深井鉆探 揭開地球深處的秘密

馬志飛

我們常仰望星空，夢想飛越天際，也常眺望大海，期待遨游深淵，卻總是忽視腳下的土地。在當今“上天、入地、下海、登極”四大科研領域，航空航天、深海探測與極地科考發展迅速，對地下的研究卻始終困難重重。

為何會有人說“上天容易入地難”？向地球深部進軍，究竟面臨哪些難以逾越的障礙？我們目前已經取得了哪些突破呢？

向下，再向下

從古至今，人類從未停止探索大自然的腳步。對于多數時間只生活在地球表層的人類而言，所接觸到的事物大都只存在于地表，因此，人類對地球內部究竟是什么樣充滿了好奇，也一直致力于探索地球內部的世界。所以，才會有“上窮碧落下黃泉”之說。

井，或許是人類對地下世界的最初探索方式。

井是我們生活中常見的一種工程設施。早在遠古時期，為了獲取相對更安全的飲用水，人類鑿地開挖垂直向下的深穴，于是就有了水井。后來，為了采鹽，人們又開鑿了鹽井，為了采礦而開鑿了礦井。人類對地下深層的探索欲望永無止境，鉆的井也越來越深，從最初的幾米、幾十米一直到上千米。這一口口井就像一根根打入地下的“巖石探針”，幫助人們探尋地球深處的秘密。

我國四川省自貢市的鹽井可謂古代深井鉆探的典范。當地人用竹篾繩將若干杉木捆扎起來做成支架，豎立在鹽井的井口，人稱天車。據統計，自貢的鹽井天車曾經數以萬計，這些鱗次櫛比的天車成為自貢鹽場的一道奇觀。在清朝咸豐、同治年間，自貢的天車數量達到鼎盛時期，當地年產食鹽近30萬噸，可供全國1/10的人口食用，自貢因此獲得“鹽都”之名。迄今，自貢還保留著一座名為“燊海井”的著名鹽井。這口鹽井始建于清道光十五年（1835年），井位海拔341.4米，井深1001.42米，是世界上第一口深度超過千米的深井。當時，開鑿鹽井采用的是北宋慶歷年間的工匠們發明的沖擊式（頓鉆）鑿井法，即利用鉆頭自由下落的沖擊力，擊碎巖石，并使鹽井不斷加深。該工藝開創了人類機械鉆井技術的先河，在傳到西方后，被廣泛應用于礦產勘探活動中。

伴隨科技的發展，人類創造的鉆探深度紀錄一次次被打破。1974年，美國一家天然氣公司在奧克拉荷馬州沃希托縣鉆成的伯沙羅杰斯鉆井，深達9583米，創造了當時的世界紀錄。該紀錄直到1979年才被蘇聯的科拉超深鉆孔超越。1970年，在位于北極圈深處的科拉半島上，蘇聯人開啟了雄心勃勃的深鉆計劃，在1989年達到其最大井深—12262米，創造了新的世界紀錄。盡管如此，該深度還不足地球半徑的1/500，如果把地球比作一個雞蛋的話，它連雞蛋皮都沒鉆破呢。

地下有什么

地下1米是地鼠居住的最大深度；地下2米是普通人墓地的深度；地下18米，一般是能防核武器的防空洞的深度；地下21米是巴黎人墓地的深度……繼續向下挖，還會出現什么呢？

地下60米有世界上最深的游泳池。有條件的小伙伴可以去迪拜感受一下這個極具賽博朋克風的超酷地下游泳池。

地下85米是8世紀在土耳其發現的一座古老的地下多層城市的深度。

地下100米是人類掩埋放射性物質的深度。

地下155米有世界上最深的薩拉銀礦酒店。雖然沿途風景優美，想要如廁卻是個大問題，可以說是花錢找罪受。

地下392米有英國人挖的一口純人工水井，它也是世界上最深的水井。

地下688米有智利人修建的圣何塞銅礦。

在地下1410米，居然有芬蘭人打造的地下演唱會，據說，還創造了吉尼斯世界紀錄。

地下2438米有世界上最深的人造隧道—圣哥達機械隧道。穿梭在這樣的隧道中，會不會令人有一種穿越時空的夢幻感？

地下3900米處有世界上最深的礦井。在幾千米深的海洋中，生活著很多生物，但在地下幾千米深處想找到活物，則相當困難。當科學家在3900米深的地下發現一種線蟲時，感到十分驚訝。這個深度也是人類能抵達的最大深度，再往下，就只有開采資源的鉆井了。

