大陆科学钻探概述 大陆科学钻探的科学目标
刘宝林
科学钻探是为地学研究目的而实施的钻探，是通过钻孔获取岩心、岩屑、岩层中的流体（气体和液体）以及进行地球物理测井和在钻孔中安放仪器进行长期观测，来获取地下岩层中的各种地学信息，进行地学研究。在陆地上施工的科学钻探称为大陆科学钻探。
国际地球科学界认为只有通过钻探直接观察和研究地壳内部正在活跃进行的物理、化学和生物的作用、特征及其过程，才能取得对地球科学真实的、精细的认识，验证远距离探测的论断，提高探测的可靠性。
按1993年9月在德国召开的国际大陆科学钻探会议商定，科学钻孔深度的定义是：浅孔为2000～4000m（用深型岩心钻机施工），深孔为4000～6000m（用旋转钻机施工），超深孔为6000～15000m（用巨型钻机施工）。此外，湖泊钻探也是科学钻探的一部分，钻孔深度一般在10～500m。
大陆科学钻探是当代地球科学具有划时代意义的大型科学工程，是解决当代人类面临的人口、资源、环境等问题的必由之路，是带动21世纪地球科学和相关学科技术发展的大科学。大陆科学钻探是由地质超深钻探发展而来的，预期目标主要是为了研究深部地质学问题。实际上，经过科学选址而实施一些浅钻孔同样可以研究某些重大地球科学问题以及与人类生存密切相关的诸如气候、环境、地震以及有毒废料的安全处理等课题。
1 ICDP（International Continental Scientific Drilling Program）简介
1.1 成立背景
1992年11月，经济合作发展组织（OECD）举办的大科学论坛评述了大洋和大陆钻探全面进行国际合作的问题。1993年8月31日到9月1日，在德国Potsdam国际大陆科学钻探会议上提出了ICDP框架；9月2日，在KTB现场“国际大陆科学钻探会议管理者会议”上，15个国家的代表参加，决定成立ICDP筹备组，由德国地学研究中心的R.Emmermann教授负责草拟ICDP的有关章程。1996年2月正式发布“ICDP发起书”。
1.2 ICDP的任务
获得可靠的资金，进行有效的规划，履行可行的对全局有重大意义的计划；
确认适合科学钻探的国际合作场址；
确保进行适宜的前期场址调查；
为钻探项目提供技术支撑核心；
确保对计划进行恰当的监控；
确保项目成果有效地发布传播。
1.3 ICDP的准则
国际性——地质科学、工程技术、资金等进行国际合作；
全球性——开展具有全球意义的大课题；
必须经过钻探——必须通过钻探才能解决的问题；
社会需要——如解决能源、矿产、地质灾害、气候、环境等问题；
钻孔深度与成本——在满足科学目标的前提下，尽量降低钻探难度；
活动的过程——研究目前活动的地质现象。
1.4 ICDP与ODP的差别
ICDP——钻探地点在某个国家，首先获益；研究世界级的科学问题；研究38亿年的地球历史；必须冠以“Scientific”。
ODP——钻探地点、条件、孔深和工艺技术多样化；在公海钻探，是全球性的计划；研究1.8亿年的地球历史；本身就是科学目的，不必冠以“Scientific”；主要设备为钻探船，工艺技术比较成熟。
2 大陆科学钻探的作用
研究地震、火山喷发的物理化学过程以及降低其影响的最佳方法；
研究近期地球气候变化的模式和原因；
研究陨击事件对气候和集群灭绝的影响；
研究深层生物圈的性质及其与碳氢化合物和矿床的形成、生物演化等地质过程的关系；
放射性和其他有毒废料的安全处理；
沉积盆地和碳氢化合物的来源及演化；
矿床在各种地质体中是如何形成的；
研究板块构造、热力学、物质和流体在地壳中运移的基本物理学过程；
如何更好地解释用于了解地壳结构和性质的地球物理数据。
3 大陆科学钻探的现状
目前美国、俄罗斯、德国、加拿大、日本、法国、英国、瑞典、新西兰、比利时、冰岛、澳大利亚、奥地利和瑞士等国家都开展了科学钻探。全世界计划完成近百口科学钻孔，其中深钻孔10余口。具有代表性的科学钻探计划如下：
已经完成的有：
1960年，美国提出国际上地幔计划（IUMP）。
1965年，开始实施深海钻探计划（DSDP）。
1970年，苏联开始SG-3大陆超深钻孔施工。
1983年，开始实施大洋钻探计划（ODP）。
1984年，美国组建DOSECC，计划完成29口科学钻孔。
1987年，德国开始KTB先导孔施工，1989年完成，终孔深度4000.1m。
1990年，KTB主孔开始施工，1994年9月完成，终孔深度9101m。
2001年，ICDP计划已批准的项目及执行情况（见下表）。
地球科学进展
3.1 原苏联
原苏联的大陆科学钻探实施最早，钻孔最多，开始于第二次世界大战后，实施了几十口基准井。1965年确立了超深钻实施步骤，地质学家别科亚耶夫斯基等根据深部地球物理资料提出，为获得完整的地壳剖面，至少要在6个地区打科学超深孔。原苏联国家科委为这一庞大规划组建了“地球地下资源与超深钻探部门科学委员会”，有95个单位参加，由原地质部部长E·A·科兹洛夫斯基任主席。设计施工超深孔18口，其中SG-1孔设计深度12000m，SG-2、SG-3孔深15000m，其他15口是深6000m左右的先导孔（卫星孔）。1970年SG-3超深井开钻，设计15000m，1986年3月终孔深度12262m，为目前世界第一深井。1988年在亚罗斯拉夫国际科学钻探学术会议上公布原苏联科学钻探取得了40项重大科研成果。
