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地理小博士高中组试题及答案

时间：2023-01-02 07:25

　　神奇光柱

　　近日美国多地出现了奇异的光柱，看不到明显的光源，犹如一道道聚光灯从天而降，场面十分壮观。

　　其实，美国出现的神秘光柱是一种特殊的光学现象，往往在极寒的夜间才会出现，我国的吉林、黑龙江等地偶尔也能看到类似的现象。

　　有人怀疑是地震前的地光，有人称是暴风雪的前兆，还有人称是罕见的极光现象。但只要明白了背后的科学原理，灯柱现象其实也没那么玄幻！

　　首先，光柱的形成需要两个严格的条件，第一是要求大范围的低温天气，室外温度必须低于冰点，而美国最近一周遭受高强度暴风雪的侵袭，多地夜间气温跌破了零下10度，地面附近的水汽被迅速冻结，并在低空形成无数的细小冰晶。晶体的规格越大，数量越多，形成的光柱也就越明显。

　　第二是要求空气必须相对静止，室外接近于无风状态，只有这样，空气中的冰晶才能稳定悬浮，形成固定的反射路径，从而将地面的光源“投射”到空中。而在有风的情况下，低空的冰晶会被气流扰乱，“灯柱奇观”也就无法形成了。

　　其次，光柱的本质是视错觉，人眼看到的是一种虚像。空气中凝结的冰晶并不是有规律地上下分布，相反，冰晶的排布充满随机性且毫无规律可言，人们肉眼中看到的光柱其实是地面光源反射后形成的虚像（详见下图）。

　　在自然状态下，光柱奇观较为罕见，人们看到后不知其原理，往往用地光、极光等自然现象来解释，但稍作思考就能发现解释的“漏洞”。

　　以极光为例，极光是太阳的高能带电粒子和地球大气粒子碰撞、激发而产生的光学现象，光源出现在地球大气层上空，可以在很广的范围内被观察到，而光柱只是物理的反射现象，出现的位置仅限于地面附近，范围较小，光线也不会像极光那样在空中飘逸灵动，变化多端。

　　除了“寒夜灯柱”外，人们有时候也能看到更罕见的“太阳光柱”，其光源来自于接近地平线的太阳，看起来就像太阳向上发出了一道亮光，背后的原理同样也是冰晶的反射。

　　传言，挖到12262米深的时候，发生了一些很“怪异”的事情，在场的科学家们都解释不了，传言是钻到了恐怖的“地狱之门”，随后，洞口被12吨钢制大门彻底封闭，周围20公里内禁止任何车辆、行人、飞行器进入，到底是真是假？

　　这就是著名的“科拉超深钻孔”。

　　计划开始:

　　时间回到1956年，那个时候正是苏联和美国的冷战时期，虽然没打仗，但苏联和美国却暗暗在较劲，试图在各方面超越对方，其中包括“上天入地”。

　　 1956年，美国率先开始代号“莫霍面钻探计划”，（莫霍面是地壳和地幔的分界线，在大陆地区深度约在20-70千米,大洋地区7-8千米,最浅处大约1km左右）。美国计划穿透地壳，到达莫霍面采取岩石样本，考虑到海洋的地壳比陆地要薄很多，所以美国计划花费3亿美元，用库斯勒号钻探船在瓜德罗普岛附近海域打洞。

　　第一阶段的实验性钻探获得成功，收获了海洋地壳183米深的岩石样本，但很快发现，钻探远比想象要难多了。

　　当时一位地质学家有个形象的比喻，其难度相当于站在高楼上，拿着一根又细又长的干面条，朝着楼下的柏油马路钻孔。可以想象，需要消耗的人力物力远不止3亿美金。但限于当时情况，1966年，莫霍计划搁浅了。

