林滨，探索这个世界的0.1% 前面有答主介绍了地壳、地幔、地核之间的界面是如何发现的，我就来介绍下地壳和地幔的组成是如何确定的吧。 我们在地表看到的岩石，都属于地壳物质。虽然我们无法直接观察地球深部的物质，但是可以测定各种岩石中弹性波的传递速度，并将之与地震波通过地壳和地幔时的传播速度进行比较，从而推断地球深部的物质组成。 从洋底取到的最常见的岩石是玄武岩。玄武岩是一种由火山熔岩固结而成的岩石，化学组成富铁富镁，属于镁铁质岩石。因为熔岩喷出海底很快发生冷却，故组成玄武岩的矿物都非常细，一般小于 1mm。 如果同样地熔岩在海底以下一两公里处的裂缝中慢慢凝结，其晶粒就可以长到几毫米。这种缓慢冷却形成的岩石，虽然成分和玄武岩一样，但是晶体结构却完全不一样，地质学上称为辉长岩。 由于穿过洋壳的地震波速和玄武岩或辉长岩中测得的弹性波速度基本一致，地质学家就认为海洋地壳是由这类岩石组成的。陆壳又有所不同，沉积层下最常见的岩石是花岗岩和片麻岩，但陆壳深部也是镁铁质的岩石。 地壳的岩石可以直接取心测试，但是地幔的组成物质又该如何确定呢？ 在 20 世纪 60 年代的时候，地球科学家对于莫霍面以下的地幔究竟是何种岩石众说纷纭。能够传递弹性波而且具有更高波速的地幔岩石，肯定不是玄武岩或者辉长岩。当时，地质学界对此的认识分为两派。 一派是认为地壳运动方向始终是垂直的“固定论”者，他们推测地幔的成分是化学成分与玄武岩相同，但矿物密度更大的榴辉岩； 另一派是倡导地壳水平运动不可忽略的少数“活动论”者（比如魏格纳），他们倾向于是含硅、铝、钙较低，含氧化镁较高，密度也更大的橄榄岩。 这两种岩石对地震波传播而言，效果是基本一样的。所以光靠弹性波的速度这一参数是无法确定地幔的组成的。那怎么办呢？自然地，人们想到用传统的钻探手段来验证。这就不得不提一下莫霍孔（Mohole）计划。 计划简单粗暴，就是打一个深孔直达地幔，取出一个岩心看看莫霍面以下究竟是什么岩石。在陆地上，莫霍面深 30~50 km，要打穿是不可能的了；但洋底的莫霍面就要浅的多。如果把钻孔放在深海底，钻 5km 就能穿过洋壳进入地幔。 莫霍孔计划由美国多学科研究会（AMSOC）提议，经美国自然科学基金会批准，上报国会申请财政拨款。那时，“阿波罗”登月计划还没启动，科研资金充裕，再加上听说苏联也要搞，计划很快就审核通过。在 1960 年 12 月 23 日，美国自然基金会与洛杉矶的环球海洋勘探公司签约，决定改装 CUSS-I 钻探船，并定于 1961 年初进行第一次钻探。 在钻探之前还有两个技术难题要解决。一是如何把解决深海上抛锚的钻探船只随海浪飘动不固定的问题；二是深海下如何更换钻头并重返原孔。有了资金，这些都不是问题。很快，这些地球科学家们就发明了动力定位系统和返孔钻进装置完美解决以上两个问题。 动力定位系统就是在钻探船的前后左右装 4 个马达作为侧向推进器。钻探船到达预定地点后，就从甲板上丢一个信号装置到海底。在海底的信号装置是固定的，该装置不断发出信号，船上的计算机根据信号确认船体是否漂移，并根据数据自动校正发生的偏移。这样就能将偏移控制在方圆 50m 的范围内。解决了水平漂移，工程人员又设计了一套像可以吸收上下振动的“缓冲钻杆”消除了上下颠簸的问题。 返孔钻进装置包括一个高分辨率的扫描声呐系统，一个直径 5m 的返孔锥和一套钻杆定位系统。返孔锥固定在海底，钻头进入取出都经过返孔锥。更换钻头时，通过定位系统确定返孔锥位置。 到 1965 年时该计划费用达到了 11200 万美元，除了取一堆洋壳的样品，却也没有什么拿得出手的成就。最后莫霍孔计划只能遗憾地夭折了。但是从莫霍孔计划发展起来的动力定位系统和其他深海钻探技术，为日后的“深海钻探计划”和“大洋钻探计划”铺平了道路。也算是失之东隅，收之桑榆吧。 说了这么多，似乎还是不知道地幔的组成。目前，地球科学家们探测地幔物质主要依靠地球物理学和实验矿物学、岩石学方法相结合的手段来进行。 对于上地幔，Ringwood 通过玄武岩（来自地幔的部分熔融）与橄榄岩（推测是部分熔融的残余）以适当比例混合重建了它的组成。后来的研究中根据火山岩中地幔岩石捕虏体的研究成果进一步支持和完善了这个模型。 过渡带和下地幔的物质组成，只能通过高温高压实验模拟或者理论计算来进行讨论。 对于看不见摸不着的东西，我们只能靠猜想，在“猜想—证伪—修正或再猜想”的过程中完善我们的认识。 另外， 2011 年 6 月国际综合大洋钻探计划（Integrated Ocean Drilling Program, IODP）先后发布了 2013—2023 年未来十年的科学计划和地幔莫霍钻探初始可行性研究报告的最终版，使得“莫霍孔”计划死而复生，成为未来十年大洋钻探的终极目标。可以想象该计划实现后，将会对莫霍界面以及地幔组成的研究产生重大的意义。 查看知乎原文