3.2 美国
从1961年开始至今，执行了一系列海上科学钻探计划，如莫霍计划、DSDP深海钻探计划、ODP大洋钻探计划等，都取得了辉煌的成就。但海上钻探设备复杂、费用昂贵。1993年他们提出了一个口号：“把船开到陆地上来”，要大力发展大陆科学钻探。
美国大陆科学钻探计划（US/CSDP）：
已经完成的钻探项目有：伊尼欧（INYO）井1～4号、巴耶斯破火山口1号、伊利诺斯井（VC1，VC2A，VC2B）、索尔顿湖、长谷、卡洪山口及上地壳项目。
计划实施的项目有30多个，深度超过6km的有：阿巴拉契亚深部取心钻孔、伊利诺斯盆地超深孔、得克萨斯海湾海岸超深孔、夏威夷岛深钻项目（正在实施中）。
90年代美国将主要实施五个项目：即卡特迈的诺瓦拉普塔、卡洪山口第三阶段、巴耶斯破火山新项目、纽克克盆地钻、基础钻探项目等。
1974年美国在俄克拉何马钻成了大陆科学钻孔罗杰斯1号孔（Betha Rogers N0.1），孔深9583m。1985年在国家科学基金会领导下，制定“大陆科学钻探计划”（CSDP），选定孔位29处，陆续取得重大成果：①1985年在索尔顿S2-14＃孔执行以研究高温地热为中心的科学钻探（SSSDP）计划，1986年3月钻到3220m，贯穿沉积层到达下部闪长岩相角岩，中靶温度为353℃，为世界第一口高温地热井；②1986年陆续沿圣安得烈斯大断层施工10口科学钻孔，平均深度为5000m，以监测研究加利福尼亚州大地震发生机制。在卡洪隘口（Cajon Pass Hole）施工的第一孔经岩心磁法定向（占10%）、热导率、热辐射、应力场、波速等测试，发现断层带摩擦应力近100MPa，产生局部热导率异常1HFU（=40 MW/m2），美国地调局以此孔作地震观测孔，以上述量化临界数据提供多次地震预报，均大大减少了灾害损失；③美国Los Alamos国家实验室用10年时间在Fenton Hill在水平相距30m处钻两口以勘探与开发“干热岩”直接发电的科学钻孔，深度分别达3200m、4500m，直达火山岩体，用水力压裂使两孔相通，形成“热仓”，孔底温度达300℃，一孔注入冷水，另一孔排出温度为200℃以上的干蒸气，并用此蒸气直接发电。④沿圣安得烈斯施工的科学钻孔在2000m处的结晶岩基底岩中发现嗜温菌（Thermophilic bacteria），为研究地表以下生物活动提供依据。它的分布、总的数量、对油气生成的关系、它同地表生物活动的关系、以至同生物起源的关系、地下生物圈边界等等，留待科学钻探去勘探解决。
3.3 瑞典和西欧各国
在原苏联科学钻探发现深部地下有碳氢化合物等流体的成果鼓舞下，瑞典以及欧洲共同体等缺乏石油的国家，建立了OECD（欧洲经合与开发组织）将科学钻探列为大科学项目（Mega-Science）。瑞典首先在锡利扬（Silijan）大陨石坑施工Gravberg 1号孔，深6350m，取得油气样品85桶（约合18.5 t），化验后，其成分无异于普通石油天然气，并含有极细磁铁矿粉末，引起世界瞩目。科学家们推断油气来自上地幔裂隙，属非生物源油气，其后又布置另一口Stanberg No.1号科学钻孔。
3.4 德国
德国大陆深部钻探（KTB）到1993年9月2日钻深为8312.5m，（在孔深为8008.6m时，地温为215℃）。KTB目前获得的主要科学成果是：①证实了深部的温度变化和热转移，查明了深达6km多的地壳热结构；②修正了深部地球物理探测资料（反射地震、地电、重磁异常等），查明了地球物理结构性质和非均一性；③发现了地壳中流体的来源、成分和运动规律，对于开拓新的能源和探讨矿床成因有重要的意义；④测出了深达6km、目前世界上最深的应力分布资料，对于预测地震、火山等灾害有重要意义；⑤发现在莫霍面以下还存在地球磁场，在理论上这是一个重大突破。
KTB在实践中还研发了一系列的新技术和新工艺，其中最主要的是：①研制和使用了巨型钻机，在钻探设备自动化上取得重大进展。KTB的钻探设备主要技术指标：钻塔高度83m，设备总重2500t，10000m钻杆重400t，最大大钩负荷800t，总功率9500kW，泥浆泵流量1000～4000L/min，工作泵压350bar，泥浆箱总体积450m3；②研制和使用一套垂直钻进系统（VDS），KTB的主孔通过采用这一技术，使钻孔深度达到7000m时钻孔顶角不超过2°，钻孔水平移距不超过20m。而先导孔由于没有采用VDS系统，钻孔深度为4000m时水平移距达到了180多m；③在施工的组织管理，信息的获取、利用、发布和现场实验室等方面也积累了宝贵的经验。
4 大陆科学钻探在技术上面临的挑战
孔深大——需要重型设备、钻孔结构复杂、管材强度极限、钻孔弯曲严重、回转阻力增大、辅助时间长等；
结晶岩——钻进效率低、钻头寿命短、钻孔弯曲严重、纠斜困难等；
高温高压——泥浆性能变坏、管材强度下降、孔壁稳定性差、测井仪器性能降低等；高信息量——高取心率和取心质量、泥浆录井系统、流体样品的获取、深部现场实验室等。
5 中国大陆科学钻探（CCSD）简况
5.1 历史回顾
1988年，开始建议制定中国大陆科学钻探计划。
