中国大陆科学钻探工程

中国大陆科学钻探工程 ——深入地下5000米的“望远镜”

工程总投资：1.76亿元 工程期限：2001年——2007年

超深钻井的工人

上天、入地、下海是人类向自然界挑战的三大壮举。被称为伸入地球内部“望远镜”的大陆科学钻探是带动21世纪地球科学和相关工程技术发展的大科学工程,同时也是解决人类社会所面临的资源、灾害和环境等问题的重要基础研究课题之一,具有划时代的意义。

人类在赖以生存的地球上已经历了无数个春秋。长期以来，人们就试图通过各种方法对地球进行探测，但是，由于坚硬地壳岩石的阻隔，迄今为止，人类对地球内部仍然所知甚少。随着航天技术的发展，人类开辟了通往宇宙星际的大门，一个与之相呼应的“入地”计划应运而生，这就是直接观测地球陆壳的“大陆科学钻探”。作为“深入地球内部的望远镜”，大陆科学深钻是当代地球科学具有划时代意义的大型科学工程，也是解决当前人类面临的资源、灾害、环境三大问题的重要途径之一。

亚洲第一井——CCSD－１号科钻工程井架主体。

中国大陆科学钻探工程

1997年6月,经国家科技领导小组批准,中国大陆科学钻探工程被列为“九五”国家重大科学工程项目。1999年9月27日,国家计委批准了“中国大陆科学钻探工程”项目建议书。项目由国土资源部负责组织,具体实施任务由中国地质调查局所属中国大陆科学钻探工

程中心承担。项目总投资1.76亿元,其中国家安排投资1.3亿元。项目选址江苏省东海县。2007年12月17日通过国家发展改革委员会和国土资源部组织的国家验收。

中国大陆科学钻探工程CCSD—l井通过卫星确定井口坐标后，于2001年4月18日在江苏省东海县安峰镇毛北村北侧破土动工。该井是目前世界第三、亚洲第一深井，井深达到5158米，孔径256毫米，投资额1.5亿元，钻探工程将历时5年。

入地难于上天

在人类的卫星已经飞出太阳系的时候，人类的钻头却只能钻到地球12公里的深处。这便是“上天有路，入地无门”的现实。为了揭开地球内部的奥秘，科学家们要给地球深深地钻上几个窟窿。

连云港市东海县位于江苏省东北部，明、清时期称为海州，1912年撤州设县时，因其东临黄海，改称为东海县。东海县以盛产水晶闻名，是闻名中外的“水晶之都”。在东海有三样东西妇孺皆知：齐天大圣孙悟空占山为王的花果山水帘洞；用东海的水晶为毛主席造的水晶棺；再就是这个被当地老百姓称为“中国地眼”的中国大陆科学钻探工程CCSD－１号井。

在距离东海县城20多公里的安峰镇毛北村北侧的“中国地眼”，远远望去，被推土机平整过的田野中，矗立着一大一小两座钻井架。小井架是专门用来试验科学家们根据地层情况研

制加工出来的井下工具的。由于地学钻探在国内是一个全新的项目，其所依赖的科学钻探工具没有任何定式，只有由科学家们在现场根据钻探实际现场研究现场制作。

开钻现场

工程难度

该钻探工程主要有三大难度：一是井难打，由于要钻入温度达到100摄氏度以上、含有侵蚀性强的特殊流体的地下空间中，必须运用许多高新技术；二是难钻，钻探要将长5000米的岩心，按85％的比例取出，全孔取心在世界上是首次，目前取心率达89%,最长岩心达4.25米。；三是不能打歪，从地表打至5000米深处，倾斜度不能超过18度。目前中国“地眼”的倾斜度为9.7度。

地质钻探有三个难点：井斜、井壁坍塌、岩石坚硬形成的下钻困难。无法有效地探知井斜的发生，这仍然是制约大陆科学钻探的世界级难题。德国KTB钻探项目，在3400多米处井斜超过标准，同时因遭遇地下断层，使井底坍塌形成一个极大的地下空洞。科学家们在没有其他任何补救办法的情况下，只有将坍塌的空洞处填死，之后设法绕开这个障碍，将斜眼归位0度后重新继续下钻。这是一个十分复杂的过程，德国ＫＴＢ的科学家和施工人员经历了三次绕障、两次侧钻后才终于定出新的井眼位置，使下部钻探得以继续。

