钻井地幔深处发现的秘密

这探险将花费不到一个闪闪发光的导弹发射台的爆破在卡纳维拉尔角,然而这个项目肯定是一场冒险对新世界的发现是哥伦布的三只笨重的船,”约翰·斯坦贝克写了在生活杂志1961年4月。

斯坦贝克是报道中钻探船项目超深钻。这种科学巡航的目的是向下钻取到地板的太平洋海岸的瓜达卢佩圣母岛,墨西哥,收集第一个样本地壳和地幔之间的边界。这个地区被称为Mohorovičić不连续,或简称为莫霍面。

项目超深钻没有达到它的目标:它只成功地钻几米到玄武岩岩石沉积在海底下面。尽管如此,科学界的探险是一个重大胜利。他们演示了在深水钻井的可行性海洋地壳的Benoit Ildefonse解释说,在法国蒙彼利埃大学的地球科学家。

项目和技术开发了一个国际科学大洋钻探计划持续了50多年。这个项目,目前称为国际海洋发现项目(IODP),让1500多个钻孔钻到地壳以下海洋科学研究的目的,海洋地球物理学家说基督教Berndt Geomar亥姆霍兹海洋研究中心在德国基尔。

海底

钻探是唯一可能真的找出深海底下,“Berndt解释道。大多数线索我们对地壳的组成、地幔和地核来自观察地球的重力和磁场,并观察地震波穿过它。但你没有证明你在地球物理资料解释的是真的(直到)海底钻机的Berndt说。

海底钻探,而不是在陆地上,似乎是一个奇怪的选择,但也有充分的理由:“这是地壳最薄的地方。只有6公里(厚)而不是几十公里的大陆,“Ildefonse解释道。海洋钻井让我们走捷径到达下地壳和上地幔快很多”,增加了肖恩·Toczko探险项目管理团队的日本地球科学和技术部门的(Jamstec)。

陆地钻井项目,然而,最深的记录保持者人造黑洞。科学家运行前苏联的可乐超深层钻孔工程花了24年钻一个直径23厘米孔与挪威、俄罗斯边境附近达到的深度12.26公里之前项目在1994年被封存。

下钻

还没有人往下钻到莫霍面,因此地幔。的记录最深的井眼钻在海洋科学研究目前3.25公里。在2019年初,这是实现一个网站西南太平洋的南海海槽日本。

地球号科学钻探船,Jamstec宝石的皇冠,是用于这个任务。地球自2007年以来一直操作同样大小,长210米,最大的在英吉利海峡轮渡,可以容纳200名科学家,工程师和技术人员。它拥有最先进的科学实验室和立管和non-riser钻井系统。

地球是唯一船用于科学钻井立管系统,这片机器,打开了诱人的成功的可能性达到地幔。立管钻井过程有许多额外的组件包括使用管道(立管)连接船在海底井口。立管钻井过程创建一个封闭的循环系统,可以调整泥浆的重量平衡周围岩石的地面部队正试图关闭打开的洞,因此允许比否则可能钻更深,“Toczko解释道。

海洋钻井探险期间,大量的数据收集从科学仪器连接到钻系统。额外的仪器也降低到空孔钻后删除。测量参数包括围岩的密度和孔隙度和电阻,使科学家们想出流体存在的类型。

样本的审查

核心也收集从地壳的部分科学有趣。地球的取心系统收集9.5的核心。一旦样品被收集,核心筒被送回船上恢复核心,然后一个新的空岩心筒下降到钻杆继续取心,“Toczko说。一旦核心是甲板上发出的气体样品收集。他们然后分成更小的部分,带到船上的实验室。

首先,核心部分是通过电脑断层扫描仪检查任何有趣的值得仔细检查的内部结构。然后,科学家们开始认真分析。有整个政权的继续昼夜不停的工作,“Toczko说。

无机和有机成分的固体、液体和气体阶段的核心样本进行分析,“Harue Masuda解释说,在日本大阪市立大学的地球化学家。分析组件包括主要、次要、稀土元素、无机和有机碳、甲烷、其他烷烃,氢和碳同位素,”她补充道。科学家们还进行微生物测试的液体和评估矿物的化学和物理性质。

