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我國成功實施亞洲最深大陸科學鉆井——

經濟日報:掘地七千米,“鉆透”白堊紀

來源:經濟日報 作者:黃曉芳 發布時間:2018-06-11

大陸科學鉆探工程(松科二井)完井暨學術研討現場會現場。 (資料圖片)

7018米!5月26日,我國在松遼盆地實施的全球首個鉆穿白堊紀陸相地層鉆井——“松科二井”完井,一舉成為亞洲國家實施的最深大陸科學鉆井

上天入地,人類對于未知世界的探索從未停止。近日完井的“松科二井”成功創造了深部鉆探4項世界紀錄,這意味著,我國“向地球深部進軍”取得了又一重大進展。

在地球深處打孔絕非易事

為更加深入地了解地球內部結構,人類從20世紀60年代起,開始科學鉆探,期間遇到了一系列世界難題

凡爾納著名的科幻小說《地心游記》,描繪了主人公在地心游歷的神奇經歷。但目前而言,要想更深入地了解地球內部結構,最直接有效的方式就是打一口科學鉆探井,讓人類的視線范圍能夠深入到地球內部。

科學鉆探始于20世紀60年代,分為大洋鉆探和大陸鉆探,已有許多國家在洋底和大陸打了近百口深淺不一的科學鉆孔。根據鉆孔的深度,可分為淺鉆(小于2000米)、中深鉆(2000米至5000米)、深鉆(5000米至8000米)和超深鉆(大于8000米)四級。

最早進行大陸鉆探的國家是前蘇聯,全世界最深的鉆孔也在前蘇聯,是位于貝加爾湖的科拉超深鉆孔。這個超深鉆孔從1970年開鉆,鉆探了將近20年,在1989年到達距地殼12262米的深度,成為目前地球上最深的“地眼”。

但是,由于科拉鉆探的科學目標不明確,歐美科學家更喜歡舉世聞名的德國KTB深層巖芯項目(1987至1994年)產生的數據。KTB是德國在德國中部進行的大陸科學鉆探,重點研究大陸中、下地殼,工程歷時近15年,最終孔深達到9101米。來自12個國家的400多位科學家在此執行了200多項地學研究項目。

我國的“松科二井”于2014年4月開鉆。中國地質調查局副局長李金發說,“我們最終打到了7018米,穿過了整個白堊紀地層。利用獲得的巖心,我國科學家們在全球首次實現了對白堊紀最完整、最連續陸相地層厘米級高分辨率的精細刻畫”。

要知道,這絕非易事。往地殼深處鉆探,會遇到一系列世界難題。首先,在高溫高壓的地下環境下,能否確保鉆機的配件和電子元件正常工作。其次,在高溫高壓條件下,井壁巖石容易破碎,會造成井壁垮塌、卡鉆等井下事故。此外,地質學家要求自井深2865米至井底連續采取巖心用于研究,這需要保證取出的深部巖心完好無缺。所以,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。

“松科二井”現場副總指揮朱永宜表示,經過艱難攻關,“松科二井”工程攻克了超高溫鉆探和大口徑取心等關鍵技術難題,獲取了415萬組24TB的深部實驗數據,創造了311毫米大口徑連續取心最長、3種不同口徑單回次取心最長4項世界紀錄;在世界上首次研發并成功應用大口徑一次取心成井等技術,將鉆進速度提高了2倍;還成功研發了抗高溫鉆探技術,創造了國內最高溫度(241℃)條件下鉆進的新紀錄。

恐龍時代的旅行

在白堊紀,恐龍曾一度成為地球霸主。而實施“松科二井”的最主要目的,是要探究這一時期內重大地質事件、烴源巖的生成與古環境和古氣候變化的奧秘

作為地質歷史中典型溫室氣候時期的代表,距今6500萬年至1.45億年的白堊紀是地質記錄保存最為完整的時期。那個時候,恐龍曾一度成為地球的霸主。

中國科學院院士、“松遼盆地大陸科學鉆探工程”首席科學家王成善說,實施“松科二井”的最主要目的,就是要探究白堊紀時期內重大地質事件、烴源巖的生成與古環境和古氣候變化的奧秘。所以,它被國際科學界稱為恐龍時代的旅行。