1991年，原地矿部开始组织进行“中国大陆科学钻探先行研究和选址研究”。
1992年，地质科学钻井工程列入“国家中长期科学技术发展纲要”。
1995年11月，国务院领导批准中国加入“国际大陆科学钻探计划（ICDP）”。
1996年2月中国正式成为ICDP三个发起国之一。
1996年8月，原地矿部与德国地学中心签订了在大别-苏鲁进行科学钻探的合作协议书。
1997年6月，国家科技领导小组批准“中国大陆科学钻探工程”列入“九五”国家重大科学工程项目。
1997年8月，由ICDP资助的“大别-苏鲁超高压变质带大陆科学钻探选址国际研讨会”召开，中外专家一致赞同在江苏北部东海县实施5000m的科学深钻。
1998年4月，国际大陆钻探计划组织（ICDP）审议通过了“中国大别-苏鲁超高压变质带大陆科学钻探”项目正式建议书，并予以150万美元经济资助。
1998年12月至1999年6月，在江苏东海县毛北镇境内完成了1000m深的预先导孔施工，目的是为CCSD的施工设计和主孔施工提供必要的信息，并积累了施工经验。
1999年9月底，经历近10年的努力，在建国五十周年大庆前夕国家计委正式批准了中国大陆科学钻探工程项目立项建议书，这标志着该工程项目正式开始实施。
2000年3月28日至3月29日，由国家计委中咨公司组织十余位专家在北京对《中国大陆科学钻探工程工程可行性研究报告》（工程部分）进行了专家论证，与会十余位专家一致同意通过此报告，从此，中国大陆科学钻探工程正式进入设计施工阶段。
2001年6月25日中国大陆科学钻探工程先导孔终于在江苏省东海县开始试钻。
2001年8月2日，国家计委批准了中国大陆科学钻探工程的初步设计和开工。
2001年8月4日，中国大陆科学钻探工程在江苏东海钻探现场举行了开工仪式，全国政协副主席万国权等出席，各新闻单位竞相报道。
2002年4月15日，井深2046.5m，结束了取心钻进，先导孔完工。
2002年5月7日开始主孔的扩孔钻进。
2002年8月27日零时45分扩孔深度2028m，扩孔完工。
2002年10月10日开始主孔取心钻进。
2005年3月8日胜利完钻，终孔深度5158m。
2005年4月18日在中国大陆科学钻探施工现场举行了竣工典礼，国务院副总理曾培炎出席典礼仪式并发表重要讲话。
2006年3月18日，国际大陆科学钻探中国委员会（ICDP-CHINA）在北京成立。孟宪来任主任，许志琴、安芷生和黄宗理等任副主任。刘东生院士、孙枢院士、刘光鼎院士、李庭栋院士、刘广志院士等被聘为该委员会顾问组专家。
5.2 施工基本要求和条件
设计井深：5000m
终孔直径：
取心要求：全井连续采取岩心
地层条件：坚硬的结晶岩，如片麻岩、榴辉岩、角闪岩等
温度梯度：2.5℃/100m
5.3 CCSD的目的
通过最短的钻距获取最深部的垂向连续变化信息，建立真实的深部物质组成、结构、流变学、地球化学、岩石物理、流体、地热、地应力及现代微生物剖面，并校正地球物理遥测的结果，建立世界性的深部结晶岩地区地球物理标尺。
揭示超高压变质带形成与折返机制的奥秘，研究会聚陆壳边部的动力学，为大陆动力学理论的创立奠定基础。
研究超高压变质带中金刚石和金红石（国防及航天材料）等资源形成的地质背景和成矿机理，开拓新的找矿方向。
发现来自地幔深处的新矿物和新物质，探究超高压物理条件下的矿物化学和结构行为。
研究现代地壳流体的富集、分布及迁移规律，探索其深部来源，揭示深部水圈的活动及水-岩作用对成岩和成矿的影响；
通过地下深处存活的现代微生物的研究，揭示地下生物圈在极端条件下（高温高压）的生物钟时限、微生物的潜育条件及其对成岩、成矿和生油作用影响。
在钻孔中放置各种探测仪器，监测地震活动、研究发震机制，揭示现代地壳活动及地球深部正在进行的各种物理、化学及生物作用，同时可将钻孔作为一个长期的、动态的、高温高压的成岩成矿实验室和矿物合成腔，完成在地表条件下所不能进行的多种重要科学实验。
促进我国钻探工程技术和相关领域的发展。促进我国钻探技术的发展，其技术成果将使众多的钻探应用领域迅速赶上世界先进水平，并带动工程科学、实验测试、机械工艺及超硬材料等技术的开发与发展。大陆科学深钻系统将发展和提高深部地球物理遥测方法与技术，并成为检验深部地球物理正、反演理论的实验场。
培养造就上百名跨世纪的地学研究与管理专家，满足21世纪我国开展经常性科学钻探工程及相关科学研究的人才需求，促进地球科学与物理学、化学、生物学、工程学、经济学和管理科学的联合与交叉，为发展新学科生长点提供机遇。
5.4 CCSD的八大科学目标
（1）揭示超高压变质岩形成与折返机理。
（2）再造大陆板块会聚边界的深部物质组成与结构。
（3）建立结晶岩地区地球物理模型和解释标尺。
（4）研究板块会聚边缘的地球动力学和壳幔相互作用。
（5）揭示超高压变质成矿机理，发现新矿物与新物质。
（6）探索现代地壳流体-岩石相互作用与成矿机理。
（7）研究现代地壳中微生物类型和潜育条件。
（8）为资源开发及地震发生机制的探索提供科学依据。
5.5 工程选址及钻探子工程