核然后冷冻准备瓜分,岸上的进一步分析研究团队在稍后的日期。

行星宝库

60年后项目超深钻,钻下来的梦想得到一个样本的原始地幔依然存在。“如果我们能得到一些原始地幔的样本,它就是这个行星地质学的宝库,“说达蒙卷扬机,南安普敦国家海洋学中心的地球化学家在英国。地球的地幔是最大的部分体积和质量,但是我们没有任何原始样本,”他补充道。

对于许多元素,我们估计的丰度只是想工作

我们认为我们知道迄今为止地幔的组成来自地球物理观测。线索也被收集从研究暴露(高度变形和风化)地幔中发现几个地点在海底,岩浆和火山岩石和陨石。

科学家们特别感兴趣的量化产生放射性元素和挥发物如碳、硫、水和惰性气体。对于许多元素,我们估计的丰度只是想工作。人看的复合碳质球粒陨石陨石和做一些粗略的计算了地壳中,核心是什么,然后说“好了,剩下的只有在地幔,“卷扬机解释说。

钉下地幔的组成不仅有助于阐明我们的星球是如何工作的。碳含量,例如,将提高我们对深部碳循环的理解——碳循环的过程通过地球的地幔和核心,它的作用在控制地球的气候。

缓慢的深层碳循环和碳的快速运动穿过大气层和地球表面紧密的联系在一起。在某个点的相互作用,特别是在大洋中脊质量交流水圈和下面的岩石在地壳和地幔发生,“Ildefonse说。

科学家也想量化地幔的水含量。我们不知道多少水是地球内部的但我们认为地幔可能是一个主要水库的水,“Susumu Umino说,在日本金泽大学的地球科学家。地幔的水浓度决定了其流变学和如何影响对流迁移。正是这些移动板块的对流,导致地震和火山。了解地幔的水浓度会因此让科学家们更好地理解这些地质现象的原因。

项目超深钻取两个

Unimo,卷扬机和Ildefonse组织团队的所有成员为超深钻地幔项目,下地幔钻探计划的尝试。三个潜在钻探地点确定了大约十年前:夏威夷海岸,加利福尼亚半岛和哥斯达黎加。之间的选择这三个地方仍在。长时间是常见的海洋钻井探险。

没有那么多钱去了解一些我们自己的星球的关键元素

我们现在等待几件事情,Ildefonse解释道。我们等待更多的地壳地震成像,所以我们知道我们想要去的地方。“新钻井机械也需要耐高温,需要更强和更轻的钻杆,他补充道。

在某种程度上该项目还将资金问题,Ildefonse预测。超深钻地幔项目预计将耗资约3.5亿美元(£2.65亿)。“地质学家不熟悉花那么多钱在一个项目中,“他解释说。把人物背景下,美国航空航天局估计花费了27亿美元在火星毅力号詹姆斯韦伯太空望远镜项目和100亿美元。如果你看看,Ildefonse说道,“这不是那么多钱花知道一些我们自己的星球的关键元素。

对那些想要更好地了解地震、海底下的地幔并不是唯一位置值得参观。在地壳,是两个板块交界处也高利息。2019年南开槽钻探工作,看到地球的演习达到创纪录的3.25公里,深度的目标实际上是板块边界断层埋在海底下5公里。是不可能钻进一步由于井眼坍塌的问题,此外解释道。

我们想联系发震区域和了解地震时发生的情况

南海海槽是地球上最活跃的地震带之一。地震被认为发生在两个移动板块粘在一起摩擦,然后突然分开,她说。我们想联系发震区域,了解发生了什么(那里的岩石)当地震发生时,“Masuda说。识别这些地区的岩石和沉积物结构将提供洞察他们的强度和摩擦特性,以及它们如何应对压力的变化引起的盘子。这将有助于澄清粘性的作用构造板块在造成地震,此外说。

样本收集行动的一个关键要素是南开槽发震带实验,也称为NanTroSeize。到目前为止,这个项目80个洞钻南开槽在17个不同的位置。近5公里的核心已经收集了大量的传感器,包括地震检波器,温度和压力传感器,安装在海底地震记录在行动。计划还在进行中,再尝试样本集合的盘子,说那一定很有意思。

把一个软木塞

南开的传感器槽是一个全球网络的一部分的30多个钻孔天文台安装在自1991年以来,海洋地壳。天文台是instrument-laden设备降低到水井在海底约800米深。他们被称为循环消除改造工具,或软木塞。“软木称为软木塞,因为他们的水井,”埃文·所罗门解释说,海洋西雅图华盛顿大学的地球化学家,我们。

