中国大陆科学深钻发展的若干思考与建议_邹长春.pdf
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1、书书书第 37 卷第 1 期2023 年 2 月现代地质GEOSCIENCEVol.37No.1Feb.,2023DOI:10.19657/j.geoscience.1000 8527.2022.101中国大陆科学深钻发展的若干思考与建议邹长春1,王成善2,3,彭诚1,伍操为1,高远2,3(1.中国地质大学(北京)地球物理与信息技术学院,北京100083;2.中国地质大学(北京)生物地质与环境地质国家重点实验室,北京100083;3.中国地质大学(北京)地球科学与资源学院,北京100083)收稿日期:2022-09-30;改回日期:2022-12-20。基金项目:中国科学院和国家自然科学基金委
2、员会联合资助项目“地球内部探测发展战略研究”(L1624024);国家自然科学基金委重大项目专题(41790455 1);中国地质调查局地质调查专项(12120113017600)。作者简介:邹长春,男,教授,博士生导师,1969 年出生,地球物理与信息探测技术专业,主要从事岩石物理学、测井与井中物探和综合地球物理勘探等领域的教学和科研工作。Email:zoucc 。摘要:科学钻探是获取地球内部信息的最直接和最重要手段,在解决“向地球深部进军”战略科技问题上起着无可替代的作用。本文简要回顾国内外大陆科学钻探的发展历程和深钻的发展现状,分析大陆科学深钻发展特点与态势;围绕中国大陆科学深钻,梳理其
3、关键科学技术问题、面临的挑战与机遇;在此基础上提出中国大陆科学深钻发展的目标、优先发展方向与发展途径建议。大陆科学深钻能够为地球动力学过程、地质灾害、地质资源和环境变化等全球关注的地球科学前沿问题提供独特的研究途径,但是其实施深度又受超高温和超高压等恶劣井眼环境的制约;现代科学技术的进步有力促进了大陆科学深钻中各项技术的发展,为超深井和特深井科学钻探提供重要支撑。中国大陆科学深钻应以9000 15000 m 特深井为目标,注重“超深”“深时”和“深观”等领域的科学问题,优先发展地球深部构造、深部生命、深时气候和深部资源探测等方向,研究超深物质、动力学过程和岩石物理等实验技术,研发超高温超高压环
4、境下的钻井、测井和长期观测等技术与装备,促使我国深地探测能力和水平实现一次飞跃。关键词:深部探测;大陆科学钻探;特深井;地球物理测井;发展战略中图分类号:P631;P634文献标志码:A文章编号:1000 8527(2023)01 0001 14Development of the Chinese Continental Scientific Deep Drilling:Perspectives and SuggestionsZOU Changchun1,WANG Chengshan2,3,PENG Cheng1,WU Caowei1,GAO Yuan2,3(1.School of Geoph
5、ysics and Information Technology,China University of Geosciences,Beijing100083,China;2.State Key Laboratory of Biogeology and Environmental Geology,China University of Geosciences,Beijing100083,China;3.School of the Earth Science and esources,China University of Geosciences,Beijing100083,China)Abstr
6、act:As the most direct and important method to detect the Earths deep interior,scientific drilling plays akey role in solving the strategic technological issue of deep Earth exploration This study briefly reviews thedevelopment and current situation of domestic and international continental scientif
7、ic drilling and deep drilling,and analyzes the characteristics and trends of continental scientific drilling development We summarized theChinese Continental Scientific Drilling,its key scientific and technological issues,as well as challenges and op-portunities Accordingly,we proposed the developme
8、nt goals,priorities and approaches of the Chinese Conti-nental Scientific Drilling Continental scientific deep drilling can provide a unique pathway for investigatingglobal concerns in Earth sciences,such as geodynamic processes,geohazards,mineral and energy resources,and environmental changes Howev
