地球深部を探査し、中国の地下構造を理解する

「天に昇り、地に足を踏み入れ、海に出る」は、人類が自然を探求した三大偉業です。その中で、「地上に入る」ことの難しさは、「空に行く」ことの難しさに劣りません。地球深部探査は、地球科学の発展における最後のフロンティアの一つとなっています。

20 世紀以前には、地質学の教科書に冷収縮理論が載っていました。私たちが住んでいる地球はしわしわになったリンゴのようなものだと言われています。内部の水分が蒸発したため、表面にシワができました。地球は冷えるにつれて収縮し、表面にしわのある山々を形成しました。地動説と同様に、この理論は鮮明で直感的であり、「理解しやすい」ため、幅広い影響力を持っています。

しかし、20世紀初頭、さまざまな地質学的データの蓄積と研究成果の進歩により、冷収縮説や万有海洋説といった陸と海の確固たる理論は信憑性を失い始めました。重力測定の結果に基づき、プラットやダットンなどの地球物理学者は、陸と海の物質構成が異なると推測しました。最も厚い造山帯から最も薄い海洋地域まで、地殻の厚さは70キロメートル以上も異なる可能性があります。彼らは、マントルにかかる岩石の圧力がどこでも等しくなるような界面が存在するはずだと考え、これに基づいて地殻アイソスタシーの理論を確立しました。

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他の科学と同様に、地質学も新たな証拠に直面しながら一歩ずつ進歩し、本来の真実に近づいています。プラットらの研究を基に、ドイツの気象学者ウェゲナーは1912年に大陸移動説を提唱した。彼は、現在の南アメリカ大陸の東海岸線とアフリカ大陸の西海岸線を合わせると、両者はよく合うことに気づいた。もともと巨大な「超大陸」があり、後にこの「超大陸」が紙のように引き裂かれて海の真ん中に散らばったと仮定すると、東大陸と西大陸の海岸線の一致は、それらがかつて一緒にあったことを完璧に説明できます。ウェゲナーは、地質学、古生物学、古気候学など、さまざまな分野からの広範な証拠を引用した。 『陸と海の起源』では、日本からスペインにかけて広く分布しているが、大西洋の西側の米国東部にのみ存在するミミズの一種を例に挙げている。ミミズが海を渡ることは不可能であるため、この2つの地域はかつてはつながっていて同じ陸地に属していた可能性がある。

それにもかかわらず、気象学者としてのウェゲナーの見解は依然として地質学者からの反対を引き起こした。また、大陸移動説には大陸移動のメカニズムを説明する上での欠陥があり、大陸地殻を構成する硬い花崗岩が海洋地殻を構成する硬い玄武岩の上を漂う様子を想像することが難しい。

掘削により漂流理論の勝利が証明される

1960 年代になってようやく「プレートテクトニクス」の地質学理論が急速に発展し、大陸移動説が復活しました。この新しい理論は、元々の漂流部分を、地殻と上部マントルを含む厚さ約100キロメートルの岩盤層にまで拡大した。リソスフェアは密度が低いためマントルアセノスフェアの上に浮かんでおり、漂う可能性があります。温度の不均一性により、アセノスフェア内に密度差が生じます。その隙間を埋めるために、アセノスフェアがゆっくりと流れ始めます。地球の表面には、大きさの異なる十数枚のプレートが分布しており、それらはすべてマントルアセノスフェアの圧力を受けてゆっくりと動いています。大陸は水から浮かび、プレートとともに漂う「氷山」のようなものです。ほぼ同時期に「海底拡大説」と呼ばれる説が広まり始めました。この理論では、海洋の中央海嶺が新たな海底を形成し、両側に絶えず拡大していると考えられています。この二人は「大陸移動説」の発展に大きく貢献しました。

