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向地球深部進軍的“望遠鏡”

向地球深部進軍的“望遠鏡”

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曾幾何時,“上九天攬月,下五洋捉鱉”一直是人類自古以來的夢想。如今,人類的航天探測器已在太空留下足跡,深潛器也一次次突破洋底極限深度。然而,比起“上天下海”,人類的“入地”之旅卻由于地殼巖石阻隔而困難重重。地球深處到底什么樣?一直吸引著科學家們孜孜不倦地探索。

伸向地球深部的“望遠鏡”

若想對地球內部結構和物質成分進行探測,最直接、最有效和最可靠的方法是向地球縱深打一口科學鉆探井,將人類的“視距”向地球內部延伸數千米甚至上萬米,進而一探究竟。通過科學鉆探,在地質學方面,可以研究地球深部構造及演化、地球深部流體及其作用,校驗地球物理探測結果;在資源能源開發利用方面,可以研究成礦理論、油氣成因,調查和開發深部熱能;在環境科學方面,可以研究地震成因、火山噴發機理、地質災害預警、地球氣候演變、生命演化歷史。因此,科學鉆探被形象地譽為了解地球內部信息的“望遠鏡”。

科學鉆探始于20世紀60年代,分為大洋鉆探和大陸鉆探,已有許多國家在洋底和大陸打了近百口深淺不一的科學鉆孔。根據鉆孔的深度,分為淺鉆(小于2000米)、中深鉆(2000米~5000米)、深鉆(5000米~8000米)和超深鉆(大于8000米)四級。

大洋鉆探探索深海奧秘

美國是世界上第一個提出并實施大洋鉆探計劃的國家。1968年8月,“挑戰者”號深海鉆探船駛入墨西哥灣,開始展開地學革命“大陸漂移學說”的最重要的驗證環節——深海鉆探計劃(DSDP,1968年~1983年)。在DSDP實施的15年間,“挑戰者號”完成了96個鉆探航次,總里程超過60萬千米,在624個鉆位上鉆探了1092個深海鉆孔,采集深海巖芯總長超過97千米,采集范圍覆蓋了除北冰洋之外的全球各大洋,所收集的大量鉆孔數據完美地驗證了南大西洋海底擴張理論和板塊構造學說,并創立了古海洋學,為地球科學帶來了一場革命。

1985年,隨著新一代鉆探船“決心號”的建成,DSDP的繼任者——大洋鉆探計劃(ODP,1985年~2003年)正式開始運作。在ODP實施期間,共開展了111個航次的調查,行程355781海里,足跡遍布全球各大洋,共鉆井近3000口,鉆芯累計長達215千米。ODP揭示了洋殼結構和海底高原的形成,證實了氣候演變的軌道周期和地球環境的突變事件,分析了匯聚大陸邊緣深部流體的作用,發現了海底深部生物圈和天然氣水合物,使地球科學實現了一次又一次重大突破。

我國于1998年正式加入ODP,成為ODP歷史上第一個“參與成員”。與此同時,由中國科學家提出科學鉆探建議書并主導,作為ODP第184航次計劃,于1999年春天首次在中國南海順利實施,標志著我國在這一領域的研究已躋身國際先進行列。

2003年10月,ODP結束,一個規模更加宏大、科學目標更具挑戰性的綜合大洋鉆探計劃(IODP,2003年~2013年)立即開始實施。該計劃由美國和日本牽頭,歐洲作為聯合體加入,中國和韓國分別于2004年和2006年加入。IODP以多個鉆探平臺為主,除了“決心號”鉆探船以外,還包括日本的“地球號”鉆探船和一些可以在海冰區和淺海區鉆探的鉆探平臺。其鉆探范圍擴大到全球所有海區,進入了過去ODP計劃所無法進入的地區,如大陸架淺海及極地海冰覆蓋區。它的鉆探深度也隨主管鉆探技術的采用而大大提高,深達上千米。其研究領域從地球科學擴大到生命科學,手段從鉆探擴大到海底深部觀測網和井下實驗。IODP以“地球系統科學”思想為指導,為國際學術界構筑起了新世紀地球科學研究的平臺,同時為深海新資源勘探開發、理解極端氣候和快速氣候變化過程、環境預測和防震減災等開辟了新途徑。

2013年,IODP結束之后,新的10年計劃——國際大洋發現計劃(新IODP,2013年~2023年)立即展開,由24個國家合作參與。新IODP主要任務在科學計劃中概括為:照亮地球的過去、現在和未來。這個科學計劃由19個科學探測項目組成,分為氣候和海洋變化、生物圈邊界、地球圈層聯系和地球運動四個主題。

我國已正式加入新IODP,并為我國的深海研究制定了三步走的發展戰略。新IODP的第一個航次349航次也是由中國科學家提出科學鉆探建議書并主導,于2014年2月至5月在南海成功實施鉆探。這是繼1999年ODP第184航次之后由中國人主導在南海實施的第二個科學大洋鉆探航次。IODP349航次在兩個月的時間里完成了5個站位的取芯和2個站位的地球物理測井工作,鉆探深度共4300米,其中沉積巖取芯約2300米、基底玄武巖取芯約200米,在深入認識南海的地質演化上邁出了跨越性的一大步。

