《化学元素知识》（12）镁元素：【元素家族】地幔中的镁与“莫霍孔”计划
镁是第十二号元素，在钠的篇章里，我们已经提到了恒星核聚变的碳燃烧可以产生镁，当然这只存在于大恒星中。在这些巨大的恒星发生超新星爆炸之后，散逸出来的成分在引力作用下再次聚集，生成新的星体或者行星系，我们地球上的镁就是这么来的。
你可能会觉得，镁应该是一种不常见的元素吧？其实不然！
之所以大家会有这样的错觉，是因为镁在地壳里的分布不多，比钠还少一点，排在第八位。但是你能想到吗？镁竟然占据整个地球质量的13%，仅仅排在氧、硅、铁之后，列第四位，这是怎么回事？
原来，镁最主要分布在地幔中。
【地幔中各种元素和主要化合物的百分比，镁是除了氧之外最多的元素，主要以氧化镁的形式存在。】
有人可能要喷，没搞错吧？地幔在地球内部，怎么去了解它的成分呢？你凭什么说地幔里面有那么多镁呢？
我可以举个例子，如果有一个西瓜，不能切开，你怎么知道它里面是什么呢？
一个方法是可以用手拍拍西瓜，你可能觉得这个例子没啥可比性，你是不是觉得不可能有人能够把地球举起了拍拍？其实地球每天都在“自拍”，这就是地震。
记录观察总结地震波的表现就可以推断出地球内部的结构，现在我们知道地球和鸡蛋类似，可以分成三个圈：地壳、地幔、地核。地幔的体积最大，约占地球体积的84%。地壳地幔的交界面叫做“莫霍面”，地幔地核的交界面叫做“古登堡面”，是两位科学家观测地震波而发现的。
【地球的圈层，有一个很薄的地壳（crust），最大的中间层是熔融的地幔（mantle），以及炽热的地核（Core）。】
知道地球是由几个圈组成的还远远不够，科学家还需要探究每个圈层的组份，这三个圈层中，地壳位于最外围，被我们研究的最多，基本上地壳中的元素分布已经很清楚了。而对于地幔，是不可能有人抵达那样深处去采集样本的。但是还是有方法的，比如打钻，你可能又觉得这是异想天开，地壳平均厚度17千米，怎么可能打出这么深的井呢？当然科学家们会想到更简洁的方法，其实地球上就存在很多的“钻孔”呢，这就是火山。
【火山的内部结构，火山就是一个“天然钻井”。】
地幔的最上部称为软流层，深度在80—400km之间，这一层的温度很高，岩石都融化了，可以流动。这些软流质的密度小于地壳平均密度，在压力的作用下，这些轻质的软流质无时无刻不在寻找着地壳的缝隙，向上喷发出来。喷发处就形成了火山，喷射出的软流质就是岩浆。
岩浆冷却之后凝结形成的岩石叫做玄武岩，玄武岩中的矿物成分有很多种，最常见的是辉石和橄榄石，这两种的化学成分很相似，都是镁铁硅酸盐，不同的是晶体结构不一样。
【在阿富汗出土的辉石，晶体结构依稀可见。】
辉石和橄榄石在地球上分布都非常广，辉石显墨绿色，取自希腊文“火”和“陌生人”之意。而橄榄石更为常见，早在古埃及就记录在案，它呈现出黄绿色，被认为是“太阳的宝石”，象征着和平、幸福、安详等美好意愿，还是八月份和狮子座的幸运石。
【美丽的橄榄石。橄榄石比绿宝石便宜得多，不要被骗了。】
这两种石头中同时含有镁元素和铁元素，相对而言铁元素更重，所以，从“古登堡面”到“莫霍面”，存在一个从富铁到富镁的浓度差梯度，地幔上部的镁元素更多，越接近地核，铁元素越多。本来，地核就是以铁元素为主的啊。
另一方面，富镁的石头相对于富铁的石头熔点更高，经过了漫漫长河般的地质历史时期，无数次地幔熔融形成岩浆，产生了一个累积效应。最后大部分镁元素沉入温度更高的地幔，少部分跟随火山喷发出来，来到地壳表面，形成美丽的橄榄石。而辉石则分布于地壳地幔的交界处，受到更大压力，就发生晶格变化，形成橄榄岩沉入更深的地幔。
【阿波罗15号从月球上带回的橄榄石。】
看起来火山这种 “天然钻孔”给我们带来了很多认识，但是说服力仍然是有限的。耳听为虚眼见为实，即使天文学如此天马行空，星光都是人们可以看见的，无线电波、伽马射线也是仪器可以探测到的，反而我们自己星球的内部难以探索，因为不可能将地球开膛破肚拿出来给大家看看，大多数还是靠理论、假设和推断。有人开玩笑说：“地质学是最大的'伪科学’！”所以地质学家们必须要想办法深入地下，摆脱骂名。
1950年代，人们已经开始着手研究地下几十公里的东西了，美国人芒克（Munk）组织了一次家庭早餐会，邀请了几个当时著名的地质学家参加，包括时任普林斯顿大学地质系主任赫斯（Hess）。早餐会上，芒克建议提出一个“直击地球科学根本问题”的研究计划，半开玩笑地提到钻透莫霍面。结果收到在场人员的响应，他们当场组成了一个委员会，决定向美国自然科学基金会提出一份研究穿透莫霍面的可行性建议书，并将这一计划命名为“莫霍孔”计划。
【美国人芒克，2010年获得瑞典的克拉福德奖，获奖理由是：他对海洋环流、潮汐、波动等方面先驱性和基础性的研究，以及，他对地球打的洞......】
这一想法似乎石破天惊，但是他们有自己的道理，虽然大陆上的莫霍面埋在30～50公里之下，要钻到莫霍面显然存在技术上的不可逾越性。但在大洋中，莫霍面只位于大洋底之下5公里的地方，似乎是可行的。
他们1960年底改装了一艘钻探船，并定于1961年在太平洋上的墨西哥海域试钻。当年3月份，在水深948米的地方钻入地下315米，随后又连续布设了几个钻孔。该船返回时，时任美国总统肯尼迪致电祝贺，称之为科学史上“历史性里程碑”。
【1961年，“莫霍孔计划”！“历史性里程碑”！】
可惜的是，随着“莫霍孔”计划的预算不断增加，也有其他科学家对它的科学意义的思考，并提出了更好的项目计划，导致该计划在1966年被否决掉了。
几十年过去了，地质学家们对莫霍面始终念念不忘，一直希望能通过自己的工具亲吻“莫霍面”。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。
早在1997年，就有人开始对印度洋上一个叫做“亚特兰斯蒂浅滩”的海域做过研究，因为这个海域的地壳很薄。当时科学家们打钻到海底以下1500m处，可惜海上的大风导致钻杆折掉，堵塞了钻孔，不得不终止。
【1997年的尝试是选好了点。】
2015年12月16日晚，一艘叫做“决心”号的大洋钻探船再次抵达“亚特兰斯蒂浅滩”的海域，重新开展新一代的“莫霍孔”计划。这次计划分成若干阶段，第一阶段在2016年1月30日结束，计划钻探深度是1500m。如果一切顺利，下一阶段可以继续钻下去，达到3公里的深度。如果再顺利，科学家希望换一艘日本的钻探船，据说这艘船最大钻探深度是6公里，计划一鼓作气打到莫霍面去。
我们期待着人类能够首次打穿莫霍面，取得地幔中的宝贵数据。到那个时候，现有理论是不是成立，将得到依据或者反例；地幔中是不是有那么多的镁元素，将让人信服还是受到质疑？
【2016年，我们再次尝试。】