46亿年前，地球诞生了，它内部有地核、地幔、地壳结构（图1），外部有水圈、大气圈和磁场。其内部蕴藏的丰富资源是人类赖以生存的物质基础。然而，地球有它自己的“怪脾气”，如地震、火山和泥石流等。这些“怪脾气”让我们人类损失巨大，也让我们人类望而生畏。从人类诞生之初到今天，科学家们都在尝试各种方法找到地球产生这些“怪脾气”的原因及应对方法，从地球表面到地球深部都在做各种探索和测量工作，特别是对地球内部的探索从来没有停止过，意图解开其中的奥秘。但是由于地球内部岩层、水层、温度、压力等的千变万化，迄今为止，我们人类对地球内部的了解仍知之甚少。2013年，我们国家实施了“松科二井”重大地调科研项目，通过向地下钻进深孔获取地壳岩石实物资料，从地壳内部“挖石”来打开探秘地球深部的通道。“松科二井”科学团队披荆斩棘，书写着我国深部探测的新篇章……

那么，靠什么探秘地球深部的秘密呢？让我们一同来看看“松科二井”科学团队的“十八般兵器”和“独门绝技”。本文从取心钻探工具、取心技术创新、“泥浆”以及取心技术探索等四方面论述“松科二井”是如何打开地球深部秘密的。

图1 地球圈层结构示意图

挖石利器——取心钻探工具

地球内部是一个极不均匀和极复杂的球体，从地壳到地核的岩层、水层、温度、压力等千差万别，想要在它上面钻眼“挖石”并非易事。而对于超过7000米的超深井——“松科二井”来说，难度更大。这是因为“松科二井”在向下钻进的过程中，一要保证钻的井眼不能坍塌和崩裂，二要保证取出的深部岩心完好无缺。要想达到这两个目标，不但需要有先进的钻进方法，而且必须有适合地下各种复杂多变地层的“挖石利器”——取心钻探工具。这种取心钻探工具和匹配的钻头是向地下钻进并抓取岩石的保障（图2）。“松科二井”在钻进过程中，其工作过程为：钻头在最底部通过高速转动不断“咬碎”周围的岩石，把中间的柱状岩石样本送入取心钻具里抓取、携带岩心的内筒，而取心钻具外筒源源不断的将钻进中需要的压力和转速传递给钻头，同时在转动过程中修整井壁，保护内筒。

图2 KT 系列大口径取心钻具

独辟蹊径——取心技术创新

传统的科学钻探中大直径井段是先取心钻进一个小井眼，再用扩孔钻头重新钻进去扩大井眼至设计井眼直径。然而，在科学超深井钻探中面临的挑战是如何在大直径井眼中高效钻进，并且完整地抓取岩心。“松科二井”在钻探过程中取得一系列技术创新，如大直径同径取心、长钻程技术和大直径岩心原状出筒技术等，都为我们国家科学超深井钻探取得了技术上的突破。

先来说说大直径同径取心技术。“松科二井”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，并用国内首创的Φ311mm的大直径同径取心钻探工具直接钻进一个大井眼（图3），一次钻进至设计井眼直径，这样不但省去了传统的“小径取心，大径扩孔”过程中的很多工序，避免了“小井眼到大井眼”钻进中的很多风险，而且节约了大量生产物资，获取的岩心样品实物量是设计的5倍，为地学家们提供了更多极其珍贵的岩心。

图3 Φ311mm大直径取心钻具组装与出井

再来说说长钻程技术。“松科二井”在钻进过程中每次取心钻具装满岩心后需要把井中所有钻具提出，岩心被取出后再把所有钻具下到井里继续钻进。科学家们通过多次试验和技术攻关，实现了长钻程技术的突破，把每次可连续钻进深度（钻程）从10m、20m扩展到30m。在Φ311mm井段一次取心钻进长度（钻程）超过了30m，创造了该领域的世界纪录；而在Φ216mm井段、井深4700m以下一次连续取心钻进长度（钻程）更是达到了41.69m，在更难的Φ152mm超深井段一次连续取心钻进长度（钻程）超过33m，又连续两次刷新了世界纪录（图4）。“松科二井”科学团队所研发的这种长钻程技术大大减少了从井内提出钻杆、下入钻杆的次数，尤其是在井深超过7000m的时候，从井内提出钻杆、下入钻杆一次需要工人36个小时的长时间连续操作，实用价值巨大。因此，长钻程技术的应用不仅减小了工人的劳动强度，压缩了钻井施工周期，而且极大地节约了综合成本，更为以后更深的超深井工程开辟了新技术支撑。