　　见到美国出师不利，苏联就对此项目展开了猛烈的攻势。至此，苏联代号“地球望远镜计划”的宏大计划就此开始。

　　当时苏联的口号是:挖穿地球！

　　 1970年，苏联挑选了上千名科研人员秘密集结在科拉半岛上，据说每一位科研人员的月薪达到了大学教授一年的薪水，并且附送一套房，可见苏联为了这个项目，主要是为了超越美国，可真是下了血本了。

　　怎么挖？

　　按照以往的经验，只需要一台旋转转机，一根非常牢固的钻杆，一个非常坚硬的钻头，将这三者安装在一起向地底挖掘即可。但考虑到钻的比较深，各个部件都需要强化，但并不需要像航天那样的高科技。所以苏联觉得既然“上天”干不过你美国（当时美苏的航天争霸也是搞的轰轰烈烈的，这里不多讲），那“入地”一定得超越你老美。

　　钻探初期，一切非常顺利，因为此前人类已经有过开采石油的经验，打个几千米的孔根本不算个啥，可是随着钻孔深度的增加，困难也在增加，可这也为难不了在驻的科学家们，要知道，最好的时候科拉井上同时有16个实验室在支持工作，并且他们由苏联地质部亲自督导。

　　所以一直到7000米深，钻井过程都相对平稳，这个深度，已经钻过了坚硬的花岗岩层。之后进入了较为不坚硬的层状岩石层。

　　在这个岩层有着不规则的空洞，结果钻柱被岩石卡住，钻头在提升过程中掉落。没办法，还得继续呀，然后他们用水泥固封住钻柱丢失段，往旁边偏离一点继续。

　　诸如此类的事故不止一次的发生，因此钻井持续了好几年。到1979年6月，钻井深度超过9583米，打破了之前由美国奥克拉荷马州Berthar Rogers超深井保持的记录。

　　后来在1983年，钻井深度已达到12066米时，因为要准备定于1984年在莫斯科举办国际地质大会，所以这项工程暂停了一段时间。

　　 1984年9月27日钻井继续，但是第一次下放就出了事故——钻柱断落，5公里长的钻柱被扭断无法取出来。钻井又不得不从7000米深的地方重新开钻。

　　到了1989年，钻孔的深度再次达到12公里，当时科学家设想，他们将会在来年挖到13.5公里深的地方。再过两年，钻孔的深度将会进一步达到15公里。

　　然而，在1992年，在钻探深度达到12262米时，这项“地球望远镜”计划却戛然而止，最深之处也就停留在了12262米。

　　一夜之间，科学家和工程人员全部撤走。这口钻井也被12吨重的钢铁井盖紧紧封住了，而且连现场的那些设备都没有带走。据说，那些参与这个项目的人员回到家里都沉默了，绝口不谈此事。

　　为什么不钻了？

　　 1、当时人们最普遍的说法是，遇到了一些无法解释的超自然现象，当苏联将钻井深度挖至12000米的时候，遇到了一个大洞——断崖式大洞。经过科研人员的多次尝试，仍然勘探不到洞内的一点情况，于是研究人员放进去一个耐高温的录音设备，却录下了非常奇怪的像“人的嘶吼声”一样的声音。在现场的人们都说，听到的声音就像地狱中罪人的哀嚎哭喊声，仿佛有数不清的人正受到极大的痛苦。

　　他们确信已经挖通了地表，挖通了地狱之门，进行到这里，官方及科研人员也不敢继续进行下去了，而些事也被列为高度机密，不得外传。

　　 2、科拉钻井1992年彻底停工后，被12吨钢制大门封闭洞口。科拉钻井20公里范围内禁止任何车辆、行人、飞行器进入。

　　 2002年，由俄罗斯、美国、欧盟空间局、日本、加拿大组成的联合地质生物考察小组再次进入科拉钻洞工厂，让他们惊愕的是科拉钻洞的12吨重钢制大门居然被打开，大门内面严重破损，向外拱出，外侧爆裂。钻洞口周围布满密密麻麻的印记，洞口飘出蓝绿色烟雾，并伴有不规律响声。