正是由于很难控制的井斜问题以及对地下情况的不了解和不可预测性，国际上在钻探地学探井过程中往往都要进行两手准备，既先打一口较浅的井即先导孔，在顺利完成上部地层岩石取心任务后，再转移到正孔。因正孔上部不再取心，大大减少了钻井的难度与风险，直接利用传统的破碎地层钻井方式钻到先导孔所钻的深度后，再重新进行取心作业。这样做的最直接的目的就是以上部井段的直来保证下部井斜不超过标准，使地学钻探达到预期的井深。德国ＫＴＢ钻探项目先导孔的设计井深为4000米，这个项目也是首先完成了先导孔的取心任务后，又转移到正孔打了9000多米。CCSD—１井也设计了两孔施工方案。先导孔设计井深2000米，2001年8月4日开钻。

在CCSD—１井工作场，一大堆被磨掉了大半个身子的各种金钢石钻头，静静地立在那儿，向人们展示着地下岩石的坚不可破。这些钻头都是科学家们前期进行试验淘汰下来的。ＣＣＳＤ—１井要在典型的超高压变质岩中取心钻进，这里的地层由石英岩、片麻岩、硫灰岩等硬岩组成，地下岩石硬度最高达到了９级（１２级为顶级）。其岩石硬度就如一个沙轮，光靠某种单纯的工具是无法将它穿透的。“螺杆马达＋液动锤＋金刚石取心钻井”工艺方法则很好地解决了地层坚硬下钻困难的问题。

与石油钻井另外一个最大的不同，是这口井5000米全井取心，而取一次心就要起一次钻。起钻在整个钻井施工环节中最累人，钻井队的职工计算了一下，这一口井一年的起钻次数相当于石油钻井１０年的工作量。

惊人发现

生命的极限是什么?中国大陆科学钻探工程的发现,令科学界大吃一惊。科研人员在地下3910米的极端条件下发现了大量微生物,这里高温、高压、缺氧、贫营养,早已超越了人们常识中的生存极限。科研人员在65摄氏度、压氧的人工环境中,将来自地下深处的微生物活体成功培养为一株兼性厌氧菌,从而发现了新的细菌家庭DNA基因。

工程科学价值

除了查明大陆地质的一些关键问题之外，中国第一口科学深钻对我国21世纪的社会发展也具有重要意义。如过去人们一直认为，金刚石生长在金伯利岩中，找金刚石要先找到金伯利岩。但是江苏地矿厅在东海县发现了两颗钻石，是生长在含柯石英榴辉岩原岩之中。由于没有发现金伯利岩，东海县发现金刚石的消息不敢公布，直到最近，科学家才认识到板块边缘的超高压变质带也是21世纪找金刚石矿产的新方向。除钻石外，东海县的水晶和金红石产量都居全国之首，在这里进行科学深钻可为搞清有关矿床的成因机制提供更多依据。 中国最大的一次地震发生于清朝康熙七年(1668年7月25日)，震中在山东莒县、郯城一带，震级为8.5级。震区延伸方向与郯庐断裂方向一致，几千里之外的九江地震烈度还达到6级。21世纪中国的可持续发展，不能不防患沿郯庐断裂带可能发生的地震。陆内

地震的可怕在于其震源很浅，深度多在8—12公里左右，从而破坏性较大。如果能钻到震源附近进行长期监测，必将提高地震预测的准确率。东海县位于郯庐断裂东面30公里。科学深钻完成之后，可以将探头放入地下5公里深处，观测地下的应力和热流，在中国东部以后的抗震减灾中发挥特有的作用。

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,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。