在地下9000米深的地方，會開采到大量的黃金。如果你有這個能力的話，下一個世界首富就是你。

為何要“挖呀挖呀挖”

從中國古人認為“天圓地方”，到航海家麥哲倫環球航行證明地球是球體，從古希臘科學家埃拉托色尼測量了地球周長，到莫霍洛維奇發現了地幔和地殼的分界層、古登堡發現了地核與地幔的分界層，每一次的科學進步都讓我們對腳下的地球有了更加科學與深入的認識；然而，對于人類來說，直至今天，地下深處依舊顯得遙不可及，充滿了諸多謎團。簡而言之，至少還有以下三大問題懸而未決。

地球內部結構究竟如何？醫生給病人看病講究“望、聞、問、切”，地質工作者研究地球也采取類似的方法，總結起來就是調查、探測、鉆探、取樣。其中，鉆探和取樣是通過打鉆孔，取出巖心，然后進行研究；但目前的鉆探深度遠未達到理想要求。如今，人們對地球深部的認知主要來自對地震波的研究，且依然停留在推測和假說階段，在很多具體研究領域仍然存在較多爭議，例如，地殼、地幔、外核和內核之間的確切界限以及它們的溫度、壓力和組成成分等問題尚未完全解決。

深部礦產資源在哪里？目前，地球上對人類有開發利用價值的礦產資源，包括金、銀、銅、鐵、錫以及煤炭、石油、天然氣等，基本都集中在地表以下幾千米內的地殼中。隨著地球深部不斷有新的礦藏被發現，人們意識到還有更多的資源隱藏在地球深部。就我國而言，一方面，目前尚未全部完成對各地的詳細地質調查，有些地方還是找礦的“處女地”；另一方面，在地球深部資源探測方面，目前處于世界先進水平的勘探開采深度已達2500～4000米，而我國的勘探開采深度大多小于500米。因此，無論從勘探范圍還是從勘探深度講，都有大量工作可做。

如何抵御深部災害？地震是地球上最嚴重的地質災害，每一次地震都是板塊間能量的釋放，但對于在什么時間、什么地點、釋放多大的能量，即地震預報的三要素—何時、何地、何種震級，科學家們目前仍然難以做出準確預測。關于地震的具體觸發過程以及與之相關的地質、物理和化學過程，也未能完全破解。地質學家研究發現，地震并非均勻分布在地球上，而是集中于板塊的邊界地帶，這里是地殼比較活躍的地帶，火山、地震活動以及斷裂、擠壓褶皺、巖漿上升、地殼俯沖等頻繁發生。出人意料的是，2011年3月11日，日本東海岸發生的9.0級大地震竟然出現在地震學家圈定的可能爆發大地震的危險區之外。這不得不讓科學家們重新審視現有的地震研究理論，并重新認識我們腳下的地球。

地球表面的地質環境變化、地質成礦作用和災害孕育過程，其主要控制因素都來自深部物質與能量交換的地球動力學過程。無論是基于對基礎地質科學的研究，還是考慮到對資源開發和災害防治的需求，向地球深部進軍都具有現實的必要性和緊迫性。

日本“3·11”大地震的啟示

2011年3月11日14時46分（東京時間），日本宮城縣牡鹿半島東南偏東130千米發生里氏9.0級大地震，深度約為24千米。這是日本有地震記錄以來規模最大的一次地震，也是人類歷史上有地震記錄以來的第四大地震，僅次于1960年智利大地震、1964年美國阿拉斯加大地震和2004年印度尼西亞大地震。

關于“3·11”大地震的成因，目前的觀點認為，這是發生在太平洋板塊俯沖帶上的海溝型地震。早在“3·11”大地震發生的一個月前，日本海溝附近板塊邊界就已經出現了劇烈活動，在“3·11”大地震發生的前兩天，三陸海域發生了里氏7.3級的地震。遺憾的是，大家都認為這些地震是孤立發生的，并沒有把它們視為另一場更大規模地震的前兆。