大陸鉆探向地球深部進軍

大陸鉆探不僅起步晚于大洋鉆探,而且以其特殊地質區別于大洋科鉆。最早進行大陸鉆探的國家是前蘇聯,全世界最深的鉆孔也在前蘇聯,是位于貝加爾湖的科拉超深鉆孔。這個超深鉆孔從1970年開鉆,鉆探了將近20年,在1989年到達地殼12262米的深度,成為目前地球上最深的“地眼”。盡管該項目付出了巨大努力,但由于科拉鉆探的科學目標不明確,當代歐美洲地質學家并不認可科拉鉆探數據。

相對于科拉超深鉆,歐美科學家更喜歡舉世聞名的德國KTB深層巖芯項目(1987年~1994年)獲得的數據。KTB是德國在德國中部的Windsctlesehenbach鎮進行的大陸科學鉆探,工程歷時近15年,最終孔深達到9101米,重點研究大陸中-下地殼。來自12個國家的400多位科學家在此共開展了200多項地學研究項目,以了解大陸地殼的結構、成分、動力學、演化過程。

1996年2月,德國、美國和中國作為第一批成員,發起了國際大陸科學鉆探計劃(ICDP),至今已有近20個國家和團體加入該計劃。ICDP的成立為科學鉆探降低風險和成本、裝備技術和科學成果的交流和共享都起到了良好的促進作用,并與綜合大洋鉆探計劃(IODP)簽訂協議,加強兩項計劃在科學鉆探領域的合作與協調,共同出版《科學鉆探期刊》(SDJ)。

目前,ICDP已經實施了湖泊、隕石撞擊和生物滅絕事件、研究火山和地熱、斷層帶等幾十個科學鉆探項目。我國已成功申請到三項ICDP項目:“大別-蘇魯”大陸超深鉆、中國環境科學鉆探青海湖工程、科鉆一井和二井工程,在大陸科學鉆探領域取得了令人矚目的成績。

“大別-蘇魯”大陸超深鉆是我國首例大陸鉆探工程,2001年開工建設,至2005年完成鉆探施工任務。該工程是繼前蘇聯和德國之后第三個超過5000米的科學深鉆(5158米),也是全世界穿過造山帶最深部位的科學深鉆,被國際地學界譽為超高壓變質帶大陸動力學的研究寶地。該工程建成了亞洲第一個深部地質作用長期觀測實驗基地,使我國超高壓變質帶和地幔物質研究達到國際領先水平。同時,該工程建立的適用于深孔硬巖惡劣條件的新型鉆探技術體系,也使我國的鉆探技術水平邁上了一個新臺階。

2005年7月21日,青海湖環境科學鉆探開鉆,到9月5日結束,歷時47天,分別在青海湖東盆、南盆等5個地點鉆取了13支巖芯,共548米,取得巖芯323米。通過青海湖科學鉆探研究,查明了青海湖湖盆形成演化、氣候構造變化和青海湖波動的歷史,達到了解東亞季風氣候和內陸干旱化變遷的研究目的。

2006年8月18日,在松遼盆地北部中央坳陷區開鉆的中國白璽紀大陸科學鉆探工程——松科一井被稱為“中國第三鉆”。該鉆探工程分兩孔進行,稱為“一井雙孔”。2007年10月20日,松科一井順利完鉆,總取芯進尺為2577米,芯長共計2485米,是迄今為止世界首次取得的最長的白堊紀陸相盆地沉積記錄,為“白璽紀地球表層系統重大地質事件與溫室氣候變化”的后續研究奠定了堅實的基礎。

松科二井于2014年開鉆,目標是通過實施“2井1孔”鉆探,打穿松遼盆地白堊系,獲取萬米連續高分辨率的陸相地質記錄,用以研究白至紀時期的溫室氣候變化。截至目前,松科二井己完成鉆井深度7018米,成為亞洲最深科學鉆探井。

值得一提的是,中國白堊紀大陸科學鉆探工程使用的是我國自主研發的中國萬米大陸科學鉆探專用鉆機“地殼一號”,整機性能和制造質量達到或優于國內同類鉆機水平。

“入地”難于“上青天”

科學鉆探過程中會遭遇很多世界級難題,其中就包括地球的“三高”(高溫、高壓、高地應力)問題。在“三高”條件下,首先鉆機的配件和電子元件能否正常工作?其次,在此條件下井壁巖石容易破碎,造成井壁垮塌、卡鉆等井下事故。最后,從地表打至數千米深處,井斜度不能超過18度,由于無法有效地探知井斜的發生,這成為制約科學鉆探的世界級難題。所以,表面上看是打一口井,實際上卻是在考驗一個國家的經濟實力、基礎工業實力以及科技發展水平。

近半個多世紀以來,科學鉆探一次又一次帶給人們問號與驚嘆,一次又一次推動地球科學取得重大突破,為人類了解地球內部、研究地球變化和勘探各種資源開辟了新的途徑。

中國在國際科學鉆探項目中所獲得的高水平的研究成果得到了國際相關領域的普遍關注和高度評價。隨著中國科技實力的增強,科學家們將按照國家目標進行更多探索,并引領世界地球科學的發展。

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