苏联科拉超深钻井(Kola Superdeep Borehole)是大规模超深洞钻探项目领域的“一个尤物” 世界上最深的探洞

大陆科学钻探在世界上已实施30年，已有l3个国家打了近100口深浅不一的科学钻孔，其中4000米以上的深孔有20口。

根据钻孔的深度，大陆科学钻探可以分为浅钻(深度小于2000米)，中深钻(深度2000—5000米)，深钻 (深度5000—8000米)和超深钻(深度大于8000米)四级。大陆科学深钻和超深钻是一项投资巨大的科学工程，体现了一个国家的实力与地学水平。

最早进行大陆科学钻探的国家是前苏联，最深的钻孔也是前苏联。其中 SG-3 钻孔的钻探时间最长，进尺12262米(1970年一1989年)。在二十世纪六十年代冷战期间，随着

美苏太空竞赛的逐步升温，另一场竞赛也在悄然展开：那就是向地心进军。他们的目标是钻入地壳与地幔之间的界面，即莫霍洛维奇不连续面，这个界面是理论上的但相当有争议的分界线，它介于坚固的地壳和充满岩浆的地幔之间。自美国人发起莫霍面钻探计划之后，俄国人也加入了这场钻入世界上最深洞的竞赛。1960-1962年太空竞赛期间，前苏联科学家们在经济利益和民族自豪感的激励下制定了一个‘俄罗斯莫霍钻探’计划，其目标是抢在美国钻探计划前到达莫霍面。最初的目标很快就包括了一个了解贵重矿石是如何形成的愿望，所以俄罗斯人把自己努力的希望放在了不毛之地Pachenga。在那里前苏联人钻到了有史以来世界上最深的地洞，俄罗斯人钻探了15年多，达到地壳40,226英尺的深度，这个记录至今无人打破。但无论多么成功，这项任务就是一次探险，我们仍然不清楚在这个地点从前苏联生了锈的科学机器中钻探出来的地质发现物是什么。加州斯坦福大学的地质学家、钻探专家马克-佐白科认为，科拉超深钻是“非常规的”，甚至在相当少见的超深钻工程中也是反常的。

钻这个超深洞的过程非常简单。要在地面上钻出洞来，只要将一套钻探工具安装在一钻杆底部就可以了。当它下到洞底，威力强大的发动机会将洞底敲死，这样洞就会不断加深。液体不断从洞里流进和流出，以冷却钻头，并维持凿洞的稳定。钻头磨坏后，工人就会另换一个。虽然钻洞的基本原理众所周知，但是钻一个超深洞是一项非常困难的工作。前苏联在钻到地表如此深的地方的过程中，遇到了一系列技术问题。其中最重要的问题是地壳深处的高温。负责科拉超深钻的工程师根据有限的资源总结出制冷方法，制出很多能在超过600华氏度的高温下继续工作的钻头。

前苏联的这项钻探工程从60年代初开始，直到苏联解体才宣告结束。当时的地缘政治环境在很大程度上给这项工作蒙上了一层神秘面纱。尽管前苏联地质部部长艾弗杰尼·柯兹洛夫斯基编写了现在已经绝版并很难找到的书《科拉超深钻井》，但是有关这个项目的数据从没传出国外。尽管想往更深里钻已经不可能了，但是科拉井直到现在也没有被封死，结构依旧保存完好。从这个洞中采出的岩石，即已知的岩芯，甚至仍保存在科拉学院中。用于钻探该井的设备仍在用来探测地震，并用于其他测量工作。

然而尽管该项目付出了巨大努力，并用了多年时间进行钻探，但当代美国和欧洲地质学家并不经常参考或利用科拉数据，他们更喜欢利用德国KTB深层岩芯项目产生的数据，认为这些数据更加规范。这种情况引出一个问题：为什么前苏联付出的所有努力最终对地球学没有产生太大的价值？斯坦福大学的地质学家佐白科表示，科拉的目标没有其他项目那么明确，导致这一结果的原因可能是该项目只是为了获得胜利，只想比其他国家钻得更深，并不是出于一个特殊科学目的。

德国于1987年至1994年间，在德国中部的 Windsctlesehenbach 镇进行了科学钻探，即举世闻名的KTB钻探项目，原设计孔深14000米，实际主孔的终孔孔深9101米，ICDP 计划即是在KTB钻探项目结束后由德国、美国和中国等国家发起成立的。

