科学钻探的作用和意义

  科学钻探是为地学研究等目的而实施的钻探，它是通过科学探测地壳岩石圈、生物圈、水圈（含地下流体）的组织结构、物质成分、形成机理等进行各类研究。大陆科学钻探通过提高对深部地质的研究程度，进而可以解决人类面临的资源（如油气、固体矿产、地热）、灾害（如地震、火山）以及环境（如陨石撞击、核废料处理）等问题。此外，大陆科学钻探入地与卫星上天一样，需要高新技术支撑与巨额资金投入，能够取得享誉世界的重大科技成果，体现国家综合实力，提高国际形象。科学钻探各方面的作用与意义分述于下。
 
  1．研究地壳深部构造及其演化。
 
  海洋钻探(DSDP、ODP)证实了“大陆漂移”和“海底扩张”，以其成果为基础创建的“板块构造理论”被认为是20世纪地质科学最重大的学术成就。它建立了全球化的构造与演化史观，改变了许多地质传统概念和认识，是地质科学的一次全新的革命。但是，（板块学说不能阐明板块构造的驱动机制，特别是不能解释大陆的深部构造及其动力作用）从20世纪80年代起，大陆构造研究已进入一个崭新的阶段——大陆动力学研究阶段。美国和许多国家都制订了大陆动力学研究计划，研究内容涉及：岩石圈与地幔的耦合作用、陆壳深部构造和地质作用过程、大陆地壳生长过程、大陆变形带的运动学与动力学以及大陆构造活动对全球变化的影响等。21世纪启动的综合大洋钻探计划(IODP)将与国际大陆科学钻探计划(ICDP)协同探测全球地壳构造与演化。IODP三大科学目标之一是“固体地球循环和地球动力学”，其中“21世纪莫霍钻”是该计划的八大优先研究领域之一，其地质目标是钻入地幔，取得岩心实物样品(IODP科学规划委员会，2003)。
 
  2．检验与校正地球物理探测结果。
 
  地球物理是探测地壳结构和组分的重要方法，但是由于在地表探测的间接性，对该方法获得的深部测量结果的解释具有多解性。根据前苏联、德国、美国、法国与瑞典等国家实施的科学钻探发现，许多根据地球物理和地表地质所确定的地下目标，未能通过钻孔予以证实。例如，前苏联科拉半岛SG-3超深孔，直到孔深12 262m也未遇见预测于7000m出现的康拉德界面(科兹洛夫斯基，1989)。德国9lOlm的KTB超深孔否定了根据地表地球物理资料所推断的推覆体等。所以，地球物理对地壳深部的探测结果必须通过科学钻探予以验证。同时，用钻探的结果来修正、改进地球物理探测方法，将提高其准确度，从而提高地球物理方法在未知地区探测的正确性。
 
  3．研究地壳深部流体及其作用。
 
  地壳中存在各种流体，包括淡水、卤水、石油、天然气、气体水合物和岩浆等，流体在地壳演化中起着非常重要的作用。流体控制壳一幔物质和能量的传输、交换与再循环及热量与应力场的不均匀分布，制约地壳结构、地质过程和壳一幔作用。流体运动与作用是油气和矿产形成、地震和滑坡诱发、废物污染等地球环境恶化的主要机理。鉴于过去对于地壳流体作用掌握的知识非常肤浅，特别是对2km以下地壳流体了解的更少，于是近20年来，国际上已将其列为优先发展的重大前沿研究课题(许志琴等，1996)。
 
  4．探索大型陨石撞击作用与生物集群灭绝奥秘。
 
  在漫长的地质年代中，不同规格的陨石连续不断地向地球表壳进行轰击，对地壳的构造演化、气候和环境有着不同程度的影响。大型陨石撞击事件会引起全球气候与环境恶化，造成生物集群灭绝。6500万年以前发生在墨西哥尤卡坦半岛奇克休罗伯(Chicxulub)的陨石撞击事件最令世人关注，已成为当代地球科学研究中的重要课题之一。这次陨石撞击事件造成陆地和海洋大量生物死亡，这是地球史上发生的最大灾变之一。恐龙类动物灭绝正是发生在这段时期。通过在陨石坑钻探，可研究陨石撞击的过程和产物以及陨石撞击对海平面、气候、环境和生态的影响。
 
