第B04版:新知
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2018年06月07日 星期四
-- 新知 --
版次:[ B04 ]
掘地七千米,“钻透”白垩纪
我国科学家﹃向地球深部进军﹄

    十年磨一“钻”!

    “地壳一号”创四项世界纪录

    著名科幻小说《地心游记》,描绘了主人公在地心游历的神奇经历。现实中,要想更深入地了解地球内部结构,最直接有效的方式就是打一口科学钻探井,让人类的视线范围能够深入到地球内部。 

    从20世纪60年代起,至今已有许多国家在洋底和大陆打了近百口深浅不一的科学钻孔。最早进行大陆钻探的国家是苏联,全世界最深的钻孔也在苏联,是位于贝加尔湖的科拉超深钻孔。这个超深钻孔从1970年开钻,钻探了将近20年,在1989年到达距地壳12262米的深度,目前仍是地球上最深的“地眼”。排名第二的是德国KTB超深钻,9101米。

    1996年2月,德、美、中作为第一批成员,发起了国际大陆科学钻探计划。目前,我国已成功申请到“大别—苏鲁”大陆超深钻、中国环境科学钻探青海湖工程、科钻一井和二井工程等多项ICDP项目,取得骄人成绩。 

    我国的“松科二井”于2014年4月开钻。现场总指挥朱永宜表示,经过艰难攻关,该工程攻克了超高温钻探和大口径取心等关键技术难题,获取了415万组24TB的深部实验数据,创造了311毫米大口径连续取心最长、3种不同口径单回次取心最长4项世界纪录;在世界上首次研发并成功应用大口径一次取心成井等技术,将钻进速度提高了2倍;还成功研发了抗高温钻探技术,创造了国内最高温度(241℃)条件下钻进的新纪录。这些标志着我国钻探装备研发水平成功跻身国际第一梯队。 

    往地壳深处钻

    如何克服高温和“取心”难题

    往地壳深处钻,表面是打一口井,实际上却是在考验一个国家的经济实力、基础工业实力和整个科技的发展水平。

    如何保障钻头在持续超高温下不“中暑罢工”,就是首先要面临的重要问题。松科二井工程总指挥、中国地质科学院勘探技术研究所所长张金昌介绍,钻井越深,温度越高,钻井液的技术难度越大。松科二井每往下钻进100米,地下温度会升高3℃至4℃,钻到孔底时温度已超过240℃。通过反复研究和实验,团队研发出新型钻井液配方,经受住了井底高温的考验,刷新了我国钻井液应用的最高温度纪录。 

    “钻地”成功后科学家们又面临“取心”的挑战。在一个极不均匀和复杂的球体上“动刀”,在保证钻的井眼不能坍塌和崩裂的同时,还要完整无缺地取出深部岩心,其难度可想而知极大。

    松科二井采用国内首创的大直径同径取心钻探工具,使用钻探工具直接钻进一个大井眼,并一次性钻进至设计井眼直径,攻克了大直径取心钻头破碎岩石和粗大岩心抓取、携带出井等关键技术难关。如此一来,既省去了传统的“小径取心,大径扩孔”过程中的诸多工序,避免了“从小井眼到大井眼”钻进过程中的很多风险,也节约了大量物资,同时,获取的岩心样品实物量也比设计量多了5倍。 

    被称为“恐龙时代的旅行”

    开启中国“地学”新起点

    实施松科二井项目还有一个重要目的,就是探究白垩纪时期内重大地质事件、烃源岩的生成与古环境和古气候变化的奥秘。松辽盆地大陆科学钻探工程首席科学家王成善说,所以它被国际科学界称为“恐龙时代的旅行”。

    白垩纪既是恐龙的大繁殖时期,也是它们发生大灭绝的时期,要解开白垩纪的谜团,必须整合研究陆相沉积记录。作为世界上发育时间最长的陆相湖泊盆地,松辽盆地有着完整的演化历史——8000万年的历史,4000米厚的白垩纪连续沉积地层,其中保存了最能反映全球或局部气候变化与环境的高分辨率沉积记录,因此,它成为开展白垩纪陆相沉积研究的理想对象。 

    凭借松科二井获取的连续完整地质记录,我国首次重建了相对连续的白垩纪—古近纪界线附近的陆相气候记录。从中可以看出,由于大规模火山喷发导致剧烈的升温和二氧化碳浓度上升,造成了松辽盆地中的部分物种,包括恐龙的灭绝。在随后的短时间内,小行星的撞击使原本不稳定的生态系统发生崩溃。

    专家表示,松科二井通过首次实现对白垩纪最完整、最连续陆相地层厘米级高分辨率的精细刻画,建立了白垩纪的重要地质历史档案,为研究白垩纪古气候演变提供了重要科学依据,证实了气候快速变化是导致恐龙灭绝的诱发因素,这对于研究和预测未来全球气候变化意义重大。 

    “地壳一号”还能做些啥

    大陆科学钻探工程涉及地学、力学、基建、仪电、材料、物理、化学、仿生学等多个学科和领域。据了解,目前,“地壳一号”钻机的相关技术成果已经成功应用于我国低温钻机系列。 

    “极光号”极地钻机已经应用于俄罗斯北极圈亚马尔高寒地区油气勘探。亚马尔液化天然气项目是中俄能源合作重大项目,是中国提出“一带一路”倡议后实施的首个海外特大型项目。“极光”号极地钻机是中俄亚马尔液化天然气项目的重要组成部分,该钻机可在零下50摄氏度低温和12级以上强风环境下连续工作。中国制造的第一台“极光”号极地钻机打破了俄、美、加拿大等技术垄断,成功打进了俄罗斯的北极市场。这也是我国首台可以在零下55摄氏度环境作业的极地钻机。 

    该项目成果还被广泛应用于深部油气钻机和海洋钻机钻井包等,并大规模出口到阿联酋、委内瑞拉、俄罗斯、美国等10个国家和地区。

    据介绍,“地壳一号”万米钻机的研制及应用,标志着我国地学领域对地球深部探测的“入地”计划取得重大阶段性进展,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,推动了我国地球深部探测技术的发展,加快了我国进入国际深部探测大国行列步伐,将带动我国深部油气资源和地热资源勘探开发行业的科学技术进步。 

    据媒体报道,目前吉林大学已经和四川宏华石油设备有限公司合作,初步完成了“地壳二号”的设计方案,目标是实现15000米的钻井深度,探索通向地球深处的隧道,更加近距离地聆听地球的“心跳”。

    据科技日报、人民日报、经济日报、新华社等综合

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