在“3·11”大地震之前，人們普遍認為，俯沖帶可能只在地下8～40千米深范圍內產生大地震；當深度達到40千米時，地球內部的高溫足以將巖石熔化變形，導致巖石具有可塑性；當深度在8千米時，那里的巖石主要由海底沉積物組成，含水量較多。鑒于以上兩種情況，斷層表面一直滑動，反而不容易產生大地震。不過，發生東日本大地震的地區并沒有遵循上述規律。因此，對于地震學家來說，日本“3·11”大地震是一次震撼人心的警告。有學者痛心疾首地說：“相對地球漫長的行為來說，我們對地球物理學的記錄僅僅是一孔之見；我們最先進的地質模型只是自然的卡通化、簡單化的寫照；100年來最先進的地震學理論可能在100秒內被摧毀。”

地球科學的最后前沿

1968年8月，美國國家科學基金會等機構資助實施了深海鉆探計劃。到1983年11月計劃結束時，“格羅瑪·挑戰者號”鉆探船共完成了96個航次，在太平洋、大西洋和印度洋624個站位上鉆井1092口，累計在海底之下鉆進320千米，海底鉆井最深為1741米，共獲取巖心97056米。這次鉆探工作不僅驗證了海底擴張和板塊構造學說，而且發展了大洋地層學理論，促進了古海洋學新學科的建立，在海洋地質科學史上留下了濃墨重彩的一頁。此后，由德國牽頭，在國際地學界的支持下，28個國家的250位專家出席并討論了國際大陸科學鉆探計劃。1996年2月26日，中國、德國、美國作為發起國，正式啟動國際大陸科學鉆探計劃。目前，該計劃已經擁有24個成員國，另有8個非正式成員國積極參與了立項和項目實施工作。國際大陸科學鉆探計劃是一個投資巨大、需要一系列高新技術支撐的全球性大科學項目，成立至今，由國際大陸科學鉆探計劃參與完成的科學鉆探項目已經超過30個，取得了一大批重要成果。

在深地科研方面，我國積極響應，啟動了中國大陸科學鉆探計劃。首先，在江蘇省連云港市東海縣打下了中國第一口大陸科學深鉆井，該鉆井號稱“亞洲第一井”，從2001年6月25日開鉆，到2005年3月8日結束鉆探，共鉆進5158米，取心鉆進1074個回次，巖心采取率85.7%，其中獲取的最長巖心為4.67米。隨后，我國在這口鉆井的基礎上建立了深井地殼運動長期觀測站，在主孔的544米、1559米、2545米和4190米四個深度分別安放了兩套高精度數字地震儀和一套地溫觀測儀，又在其他深度位置安裝了深井多分量地應力觀測儀器、地磁儀、水壓儀等地球物理監測儀器，對地應力、磁力、孔隙壓力、溫度及水位進行實時綜合觀測。

此后，我國又開展了青海湖環境科學鉆探、松遼盆地白堊紀科學鉆探、柴達木鹽湖環境資源科學鉆探、中國大陸科學鉆探資源集成計劃等，共鉆進約3.5萬米。2007年10月，中國白堊紀大陸科學鉆探工程—松科1井的鉆探工作在我國松遼盆地北部完成，獲取巖心總長2485.89米，創造了目前為止國際上第一條最長而且連續的白堊紀陸相沉積紀錄。松遼盆地是世界上最大的典型陸相沉積盆地之一，保存著白堊紀最完整、最連續的陸相地層，這里也是我國最主要的含油氣盆地，在該區域實施科學鉆探的主要目的，就是探索深部能源資源和探究距今0.65億～1.45億年的地球氣候變化。2014年4月，松科2井正式開鉆，設計深度為6400米，至2018年5月26日順利完成，該鉆井的實際鉆探深度為7018米，刷新了我國大陸科學鉆探的紀錄，成為當時我國最深的科學鉆井，也是全球第一口鉆穿白堊紀陸相地層的大陸科學鉆探井，標志著我國在向地球深部進軍的道路上又邁出了堅實的一步。

“打洞”會誘發地質災害嗎

深井鉆探可能會對地層結構產生一定的影響，但通常不會顯著改變整體的地層結構或誘發嚴重的地質活動。其原因在于，地層結構是由長期的地質作用形成的，具有相對的穩定性，而鉆探本身是一個局部性的活動，其影響范圍有限，在鉆探過程中，鉆頭會穿過不同的巖層，對巖層產生的擾動通常僅限于鉆頭周圍的較小區域。盡管如此，深井鉆探仍要想方設法避免在某些特殊情況下加劇地質活動。因此，在進行深井鉆探時，需要制定合理的鉆探方案和安全措施，以確保鉆探活動的安全性和可控性。

