向地球深部進軍

高楠 孟含琪

繼“神舟”上天、“蛟龍”下海之后，中國科學(xué)家在地球深部的探索又迎來歷史性突破。

6月2日，吉林大學(xué)主要承擔(dān)研發(fā)的“地殼一號”萬米鉆機正式宣布完成“首秀”：完鉆井深7018米，創(chuàng)造了亞洲國家大陸科學(xué)鉆井新紀錄，標志著我國成為繼俄羅斯和德國之后，世界上第三個擁有實施萬米大陸鉆探計劃專用裝備和相關(guān)技術(shù)的國家。

7018米深的松科二井，屬于我國實施的松遼盆地白堊系國際大陸科學(xué)鉆探工程，是國際大陸科學(xué)鉆探計劃（ICDP）實施22年以來最深鉆井，也是全球首個鉆穿白堊紀陸相地層的科學(xué)鉆探井。

這是中國入地工程的一項標志性成就，將為我國地球深部探測提供關(guān)鍵技術(shù)和裝備，拓展松遼盆地深部頁巖氣、地?zé)崮艿惹鍧嵞茉纯辈殚_發(fā)的新空間，引領(lǐng)全球白堊紀陸相古氣候研究，顯著提升我國在地質(zhì)歷史古氣候研究領(lǐng)域的國際影響力。

十年磨一鉆

科學(xué)鉆探是獲取地球深部物質(zhì)、了解地球內(nèi)部信息最直接、有效、可靠的方法，是地球科學(xué)發(fā)展不可缺少的重要支撐，也是解決人類社會發(fā)展面臨的資源、能源、環(huán)境等重大問題不可缺少的重要技術(shù)手段。

20世紀70年代以來，很多發(fā)達國家陸續(xù)實施了多項科學(xué)鉆探計劃。具有代表性的有蘇聯(lián)科拉半島12262米超深鉆，是目前世界上最深井;德國KTB超深鉆，9101米，排名第二。

1996年2月。德國、美國和中國作為第一批成員，發(fā)起了國際大陸科學(xué)鉆探計劃。目前，我國已成功申請到“大別一蘇魯”大陸超深鉆、中國環(huán)境科學(xué)鉆探青海湖工程、科鉆一井和二井工程等多項ICDP項目，在大陸科學(xué)鉆深領(lǐng)域取得令人矚目的成績。

工欲善其事，必先利其器。此前，我國地球物理的儀器主要依賴進口，但國外高精度的儀器對我國是封鎖的。

“如果說我們是‘小米加步槍的部隊，人家就是有導(dǎo)彈的部隊。”我國著名戰(zhàn)略科學(xué)家、國家“千人計劃”特聘專家、吉林大學(xué)交叉學(xué)部學(xué)部長黃大年教授生前接受采訪時說。他深知，這是國家發(fā)展無法回避與繞開的話題，必須突破發(fā)達國家的裝備與技術(shù)封鎖。

參與“深部探測技術(shù)與實驗研究專項”是黃大年回國后的第一項重要任務(wù)——擔(dān)任專項第9項目“深部探測關(guān)鍵儀器裝備研制與實驗項目”負責(zé)人。

該項目第五課題——“深部大陸科學(xué)鉆探裝備研制”，由吉林大學(xué)作為主要承擔(dān)單位進行研發(fā)，以滿足我國地球深部探測任務(wù)中對超深鉆探用高端裝備的需求。

經(jīng)過四年多的技術(shù)攻關(guān)，2013年吉林大學(xué)成功研發(fā)了我國首臺萬米大陸科學(xué)鉆探專用裝備“地殼一號”萬米鉆機，填補了我國在深部大陸科學(xué)鉆探裝備領(lǐng)域空白，大大提高了我國超深井科學(xué)鉆探裝備的技術(shù)水平。

突破高溫、“取心”等技術(shù)難題

在我國東北部，松遼盆地靜臥在大小興安嶺和長白山脈的懷抱中。2006年8月18目，在松遼盆地北部中央坳陷區(qū)開鉆的中國白堊紀大陸科學(xué)鉆探工程（松科一井）分兩孔進行。2007年10月20日，松科一井順利完鉆，總?cè)⌒倪M尺為2577米，心長共計2485米，為白堊紀地球表層系統(tǒng)重大地質(zhì)事件與溫室氣候變化的后續(xù)研究奠定了堅實基礎(chǔ)。

松科二井于2014年開鉆，目標是打穿松遼盆地白堊系，探索松遼盆地深部能源潛力，建立松遼盆地深部地層結(jié)構(gòu)，尋求白堊紀氣候變化地質(zhì)證據(jù)，研發(fā)深部探測技術(shù)。