选址原则：瞄准具重大关键地学意义的地区；服务于人类社会面临的资源、环境及灾害三大问题；地质及地球物理研究程度较高；地层尽可能平缓，能穿越尽量多的层位，无花岗岩干扰；技术上可行（特别是地温梯度应较低）；交通便利，地势相对平坦，通讯方便。
1997年8月，由ICDP资助在中国青岛举行了“大别-苏鲁超高压变质带大陆科学钻探选址国际研讨会”，中外专家一致赞同在江苏北部东海县毛北镇实施5000m的科学深钻。钻孔位于具有全球地学意义的大别苏鲁超高压变质带上，可以通过最短距离的钻探或取最深部的地学信息；东海县及附近地区的经济发达，交通与通讯便利，水电供应充足，是大陆钻探的理想场所。
5.5.1 钻探施工面临的技术难题
硬地层钻进（扩孔）效率问题、深孔硬岩大直径全孔取心技术、大倾角硬地层防斜纠斜技术、深孔小间隙孔段水力学设计及钻井液技术、难以预料的复杂情况等。
5.5.2 技术目标
形成一套完整的硬岩深孔（5000m）大直径（终孔直径不小于156mm）金刚石绳索取心钻进技术体系；使独具中国特色的液动锤钻进技术更加完善，进一步巩固我国在液动锤技术领域中的领先地位；研究与开发新型的以绳索取心为基础的组合式取心钻进系统，如孔底马达/绳索取心二合一钻具、液动锤/绳索取心二合一钻具及其相应的钻进工艺，其成果将居国际领先地位；带动我国钻探器具和钻探材料生产制造技术与使用技术的进一步发展，使其赶超世界先进水平。
5.5.3 双孔钻进方案：先导孔+主孔
钻先导孔后，主孔上部采用大直径液动锤全面钻进，有利于防止孔斜；先导孔小直径取心，代替主孔上部大直径取心，节省施工费用；获得主孔钻探技术方案精确设计所需的地下岩层信息；可在先导孔中试验将在主孔中使用的钻探器具和材料。
5.5.4 组合式钻探技术：石油转盘钻机+地质岩心钻探工艺
以金刚石绳索取心钻探技术为主体；采用金刚石取心钻头，回转速度高；孔壁间隙小，泵压高，排量小；采用低固相冲洗液；对钻压控制有较高要求。
5.5.5 先导孔钻进工艺
螺杆马达+金刚石双管取心钻进、螺杆马达+液动锤+金刚石双管取心钻进、转盘+金刚石双管取心钻进、螺杆马达+金刚石单管取心钻进。其中特别突出的是螺杆马达+液动锤+金刚石取心钻进工艺，属世界首创，效果显著，可显著提高机械钻速，延长回次取心进尺长度。
5.5.6 主孔钻进工艺
原设计拟采用金刚石绳索取心钻进，并加装了液压动力头装置。由于绳索取心钻杆加工质量问题以及动力头输出扭矩不足，放弃了绳索取心钻进工艺；主孔基本上还是以螺杆马达+液动锤+金刚石取心钻进工艺为主。
5.5.7 钻机-ZJ70D
宝鸡石油机械厂生产的新一代电驱动钻机。钻深范围5000～7000m；最大钩载：4500kN；最大钻柱重220t；绞车最大输入功率1470kW；大钩提升速度为0～1.6m/s；绞车档数为2+2R，无级变速；绞车档数为4+4R，无级变速；钻台高度9m；钻架高度45m。
5.5.8 钻具、钻头和冲洗液等（略）
5.6 地学成果
完成了5158m的系列金柱子包括岩性剖面、地球化学剖面、构造剖面、岩石伽马异常剖面、矿化剖面、岩石物性剖面、流体剖面等。
首次在国内完成了长井段岩心深度和方位测井归位。
首次完成结晶岩区的三维地震探测，揭示了精细的地壳结构。
中国大陆科学钻探主孔5000m岩性剖面揭示50多种丰富多彩的岩石类型。在原有的金红石矿体下又发现了400m厚的达到工业品位的新的金红石矿体。
证实了苏鲁地区2亿年前发生过巨量物质超深俯冲的壮观地质事件。证实了苏鲁地体在晚三叠纪发生超高压变质后经历了一个快速抬升的动力学演化过程。
查明了超高压榴辉岩的主要矿物都含有以OH存在的结构水
氧同位素研究表明超高压变质岩的原岩在近地表与大气降水发生交换“花岗岩体的侵入为其提供热源”为新元古代全球性雪球事件提供重要证据
建立了苏鲁高压-变质超高压构造格架，确定岩石-构造单元、构造边界的大型韧性剪切带系
涉及几何学、运动学、动力学。
揭示含金红石榴辉岩中锐钛矿、板钛矿、榍石和金红石的产出状态及其可能的相互转化关系。
发现了极端生存条件下的地下微生物。
5.7 钻探技术成果
完成了一口在坚硬的结晶岩中施工的、终孔直径为156mm、终孔深度为5158mm的连续取心科学钻探孔。
研究开发了具有自主知识产权的孔底马达驱动的冲击回转取心钻井方法及其钻进系统。
形成一套完整的、独具中国特色的硬岩深孔（大于5000m）钻井施工技术体系。包括：大直径（终孔直径不小于156mm）取心钻进技术、硬岩扩孔钻进技术、强致斜地层防斜纠斜技术、新型硬岩钻井液体系、硬岩小间隙套管固井技术、活动套管技术等。使独具中国特色的液动锤钻进技术更加完善，进一步巩固了我国在液动锤技术领域中的领先地位。
研究并开发了多种新型的以绳索取心为基础的组合式取心钻进系统，如：孔底马达（螺杆马达或涡轮马达）+绳索取心二合一钻具、液动锤+绳索取心二合一钻具、螺杆马达+液动锤+绳索取心三合一钻具，及其相应的钻进工艺，成果居国际领先地位；极大地推动了我国钻探器具和钻探材料生产制造技术的进一步发展。
6 墨西哥Chicxulub大陆科学钻探（CSDP）简介
其科学目标是研究陨击事件和生物集群灭绝。钻孔位于墨西哥的Chicxulub陨击坑，距离撞击中心约60～80km，设计孔深2500～3000m。计划实施周期为1998～2005年，已经完成了几个浅钻，实际实施时间有些延后，2000年开始700m深的先导孔钻探。ICDP将资助100万美元。