白堊紀既是恐龍的大繁殖時期,也是它們發生大滅絕的時期,要解開白堊紀的謎團,必須整合研究陸相沉積記錄。作為世界上發育時間最長的陸相湖泊盆地,松遼盆地有著完整的演化歷史——8000萬年的歷史,4000米厚的白堊紀連續沉積地層,這些集聚著歷史痕跡的數字背后,是那個時代遺留給人們的饋贈。由于松遼盆地的地層中保存了最能反映全球或局部氣候變化與環境的高分辨率沉積記錄,因此,它成為開展白堊紀陸相沉積研究的理想對象。

憑借“松科二井”獲取的連續完整地質記錄,我國首次重建了相對連續的白堊紀—古近紀界線附近的陸相氣候記錄。根據記錄可以看出,由于大規模火山噴發導致劇烈的升溫和二氧化碳濃度上升,造成了松遼盆地中的部分物種,包括恐龍的滅絕。在隨后的短時間內,小行星的撞擊使原本不穩定的生態系統發生崩潰。

專家表示,“松科二井”通過首次實現對白堊紀最完整、最連續陸相地層厘米級高分辨率的精細刻畫,建立了白堊紀的重要地質歷史檔案,為研究白堊紀古氣候演變提供了重要科學依據,證實了氣候快速變化是導致恐龍滅絕的誘發因素,這對于研究和預測未來全球氣候變化意義重大。

探索油氣資源接替潛力

在松遼盆地深部凹陷帶3350米以深地層中,地質學家證實了該地區深部存在有利的頁巖氣層系,這將為我國在該區域實現深部能源勘查向頁巖氣勘查拓展,提供重要依據

“松科二井”所在的松遼盆地是當今世界最大的典型陸相沉積盆地之一,也是我國最主要的含油氣盆地,保存了白堊紀最完整、最連續的陸相地層。正是在這里,誕生了著名的大慶油田。目前,大慶油田開采的油氣資源深度大約在3000米以內。

而此次“松科二井”鉆井深度達到7018米,在松遼盆地深部凹陷帶3350米以深地層中,地質學家發現了頁巖氣氣測異常43層,累計厚度102米;其中,甲烷占全烴組分平均含量的86%,異常幅度與背景值的平均比值為14.77。由此,完整揭示了深部頁巖氣資源的潛力,證實了該地區深部存在有利的頁巖氣層系,將拓展我國深部能源勘查開發的新空間。

專家表示,這將為我國在這一區域實現深部能源勘查向頁巖氣勘查拓展,提供重要依據。

同時,“松科二井”還首次發現了具備開發條件的盆地型干熱巖地層。在井深4400米至7018米,科學家發現了溫度150℃至240℃的高溫干熱巖體以及2層含高放射性元素的異常地層,其熱流值為84毫瓦/平方米,展示了松遼盆地具有良好的地熱能開發應用潛力。

目前,人類對于干熱巖的開發利用主要集中在發電領域——利用干熱巖發電技術可大幅降低溫室效應和酸雨對環境的影響,且不受季節與氣候制約。據科學家們的保守估計,地殼中干熱巖(通常指3千米至10千米深處)所蘊含的能量相當于全球所有石油、天然氣和煤炭所蘊藏能量的30倍,若能開采出2%,就相當于我國2010年全國一次性能耗總量(32.5億噸標煤)的5300倍。

同時,“松科二井”項目的推進,建立起我國地層對比的“金柱子”,創建了完整的松遼盆地陸相層標準剖面,為發展我國區域性和全球地層對比研究提供了重要的陸相“標尺”。同時,“松科二井”還建立了松遼盆地演化新模式,揭示了松遼盆地深部地質構造特征,發現了古大洋板塊俯沖、聚合的深部證據,構建了盆地早期基底雙向匯聚、后期伸展反轉的陸地盆地演化新機制,為松遼盆地成因再認識及深層油氣勘探提供了理論指導。

人類對地球的探索永無止境。相信在科學家們的不懈努力和探索下,我們未來將會打通更多探秘地球深部的通道,了解更多的地球奧秘。

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