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施工现场挖掘机的高角度视图
施工现场挖掘机的高角度视图 © 乔丹·莱伊

小时候,我喜欢在辛辛那提的后院挖洞。我祖父开玩笑说,如果我继续挖下去,最后就会到中国了。

事实上,如果我能直接挖穿地球,我就会到达印度洋,距离澳大利亚以西约 1,100 英里(1,800 公里)。从我的家乡来看,这就是地球表面的对跖点,即对跖点。

但我只有一把花园铲来挖土。当我挖到岩石时,距离地表不到 3 英尺(1 米),我无法再挖得更深了。

现在我是一名地球物理学家,对地球结构有了更多的了解。地球主要有三层:

  • 外皮称为地壳,是一层非常薄的轻质岩石。其厚度与地球直径之比与苹果皮厚度与直径之比相近。我小时候挖洞时,会把地壳的最顶部挖掉。
  • 地幔位于地壳之下,厚得多,就像苹果的果肉一样。它由坚硬、沉重的岩石构成,随着较热的岩石从地球中心上升,较冷的岩石向其下沉,地幔每年会流动几英寸。
  • 地核位于地球的中心,由超热的液态和固态金属构成。这里的温度为4,500 至 9,300 华氏度(2,500 至 5,200 摄氏度)。
    “饼图”展示了地球的各个层面。

地球由多层组成。岩石圈是地球的固体外部,包括脆弱的地幔上部和地壳
地球由多层组成。岩石圈是地球的固体外部,包括脆弱的地幔上部和地壳。Volcan26/Wikimedia,CC BY-SA

地球的外层对其下的各层施加压力,并且这些力随着深度的增加而稳步增加,就像在海洋中一样——想象一下,当你潜入水下更深的时候,你耳朵里的压力会变得更强。

这与挖穿地球有关,因为当挖洞或钻孔时,洞壁会承受来自上层岩石的巨大压力,而且由于旁边有空隙,因此也不稳定。较坚固的岩石可以承受更大的力量,但如果压力足够大,所有岩石都可能破裂。

挖坑时,防止坑壁在压力下向内坍塌的一种方法是使坑壁不那么陡峭,使其像圆锥的侧面一样向外倾斜。一个好的经验法则是使坑的宽度是其深度的三倍。

不稳定的墙壁

地球上最深的露天矿坑是犹他州的宾汉姆峡谷矿,该矿坑于 20 世纪初用挖掘机和炸药挖掘,以开采铜矿石。该矿坑深 0.75 英里(1.2 公里),宽 2.5 英里(4 公里)。

由于矿井宽度是深度的三倍多,而且矿井壁呈斜坡状,因此矿井壁并不太陡峭或不稳定。然而,2013 年,其中一个斜坡坍塌,造成两次巨大的山体滑坡,1.45 亿吨碎石落入矿井底部。幸运的是,没有人受伤,但山体滑坡造成了数亿美元的损失。

假设你试图挖穿地球,而地球是固体的。(我们知道事实并非如此,但这是最简单的情况。)穿过地球的洞的深度相当于地球的直径,这只是一条直线的名称,它穿过圆心。因此,你的洞需要大约是地球直径的三倍宽才能稳定。

显然,这是一项不可能完成的任务,因为它会彻底改变地球的形状。

挖掘与钻探

钻井比挖掘可以更快地深入地下,因为需要移动的材料更少,而且钻孔的表面积更小,可以承受更大的力。能源公司通常会钻探至地下 3 英里(5 公里)深的地方来寻找石油和天然气。

地球上最深的洞是俄罗斯西北部的科拉超深钻孔,深度达 7.5 英里(12.2 公里)。像这样的深钻孔可以让科学家了解地球内部的很多情况。然而,由于钻探难度较大,例如温度过高导致设备无法运行、设备故障和成本过高,科拉项目最终被放弃。

钻井是一个繁琐的过程。一根装满泥浆的空心管子末端的旋转钻头会研磨岩石,对于非常坚硬的岩石,每分钟只能钻进几英寸。假设以这样的速度稳步前进,钻穿地球需要数百年的时间。

随着钻头钻得越来越深,更换损坏部件需要的时间也越来越长。而且,长达数英里的钻杆会变得非常重,以至于无法将其扭转或从孔中拔出。

压力也是一个问题。钻孔壁承受着巨大的压力,容易破裂。地幔的缓慢运动最终会导致钻孔弯曲和坍塌。地球深处的岩浆、气体和液态金属在巨大的压力下,可能会通过钻孔向上喷涌到地表。

目前的钻井技术速度不够快,也不够耐用,无法钻穿地幔和地核。但我们仍然可以惊叹于科拉超深钻孔和宾汉姆峡谷矿井等成就,并梦想着从更深的地方挖出岩石。