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入地万米 解读地球“心理活动”
添加时间:2012-1-5  作者:宗申学  来源:科技日报  点击:1487  
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  挺进地心 我国首台万米科学钻探钻机将亮相大庆

  高达60米、重达1000吨、占地约1万平方米的我国首台万米科学钻探钻机,计划今年初将运抵大庆油田。中国科学家将联合国际大陆科学钻探计划(ICDP)在此实施松辽盆地科学钻探2井(简称松科2井)工程,计划钻进6600米,与已经完成的“松科1井”一起,构成全球首个近乎完整的白垩系陆相沉积记录,以期获得白垩纪时期亚洲东部高分辨率气候环境变化记录,进而为预测未来全球时间尺度气候变化趋势提供科学依据。

  国家深部探测技术与实验研究专项首席科学家董树文表示,深部大陆科学钻探装备研制成功,实现了全套设备的国产化,是我国深部探测计划自主能力建设的重要突破,为后续国家地壳探测工程的全面实施、探求地球深部奥秘提供了高技术手段。

  深部探测 “资源能源缺口是立项的第一出发点”

  我国还蕴藏着多少石油和天然气?还有多少矿产资源未被发现?青藏高原的扩展对四川产生了什么影响?“深部探测”是回答这些关乎国计民生重要问题的关键词。

  随着资源能源缺口日益凸显、地质灾害频发,亟须地球科学研究跟进。2008年,我国地球“深部探测专项”启动,计划实施时间为2008年至2012年,耗时5年,耗资11亿元。

  “资源能源缺口是立项的第一出发点。”谈到立项原因,“深部探测专项”负责人董树文说。这个专项包含大陆科学钻探选址与钻探实验、深地震反射剖面探测、大地电磁探测、地壳全元素探测等9个实验项目,集合了12位院士、200多名研究员以及上千名科研人员,希望深层次摸清中国人脚下的每一寸土地:从中国地形三个台阶形成的原因,到地震灾害发生的原因,一直到油气蕴藏、矿产分布。

  在矿产勘探方面,“深部探测专项”还在长江中下游成矿带首次实现了大型矿集区三维透明化,使矿集区地下3000米甚至5000米变得“透明”。

  以外,被称为地球“CT”的深地震反射剖面探测项目,在野外采集了2160公里的深地震反射剖面,相当于我国之前60年累计完成的深地震反射剖面总长度(约4500公里)的48%,由此绘制的地下全貌图将增强我国预测预报地震等地质灾害的能力,为防灾减灾提供数据和理论支撑。

  在深部探测计划的基础上,科学家正在筹划详细揭示中国地壳结构的“地壳探测工程”,为保障资源供应、防灾减灾和发展地球科学提供全面的深部数据和信息。


  科学钻探 “望远镜”“采样机”让地壳变透明

  科学钻探是获取地球深部物质和了解地球内部信息最直接、最有效和最可靠的方法,是地球科学发展不可缺少的重要支撑,也是解决人类社会发展面临的资源、能源、环境等重大问题不可缺少的重要技术手段,被誉为人类的“入地望远镜”和地球内部物质的“采样器”。

  中国汶川地震科学钻探总工程师张伟接受采访时表示,实施深部大陆科学钻探对钻机装备的要求更高。目前,国内深部石油钻机由于其转速低,钻进工艺简单,取心钻探效率低,钻探成本高,不适合深部大陆科学钻探连续取心钻进施工的要求。

  去年底研制成功的我国首台万米科学钻探钻机在深部钻探全液压钻机整机设计理论、装备制造及配套钻具研制、数字化设计、智能化与自动化钻进装备等领域,实现了重大突破。

  此前中国的科学钻探纪录是5158米,世界上科学钻探超过8000米的超深孔科学钻探只有前苏联的12000米科拉超深孔和德国的KTB孔。

  全球行动 13个国家已建设100多座科学钻井

  2003年,美国启动了新的深部探测计划——地球透镜计划。经过美国国会批准,这个为期15年的探测项目将投入200亿美元。值得注意的是,它的三个主要发起单位除了美国国家科学基金会、美国地质调查局,还有美国国家航空航天局。

  “地球透镜计划”用更为广泛和精密的仪器获得更为深度和精确的地壳数据,探究美国是如何形成的、美国正在如何运动、美国的地下到底拥有什么等一系列问题。最终的成果,都将用详细的图像表达出来。

