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【探索】“上天”容易“入地”難!地球深處到底什么樣

“上九天攬月,下五洋捉鱉”一直是人類自古以來的夢想。如今,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。


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。比如,舉世聞名的德國KTB深層巖芯項目,工程歷時近15年,最終孔深達到9101米。來自12個國家的400多位科學家,在此共執行了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、中國、美國作為第一批成員,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》。


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。我國申請到的三項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方面取得令人矚目的成績。

“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。該工程是世界第三個超過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。

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,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。

2007年10月20日,我國松科一井順利完鉆,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“白堊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。

目前,自然資源部中國地質調查局組織實施的松科二井已經完成鉆井深度7018米,成為亞洲國家實施的最深科學鉆探井。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”。


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。

但近半個多世紀以來,各國科學家孜孜不倦地努力,科學鉆探一次又一次帶給人們問號與驚嘆,一次又一次推動了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途徑。(作者:張凡,系自然資源部中國地質調查局地學文獻中心高級工程師)



內容來源:《光明日報》( 2018年09月13日)

原創: 張凡

圖片來源:視覺中國


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