人类自古以来都对未知的东西既敬畏又向往。
仰望满天繁星，他们会联想到星座和各种神话传说。
凝视脚下的大地，有人就能想象出地狱的可怕情景。
近百年来，科技进步让人类成功在20世纪登上月球。
向宇宙出发，目标是星辰大海已经不仅是一句口号。
而不为人知的是，在登月计划进行得如火如荼时，有一批人同样憋足了劲向地心进发。
这场“打洞竞赛”始于冷战时期，美苏两个老对手都试图首先钻透地壳，为自己创造又一个耀眼的记录。
与月球竞赛中的大获全胜不同，美国付出几年努力后便草草收场。
反倒是苏联不仅向下掘进了前所未有的万米深度，还有坊间传言他们挖穿了地狱的天花板而被迫停工。
这场竞赛的源自于美国海洋物理学家沃特·蒙克（Walter Munkm）的一个想法。
1957年，他首先提议在大洋底部打一口穿透莫霍面*的超深钻井，为地球科学领域取得重大突破。
我们知道地壳平均厚度约为17km，其中大洋地壳远比大陆地壳薄，一般只有10km左右。
因此选择在海底钻探的话，穿透地壳所需的路程会更短。
*注：地壳与地幔间的分界面，由克罗地亚地震学家莫霍洛维奇于1909年发现，故称为莫霍洛维奇不连续面。
1957年，一批具有相似想法的美国科学家正式向国家科学基金会（NSF）提出了莫霍计划（Project Mohole）。
这项计划预计会耗费1500至2000万美元，里面包括租用大型钻探船以及每年的钻探费用。
次年计划获得了基金会的资金支持，研究人员红红火火地开工了。
1961年4月，莫霍计划取得了初步的进展。
负责钻探作业的“CUSS I号”钻井船在墨西哥瓜德罗普岛近海3558米水深处钻了5口深海钻井。
这些钻井最深达183m，是有史以来第一次在深海海底打钻成功。
用于定位的潜水浮标，“CUSS I号”钻井船
然而此后钻探技术并没有取得突破，在深海钻进200m已是操作的极限了。
与此同时，莫霍计划的预算却越涨越高。
到了1965年，计划费用已经高达11000多万美元，是早期计划的6倍。
从技术发展上来说，实现钻穿莫霍面的目标并非不可能，无奈是后续成本太高。
高额的费用没有换来等价值的成果，同时期的载人登月任务阿波罗计划前景似乎更佳。
于是莫霍计划失去了拨款，美国把精力投入到了其他研究中。
眼看着美国人放弃了，苏联对自己的超深钻井计划却没有迟疑。
他们在1960至1965年间围绕计划共制定了198项任务。
苏联地质部牵头吸收了全苏150多个部门参与到此计划中。
超深钻井计划目标深度为15000m。
有别于海洋钻探的方式，苏联打算在科拉半岛上实施他们的雄心壮志。
此次计划肩负着多项任务，不仅要查明大陆地壳深部的性质结构，还得获取完整的岩石标本供后续研究。
著名的科拉超深钻孔就是出自其中编号为SG-3的钻孔。
实际上深层钻探并没有想象中简单，它对钻掘工具和动力设备的要求都相当高。
钻头每往下挖100m，周围温度大约就会上升3℃，同时压力也会相应增大。
由于长期在高温高压下工作，钻头变得非常容易损毁，需要频繁更换。
同时，极限深度也对连接钻头的钻杆提出了很大的挑战。
我们印象中一根钢管也许很结实，但数千根钢管连接在一起就会变得像面条一样柔软。
而且几公里长的钻杆自身重量也是不小的负担。
为此苏联采用了轻铝合金作为钻杆材料，重量仅为钢质钻杆的一半，钻探工作这才得以顺利进行。
科拉井于1970年开钻，正值纪念列宁诞辰100周年。
从地表至7000m深的钻进过程都比较顺利，随后钻头进入到一个相对脆弱的岩层中。
在继续向下挖掘的时候，周围的岩石突然出现了塌落，塌落的碎石正好卡住了钻杆。
操作人员试图提起钻头，不料钻头也在提升过程中意外掉落。
这样的事故发生了不止一次，钻探进度也因此受阻。
经过好几年的努力，科拉井终于迎来了它首个历史性时刻。
1979年6月，钻孔深度达到了9584m，一举打破由美国奥克拉荷马州Berthar Rogers超深钻孔保持的世界记录。
之后钻头每前进一米，都是在创造人类的历史，但等待着它的是越来越极端的地底环境。
成功进入深度10km的岩层后，钻头和钻杆的自重已经超过了200吨。
再加上与周围岩石的摩擦力，钻杆有些不堪重负，好几次都被拧断了。
为了解决问题，苏联专家开发了不依赖地面马达的牙轮钻头。
这种钻头不仅能够自动旋转，减轻钻杆承担的压力，还可以通过本身的牙轮连续获取地底深处的岩芯样本。
同时他们还使用冲洗液*为钻头降温和润滑，顺便带走孔底的岩石碎屑。
*注：可分为清水、泥浆和其他浆液，在钻进过程中循环泵入钻孔，起到冷却润滑、带走碎石和保护孔壁的作用。
随后的十年里，苏联不断投入人力物力到这个计划中。
在最鼎盛的时候，科拉井上聚集有16个实验室，共300名人员协同工作。
据说所有参与项目的人员都分得了一套莫斯科的公寓房，而他们的月薪甚至能比肩大学教授一年的收入。