图4 四筒超长取心钻具与单次钻进获取的40m岩心

最后说说大直径岩心原状出筒技术。为了保证大直径岩心出井后能够完整、原状从岩心筒取出，“松科二井”科学团队利用水力出岩心技术与工程现场的液压拆装台架辅助的机械出心技术，保证了4100多米岩心完整、原状出筒，为地学研究提供了一套优质、丰富的岩心实物资料（图5）。

图5 获取的大直径岩心实物

钻井血液——取心钻进中的泥浆

“松科二井”完钻井深达7018m，在超深井向下连续钻进过程中，既要防止上部井眼完好且不坍塌，也要让钻头“咬碎”的岩渣从井底顺利排出，还要保证高速转动的钻头不会因为发热而提前报废，这些都得依靠“泥浆”即钻井液来实现。它就像人的血液一样，在钻眼过程中从地面到井眼最底部不停地循环、净化，传递水动力、冷却并润滑钻具，携带和悬浮岩屑，维护井眼周围井壁的稳定。而且钻井越深，温度越高，钻井液技术难度越大。“松科二井”每往下钻进100米，温度升高3℃~4℃，钻到孔底的时候温度已超过240℃，科学家们通过反复的研究和实验，研发出的新型钻井液配方经受住了井底240℃以上温度的考验，刷新了我国水基钻井液应用最高温度记录（图6）。

图6 钻进过程中泥浆循环流动示意图（黄色箭头表示泥浆流向）

寻找新大陆——取心技术探索

超深井在钻到一定深度的时候会遇到各种困难，比如地球内部温度高、压力大、岩石硬度大、钻眼速度慢等，要想继续向更深的地球内部探索，就必须克服重重困难。科学家们已预想到了这些问题，如在大直径井眼取心钻进中怎么能不把钻杆全部从孔里提出来就可以把岩心全部取上来？在高温地层、坚硬的岩石中怎么能让钻头更高转速去“咬碎”岩石？怎么能在钻眼同时把井眼底下的各种数据直接输送到地面？“松科二井”在实施过程中，科学家们已对大口径绳索取心、涡轮钻取心、井底随钻数据采集与传输等技术做了大量的可行性试验，得到的技术和数据，为今后的万米超深井科学钻探储备了技术力量。

“上天入地”揭开宇宙的神秘面纱，探索地心深处的奥秘，科学钻探“路漫漫其修远兮”，尽管现在我们只钻穿了地球的“皮毛”，但我们相信在科学家们不懈的努力和探索下，通过将来实施的万米科学钻探、超万米科学钻探，定会打开探秘地球深部的通道，那时我们距离地心会越来越近。

北京城市副中心地热两能施工现场。

6月27日上午，习近平总书记主持中央政治局常委会会议，专题听取北京城市总体规划编制工作的汇报，并发表重要讲话。恰好在同一天，北京市地勘局编制的《北京市城市地质科技创新发展规划》正式印发。日前，记者走访了位于西四环地质大厦的北京市地勘局，见到了主抓《规划》编制的该局总工程师郑桂森。

“如果说《北京城市总体规划(2016年-2030年)》最根本的是解决好‘建设一个什么样的首都、怎样建设首都’这个重大问题；那么我们编制的《北京市城市地质科技创新发展规划》则是要解答‘首都建设需要地质工作做哪些事情，北京市地勘局将从哪些方面融入北京治理大城市病、优化城市功能和空间结构布局的行动中’。”郑桂森将一份《北京市城市地质科技创新发展规划》递给记者，开门见山地说。