　　科考队用地质探测器对钻洞口进行激光扫描，发现科拉远东内部比1992年最后一次钻探变深7863米。超声探测器探测后结果显示钻洞内部仍有哀号哭喊声和巨大爆炸声。负责保卫工作的俄方军事人员，用烟幕降雨清楚洞口不明烟雾后，有专家组5人和警卫人员5人进入地下，至500米初深层第一平台地底实验室时，有带状不明波动光亮出现，并伴有空洞的回声。有两名工作人员和3名警卫在进入地下5分钟后倒地晕厥，工作人员紧急上地面，有蓝色火光自地下深层喷出，至2人当场死亡，1人重伤。洞口出现钢架崩塌，不过有17人侥幸出洞。此时立即被俄方封锁消息，专家组送往莫斯科治疗，死亡警卫和专家组成员秘密安葬。

　　而后，俄罗斯将科拉钻洞再次封闭，洞口用钢筋混凝土和钢水封死，周围50公里划为军事禁区和禁飞区。这是出自奥穆雷.德克杰.安德烈《记科拉钻洞考察记》中的记载。

　　不过，以上解释过于玄幻，当然只是民间传说罢了。

　　而真实的原因是: 技术是最大的限制。

　　从地面往下，在地壳层面，每下降100米，温度高3摄氏度左右，地下一万米的地方，温度可达300多度，在高温环境下，钻头磨损很快，就算及时换装了高温磨损钻头也无济于事，在如此高的温度下，再加上钻机在钻孔时产生的巨大热量，任何钻头都脆弱得像一张白纸。

　　如果继续往下钻，就需要不停的更换钻头，而一个钻头则需要花费上万美元，耗费的资金太高。

　　而且，而长达十几千米的钻杆的提升，以及更换钻头再重新下井是最消耗时间的。越往后面，工作人员换钻头的时间越长，这一来一回就需要7,8个小时，工作人员几乎每天都在重复这样无价值的体力劳动。

　　最后，也由于资金问题，再挖下去意义也不大，因此这个宏大的项目就此彻底结束了。

　　有人说，其实挖到地狱之门、录到地狱之声等等这些谣言是苏联故意放出来的的，真实原因是他们再也无力承担如此烧钱的纯科研工程，于是故弄玄虚找个借口停工，以转移自己的尴尬……

　　你觉得呢？

　　5500万年至4500万年前，由于新特提斯洋俯冲板片的断离，冈底斯造山带隆升到4500米高海拔；4500万年至4000万年，新特提斯板块断离之后，更具浮力的印度岩石圈向北水平楔入，激活羌塘地体南北部缝合带发生陆内俯冲，使分水岭山脉隆升到5000米的高海拔；此时位于冈底斯造山带和分水岭造山带之间的中央谷地、高原最南部的喜马拉雅造山带以及高原北部还处于小于2000米的低海拔，高原整体形成“两山夹一盆”的地貌特征。4000万年至3000万年，拉萨岩石圈在中央谷地下方拆沉，上地壳缩短、岩浆底垫和软流圈上涌等多种深部地球动力学过程耦合作用，使中央谷地抬升4500米的目前高度。这标志着青藏高原由造山带正式转变为统一高原。250万年至1500万年，由于印度大陆的持续俯冲，喜马拉雅山脉下方俯冲的印度大陆岩石圈及藏北可可西里-昆仑山下方俯冲的欧亚大陆岩石圈先后发生拆沉，喜马拉雅山与昆仑山先后隆升到现代高度，现代意义上的高原形成（图2、3）。然而，北部地区的隆升历史存在较大不确定性，需要更多的定量古高度数据来约束。

　　地球物理探测揭示了现今印度和欧亚大陆岩石圈发生了从水平楔入到陡峭俯冲、板块撕裂和断离以及拆沉等各种地球动力学行为（图4），从而指示在整个新生代印度-亚洲大陆碰撞过程中，类似的过程不断发生，最终导致青藏高原构造变形、岩浆作用和地表隆升的时空差异。