  5．研究盆地演化、油气成因及天然气水合物。
 
  通过科学钻探对含油气盆地深入调查，可深化对盆地的成因和动力学演化历史的认识，建立烃的生成运移与热、流体、力学、生物演化过程之间的联系，揭示油气赋存的内在地质规律，预测储层和圈闭的分布等。探测和寻找非生物源石油与天然气也是今后的重要研究方向。瑞典锡利扬科学钻孔在6. 6km深度发现甲烷等烃类气体。20世纪80年代初期到中期，在苏联第聂伯一顿涅茨克盆地（乌克兰）的前寒武纪结晶岩基底（花岗质岩石、角闪岩和片岩）中发现了5个大的生油、储油层，在12个钻井区中获得非生物成因的石油储量总计219亿t。综合大洋钻探计划(IODP)已将海底天然气水合物列为八大优先研究领域之- (IODP科学规划委员会，2003)，大陆科学钻探则主要开展对陆地天然气水合物的研究。ICDP和IODP已联合实施了加拿大永冻层天然气水合物勘探项目。
 
  6．调查和开发深部热能。
 
  随着世界能源需求日益紧张，研究开发地热、特别是深部地热越来越重要。为此，需通过钻探来调查地热系统的地质条件、热量的来源、地热的分布、地热的状态与动态变化、热传导和热对流的过程以及地热资源的开发应用可行性等。我国在西藏羊八井进行深部地热钻探，由地热发的电量占拉萨电网的45%以上，经济社会效益显著。此外，研究开发干热岩热能正日益受到越来越多国家的关注，美国和欧洲的许多国家都实施了此方面的研究计划。美国于1986年由洛斯·阿拉莫斯实验室在芬登山(Fenton Hill)钻成了两口深度分别为4660m和4247m的试验井，井底温度分别为320℃和280℃。两井相距30m，由其中一口井注入冷水，经井底压裂的高温岩体升温后转变为高压蒸气，由另一日井输出发电，获得了较好的经济效益（刘广志，2005）。
 
  7．研究矿产预测和评价及成矿理论。
 
  20世纪后期，对成矿模式、成矿规律、成矿流体和超大规模矿床等的研究取得许多进展，但是对于矿床成因尚有许多盲区，如深成矿床、隐伏矿床、综合性含矿岩石一岩浆系统、含矿深源岩系与火山成因矿床等（许志琴等，1996）。大陆科学钻探是探测这些矿床和岩矿系统最重要的方法和手段，可以解决与矿床成因相关的许多问题，如矿床分布的物理和化学机制，流体在成矿中的作用，金属的来源、运移和沉积机理等。解决上述问题将为矿产的预测和评价奠定基础。我国《国土资源部中长期科学和技术发展规划纲要(2006～2020)》中，已列入“针对重点成矿带，部署200口孔深2000m的群钻，进行深部成矿环境和资源潜力评价”。
 
  8．研究地震发生机制和改善地震预报。
 
  通过科学钻探并在钻孔内安置地应力、孔隙压力、地温、地电、地磁、流体化学、倾斜和应变等传感器，建立长期观测站，可以了解深部震源的物理条件与化学过程，实现对地震的监测和预报。20世纪80年代美国在距圣安德烈斯断层4km的卡洪山口施工了一口3510m的钻孔，对地应力、断裂作用、地壳物理特征、流体循环与热运移关系等进行研究。近年来，为深入研究该地区地震发生机制，正在实施一项深部穿越断裂、深度5000m的钻探项目(SAFOD)，这是美国庞大地学计划“地球探测计划”( earthscope)的一部分。“地震和火山研究”已被列为ICDP九项科学目标之首，而IODP则将“发震带”列为八大优先研究领域之一(I()DP科学规划委员会，2003）。
 
  9．研究火山系统及其喷发机理。
 
  火山爆发可能造成大量的生命和财产损失，火山喷发产生的火山灰屑与有毒气体会引起气候变化及造成空气污染，甚至引发火灾、洪水和粮食果蔬欠收等。火山研究是地球科学的一项重要课题。在火山系统内实施科学钻探拟解决的主要问题是：活火山系统喷发现象和历史、热与物质（岩浆、流体等）如何转移与变换、喷发ICDP侵入作用的关系，建立火山喷发动力学模型，以及预报喷发时间与评估喷发的潜在危害等。IcDP和IODP十分重视火山钻探调查，近年来，美国、日本等国家均运用科学钻探对火山进行了深入研究。
 