20 世紀半ば以降、ますます多くの証拠が「漂流理論」に新たな命を吹き込みました。しかし、その信憑性は依然として「百聞は一見にしかず」にかかっています。そこで科学者たちは、より直感的な証拠を探し始めました。 1966 年 6 月、米国は海底上部地殻の謎を解明することを目的とした長期掘削プログラム、深海掘削計画 (DSDP) の実施を開始しました。このプログラムでは、グロマー チャレンジャー科学掘削船を使用して、世界中の海に 1,092 個の浅い掘削孔を掘削しました。最終的に、このプログラムは世界中のすべての海域での掘削を完了し、全長9,500メートルを超えるコアを取得しました。

1968 年、DSDP は 39 基のボーリング孔を設置し、大西洋中央海嶺の全長 64,000 キロメートルにわたってコアを掘削しました。掘削サンプルの検査により、海洋地殻の年齢は中央海嶺からの距離に反比例することが判明した。海底地殻の年齢は、中央海嶺の軸から離れるにつれて規則的に増加します。ボーリング孔から中央海嶺の軸までの垂直距離と、この地点の海底の年齢に基づいて、この地点の膨張率を計算することができます。8000万年前以来、ボーリング孔内の海底は、1年に2センチメートルの割合で均一に膨張しています。

世界の海洋における深海掘削によって得られた最古の堆積物は、1億7000万年以上前のものである。知られている最古の大陸岩石の38億年と比較すると、海底地殻はかなり若く、海底が確かに絶えず成長し、再生していることを示しています。回収された岩石コアを分析することで、科学者たちは海底堆積物の厚さも海嶺の軸に沿って規則的な分布を示していることも発見した。若い海嶺の頂上では堆積層が薄く、一方、両側では、海底が古くなるにつれて、堆積層が徐々に厚くなります。

DSDP は、とりわけ海洋プレートと大陸プレート間の相対的な水平方向の動きを検証します。インド洋における DSDP のサンプリング測定によると、インドプレートは白亜紀後期から始新世末期 (3,650 万年前から 6,500 万年前) にかけて、年間 10 cm の速度で北に移動したことがわかりました。インドプレートがユーラシアプレートと衝突した後、インドプレートの北方への移動速度は年間5cmにまで低下しました。約6500万年の間に4500キロメートル北へ移動した。プレートが衝突すると、インドプレートはユーラシアプレートの下に挿入され、北に強く押されました。この強力な力により、ユーラシアプレートの前端が隆起して山脈が形成され、2500万年前にヒマラヤ山脈が形成され始めました。深海掘削は、海底拡大やプレートテクトニクスの理論を検証しただけでなく、地球規模での物質の動的なバランスの壮大な描写も提供してきました。この結論は、1930年に科学探検中にグリーンランドで亡くなった「大陸移動説の父」ウェゲナーを慰めるには十分である。

掘削の科学的意義は何ですか?

世界初の科学的掘削プログラムは、地質学研究における大きな進歩を達成するためにモホ面（地殻とマントルの境界面）を掘削することを目的として 1950 年代に開始された米国の「モホ掘削プログラム」でした。しかし、プロジェクト開始直後、技術的および財政的な問題により、海底315メートルを掘削しただけで突然中止されました。 1966 年 6 月、米国は有名な DSDP の実施を開始しました。この計画は前回の失敗を挽回し、地球科学における大きな進歩を次々ともたらした。

海洋掘削と比較すると、大陸の科学掘削は少し遅れて始まりました。 1970年代には、旧ソ連をはじめとする国々が大陸の科学掘削を開始しました。そのうち、コラ半島にあるコラ超深度掘削坑は深さ12,262メートルです。現在でも、これは世界で最も深い掘削孔であり、世界初の深部実験室（観測所）となっています。

コラ・スーパードリルから得られたデータは、地殻平衡理論など、これまで広く受け入れられてきた理論に疑問を投げかけている。コラ半島の地震データによれば、この地域のコンラッド不連続面は地表から 7 キロメートル下に位置し、玄武岩層が存在するはずだという。しかし、実際の結果は予想外のものでした。掘削孔は変成花崗岩片麻岩層と両閃岩層を通り抜け続けたため、コンラッド面はどこにも見当たらなかった。一連の地質学的探査結果に加えて、コラ スーパー ドリルは多くの重要な資源ももたらしました。例えば、掘削深度が9,500メートルを超えると、得られた地層コアの金含有量は1トンあたり80グラムにも達しましたが、当時は地表で1トンあたり10グラムを超える金を含む鉱物層が見つかることは稀でした。