巨额的投入换来了持续的进步。
1983年，钻孔首次突破了12000m的深度。
而到了1989年，科拉超深钻孔深度更达到了史无前例的12262m。
按照人们的设想，科拉井在4年后就可达到15000m的目标。
但由于井底温度比预想中更高，在目标深度更可能达到300℃以上，钻探工作被迫终止了。
这也给不明真相的人们留下了遐想的空间。
最流行的说法是，钻探工作意外停止是因为遇到了超自然现象。
“研究人员听到钻孔里传出奇怪的声音，于是向其中投入了耐热的话筒与传感器。”
“话筒录下了地狱般的哀嚎声，似乎有数不清的人正遭受巨大的痛苦。”
芬兰一家报纸更声称，钻探进行到一半时，从钻孔飞出了一只青面獠牙、长有翅膀的怪物。
怪物尖叫着飞走了，吓得一些工人转身就跑。
但若仔细推敲，就会发现传言中存在着诸多疑点。
耐热的话筒与传感器为何没有文献记录，也不见实物留存。
只凭网上流传的录音我们也无法确定，这究竟确实是出于科拉井底，还是一段合成音频。
此外科拉井直径约为23cm，实在让人很难想象“怪物”如何在这样的狭小空间中飞行数公里抵达地面。
唯一可以肯定的是，截至目前这个钻孔仍是人类挖过最深的垂直钻孔*。
其12262m的深度，比11034米的马里亚纳海沟还要深。
*注：库页岛Odoptu OP-11号井的井深为12345m，大于科拉井。但由于绝大部分为水平段，其垂直深度仅为1784m。因此科拉超深钻孔在垂直深度上仍是世界第一。
尽管科拉超深钻井是地球上最深的人造物，但它依然没有实现钻透地壳的宏伟目标。
实际上如果将地球半径比作一位2米高的壮汉，那么这个钻孔只有不到4毫米深，比壮汉的寸头还要短，不到总深度的0.2%。
可是科学家连地壳都没有挖穿，他们是怎么确定地壳具体厚度的呢。
其实判断厚度的方法跟我们挑西瓜有些相似。
挑西瓜时常要拍一拍来听声音，而科学家“听”的是地震波。
按照现在普遍接受的理论，地球的构造是分层的，由外至内分别是地壳、地幔和地核。
地壳是由岩石组成的固体外壳；中间的地幔是最厚的一层，占地球总质量的68%；而地核则分为熔融的液体外核与固体内核，温度可达到6000℃，比太阳表面还高。
安德里亚·莫霍洛维奇
1909年，地震学家莫霍洛维奇就“听”到了一些蛛丝马迹。
他在计算地震数据时意外发现，地震波传播速度在地底约54公里处突然有明显的增长。
由于地震波在不同的物质中传播速度不同，这说明在地壳下还存在着另一种性质不同的东西，也即我们所说的地幔。
大家也终于开始意识到，原来地球内部是分层的。
为了纪念他的贡献，人们就将地壳与地幔的分界面命名为莫霍面。
自从莫霍面被发现后，人们就知道地球由两层不同的物质构成。
然而这个理论还未能完全符合现实的情况。
来自加州理工学院的宾诺·古登堡就观察到了奇怪的现象。
宾诺·古登堡
古登堡统计了全球的地震数据，他发现地震的纵横波传递存在盲区。
假设在北极发生了地震，那么南半球的澳大利亚就完全接收不到地震的纵横波。
而与北极相对应的南极大陆，却只能接收到纵波。
如果地球内部是均匀的地幔，那么理应全球都能感受到地震波才对。
纵波的传递（左），横波的传递（右）
于是古登堡作出了大胆的假设：这是因为地球内部还存在着一个液态的地核。
由于横波无法在液体中传播，所以在经过地核时就会被挡住，这样才能解释南极大陆只能接收到地震纵波的现象。
随着各国科学家的深入研究，人们对地球构造的认识也越来越具体。
地球构造的最后一块拼图是由丹麦地震学家英厄·莱曼补上的。
英厄·莱曼
计算了大量地震波速度后，她发现在深度接近3000km时横波速度消失了，这符合液体不传递横波的理论。
但到了5000km以下，横波又重新出现。
通过推断她得出结论，地核内应该还存在着一个固态的内核。
在1936年发表的论文中，莱曼提出地核是由内核和外核两层组成的，这进一步完善了古登堡的理论。
至此人类终于对地球的分层情况有了基本认识。
对于地球内部的真实情况，我们目前给出的只是猜想和推论。
毕竟从地底挖一勺地核出来研究对目前的科技来说还遥不可及。
就此而言，莫霍计划与科拉超深钻孔确实有着非凡的意义。
它们不仅是冷战竞赛的产物，还是地球物理学的一次大胆尝试。
正是通过这些尝试，人们才得以证伪或修正已有的猜想。
我们对世界的了解，就是从这样的实践中一点点构建出来的。
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作者系网易新闻·网易号“各有态度”签约作者
来源：SME
编辑：X.B.Liu
发表于 2018-2-24 03:28
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