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我国成功实施亚洲最深大陆科学钻井——

经济日报:掘地七千米,“钻透”白垩纪

来源:经济日报 作者:黄晓芳 发布时间:2018-06-11

大陆科学钻探工程(松科二井)完井暨学术研讨现场会现场。 (资料图片)

7018米!5月26日,我国在松辽盆地实施的全球首个钻穿白垩纪陆相地层钻井——“松科二井”完井,一举成为亚洲国家实施的最深大陆科学钻井

上天入地,人类对于未知世界的探索从未停止。近日完井的“松科二井”成功创造了深部钻探4项世界纪录,这意味着,我国“向地球深部进军”取得了又一重大进展。

在地球深处打孔绝非易事

为更加深入地了解地球内部结构,人类从20世纪60年代起,开始科学钻探,期间遇到了一系列世界难题

凡尔纳著名的科幻小说《地心游记》,描绘了主人公在地心游历的神奇经历。但目前而言,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。

科学钻探始于20世纪60年代,分为大洋钻探和大陆钻探,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。根据钻孔的深度,可分为浅钻(小于2000米)、中深钻(2000米至5000米)、深钻(5000米至8000米)和超深钻(大于8000米)四级。

最早进行大陆钻探的国家是前苏联,全世界最深的钻孔也在前苏联,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,成为目前地球上最深的“地眼”。

但是,由于科拉钻探的科学目标不明确,欧美科学家更喜欢举世闻名的德国KTB深层岩芯项目(1987至1994年)产生的数据。KTB是德国在德国中部进行的大陆科学钻探,重点研究大陆中、下地壳,工程历时近15年,最终孔深达到9101米。来自12个国家的400多位科学家在此执行了200多项地学研究项目。

我国的“松科二井”于2014年4月开钻。中国地质调查局副局长李金发说,“我们最终打到了7018米,穿过了整个白垩纪地层。利用获得的岩心,我国科学家们在全球首次实现了对白垩纪最完整、最连续陆相地层厘米级高分辨率的精细刻画”。

要知道,这绝非易事。往地壳深处钻探,会遇到一系列世界难题。首先,在高温高压的地下环境下,能否确保钻机的配件和电子元件正常工作。其次,在高温高压条件下,井壁岩石容易破碎,会造成井壁垮塌、卡钻等井下事故。此外,地质学家要求自井深2865米至井底连续采取岩心用于研究,这需要保证取出的深部岩心完好无缺。所以,表面上看是打一口井,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。

“松科二井”现场副总指挥朱永宜表示,经过艰难攻关,“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,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。

恐龙时代的旅行

在白垩纪,恐龙曾一度成为地球霸主。而实施“松科二井”的最主要目的,是要探究这一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

作为地质历史中典型温室气候时期的代表,距今6500万年至1.45亿年的白垩纪是地质记录保存最为完整的时期。那个时候,恐龙曾一度成为地球的霸主。

中国科学院院士、“松辽盆地大陆科学钻探工程”首席科学家王成善说,实施“松科二井”的最主要目的,就是要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。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,这些集聚着历史痕迹的数字背后,是那个时代遗留给人们的馈赠。由于松辽盆地的地层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。根据记录可以看出,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。

探索油气资源接替潜力

在松辽盆地深部凹陷带3350米以深地层中,地质学家证实了该地区深部存在有利的页岩气层系,这将为我国在该区域实现深部能源勘查向页岩气勘查拓展,提供重要依据

“松科二井”所在的松辽盆地是当今世界最大的典型陆相沉积盆地之一,也是我国最主要的含油气盆地,保存了白垩纪最完整、最连续的陆相地层。正是在这里,诞生了著名的大庆油田。目前,大庆油田开采的油气资源深度大约在3000米以内。

而此次“松科二井”钻井深度达到7018米,在松辽盆地深部凹陷带3350米以深地层中,地质学家发现了页岩气气测异常43层,累计厚度102米;其中,甲烷占全烃组分平均含量的86%,异常幅度与背景值的平均比值为14.77。由此,完整揭示了深部页岩气资源的潜力,证实了该地区深部存在有利的页岩气层系,将拓展我国深部能源勘查开发的新空间。

专家表示,这将为我国在这一区域实现深部能源勘查向页岩气勘查拓展,提供重要依据。

同时,“松科二井”还首次发现了具备开发条件的盆地型干热岩地层。在井深4400米至7018米,科学家发现了温度150℃至240℃的高温干热岩体以及2层含高放射性元素的异常地层,其热流值为84毫瓦/平方米,展示了松辽盆地具有良好的地热能开发应用潜力。

目前,人类对于干热岩的开发利用主要集中在发电领域——利用干热岩发电技术可大幅降低温室效应和酸雨对环境的影响,且不受季节与气候制约。据科学家们的保守估计,地壳中干热岩(通常指3千米至10千米深处)所蕴含的能量相当于全球所有石油、天然气和煤炭所蕴藏能量的30倍,若能开采出2%,就相当于我国2010年全国一次性能耗总量(32.5亿吨标煤)的5300倍。

同时,“松科二井”项目的推进,建立起我国地层对比的“金柱子”,创建了完整的松辽盆地陆相层标准剖面,为发展我国区域性和全球地层对比研究提供了重要的陆相“标尺”。同时,“松科二井”还建立了松辽盆地演化新模式,揭示了松辽盆地深部地质构造特征,发现了古大洋板块俯冲、聚合的深部证据,构建了盆地早期基底双向汇聚、后期伸展反转的陆地盆地演化新机制,为松辽盆地成因再认识及深层油气勘探提供了理论指导。

人类对地球的探索永无止境。相信在科学家们的不懈努力和探索下,我们未来将会打通更多探秘地球深部的通道,了解更多的地球奥秘。