深入地球的望远镜—大陆超深钻探计划

访客 探索发现 2018-01-13 00:00:00

 

深入地球的望远镜—大陆超深钻探计划

人类历史上第一颗进入行星轨道的人造卫星

上天、入地、下海洋是人类自古以来的三大梦想。自1957年,前苏联成功发射了第一颗人造地球卫星以来,人类已对太空进行了无数次成功探索。

人类已经不止一次在月球上留下了脚印,未来若干年登上火星的梦想也即将实现。“蛟龙号”“深海挑战者号”等国内外深潜器,也在一次次地突破着洋底探测的极限深度。“上九天揽月,下五洋捉鳖”已经成为现实。然而比起上天下海,人们对自己生活的地球内部所知甚少。

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2012年3月加拿大导演詹姆斯·卡梅隆乘坐深海挑战者号潜水艇抵达挑战者深渊

由于坚硬岩石的阻隔,人类对地球内部直接观察困难重重。到目前为止,人们对地球内部的认识大多是通过地球物理等间接方法获得的,因此往往具有多解性。

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地震剖面

因此,若想要对地球奥秘进行最直接的探索,必须深入到地球内部获取样品及各种信息。科学钻探是获取地球深部物质、了解地球内部信息的最直接、最有效、最可靠的方法,是地球科学发展的不可缺少的重要基础。

通过数千米甚至上万米的大陆科学钻探,科学家可以揭示大陆地壳的物质组成与结构构造,探索地球深部流体系统、地热结构。可以解决一系列重大基础科学问题。因此大陆科学钻探工程被形象地誉为“伸入地球内部的望远镜”,与之前笔者介绍过的大洋钻探相比,大陆科学钻探起步较晚,始于20世纪70年代的前苏联。

前苏联科拉SG-3超深钻

冷战时代,以美国为首的西方资本主义国家和以前苏联为首的社会主义东方阵营进行了一场长时间的较量。双方在军事、经济、外交、科技等领域明争暗斗。

冷战期间地学领域最具代表性的两大工程是大洋钻探和大陆超深钻,两大科学工程均始于上世纪60年代。大洋钻探以美国为主导,大陆超深钻以前苏联为主导。

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冷战期间,美苏双方在一系列领域展开竞争

科拉超深井于1970年纪念列宁诞辰100周年时开钻。在地质科考队确定了钻井位置之后,1970年5月24日钻井启动。直到7000米深钻井过程都相对平稳,钻过坚硬的花岗岩。在这个深度之后钻头进入了较为不坚硬的层状岩石。钻过这些层状岩石时,井身因空洞而掉落,结果导致钻柱被岩石卡住,钻头在提升过程中掉落的事故不止一次发生,因此钻井持续了好几年。

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未拆除的科拉超深钻井架

1979年6月井钻破了之前由美国奥克拉荷马州Berthar Rogers超深井保持的9583米的记录。

发展势头最好的时候,在科拉井上有16个实验室工作,并且由苏联地质部直属领导。

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仍在使用中的科拉超深钻

1983年钻至12066米后钻井暂停了,因为要准备定于1984年在莫斯科举办的国际地质大会。

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为纪念科拉超深钻而发行的邮票

1984年9月27日钻井继续,第一次下放就出了事故——钻柱断落。钻井从7000米深重新开始,1990年将至时新的旁支钻达12262米深,钻柱再次脱落,钻井也因此而彻底关闭。尽管没有完成预期的15000米钻进目标,但12000米的科拉超深钻本身就是人类的一项壮举,它的深度保持了20年领先纪录,直到2008年才被卡塔尔的一口石油钻井打破(阿肖辛油井12289米),截止2016年,科拉半岛超深钻的钻探深度排名世界第五。

2012年8月27日,埃克森美孚公司超深钻到达 12376 m

21世纪初,由于财政困难及缺乏国家支持,“科拉超深钻井”项目被决定彻底关闭。 2008年该井被废弃,设备被拆除,地面建筑被破坏。

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拆除后的SG-3钻孔,断木残垣散落其中

联邦德国大陆深钻计划(KTB)

KTB计划的目的是通过科学超深钻井获取地学信息,进行关于地壳较深部位的物理、化学状态和过程的基础研究和评价,以了解内陆地壳的结构、成分、动力学和演变。

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钻井井架的特写

这项计划1977年提出,经过10年考察、论证、选址, 1985年,联邦德国大陆深钻计划(KTB)开始实施。与科拉计划不同,KTB有两个钻孔——先导孔和主孔。先导孔率先钻进4000米,为主孔积累了经验,并替主孔采集了4000米以内的岩心,减轻了主孔的负担,使得主孔最终钻进9101米。1987年9月18日至1989年4月4日完成先导孔(4000米)施工;1990年10月6日至1994年10月12日完成主孔(9101米)施工。尽管在深度上KTB没有超过科拉超深钻井,但却建立了世界最先进的深井长期观测系统。

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位于德国的KTB计划钻井架

值得一提的是,迄今为止,世界上超过8000米的科研钻井,仍只有科拉钻井与KTB钻井

国际大陆科学钻探(ICDP)

90年代初,由德国牵头,在国际地学界的支持下,28个国家的250位专家出席并制定了国际大陆科学钻探计划(ICDP),1996年2月26日,中、德、美三国正式签署备忘录,成为首批成员国,正式启动ICDP。德国自然科学基金会、联合国教科文组织地学部、大洋科学钻探计划作为联系成员,墨西哥、希腊、俄罗斯、法国、英国、加拿大、日本、欧洲科学基金会成为成员国(组织),计划每年投资70万美元,目前ICDP已有21个成员国。

我国作为首批成员国之一,也积极地参与到国际大陆科学钻探研究的浪潮中。先后主持了中国大陆科学钻探工程与青海湖钻探项目。

中国大陆科学钻探工程是继前苏联和德国之后第三个超过5000米的科学深钻。

中国大陆科学钻探工程钻井架

也是全世界穿过造山带最深部位的科学深钻,该工程建成了亚洲第一个深部地质作用长期观测实验基地,也是亚洲第一个大陆科学钻探和地球物理遥测数据信息库,亚洲第一个研究地幔物质的标本岩心馆和配套实验室,使我国超高压变质带和地幔物质研究达到国际领先水平。

青海湖国际环境钻探项目是国际大陆钻探计划(ICDP)项目之一,也是中国环境科学钻探计划的重要组成部分。是我国唯一的以环境变化研究为主的大型现代湖泊钻探。项目的目的是获取高精度的东亚古环境记录,研究区域的气候、生态和构造演变及其与其他区域和全球古气候变化的关系,通过钻孔数据取得了喜人的研究成果。

深入地球的望远镜—大陆超深钻探计划

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青海湖钻探项目

上天、入地、下海,虽然面对的未知与困难依旧,但我们从未停止过探索的步伐,随着一系列大陆钻探计划的推进,我们对脚下地球的了解,必将逐步清晰

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