美国科学钻探是国家长期的研究项目。1960～1970年,美国实施了国际地幔计划(IUMP),47个国家参加,历时10年。1961年,美国开始实施莫霍计划(Mohole Project),在加利福尼亚湾外、墨西哥西海岸外施工,1966年因经费等原因而终止。1965年,美国4所大学组建了“地球深部取样海洋研究机构(JOIDES)”,由前苏联、英国、日本、联邦德国等参加,商定进行“深海钻探计划(DSDP)”,于1968～1983年实施,采用“格洛玛·挑战者”号钻探船航遍各大洋,完成了1112个钻孔,钻取了97万米洋底岩心,为古海洋学的研究作出了重大贡献。

前苏联科拉半岛超深钻井钻至9000米附近发现了富含金的岩石;德国KTB井中发现8000米以下存在大量的含矿热卤水,存在着很强的现代地质作用;格陵兰冰心钻探取样竟意外发现了20万~25万年以前气候变化的信息,包括公元79年意大利火山爆发造成的酸雨痕迹,1815年印度尼西亚坦博拉火山爆发的火山灰,1952年美国第一次氢弹爆炸试验遗留下来的放射性离子尘,1986年前苏联切尔诺贝利核电站泄漏事故飘散的放射性离子尘。乌克兰大陆科学钻探在前寒武纪结晶岩中意外地发现了5个大型储油层。近年超深钻对于揭示古老地壳深部岩石变形机制提供了条件。

钻超深洞的钻头

综合性科学工程

科学钻探工程不仅仅是打一口钻井。由于在坚硬的结晶岩中钻进的成本昂贵和深度有限，要了解地球的内部状态还必须配合以地球物理遥测系统。因此，深部钻探同地球物理遥测结合起来的柑互反馈系统，便构成了伸入地球内部的大科学设施与望远镜，这便是大陆科学钻探的全面含义。这里指的深部地球物理遥测，主要是指三维深反射地震。由于可以补充取心钻探的技术缺陷，地球物理测井也是大陆科学钻探不可缺少的组成部分。

为了有效地利用从深钻中获取的岩心数据、测井和地球物理成像数据，必须建立联合数据库系统，通过因特网与全世界的科学家共享。因此，大陆科学钻探的反馈系统必须包括钻探、测井、现场实验室、地球物理遥测与数据管理网络五个部分。

科拉钻井

与人类社会生存发展休戚相关

大陆科学钻探首先要研究的是人类社会生存与发展共同关心的问题。如在特大型陨石冲击坑底部打钻取心，了解大陨石撞击与地表环境变化和生物种属灭绝的关系；在全球较深的湖泊中连续钻取沉积物，以便了解1亿年以来全球气候的变化；在碰撞造山带的核心部位钻取来自地幔深处的岩石，了解地幔的组成、结构以及碰撞造山的动力学过程；在地震和火山的源区钻探取样，了解地震发生的机制与火山系统的热结构，以逐步减轻地震与火山爆发给人类造成的损失等。

凡是只有通过钻探才能解决上述科学目标的最有利地点，被称为世界级科学钻探场地。如墨西哥世界上最大的陨石坑，以及世界上规模最大的超高压变质带(中国大别山—苏鲁地区)，都是世界级大陆科学钻探场地。

自1970年代苏联开展大陆科学钻探以来，已有16个国家开展了这项科学工程，取得的成果超出了地球科学家的预想。1960年代，当时科学界猜测地壳分为两层，上层地壳较轻，含硅和铝比较多，称为硅铝层；下层地壳较重，含镁多，称为硅镁层；中间有一个化学界面隔开上下地壳，称为康拉德界面。但是在进行科拉超深钻以后，发现在科拉半岛的康拉德界面根本不存在，所以上述两层地壳的模型最多只能用于局部地区，而不是全球普遍适用的，这就将人类对地壳组成和结构的认识大大推进了一步。