大约在6500万年前，一个直径约10～15km的小行星或彗星撞击在当时的浅海区域（现今的尤卡坦地台），突然爆发释放出的能量约有100万亿吨梯恩梯当量，形成了直径200km的巨大陨击坑。引发大火，粉尘蔽日，使全球气候持续变冷；并喷发出大量的CO2和SO2气体，造成陆地和海洋生物大量窒息死亡。恐龙就是在这个地质年代突然消失。因此，科学家推测，这次撞击可能是造成恐龙灭绝的直接原因。撞击所抛出的尘埃、灰烬和小球体在空中形成的离散物质在白垩纪-第三纪界限的年代遍布全球。
CSDP预期解决的基本问题包括：陨击事件的基本性质，冲击变形的基本性质，陨击坑形成的基本性质和喷出过程的基本性质。
7 湖泊钻探
全球变化（Global Change）研究是ICDP的科学目标之一。目前全世界科学家非常重视。地球气候和环境的演化过程在海洋、湖泊、冰川、黄土、珊瑚、钟乳石等沉积物中以及树的年轮中都有记录。如果通过一些浅层科学钻探采集这些原状的沉积物样品等，利用现代的测试分析仪器进行多方面的研究，从而比较客观地建立全球变化模型。世界上开展全球变化研究的机构非常多，而且十分活跃，浅层科学钻探项目也很多。如International Geosphere/Biosphere Project（IGBP）中的Past Global Changes（PAGES），Palaeoclimates of the Northern and Southern Hemispheres（PANASH），the Pole-Equator-Pole transect from Europe through Africa（PEP Ⅲ），the CircumArctic PaleoEnvironments Programme（CAPE），the International Marine Global Change Study（IMAGES），International Continental Drilling Project（ICDP），Quaternary Environments of the Eurasian North（QUEEN），New Greenland Ice core Project（NGRIP）等。除了ODP（IODP）等海洋钻探之外，其中湖泊钻探占据主导位置。
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http://www.icdp-online.de/或http://icdp.gfz-potsdam.de（国际大陆科学钻探计划网站）
大陆科学钻探~
1.3.1 国外大陆科学钻探概况
大陆地壳远比洋壳古老，隐藏有更多的地球奥秘，大陆还是人类直接居住、获取主要矿产与其他资源以及遭受地质灾害威胁最大的地方，因此人们迫切希望通过大陆科学钻探来更多和更深入地了解大陆。大陆科学钻探始于20世纪70年代，在1996年2月国际大陆科学钻探计划正式成立之前，许多国家就已经开展了大陆科学钻探。
前苏联制定了庞大的科学深钻计划，在一些主要的地震剖面的交点处，布置了20余口7～12km的科学超深井。1970年开始钻进设计深度15000m的科拉超深井，至1986年达到12262m井深，成为当今世界最深的钻井。前苏联共实施了11个科学超深井和深井，除了科拉超深井之外，其他的著名超深井有萨阿特累超深井、乌拉尔超深井、克里沃罗格超深井、第聂伯-顿涅茨克科学钻井、秋明超深井、迪尔劳兹深井等。
德国实施了举世闻名的“联邦德国大陆深钻计划（KTB）”，在华力西缝合带的结晶地块中先后钻了一个4000.1m深井和一个9101m的超深井，目的是研究地壳较深部位的物理、化学状态和过程，了解内陆地壳的结构、成分、动力学及其演变。
美国实施了10多个科学钻探项目，钻孔深度都较浅，最深的只有3997.45m圣安德烈斯断层科学钻探项目，其他已实施的科学钻探项目有索尔顿湖科学钻探项目、伊利火山链科学钻探项目、长谷地热勘探项目、瓦莱斯破火山口科学钻探项目、上地壳项目等。
1982年，法国的科学家提出了100个须通过科学钻探解决的地学问题，从中选定了12个问题，计划实施科学钻探，已完成了3个，其钻孔深度分别为900m、1400m和3500m。
瑞典国家动力委员会在瑞典中部Gravberg地区的锡利扬陨石撞击构造，施工了1口6950m深的科学探井，以寻找非生物成因的石油和天然气。
瑞典、瑞士和英国分别实施了以核废料储埋点勘察为目的的科学钻探，钻孔深度一般为1000～2000m，最深为2500m。加拿大等国均制定了大陆科学钻探计划，开展浅孔科学钻探工作。
日本制定了为期10年超深钻计划，拟在太平洋、菲律宾及亚洲板块结合带上打超深井。目前已施工了一些以火山和地震研究为目标的浅至中深科学钻孔。
1.3.2 我国大陆科学钻探概况
