二。
到1989,科拉超深井的深度幾乎達到其最大深度-12262米。
這個數據看起來確實喜人,我們可能會覺得地球被我們“鉆透”了。不是的。因為地球平均半徑約為6371 km,這是什麽概念?等於說前蘇聯用這麽先進的設備,這麽精心的設計,達到了人類“鉆探”史上的壹個高峰,用了20多年才鉆探出來,但實際上鉆到地心的過程不到千分之二。可能有人會問:我們有這麽強大的設備,為什麽壹個方向往下挖那麽難?
遇到的主要問題大致可以分為三部分:高溫、高壓和高地應力。
我們都聽過“山頂太冷”這句話,都知道隨著海拔的升高,氣溫會不斷下降。海拔每升高100米,氣溫就會下降0.6攝氏度左右。相反,如果深度增加100米,溫度會上升2攝氏度左右。這樣壹算,壹萬多米的深度,溫度會達到300多攝氏度,這麽高的溫度,任何鉆井設備都難以承受。
接下來,我們來看壓力。隨著鉆孔深度的增加,專家預測妳說的壓力會達到175MPa,二層壓力會達到400MPa左右。這種壓力對施工情況非常不利,再加上高溫的作用,可以說是難上加難。
最後是高地應力,它包括兩種主要類型:由上覆巖石重量引起的應力和從相鄰地塊或點傳遞的構造應力。地應力的影響有多大?高地應力非常容易導致井壁坍塌,造成卡鉆等壹系列井下事故,這是真實發生過的:蘇聯的壹口鉆井,鉆至7公裏左右深度時,曾壹度坍塌,鉆井鋼管在鉆進中斷裂。
“科拉超深鉆探”項目以失敗告終。
前蘇聯科拉超深鉆井項目,壹開始就是精心準備和構思的,設備也是花了不少錢的。人們曾經非常看好這個項目,但是由於困難重重,鉆探工作最終在1992停止,類似於美國莫霍面項目終止的原因,因為資金不足以維持高項目。雖然鉆探工作停止了,但相關研究壹直在進行,直到2008年,萊克超深鉆探才被徹底放棄。
至此,人類歷史上鉆探地下、研究地下內部結構的計劃,即使有些能取得階段性進展,也不能完全成功。它們主要是被各種地下條件所困,而到目前為止,面對高溫高壓,人們還想不出什麽好的辦法來克服。不得不說,我們“鉆透地球”的夢想,在目前的技術水平下,終究是壹個不可能的難題。也許在我們的不斷努力下,最終會克服很多困難,到那壹天,隱藏在地下的秘密可能會被壹層層揭開。