“没有科学观测,就像一个天文学家没有望远镜,“他说大纲软木塞的重要性。许多现代软木塞收集井眼流体,随着温度、压力和其他地球物理数据。液体收集很慢,通过阀通过渗透压,细长的线圈。“现在你有一个时间序列的液体可以测量任何你想要的,”所罗门说。典型实验涉及分析液体的化学成分随时间的变化和应对环境扰动和监控subseafloor微生物。

没有科学观测,就像没有望远镜的天文学家

软木塞最近也开始被用于活性实验,解释Geoff小麦、海洋地球化学家阿拉斯加费尔班克斯大学的我们。这包括将地球化学示踪剂注入围岩和跟踪他们的开始运动。通过这样做,科学家可以收集信息关于流体流动的方向和速度在海洋地壳中。

软木塞必须物理上访问为了开始积极实验,收集流体样品,和下载数据。研究人员访问他们每两到五年内,通过潜艇或遥控潜水器。子,你的小球直径6英尺6英寸(2米),所以它变得很紧张当你有三个成年人和各种仪表,”解释了小麦。通常,海底之旅持续9个小时,有近一半的时间旅行下来,后退。

最近安装的软木塞是东海岸的新西兰北岛Hikurangi板块边界。板块运动在这个区域已经引起了许多大地震和海啸。所罗门是团队的一部分,在2018年安装了软木塞,然后重新审视他们使用遥控underwatervehicle 2021年3月,巧合地一周之后的一系列附近的地震。我们刚收到资金去天文台,2023年恢复井下仪器,”所罗门说。

历史的痕迹

地球并不是唯一的船用于部署软木塞,因为不需要立管钻。143米长的Joides决议,由德州农工大学在美国,自1985年以来科学大洋钻探的主力。non-riser钻头,用于大多数海洋钻井探险,包括最近的新西兰软木塞探险。欧洲海洋研究钻井财团也偶尔员工商业石油钻井船或科学考察的平台。

Joides决议的最新科学探险队从2021年8月到10月,西海岸的挪威。许多火山活跃在这一领域,叫做mid-Norwegian火山边缘,大约5600万年前在过去的气候变化事件。Geomar Berndt是探险的首席研究科学家。20孔钻在9个不同的位置,他解释说,最深的洞是405米。

巡航的科学目标之一就是寻找这种古代的信息快速的全球变暖。这是最后一次,气候温暖尽快接近现在正在做,所以很了解有关地质和环境的过程,这种过去时处于活跃状态变暖,“Berndt说。

碳封存

探险的目标之一是要看是否在海底下玄武岩地区可以用来永久储存多余的发电站产生的二氧化碳和其他的碳排放来源,如钢铁、水泥和钢铁厂。

碳捕获和存储(CCS)项目通常存储多余的气体在废弃的地下油藏不透水岩层。这种类型的存储需要永恒的监测检查泄漏。获得牵引另一种方法是将二氧化碳注入玄武岩,其中气体与岩石反应生成稳定的固体碳酸盐矿物。

就像树木和植物,玄武岩岩石自然吸收大气中的二氧化碳,所以这种类型的CCS只是一个加速版的一个自然的过程。矿化过程需要大约两年,一旦完成,二氧化碳被锁定,直到永远。

玄武岩是地球上最常见的岩石类型,“说Juerg,南安普敦国家海洋学中心的有。海洋地壳是玄武岩,你也发现玄武岩地球表面。CCS不是可行的在每个玄武岩的岩石,因此需要现场抽样检查其适用性在潜在的注射部位。

永久大规模CCS在玄武岩已经演示了几个位置,包括固碳项目Hellisheiði地热发电厂附近的冰岛的雷克雅未克。为固碳提供了科学的支持,已自2012年以来二氧化碳注入地下。到目前为止,所有CCS注入玄武岩陆地,但计划在海上也在增多。

斯坦贝克起航以来覆盖项目超深钻在60年前,原始地幔的样本可能仍然是难以捉摸的,但科学大洋钻探先进的超出了他的想象。水井钻探和软木塞安装,提供了一个信息的宝库地球的内部运作。以及让地质学家,发现也有实际意义的了解地震和其他自然灾害,影响社会,地壳的宜居性和潜在的住在其他地方,和地球的气候系统与一个潜在的解决方案应对气候危机。

尼娜Notman位于索尔兹伯里的科学作家,英国