我国从2001年开始实施“中国大陆科学钻探工程”，经历了4年时间，在江苏省东海县坚硬的结晶岩中施工了一口5158m深的连续取心钻井（“科钻一井”），目的是研究大别-苏鲁超高压变质带的折返机制。2005年实施了青海湖科学钻探项目。采用ICDP的GLD800湖泊钻探取样系统，施工了一系列浅钻。该项目的目标是获取高精度的东亚古环境记录，研究区域的气候、生态和构造演变及其与其他区域和全球古气候变化的关系。2006～2007年在大庆实施了“松科1井”项目，施工了深度分别为1810m和1915m的两口取心钻井，以研究白垩纪地球表层系统重大地质事件与温室气候变化。设计深度超过6000m的“松科2井”已于2014年开钻。汶川特大地震发生之后，从2008年10月开始，我国组织实施了旨在研究地震机制和进行地震监测预报的“汶川地震断裂带大陆科学钻探”。该项目计划施工5口科学钻井，钻井深度范围为550～3350m。近期，我国在深部探测计划专项的范围内，围绕超万米科学钻井的选址工作，施工了6～7口深度2000～3000m的小直径科学钻孔。
1.3.3 国际大陆科学钻探计划（ICDP）
为了协调世界范围内的大陆科学钻探活动，减轻各国在实施该项活动时的成本和风险，实现成果共享，最终促进大陆科学钻探在地学研究中的推广应用，1996年2月由德国、美国和中国发起成立了“国际大陆科学钻探计划（ICDP）”，其总部设在位于德国波茨坦的德国地学研究中心（GFZ）。ICDP成立至今已近20年，共有25个成员，包括德国、美国、中国、日本、波兰、加拿大、奥地利、冰岛、挪威、意大利、西班牙、瑞典、法国、以色列、捷克、南非、芬兰、新西兰、瑞士、印度、荷兰、英国、韩国和比利时共24个国家，以及联合国教科文组织（UNESCO）1个团体成员。该计划从启动以来，已资助了数十个科学钻探项目，不断还有新的国家和团体加入或申请加入该计划。我国的“中国大别-苏鲁超高压变质带大陆科学钻探项目”、“青海湖科学钻探项目”和“白垩纪松辽盆地大陆科学钻探项目”先后被列为ICDP项目，得到了国际大陆科学钻探计划组织的资助。
1.地球的历史与气候
过去气候变化的原因和影响可以通过高分辨率的沉积物的研究来了解，它可为预测未来的气候提供极为宝贵的背景信息。最近20年间，通过深海钻探计划（CSDP）及大洋钻探计划（ODP）利用沉积物获得了许多有关全球气候变化和地球历史的宝贵知识。这些知识正用于模拟和预测气候条件，同时通过极地长冰心的调查，也获得了大量气候渐变和突变的新的令人信服的证据，而且其分辨率比深海沉积所记录的要高得多。但这些资料都获自远离人类居住的地区。
图9.7 KTB孔址地震调查
上图为P波与S波反射对比图，纵轴换算到相同深度；下图为先导孔VSP垂直（左）及水平分量（右）记录.qP为直达P波.qS1为快S波.qS2为慢S波
大陆上存在着表征区域性的和全球性的气候变化特征及其环境影响的大量记录。研究它们的最佳场所位于大陆内部或沿大陆边缘的海相环境，那里的较高沉积物堆积速度使得人们可以获得高精度（指时间分辨率）的记录。湖盆是区域动力学的特殊的综合资料库，它们可以帮助解决从构造尺度到轨道、太阳、温室和突变尺度的环境驱动力的问题。
利用钻探取得湖相沉积物的岩心来研究全球古气候的变化属于大陆科学钻探的范畴（浅钻），但需要特殊的钻探取心设备（见图9.9），目前我国还没有这套设备。1997年德国波茨坦地学中心与中国科学院地质所合作在雷州半岛破火山口进行湖泊科学钻探，是我国境内的首次。图9.10示出通过贝加尔湖沉积物钻探取得的古气候记录的例子。沉积岩心中生物成因的二氧化硅含量灵敏地反映了湖中生物的繁殖丰度，间接反映了25Ma以来夏季的最高气温，并与氧同位素的含量测定结果相符。1995年国际科学家通过了全球变化研究计划PAGES（Past Global Changes Project），并将其纳入ICDP的总计划中。
2.撞击构造与种群灭绝
陨石冲击和恐龙在6500万a前灭绝的问题是当代地球科学研究的一个重要课题。钻探有助于解决许多有关冲击的问题。20世纪后半叶，人类对太阳系的探测表明，陨星撞击在塑造火星和月亮表面的古地貌方面起了重要作用。这些星球上存在大型多环撞击盆地表明，38×108a前太阳系内部处于激烈的陨石撞击阶段。之后，虽然撞击的频率明显降低，但仍可看到。例如，地球平均每百万年就经历一次足以产生直径达20km的陨石坑的撞击事件。尽管这些撞击的地表特征很快被破坏，但至今已识别出大约120个陨石坑，直径由30m到300km，年龄由2000a到20×108a。1979年在意大利古比奥附近白垩纪－第三纪界线上薄粘土层中发现陨石地球化学标志是大块物质撞击可以导致全球性种群灭绝的第一个证据。过去40a中，已在50多个撞击坑中打钻。通过钻探取得的信息，结合有关的地表研究、行星影像分析、撞击和振动实验，以及理论推断，提供了有关撞击过程和所产生地貌的粗略认识。例如，在墨西哥北尤卡坦的Chicxulub构造被鉴定为K-T界线有关的大型陨石坑，地球物理和地质资料表明是一个外缘直径大约为300km的多环盆地（图5.7）。对这一盆地进一步科学钻探的目的在于对撞击构造的进一步了解并研究大型陨石撞击对环境和气候的影响，以及生物圈所产生的变化。
图9.8 KTB的井孔地磁场总场测量结果
1500m以下比地球偶极场计算结果增大很多
图9.9 湖沉积钻探取心示意图
1—沉入湖底；2—钻入；3—封底；4—提升
3.沉积盆地的演化