9、er,its implementation depth is constrained by ultra-high temperature andultra-high pressure in harsh borehole environments Modern scientific advances have promoted the developmentof various technologies in continental scientific drilling,which provide important support for ultra-deep and ex-tra-deep
10、 drilling The Chinese Continental Scientific Drilling should aim for 9,000 15,000 m extra-deep bore-holes,focusing on scientific issues in the fields of ultra-deep,deep-time and deep-observation Priority develop-ment directions can include deep Earth tectonics,deep-life,deep-climate,and deep-resourc
11、es The priority de-tection technologies can include those for drilling,logging,and long-term observation in ultra-high temperature-pressure environments Priority should also be given to the experimental technique development for ultra-deepmatter,dynamics processes,and petrophysics This would promote
12、 a breakthrough in the capacity and level ofEarth interior detection in ChinaKey words:deep exploration;continental scientific drilling;extra-deep borehole;geophysical logging;deve-lopment strategy0引言“上天、入地、下海、登极”是人类探索自然奥秘的四大壮举。习近平总书记在 2016 年 5 月 30日全国科技创新大会上指出:向地球深部进军是我们必须解决的战略科技问题。作为“入地”工程的代表,大陆科学
13、钻探是人类获取地球内部信息、揭开地球深部奥秘的最直接和最重要手段,被誉为伸入地球深处的“望远镜”1。大陆科学钻探旨在解决与人类生存和社会发展密切相关的地球内部关键科学问题,如厘清气候变化和生态演变规律、发现深部能源和矿产资源、探索自然灾害发生机制等,对于生态环境保护、资源可持续利用和自然灾害预防等具有十分重要的意义,因此备受瞩目并已经发展为地球科学的前沿领域1 7。大陆科学钻探是以先进的钻探技术、井中探测技术和观测技术为手段的非营利性大科学工程,通过挖掘钻孔并获取岩石和流体样品、探测井壁地层来实现科学目标8 10。20 世纪 50 年代末美国启动的“莫霍计划(Project Mohole)”是
14、人类最早实施的科学钻探项目11 12。此后,苏联、德和美等国相继制定并实施了一系列大陆科学钻探计划。1996 年,德国、美国和中国发起成立了“国际大陆科学钻探计划(ICDP)”,标志着全球大陆科学钻探进入了一个新阶段,中国的大陆科学钻探也逐步开展起来。在众多的大陆科学钻探项目中,苏联科拉超深钻、德国大陆科学钻探(KTB)、中国大陆科学钻探(CCSD)和松辽盆地科学钻探(CCSD SK)均为示范性科学深钻工程。这些工程的规模庞大,在地学研究和工程技术领域均取得了重大突破2 3,13 15。大陆科学深钻的实施受复杂地质条件和超高温超高压等恶劣井眼环境的制约,使得人类通过大陆科学深钻直接获取的地球深
15、部信息依然十分有限7,16。现代科学技术的进步为钻井、取心、录井、测井和井中观测等各项关键核心技术的发展提供了强有力的支持,有助于推动更深科学钻探的实施。中国随着全面建设社会主义现代化国家新征程的开启,大陆科学深钻也迎来了历史性发展机遇。根据 中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和 2035 年远景目标纲要(下文简称为 纲要),中国将在深地领域实施一批具有前瞻性和战略性的国家重大科技项目17。纲要已将地球深部探测装备列入了应当集中优势资源攻关的科技前沿领域。中国大陆科学深钻事业正在迎来高质量发展的机遇期,中国亟需加强大陆科学深钻战略研究,制定长远规划,谋划和探索大国发展的未来之路。
16、本文通过回顾国内外大陆科学钻探的发展历程,结合中国大陆科学钻探发展需求,剖析中国大陆科学深钻(尤其是井中探测领域)所面临的挑战与机遇,提出应对策略与发展途径,以期为中国地球内部探测发展提供参考。1大陆科学钻探发展历程与深钻发展状况1.1大陆科学钻探发展历程与进展自 20 世纪 50 年代末美国启动“莫霍计划”以来,苏联、德、法、英、美等国先后实施多个大陆科学钻探工程。中国从 20 世纪 60 年代开始筹备大陆科学钻探计划,目前已经实施了 10 余个科学钻探项目。1.1.1国外大陆科学钻探发展历程国外大陆科学钻探的发展主要经历了起步、2现代地质2023 年取得重大突破和持续发展等几个阶段。(1)
17、20 世纪 60 年代 起步阶段。科学钻探开始于海洋科学研究。1957 年,美国科学家 Walter Munk 提出世界上第一个科学钻探项目 “莫霍计划”,并于 1961 年在墨西哥瓜达卢佩岛(Guadalupe Island)附近的太平洋海底钻探,尝试向地幔钻进18。由于钻探技术上的难度、高昂的经费预算以及政治阻碍,美国国会于 1966 年8 月否决了对“莫霍计划”的拨款,因此该计划被迫搁浅19。1968 年,美国开始实施“深海钻探计划”,通过在各大洋布置钻孔,广泛地获取岩心和沉积物样品,对洋底上部地壳开展研究20。早期的海洋科学钻探工作促使人们意识到,实施深海钻探在技术上可行且对地球科学发