  欧洲国家在上世纪80年代至2002年完成了一项联合深部探测计划。几乎在同时,英国、德国、意大利、瑞士等也都实施了自己单独的深部探测工程。

  到2005年,俄罗斯在重要的欧洲部分和盛产能源的西西伯利亚地区,实施了十多处超级钻项目。它们虽然没有“科拉超级钻”那样令人震惊,却使得俄罗斯人在资源勘测方面获得了巨大成就。目前,它已经是全球最大的资源蕴藏地和出口国。

  日本则在2007年派出自己的海洋钻探船,希望从2500米的海底开始,再深入7000米。

  在北美,另一个大国加拿大自上世纪80年代就启动了“岩石圈计划”。矿产企业是这个计划的重要投入者。

  类似的模式在澳大利亚得到了复制。政府背景的科研机构与企业进行合作,先实施了“四维地球动力学探测计划”,此后又启动了“玻璃地球计划”“澳洲大陆结构与变化探索计划”。

  通过加强地球动力学这样常人无法了解的领域研究,澳大利亚的矿产企业具备了全球领先的勘探技术,这也是澳大利亚矿业长盛不衰的主要原因之一。总之,深部探测使加拿大和澳大利亚在最近20年来始终保持着世界资源勘探大国的地位。

  即使墨西哥也在实施科学钻项目,从而了解数千万年前落在这个国家的陨石,是如何导致全球生物大灭绝的。

  1992年,在经合组织的大科学论坛上,为了分享成果、减少风险和成本,进一步用科学钻来认识地球内部,各国决定联合实施类似项目。1996年,由德国、美国和中国发起成立了“国际大陆科学钻探计划”。

  虽然目前已经有13个国家建设了100多座科学钻井,其中有超过20个超过4000米。但与冷战时期相比,今天的深部勘测已经不满足于“更深”的目标,而是期望通过更为广泛、系统性的观测和勘察,获得权威的样本和结论。


  地球印象 探索止步于地下1万米

  今天,探测器可以遨游太阳系外层空间,但对人类脚下的地球内部却鞭长莫及。目前世界上最深的钻孔也不过12千米,连地壳都没有穿透。科学家只能通过研究地震波、地磁波和火山爆发来提示地球内部的秘密。

  地壳是地球的表面层,也是人类生存和从事各种生产活动的场所。地壳实际上是由多组断裂的,很多大小不等的块体组成的,它的外部呈现出高低起伏的形态,因而地壳的厚度并不均匀:大陆下的地壳平均厚度约35公里,我国青藏高原的地壳厚度达65公里以上;海洋下的地壳厚度仅约5到10公里;整个地壳的平均厚度约15公里,这与地球平均半径6371公里相比,仅是薄薄的一层。

  地壳上层为花岗岩层,主要由硅—铝氧化物构成;下层为玄武岩层,主要由硅—镁氧化物构成。理论上认为过地壳内的温度和压力随深度增加,每深入100米温度升高1℃。近年的钻探结果表明,在深达3公里以上时,每深入100米温度升高2.5℃,到11公里深处温度已达200℃。

  目前所知地壳岩石的年龄绝大多数小于20多亿年,即使是最古老的石头丹麦格陵兰的岩石也只有39亿年;而天文学家考证地球大约已有46亿年的历史,这说明地球壳层的岩石并非地球的原始壳层,是以后由地球内部的物质通过火山活动和造山活动构成的。

  地壳下面是地球的中间层,叫做“地幔”,厚度约2865公里,主要由致密的造岩物质构成,这是地球内部体积最大、质量最大的一层。地幔又可分成上地幔和下地幔两层。一般认为上地幔顶部存在一个软流层,推测是由于放射元素大量集中,蜕变放热,将岩石熔融后造成的,可能是岩浆的发源地。下地幔温度、压力和密度均增大,物质呈可塑性固态。

  地幔下面是地核,地核的平均厚度约3400公里。地核还可分为外地核、过渡层和内地核三层,外地核厚度约2080公里,物质大致成液态,可流动;过渡层的厚度约140公里;内地核是一个半径为1250公里的球心,物质大概是固态的,主要由铁、镍等金属元素构成。地核的温度和压力都很高,估计温度在5000℃以上,压力达1.32亿千帕以上,密度为每立方厘米13克。

  美国一些科学家用实验方法推算出地幔与核交界处的温度为3500℃以上,外核与内核交界处温度为6300℃,核心温度约6600℃。

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