沉积盆地是地球地质历史基本的记录之一，它是储存水资源和油气资源的主要场所。因此，了解沉积盆地的成因、演化和动力状态.对于了解地球的历史和合理利用地球资源是极为重要的。与沉积盆地形成有关的问题可分为以下两类：“大型级别的”和“盆地级别的”。“大型级别的”因素包括从构造运动的角度探讨沉积盆地的成因；“盆地级别的”因素指研究盆地的沉降、沉积、压实、热、流体及物质运移。科学钻探是对上述问题进行观测和理论研究的直接手段。科学钻探可发挥以下作用：（1）在新的和古老的扩张盆地中进行钻探以更好的了解裂谷的动力学以及构造和气候的相互作用；（2）在盆地下产生高热的花岗岩中钻进以寻找潜在的能源；（3）在活动的扩张断裂中钻进以实地检验断裂的性质、断裂定向的机制和断裂运动；（4）对静压力层向地压力层转变的过渡带实施钻探以实地检验该带性质和了解压力作用的机制；（5）钻探盆地的典型部位以了解海平面变化的地层记录。
图9.10 湖相古气候记录的例子，时间为（0～25）×104a（Colman,1996）
左图为SPECMAP氧同位素记录，中为贝加尔湖岩心中生物成因的硅氧含量，右图为夏季最高气温模型
4.岩石圈动力学与变形
地震机制是科学家们关注的重大科学问题之一，而这个问题和岩石圈动力学与变形的研究密不可分。岩石圈运动学可以利用许多地质的、地球物理的和大地测量的技术来直接观测。岩石圈动力学则不同，利用地表的仪器或技术观测不到作用力，也观测不到对这些应力的流变学响应。因此，地球科学很明显地发展到了一个新的阶段，即必须通过钻探进行直接的观测以获得足够的岩石圈变形机制的新认识。
主要活动走滑断裂是岩石圈变形最引人注目的表现形式，因为它们引起破坏性地震。但是我们对其动力学特征知之甚少。提高对活动断裂带动力学的认识不仅关系到对岩石圈动力学的认识，更重要的是关系到对地震机制的了解，直接服务于人类的减灾事业。通过科学钻探可以：（1）直接测量断层及其邻区的应力状态。通过对断裂上的应力和区域应力状态的了解有利于解决引发断裂滑动所需应力水平的长期争论。（2）对活动断裂带的物质取样，直接研究断裂处岩石的流变特征，只有建立在这种特征基础上的实验结果才是可信的。（3）调查断裂带内及其附近围岩的流体状态。断裂带的流变学和流体状态紧密相关，只有实际了解流体状态才能真实模拟发震深处的断裂机制。（4）测量断裂带及其邻区的热状态，是评估断裂真实深度的一种有效方法，（5）建立一个或多个孔内观测点长期监测活动断裂带的流体压力、流体化学、温度、应变及地震活动性等。例如，即将开始的圣·安得烈斯断层的第二期科学钻探，将用斜孔穿过几乎垂直的断裂带（图9.11），取得地下2～3km处的断裂带的岩心，以分析多发地震断裂的内部组构及流体性质。
5.火山系统和热机制
火山系统及地球中的热机制由于其内在的科学意义及对社会的影响的重要性，因此成为大陆科学钻探最具有吸引力的科学主题之一。在过去的几十年间，通过对活动的及古老的火山系统的地质、地球化学及地球物理的调查，已建立了一些关于岩浆及热行为的热、化学和动力学的模型。仅仅根据古火山或热液系统的研究，或根据对活动的近地表系统的观测而建立的模型还只是一些假设，在当今技术可以达到范围内进行尽可能深部的科学钻探对这种假设的验证是十分重要的。目前，ICDP资助在夏威夷现代火山进行科学钻探。以下是科学钻探在研究火山系统和热机制方面的四个关键问题：
（1）喷发过程。了解火山系统通过减压及破裂作用而产生的熔岩流动和释放的过程。
（2）侵入过程。了解岩浆注入、结晶、通过二次沸腾而放气，及火山作用与深成作用的转变关系。
（3）岩浆与热流的耦合系统，通过热液储集库研究岩浆和热液系统之间与物质之间的转变。
（4）岩石圈中的岩浆侵位。采取大型火山机制的垂向连续样品，可以获得关于熔岩成分和体积随时间变化的资料，为岩浆成因模型提供新的重要约束。
6.会聚板块边界和碰撞带
会聚板块边界和碰撞带，是陆壳形成和消亡的地带，它是认识地壳演化和大陆动力学的关键。在会聚板块边缘和碰撞带实施科学钻探是用原地观测确定实际物理化学条件随深度的变化以及其他有关的变量的唯一方法。通过连续取样来确定地壳结构，从而可证实和发展会聚板块边界地壳演化的假说。
根据对这类地区提出的科学钻探建议，可将其主要目标归为以下几类：（1）研究和证实活动的俯冲带和增生楔；（2）陆上大型活动逆冲断裂的研究；（3）了解山脉的热历史，重建造山带隆生的构造特征；（4）超高压变质岩的折返机制，这些被认为曾埋藏于比地壳厚度还深的地球深处的岩石为何出露于地球表面。通过钻探研究这些岩片的三维结构及其下伏岩石接触带，将为研究这些岩片的折返机制及陆壳构造理论提供重要依据（见第十讲）。
7.地壳中的流体
了解地壳中流体的物理和化学性质及其分布，以及控制流体迁移的岩石性质是极为重要的，它有助于提高对构造作用、矿床的成因、石油和地热资源的分布、与气体演化有关的爆发性火山喷发机制以及水—岩浆相互作用的认识。同时对确定地壳中饮用水的可用性和补充量，防止自然和人为造成的资源污染都有重要的意义。