18、展意义重大,这也为大陆科学钻探的实施打下了基础。(2)20 世纪70 至90 年代中 取得重大突破的发展阶段。苏联、德国和美国在这一时期的大陆科学钻探活动中走在前列。苏联于 1970 年开始实施科拉超深钻 SG 3 井,历时 19 年,完钻深度达到12262 m21 22。1987 年 9 月,德国大陆科学钻探(KTB)开始正式施工,先后完成终孔深度为 4000 m的先导孔和 9101 m 的主孔,并在钻孔现场组建了一个庞大的地表与深井长期观测系统23 25。美国这一时期的科学钻探以中、浅井为主,还通过建立“大陆地壳深部观测采样组织”,在美国各地实施了 29 口科学深钻孔26 27。苏联、德国
19、的科学深钻注重地壳深部的结构、构造、成分等信息,美国的科学深钻则聚焦于地壳浅部正在发生的各种地质作用。SG 3 井和 KTB 主孔是这一时期最具代表性的大陆科学钻探工程,均以地壳深部探测为目标,克服了高温高压恶劣井眼环境,系统地开展钻探、测井和长期观测等工作,具有里程碑式的意义。(3)20 世 纪 90 年 代 中 至 今 持 续 发 展阶段。自 20 世纪 90 年代中期以来,世界各国对大陆科学钻探的部署越来越活跃,国际合作愈加频繁。1996 年 2 月 26 日,德国、中国和美国共同成立了国际大陆科学钻探计划(International Continen-tal Scientific Dr
20、illing Program,ICDP),对全球大陆科学钻探进行协调和资助,推动了大陆科学钻探进一步发展。迄今为止,全球已有 22 个国家成为ICDP 正式成员国,在 ICDP 框架下开展的钻探项目以及工作组(Workshop)达到 167 个,钻探井位遍布全球各大洲(图 1)。大陆科学钻探的研究领域涵盖了环境气候演化、灾难性事件、自然资源等诸多领域。环境气候演化领域的代表性项目包括俄罗斯贝加尔湖钻探28,死海盆地钻探29 等;灾难性事件领域的代表性项目包括墨西哥Chicxulub 陨石坑钻探30,美国圣安德列斯断层深部长期观测研究(SAFOD)31 32;自然资源领域的代表性项目包括冰岛深钻
21、(IDDP)33,加拿大 Mal-lik 水合物钻探34 等。如今,大陆科学钻探的研究领域持续拓宽,钻探项目数量持续增多,已经发展成为地球科学中的前沿领域。1.1.2国外大陆科学钻探取得的主要成就在发展阶段,国外大陆科学钻探取得的科学成就主要集中在地球深部结构。科拉超深钻建立了前寒武纪地壳的地质 地球物理 地球化学垂直剖面图,并在深部变质作用和成矿作用等方面的研究中取得突破21 22;KTB 超深钻获得了地下9101 m 范围内的地壳组成、结构等资料,温度、应力和流体分布等信息以及该范围内各种岩石物理参数 数 据,查 明 了 该 范 围 内 的 三 期 变 质 作用23 25。在持续发展阶段,
22、国外大陆科学钻探取得的科学成果集中体现在地震断裂、灾难性事件、古气候研究等方面:SAFOD 项目利用深井观测资料确定了地震发生时的应力、温度和流体压力条件,证实了断裂带发展过程中缺乏深层流体的结论31 32;墨西哥科学家通过 Chicxulub 陨石坑钻探项目采集得到的岩心样品,分析了陨石坑的形成及其与全球大规模灭绝之间的联系,研究了撞击后的 陨 石 坑 变 化、环 境 演 化 和 动 物 恢 复 过程30;IDDP 项目成功钻穿了洋中脊活动热液系统,获得大量超临界状态下岩石的物理、化学信息,验证了钻探超临界地热井的可行性35。这些科学成果加深了人类对全球环境变化、生命演变以及未来能源等重大科
23、学命题的理解。国际大陆科学钻探的不断发展,极大促进了钻探技术与深部探测技术的创新与变革。大陆科学钻探除了采用石油工业中的先进技术外,还根据自身的特殊性,不断研发特殊的工程技术。钻探方面,仪器的耐高温高压指标显著提高,15000m 钻机、耐热达到 200 的轻合金钻杆以及新型钻井液等新钻探工具的出现保证了超深钻井工作的顺利进行,并实现了大口径、无污染取心21,25。测井方面,克服了高温高压等恶劣井眼环境,大3第 1 期邹长春等:中国大陆科学深钻发展的若干思考与建议图 1全球大陆科学钻探井位分布图(源于 ICDP 官方网站 https:/www.icdp-online.org/,有修改)Fig.1
24、Locations of the global continental scientific drilling(modified from ICDP,https:/www.icdp-online.org/)部分测井仪器温度上限高达 256,首次实现了在深度超过 9000 m 的钻孔中进行测井22 23;成像测井技术也得到了广泛应用,促进了地下断层、裂缝的研究,同时让井下构造环境以更直观的方式呈现在技术人员面前,提升了测井解释工作的多元性和准确性32。长期观测方面,深井地球物理观测得到长足的发展,观测内容从发展阶段的地应力、地下流体、地震,拓展到了持续发展阶段的温度、应变、倾斜等,实现对地球内部
25、更高质量、更高精度、更有时效性的监测23,32,36。1.1.3中国大陆科学钻探的发展历程从 20 世纪 70 年代开始,中国科学家就一直呼吁实施中国大陆科学钻探计划。进入 21 世纪后,相关项目终于获得批准,并正式进入了实施阶段。(1)20 世纪60 年代末至90 年代末 准备阶段。中国大陆科学钻探计划的准备阶段包括启蒙认识、前期准备和筹备起步等过程。1965 年,地质学家谢家荣先生指出战后地质工作已向地球深部发展37。1977 年,国家科委建议组建“国家大陆超深孔钻探委员会”38。中国地质学家从 1988年开始建议制定中国大陆科学钻探计划39。地矿部于 1993 年 12 月批准建设“中国
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