加强基础研究，为新城镇规划布局、重大工程建设提供高精度地质数据

郑桂森告诉记者，《北京城市总体规划(2016年-2030年)》紧扣“全国政治中心、文化中心、国际交往中心、科技创新中心”的首都城市战略定位，为北京建成“国际一流的和谐宜居之都”的发展目标明确了方向和路径。“显然，地质工作也必须紧紧围绕北京城市规划、建设和管理需求重新布局。”

当前，首都发展有许多全局性、战略性的问题，包括城市副中心建设、北京新机场建设、京津冀协同发展、疏解非首都功能、筹办2022年冬奥会等，都需要地质工作的紧密结合。尤其是城市副中心、新机场、世园会、冬奥会等一系列重大工程建设，要对重点功能区的地质条件适宜性进行综合评价，对影响规划建设的地质灾害要素进行高精度调查，这也使北京的城市地质工作内容和工作方法向多元化、综合性、高精度发展。

据郑桂森介绍，北京市地勘局服务北京建设有着明显的专业优势和深厚的工作基础。近10余年来相继完成了大量生产、科研项目，为北京城市规划、建设、运行、管理安全提供基础地质数据，有力地支持了规划的落实和城市建设。

在基础地质研究方面，建立了第四系地质剖面（琉璃河地区），提出了更新统和上新统地层划分标志；总结了通州地区 50 米以浅岩石地层空间分布规律；开展了磁性地层学研究及磁化率天文旋回调谐在断裂活动性分析和地层划分中的应用；开展了北京地区盆山耦合作用与新构造运动的关系研究，初步分析了西山隆升速率及控盆断裂活动速率变化特征；完成了平原区 1：5 万重力调查工作，获得了高精度、高质量的重力成果数据。

初步建立城市地质工作方法体系，采用高精度、多手段、全要素的区域地质综合评价方法支撑服务重大工程项目，广泛应用于城市副中心、北京新机场、11 个规划新城和 42 个重点小城镇等重大工程建设，地学成果得到了规划、国土资源、建设、环保等部门的高度重视与实际应用。

“也正是因为看到了这些实用性强且意义重大的研究成果，北京市委市政府越来越理解地质工作在城市建设与发展方面的不可或缺、不可替代。”郑桂森高兴地说。

“需求是最大的动力。”郑桂森透露，北京市地勘局将继续深化城市地质理论研究，如：深入开展北京平原区新生代地层研究，建立始新世至全新世地层系列标准剖面；积极开展北京平原形成机制、演化规律研究，加强北京盆地结构、形成机制、演化规律、物质组成及盆山耦合关系研究，提高对北京平原的认知程度；加快松散层三维—多维模型建设研究步伐，以三维地质模型构建为基础，开展松散层三维结构分析。同时，统筹推进基础地质科研、科普基地建设；系统研究城市地质学理论、工作内容、技术手段、标准规范、成果应用、成果服务等，形成城市地质学科；研究制定北京地区城市地质工作标准规范，指导北京城市地质工作，加强城市发展与环境变化响应关系研究，开展地质环境容量指标研究等。

立足城市安全，提高北京市战略性地质资源保障程度

郑桂森告诉记者，随着近年来北京城市发展步伐的加快，各种“大城市病”逐渐显现，资源型和水质型缺水叠加，地面沉降、地裂缝等次生地质灾害日益严重，雾霾天气频现，这就迫切需要加强地下水资源调查评价与恢复治理工作，深入开展地热、浅层地温能开发研究，提高可再生清洁能源利用比重，增强战略性地质资源的保障程度。

城市的发展，地质安全是基础的基础。

郑桂森指着墙上、书架上、办公桌上一摞摞的书籍和一幅幅图纸，向记者简单介绍了北京市地勘局10余年来的努力：

一是重大隐伏活动断裂调查评价。北京市地勘局利用三维地震勘探等技术，对夏垫断裂、黄庄—高丽营断裂、顺义断裂和南口—孙河断裂的上断点位置及活动性进行了精准定位及危险性评价，深化了对北京平原区断裂构造格架的认识。

