科学钻探——人类了解地球内部的“望远镜”

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2018-10-18

【科普小博士】“上九天揽月,下五洋捉鳖”一直是人类自古以来的梦想。

如今,比起“上天下海”,人类的“入地”之旅却由于地壳岩石阻隔而困难重重。

地球深处到底什么样?一直吸引着科学家们孜孜不倦地探索。 若想对地球内部结构和物质成分进行探测,最直接、最有效和最可靠的方法是向地球纵深打一口科学钻探井,将人类的“视距”向地球内部延伸数千米甚至上万米,进而一探究竟。 通过科学钻探,在地质学方面,可以研究地球深部构造及演化、地球深部流体及其作用,校验地球物理探测结果;在资源能源开发利用方面,可以研究成矿理论、油气成因,调查和开发深部热能;在环境科学方面,可以研究地震成因、火山喷发机理、地质灾害预警、地球气候演变、生命演化历史。

因此,科学钻探被形象地誉为了解地球内部信息的“望远镜”。 科学钻探始于20世纪60年代,分为大洋钻探和大陆钻探,已有许多国家在洋底和大陆打了近百口深浅不一的科学钻孔。

比如,举世闻名的德国KTB深层岩芯项目,工程历时近15年,最终孔深达到9101米。 来自12个国家的400多位科学家,在此共执行了200多项地学研究项目,以了解大陆地壳的结构、成分、动力学、演化过程。 1996年2月,德国、中国、美国作为第一批成员,发起了国际大陆科学钻探计划(ICDP),至今已有近20个国家和团体加入该计划。

ICDP的成立为科学钻探降低风险和成本、装备技术和科学成果的交流和共享都起到了良好的促进作用,并与综合大洋钻探计划签订协议,加强两项计划在科学钻探领域的合作与协调,共同出版《科学钻探期刊》。

目前,ICDP已经实施了湖泊、陨石撞击和生物灭绝事件、研究火山和地热、断层带等几十个科学钻探项目。

我国申请到的三项ICDP项目:“大别—苏鲁”大陆超深钻、中国环境科学钻探青海湖工程、科钻一井和二井工程,在大陆科学钻探领域方面取得令人瞩目的成绩。 “大别—苏鲁”大陆超深钻是我国首例大陆钻探工程,2001年开工建设,至2005年完成钻探施工任务。 该工程是世界第三个超过5000米的科学深钻(5158米),也是全世界穿过造山带最深部位的科学深钻,被国际地学界誉为超高压变质带大陆动力学的研究宝地。 2005年7月21日,青海湖环境科学钻探开钻,到9月5日结束,历时47天,分别在青海湖东盆,南盆等5个地点钻取了13支岩芯,取得岩芯323米。

通过青海湖科学钻探研究,查明了青海湖湖盆形成演化,气候构造变化和青海湖波动的历史。 2007年10月20日,我国松科一井顺利完钻,总取芯进尺为2577米,芯长共计2485米,是迄今为止世界首次取得的最长的白垩纪陆相盆地沉积记录,为“白垩纪地球表层系统重大地质事件与温室气候变化”的后续研究奠定了坚实的基础。 松科二井于2014年开钻,目标是通过实施“2井1孔”钻探,打穿松辽盆地白垩系,获取万米连续高分辨率的陆相地质记录。

目前,自然资源部中国地质调查局组织实施的松科二井已经完成钻井深度7018米,成为亚洲国家实施的最深科学钻探井。

值得一提的是,中国白垩纪大陆科学钻探工程使用的是我国自主研发的中国万米大陆科学钻探专用钻机“地壳一号”。

科学钻探过程中会遭遇很多世界级难题,其中就包括地球的“三高”(高温、高压、高地应力)问题。

在“三高”条件下,首先钻机的配件和电子元件能否正常工作?其次,在此条件下井壁岩石容易破碎,造成井壁垮塌、卡钻等井下事故。 最后,从地表打至数千米深处,井斜度不能超过18度,由于无法有效地探知井斜的发生,这成为制约科学钻探的世界级难题。

但近半个多世纪以来,各国科学家孜孜不倦地努力,科学钻探一次又一次带给人们问号与惊叹,一次又一次推动了地球科学取得重大突破,为人类了解地球内部、研究地球变化和勘探各种资源开辟了新途径。

(作者:张凡,系自然资源部中国地质调查局地学文献中心高级工程师)。