研究的主要问题包括：（1）静水压—超高压条件的转换，这是研究地表水向地壳渗透的一个重要因素；（2）脆—韧性流变转换对流体流动的影响；（3）孔隙流体与地震的关系；（4）不同构造—地质环境中饮用水的局限性；（5）岩浆脱气作用、爆发性火山作用和热液矿床的成因；（6）构造变形引发的沉积盆地脱水、成油和流体迁移：（7）中—深地壳孔隙流体对地球物理异常的影响；（8）由俯冲而迁移到地球内的流体再循环作用；（9）应力状态与水文参数、地球化学参数的相互关系；（10）在递进变质过程中，板块内裂隙—充填脉的生长对透水性的限制；（11）地壳内水文状态的周期性变化；（12）大陆壳中热迁移作用的性质。
图9.11 过圣安德烈斯断层的电阻率剖面和第二期大陆科学钻探钻孔设计
用斜孔穿过陡立的断裂带
8.矿床的成因
大量矿床的勘探工作已使我们对矿床的成因有了许多认识。金属物质的运移对所有矿床的形成都是必要的条件。这种运移的媒质主要是水流体，但有些情况要求特殊的流体——岩浆。尽管这一事实已众所周知，但有关矿质运移系统的定量信息知之甚少。这是因为在矿床的勘探中人们的目标只集中于矿化地带而极少设计钻孔去研究确定矿化路径所需的多种地质信息。
因此科学钻探在研究矿床成因方面的主要目标是充分了解重要矿床类型形成过程的关键信息，也就是识别金属物质和水流体的来源，和流体从源区运载金属物质到它最后形成矿床的部位所经过的路径，以及沿着这些运移通道，金属和流体所发生的物理化学作用及其随时间的变化。
9.标定地球物理信息
前一讲已经提到，科学钻探已取得的成就对地表地球物理观测推断的地壳结构提出了挑战。对这一点地球物理学家并不感到惊奇。迄今为止，我们对地球内部的认识多半是建立在地表物理观测资料的反演推断上。地球物理反演存在其固有的多解性。因此，地球物理学家特别强调需要科学钻探来论证其结果。另外一个重要的方面是科学钻探提供了一个新的机会，使地球物理的观测可利用钻孔深入地壳内部进行，这样将极大地提高地球物理观测在认识地球内部物理场特征以及结构的能力。在用科学钻探标定地球物理信息时，特别要注意以下几点：（1）壳内反射的多源性；（2）深变质岩内地震反射体的标定；（3）地壳中良导体的成因；（4）深部地壳的磁化增强问题；（5）地壳的热状态。
大陆科学钻探CCSD-1井
答：大陆科学钻探CCSD-1井,设计井深5000m,0～100m为全面无岩心钻进,100m以深至终孔为全取心钻进。原设计先施工先导孔后再施工主孔,实际施工中由于先导孔的质量符合“二孔合一”的要求,因而在先导孔中用Φ311.1mm扩孔后...
国际科学钻探计划
答：经现场浏览与大会论文摘要搜索,向大会注册的涉及钻探工程应用的论文摘要共311篇,其中308篇是以钻探工程为手段的各地学研究计划与能源、矿产、水资源等项目的地质成果介绍,仅3篇是由中国提交的纯钻探技术成果的摘要。 一、国际科学钻探计划...
亚洲国家实施的最深大陆科学钻井在哪里?
答：位于我国黑龙江省安达市的亚洲最深大陆科学钻井——“松科二井”正式完井，完钻井深7018米。据介绍，“松科二井”工程攻克了超高温钻探和大口径取心等关键技术难题，发现松辽盆地深部在页岩气和地热能两种清洁低碳能源方面，...
中国钻探工程真的入地7018米了吗?
答：7018米深的松科二井，属于我国实施的松辽盆地白垩系国际大陆科学钻探工程，是国际大陆科学钻探计划(ICDP)实施22年以来最深钻井，也是全球首个钻穿白垩纪陆相地层的科学钻探井。这是中国入地工程的一项标志性成就，将为我国地...
超深钻与资源和环境有哪些问题?
答：1.超深钻与地质科学创新发达国家之所以不惜花费巨资如此重视大陆科学钻探，是因为它在地球科学中占有不可替代的地位和作用，它能够解决一些地学中的重大前沿问题，包括地壳中流体的成因和组成及运移规律；岩石和水相互作用、金属...
中国“地壳一号”最深可以达到多少米,有何意义?
答：“地壳一号”是我国吉林大学自主研发设计的万米大陆科学钻机，主要用于松辽盆地国际大陆科学钻探工程。根据理论设计，“地壳一号”能够钻探到地表1万米。2018年，地壳一号正式宣布完成首秀，钻井深度达到了...
亚洲最深科学钻探井完井取得哪些重大突破?
答：5月26日，在黑龙江省安达市，松辽盆地大陆深部科学钻探工程即松科二井超额完成预定目标，胜利完井。松科二井于2014年4月13日开钻，历时4年多时间，完钻井深7018米，成为亚洲国家实施的最深大陆科学钻井和国际大陆科学钻探计...
51年后才终于明白:为何当年苏联挖穿地球的梦想,无法进行下去?
答：科拉深井地钻探工作的停止时间在1994年,这 与当年苏联的解体事件有着密切的关系 。虽然钻探的工作停止了,但是科学家对于钻探的研究依旧进行了十几年, 直到 2008年 时,科拉超深钻孔被金属帽盖住 ,才算是 彻底宣布这项“挖穿地球的活动...
地壳一号的重要意义
答：大陆科学钻探工程在促进中国地球科学理论的发展和地球探测技术水平的提高方面具有十分重要的意义。此外，通过“地壳一号”可完成松辽盆地白垩纪大陆科学钻探工程，开展连续高分辨率陆相沉积记录和温室气候变化研究。 大陆科学钻探工...
结合地球物理的深部钻探是地球科学的大科学设施和望远镜
答：因此，板块构造的假说上升成为一种经过部分验证的学说，而从假说上升为学说的关键是大洋钻探的验证。对更为复杂的大陆动力学问题，尤其是涉及到46×108a大陆岩石圈的演化，大陆科学钻探必定会起关键作用。因此，在制定大陆岩石...