另外，大多数的石油地质学家都认为，石油与天然气是由于沉积岩层中生物有机质积累生成的。但是，1980年代在乌克兰第聂伯尔一顿涅茨盆地进行科学钻探时，在3100—4000米之间的结晶岩中发现了5套生油岩和储油层，所处地层为前寒武纪的花岗质岩石及角闪岩、片岩。在发现的油层中含有大量熔融分离的微量金属及大量的He，Ni／V(单位体积中镍的含量)比值高，说明油层来自深源，而不是湖海相有机沉积的产物。乌克兰科学深钻的这一发现使石油地质学家们耳目一新，既然在地幔中能含有大量的烃类和流体，便能对石油天然气的生成和聚集起到重要的作用，有可能成为21世纪人类社会能源需求的重要来源之一。

地球表面坚硬的结晶岩石阻隔了人类的视线，又有谁能想像到几千米的地下岩石中还存在大量的流体与生物呢?大陆科学钻探打开了人类的视野，使人们确信水和生物在地球内部的存在。在科拉超深钻中，富含镍锌和金银的矿液从4500米深处向下流动，在10000米深处富集成为矿层。许多岩心展示出结晶岩石在10000米深处高温高压下出现大量的裂隙并富含流体。此外，许多科学深钻都发现地下深处存在大量耐温厌氧的细菌。从地表向下温度越来越高，过去人们通常认为当地温升高到100℃，此地下深处便不可能有生命的存在。但是在瑞典进行的科学钻探发现，生物圈的深度能达到地下4200米深，而温度约为11O℃。这些耐高温和厌氧的生命有可能起源于行星形成的初期，即大气圈与水圈尚未发育完全之时。

从以上几个例子可以看到大陆科学钻探在拓宽人类的眼界与思维方面具有的魅力，这种魅力体现在打开了一扇从来未被触及的大门，改变了人类对地球内部组成和结构的认识。因此，大陆科学深钻与超深钻一直牵动着全世界地球科学家的神经，成为他们共同关注的焦点，因为大陆科学钻探的每一次重大发现都是向传统地学理论的挑战，也是对新地球学说的召唤。

工程大事记

1988年，我国科学家就开始建议制定中国大陆科学钻探计划。

1991年，原地矿部开始组织进行“中国大陆科学钻探先行研究和选址研究”。

1992年，地质科学钻井工程列入“国家中长期科学技术发展纲要”。

1994年2月，中国科学院地学部组织专家开展地球科学“入地”发展战略研究。 1995年11月，国务院领导批准中国加入“国际大陆科学钻探计划（ICDP）”。

1996年2月中国正式成为ICDP三个发起国之一，另外两个发起国分别为德国和美国。

1996年7月，ICDP科学顾问委员会审议了“大别－苏鲁超高压变质带开展大陆科学深钻初步建议书”，并给予高度评价。

1997年5月国家计委组织两院院士审议通过了原地矿部提交的“中国大陆科学深钻工程立项报告”。

1997年6月，国家科技领导小组批准“中国大陆科学钻探工程”列入“九五”国家重大科学工程项目。

1997年11月，中国大陆科学钻探工程第一口预先导孔（CCSD－PP1，430m）钻探完成。1998年4月，国际大陆钻探计划组织（ICDP）审议通过了“中国大别－苏鲁超高压变质带大陆科学钻探”项目正式建议书，并予以150万美元经济资助。

1998年12月，中国大陆科学钻探工程第二口预先导孔（CCSD－PP2，1000m）开始钻探。 1999年9月底, 经历近十年的努力，在建国五十周年大庆前夕国家计委正式批准了中国大陆科学钻探工程项目立项建议书，这标志着该工程项目正式开始实施。

2001年6月25日，中国大陆科学钻探工程先导孔开始试钻，现场仪器设备以及其它生产、生活设施基本到位。6月底至7月初，ICDP组织专家到东海现场进行培训。7月初，用于扫描录入岩心的DIS软件调试成功，用于岩石物性、流体化学测试的各种设备安装运行顺利，试钻一切正常，正式开工仪式前的准备工作就序。

2005年3月钻探工程结束，科学家在江苏东海成功完成深入地下5158米的“科钻一井”。

水晶石是江苏连云港市东海县的特产