  10.研究地球气候、环境的历史和全球变化。
 
  研究全球过去气候变化与影响，预测今后气候变化趋势是当代地球科学的重要目标，IODP已将“环境变IODP用和结果”列为其三大科学目标之一，其优先研究领域是“极端气候”和“快速气候变化”（10DP科学规划委员会，2003）。大陆科学钻探对气候的研究具有优势，因为海洋中仅保存有约2亿年的地层记录，这段时间只占地球历史的5%左右。大陆地层中保留有区域性和全球性气候变化特征及其环境影响更为充分而连续的记录。在格陵兰冰盖钻探3229m，获得20万～25万年以来地球气候变化的丰富信息，其中包括公元79年意大利火山爆发的酸雨痕迹，以及前苏联切尔诺贝利核电站爆炸散落的放射性粒子尘。在湖泊的沉积层中实施科学钻探，可以获得对过去气候演变历史的完整记录。近年来，在各大洲湖泊实施了较多的环境科学钻探项目。
 
  11．探索深部生物圈和早期生命演化历史。
 
  过去曾经认为，在坚硬致密的岩石内与深海缺氧、黑暗、高压的极端环境中都不可能有生物存在。但是，在美国卡洪山口钻孔、前苏联的科拉超深孔和我国的科钻—井中，在数千米深的岩层中发现了种类繁多的微生物，大洋钻探(ODP)在11 000m深的海底发现了处于生命演化早期(25亿年前)的太古微生物等。通过科学钻探进行深部生物圈研究，可以解决以下重要问题：深部生物圈底界深度和范围’深部生物的生存和新陈代谢机制，与地表生命体的关系，以及在油气生成与矿体发育中所起的作用等。其研究成果还可应用到生物工程中，如利用微生物提高石油采收率和水处理等方面提供新的思路和方法。深部生物圈的研究已成为21世纪国际科学最前沿的课题之一，也是ICDP与IODP的主要科学目标之一。
 
  12．建立深部地壳长期观测站。
 
  利用科学钻探已完成的钻孑L，安置仪器可以长期测量地壳活动、地球物理参数变化以及始终在进行的应力、热、流体及生物作用。科拉SG3和KTB超深孔以及美国圣安德烈斯钻孔、我国科钻一井等均已经、正在或将要安置观测仪器，建成长期观测站。观测站的仪器若干年后可以更换，如2004年10DP30l航次，在美国西海岸更换了ODP以前所钻两个钻孔的水文地质观测仪器Corks。
 
  13．调查核废料储埋场址。
 
  核废料的安全处置已成为世界上涉及和平与安全的重大社会问题。将核废料深埋在稳固的岩体内，可确保千百年安全。对储埋地点的岩体在岩性学、工程和水文地质学、地下水化学方面都有严格要求，须通过科学钻探获得信息来评价和选择储埋地点。瑞士、瑞典、英国等国家相继实施了科学钻探计划，通过在每个侯选地点施工一批500～2500m的钻孔来进行核废料储埋地点的评价。
 
  14．推动钻探技术发展和进步。
 
  开展科学钻探，将给钻探工程技术发展带来难得的机遇与严峻的挑战。科学深钻工程，属于大科学(megascience)，即重大科学工程，其特征是需要先进复杂且造价昂贵的科技装备，要求广泛的技术支撑和充分的基础设施；取得科学成果的成本远远高于其他科学项目。科学深钻项目的实施将会遇到深孔、硬岩、高温等各种复杂和恶劣的施工条件，常规的地质矿产勘查和石油天然气钻探的装备、器具和工艺难以满足科学深钻施工的要求。为解决科学深钻施工中的技术难题，需要钻探工程专家勇于和善于创新，研发高新技术，及时地提供新型适用的钻探装备、器具和工艺方法，这将有力地促进钻探技术发展和进步。
 
  综上所述，实施科学钻探不但对推动地球科学、生物科学等发展具有重大意义，对于促进人类与大自然，特别是与地球家园协调和谐相处，保障人类生存和发展所需的资源供给与良好环境，都具有深远的意义。
 
  200年前德国浪漫主义诗人诺瓦利斯曾写道：“欲成为地球主人，必须探测其深部”。科学钻探则为人们探测地球深部提供了最重要、最直接和最真实的方法，我国科钻一井取得了辉煌科技成果，将全面和深入地推动我国大陆科学钻探工程事业的发展，我国《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006～2020)》已将“地球深部钻探”列为基础研究的八大科学前沿课题之一；《国土资源部中长期科学和技术发展规划纲要》则将“地壳探测工程”列入“重大科技计划”中。
 
  科学钻探已成为国际地球科学研究的重要前沿，今后将在世界范围内更加广泛实施，蓬勃发展。