為保障國家能源安全，我國在油氣勘探開發領域實施的“深地工程”近年來也取得了一系列新突破。在油氣資源豐富的四川盆地已經完成8口8000米以上超深井、2口9000米以上特深井的鉆探工作。2023年2月13日完成鉆探任務的蓬深6井（位于四川省綿陽市鹽亭縣境內）最深達到9026米，刷新亞洲最深直井紀錄。在新疆塔里木盆地，深度超過8000米的油氣井已經有160口。2023年5月30日，位于新疆塔克拉瑪干沙漠腹地的深地塔科1井開鉆，該井設計井深11100米。盡管深井鉆探面臨著高溫、高壓等重重困難，舉步維艱，每鉆進1米都充滿了風險，但技術人員憑借精湛的專業能力和驚人的毅力朝著萬米深度挺進，終于在2024年3月4日突破10000米。這不僅為我國今后進軍萬米深地提供核心技術和裝備儲備，也再次證明中國深地探測系列技術已跨入世界前列。

深井鉆探面臨的挑戰

或許有人會覺得，鉆探不就是一臺機器帶動旋轉的鉆桿朝著地下打洞嘛，這有何難？事實上，隨著鉆探的深度不斷增加，施工難度會越來越大，成本也越來越高。深井鉆探面臨的首要問題就是高溫。在地球上，從地表向下，隨著深度的增加，溫度不斷升高，平均每深入100米，溫度大約會上升3℃。如果鉆到10千米深，此處的溫度高達300℃以上，這還不算鉆機旋轉與巖石摩擦產生的熱量。這意味著，無論是鉆頭還是鉆桿都要面臨極大的考驗，由于鉆頭和靠近鉆頭的鉆桿部分經受不住長時間的高溫，經常會變形乃至斷落。據統計，目前在4000米以內的鉆探，平均每鉆進80米就要更換一個新的金剛石鉆頭。因此，向下鉆探需要耗費大量的時間和高昂的費用。此外，在鉆探過程中還經常遇到鉆進方向傾斜或彎曲、因孔壁不穩定而發生坍塌等諸多技術難題。所以有專家直言不諱地說：“表面上看是打一口井，實際上卻是在考驗一個國家的經濟實力、基礎工業實力和整個科技的發展水平。”

正因為如此，超深鉆一直是世界難題。1961年，美國曾開展過一項大規模的鉆探計劃，該計劃以地球物理學家莫霍洛維奇的名字命名，人稱“莫霍計劃”。該計劃原本想在海底選定某些地點向下鉆探，期望穿透地殼，直達地幔。施工人員在墨西哥灣西海岸水深3558米的海底一共鉆了 5口深海鉆井，其中最大井深為183米，距離鉆透地殼這一目標相去甚遠。最后，由于專業技術能力不足，加上經費原因，該計劃于1966年以失敗而告終。

鉆探就像外科醫生的“手術刀”，深入地球內部取出某些“組織”供科學家化驗。雖然現在的地質學家可以利用地震波對地球進行“CT掃描”并推斷出地層深部結構，但相比較而言，鉆探更直接、更準確。我們相信，未來的鉆探技術一定能夠突破重重困難，帶領我們揭開地球深處的秘密。

用地震波給地球做CT

利用地震波給地球做掃描是一種常用的地球物理勘探方法，被廣泛應用于地殼結構、地震活動性等領域的研究以及石油、天然氣、礦產等資源勘探中。它的基本步驟如下：

首先是人工激發地震波。通過在地面或地下放置炸藥、使用重錘敲擊地面或使用振動器等方式，產生地震波，有時候也會利用天然地震產生的地震波。這些地震波在向地下傳播過程中遇到不同的物質界面會發生反射、折射等物理現象。

然后是接收地震波。在地面或地下設置檢波器，用于接收地震波信號。檢波器將接收到的地震波信號轉換成電信號并記錄下來。

接下來是數據處理。通過計算機對接收到的地震波信號進行濾波、去噪、增強等處理，從而根據地震波的傳播時間和路徑，計算出地下不同深度的物質性質和結構特征。

最后是成像解釋。將處理后的地震數據轉換成圖像，結合地質調查、鉆探等各種地質資料進行解釋和分析，推斷出地下的巖性、構造、油氣藏等信息。

【責任編輯】趙 菲