科学的な掘削は、一方では地質構造を理解するのに役立ち、他方ではより広い範囲にわたる資源の探索にも役立ちます。これは地球内部に関する情報を得るための最も直接的かつ効果的な方法です。我が国では、大陸の科学的掘削は1990年代に始まりました。 1996年、我が国は国際大陸科学掘削委員会（ICDP）に加盟し、松遼盆地、江蘇省東シナ海、雲南省麗江、青海湖などでさまざまな目的の科学掘削を実施しました。

地面に落ちるのは難しい

深部科学掘削は、地下の地質条件を調べることを目的としています。これは、石油やガスの層を見つけることで目的を達成する石油やガスの掘削とは異なります。掘削孔は、通常、地殻が可能な限り露出している結晶質岩石地域に選択され、完全なコアサンプルが必要になります。

数千メートルの深さから岩石を無傷のまま回収するのは非常に困難です。結晶質岩は比較的硬いため、ドリルビットの温度は地下100メートルに侵入するごとに約1℃上昇します。ドリルビットは高温（150〜400℃）および高圧（100〜150MPa）下で動作する必要があります。ドリルビットは通常ダイヤモンドで作られており、穴の底に到達するドリルビットと検出装置は高温と高圧に耐える必要があります。地表で見る掘削工具は硬いものですが、地下数千メートルでは麺のような形になります。この「ヌードル」を制御するために、作業員は掘削するたびに井戸の深さと傾斜を測定する必要があります。 3〜4メートルごとに掘削した後、ドリルロッドを持ち上げてコアを取り出す必要があります。再度掘削する前に、掘削孔がずれていないか測定する必要があります。逸脱した場合は、それを修正する方法を見つけなければなりません。 2018年、我が国が独自に開発した1万メートル掘削リグ「クラスト1号」は、深さ7,018メートルを掘削し、我が国の主要設備技術の自主研究開発において新たな突破口を開きました。 「クラストNo.1」により、我が国は1万メートルの大陸掘削計画を実施するための特別な設備と関連技術を有する世界で3番目の国となる。

私の国における地球深部探査の発展

2008年、我が国は「深層探査技術と実験研究」（Sinoprobe2008-2012）と呼ばれる4年間の特別プロジェクトを開始しました。これは中国史上最大の地球深部探査プログラムであり、数多くの科学研究の進歩を達成しました。例えば、約6,000キロメートルの深部地震反射プロファイルを完成させ、主要な計測機器や設備を独自に開発し、中国大陸の複雑な岩石圏と地殻に適した検出技術システムを確立しました。これにより、私の国は世界有数の深海探査国となりました。旧国土資源部は「深層探査技術と実験研究」特別プロジェクトに基づき、2015年に中国深層地球探査センター（シノプローブセンター）を設立し、中国の深層地球探査と研究の拠点となった。近年、センターは数多くの深部探査および地質調査プロジェクトを実施してきました。

2023年5月30日、わが国初となる深さ1万メートルの科学探査井が新疆ウイグル自治区タリム盆地のタクラマカン砂漠の中心部に正式に掘削されました。この井戸は「ディープ・アース・タッコ1号井戸」と名付けられ、推定掘削深度は11,100メートル。 「地球深部探査掘削井１号」は、１０層以上の深部を掘削する予定で、地球深部を探査するための「望遠鏡」となる予定です。

我が国は地球深部探査事業の開始が比較的遅れていましたが、近年、地球深部探査事業の強度は継続的に増加しており、地球化学、地磁気地磁気観測、科学的掘削の分野で徐々に独自の優位性を形成してきました。

この記事は、中国科学普及-星空プロジェクト（創造と栽培）によって作成されました。転載の際は出典を明記してください。

著者: 朱新娜、科学人気作家、独立書籍プランナー、北京の優れた読書推進者

査読者: 張玉秀、中国科学院地球惑星科学学院地質学准教授