“地殼一號”萬米鉆機成為完成松科二井項目的不二選擇。“‘地殼一號經(jīng)受住了考驗，鉆機無故障率達97.5%，最高日進尺286米，充分體現(xiàn)出我國自主研發(fā)鉆機的能力。”松科二井工程總裝備師、“地殼一號”萬米鉆機研發(fā)負責(zé)人、吉林大學(xué)副校長孫友宏說，“地殼一號”突破了四項關(guān)鍵技術(shù)，一些技術(shù)甚至達到國際領(lǐng)先水平。使得我國鉆探裝備研發(fā)水平成功躋身國際第一梯隊。

如何保障鉆頭在持續(xù)超高溫下不“中暑罷工”。是科學(xué)家們面臨的重要問題。松科二井工程總指揮、中國地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)研究所所長張金昌介紹，鉆井越深，溫度越高，鉆井液的技術(shù)難度越大。松科二井每往下鉆進100米，地下溫度會升高3至4℃，鉆到孔底的時候溫度已超過240℃。通過反復(fù)研究和實驗，團隊研發(fā)出新型鉆井液配方，經(jīng)受住了井底高溫的考驗，刷新了我國鉆井液應(yīng)用的最高溫度紀錄。

“鉆地”成功后科學(xué)家們又面臨“取心”的挑戰(zhàn)。在一個極不均勻和復(fù)雜的球體上“動刀”，在保證鉆的井眼不能坍塌和崩裂的同時，還要完整無缺地取出深部巖心，難度極大。

松科二井采用國內(nèi)首創(chuàng)的大直徑同徑取心鉆探工具，使用鉆探工具直接鉆進一個大井眼，并一次性鉆進至設(shè)計井眼直徑，攻克了大直徑取心鉆頭破碎巖石和粗大巖心抓取、攜帶出井等關(guān)鍵技術(shù)難關(guān)。

如此一來，既省去了傳統(tǒng)的“小徑取心，大徑擴孔”過程中的諸多工序，避免了“從小井眼到大井眼”鉆進過程中的很多風(fēng)險，也節(jié)約了大量物資，同時，獲取的巖心樣品實物量也比設(shè)計量多了5倍。

開啟中國“地學(xué)”新起點

在5月21日進行的松科二井成果鑒定會上，李廷棟、康玉柱、武強、侯增謙、楊經(jīng)綏等院士及有關(guān)專家一致認為，該成果實現(xiàn)了理論、技術(shù)、工程、裝備的重大突破，對拓展我國深部能源勘查開發(fā)新空間、引領(lǐng)白堊紀古氣候研究和服務(wù)“百年大慶”建設(shè)具有重要意義。成果總體達到國際先進水平，在深部鉆探技術(shù)和白堊紀陸相古氣候研究方面達到國際領(lǐng)先水平。

目前松科二井巖心已經(jīng)全部采集完畢，這將會在研究白堊紀古氣候演變以及未來人類生存環(huán)境演化方面發(fā)揮關(guān)鍵作用。“之所以研究白堊紀，因為這一時期是離我們最近的溫室氣候時期，也是高二氧化碳、高海平面和高溫的‘三高時期。搞清楚白堊紀，對于研究未來地球演化——可能會進入這種‘三高時期具有重要借鑒意義。”松科二井首席科學(xué)家、中國科學(xué)院院士王成善說。

2018年6月1日，夜幕下的“地殼一號”萬米鉆機整機系統(tǒng)

王成善形容：“松科二井向整個地球科學(xué)界提供了一個大舞臺——首次重建了白堊紀陸相百萬年至十萬年尺度氣候演化歷史，發(fā)現(xiàn)了各個時間尺度陸相氣候變化的主要控制因素，為研究地球氣候系統(tǒng)在溫室氣候條件下演變機制找到新證據(jù)。”

通俗說，通過松科二井這一“時間隧道”，中國地質(zhì)科學(xué)家基本還原了白堊紀的場景。

此外，7018米的松科二井還揭示了松遼盆地形成的原因、過程和結(jié)果，為支撐大慶油田未來50年發(fā)展，保證我國能源安全提供了重要的數(shù)據(jù)支撐。

下一步，中國科學(xué)家將繼續(xù)研發(fā)15000米國產(chǎn)超深鉆探裝備系列，做好我國超萬米大陸科學(xué)鉆探工程以及大型含油氣盆地科學(xué)鉆探工程的選址和實施工作。

人類的征途不僅僅是星辰和大海，還有探索通向地球深處的隧道，更加貼近地聆聽地球母親的“心跳”。