二是开展地面沉降防控技术研发，编制《北京市地面沉降控制区划（2016-2020）》，为北京市未来五年地面沉降防控工作提供了行动指南。

三是在顺义、昌平等地裂缝高发区开展了一系列地裂缝成因机理研究工作，针对顺义高丽营地裂缝建立监测示范基地，研究表明北京地区典型地裂缝以构造断裂控制、过量抽取地下水诱导为主。对高丽营地裂缝沿线穿过的国家级重要规划园区“未来科技城”进行了专项调查研究，制定合理避让范围，得到了规划、建设部门的高度重视并采纳。

四是开展北京市山区突发地质灾害研究工作，完成了突发地质灾害易发及危险性区划、应急避险路线场地调查等工作。开展泥石流专项防治化学—生态新技术及工程应用研究，发明了新型固化剂，研究出的新型植物生长基质，在示范试验区泥石流治理工程中得到应用并取得了良好的效果。

“下一步，北京市战略性地质资源研究将是我们用科技创新着力推动的一项重点工作。”据郑桂森介绍，主要包括这样几方面：

保障地下水安全。加强地下水超采区调控研究，积极推进地下水资源分层评价工作，统筹地面沉降、水土环境等问题开展多水联合调度—联合供水方案研究，制定城市供水优选方案，提高地下水供给安全保障和生态环境保护能力。

加强地热资源应用。深入开展地热资源形成机理研究，加强对中、深部热流温度、水化学等流体参数的系统分析，制定地热资源开发潜力区划方案。同时，积极推进地热田高效开发与可持续利用研究，加强开发程度较高地热田的数值模拟研发，系统规划地热开采井及回灌井的产业布局，提升地热资源开发利用程度；制定地热资源可持续开发利用规划方案，提高地热资源供暖梯级利用效率，建设地热能综合利用示范基地。

推广浅层地温能。持续开展浅层地温能成因机理研究，研究多种因素影响下浅层地温能成因机理，开展水热耦合数值模拟与系统运行控制的联合模拟研究，推动浅层地温能可持续、高效利用模式创新；组织浅层地温能开发利用方案模拟系统研发，加强浅层地温能高效采集、转化方法技术研究，提升能源使用效率。

关注地下空间开发。开展土地资源质量评价地质指标体系研究，积极推进地下空间资源安全利用预警指标、阈值及探测关键技术研究，建立地下空间适宜性评价体系，充分利用三维数值仿真技术开展地质因素对地下空间影响研究，开展地下空间开发利用防灾减灾关键技术及风险管理研究。

改善人居环境，实现首都地质资源环境承载力预警预报

什么是“和谐宜居”？生态环境是重中之重。

近年来，国家对城市生态环境保护力度不断增加，相继出台了“水十条”“土十条”等政策。“在规划建设前，要求对水土环境质量进行精准评估，并对已污染地区进行修复治理，减少征地拆迁，在保障健康、安全的基础上使土地资源效益最大化，这就需要提高水土高精度调查、修复等方面的技术创新能力，确保首都生态地质环境更美好。”郑桂森说。

此前，北京市地勘局已在地下水同位素关键技术攻关、土壤元素背景值研究等方面取得了一系列成果，特别是在全国率先完成了北京丘陵区1：10万、平原区1：5万、重点地区1：1万专项土壤化学调查，确定了不同工作比例尺的土壤化学背景值等地球化学参数，为土地利用规划提供技术支撑。

“我们还首次开展了地下空间资源地质安全问题研究和地下空间资源调查评价及关键技术研究，创新性地将重力方法应用于城市地下空间探测与监测，提出了利用遥感解译、勘察方法、物探手段和实地验证的城市地下空间开发利用技术方法。”

郑桂森告诉记者，下一步北京市地勘局还将按照《北京市城市地质科技创新发展规划》的要求，开展地质环境指标及容量研究：深入开展对隐伏线性构造、地面沉降、地裂缝、泥石流等地质灾害成因机理、发展趋势等关键技术研究，提高地质灾害实时监测的精度；加强水文地质参数试验研究，针对北京地区孔隙水、岩溶裂隙水和基岩裂隙水等不同含水层水文地质参数开展试验研究工作，切实提高地下水资源评价精度；积极推进岩溶水成因机理研究，积极探索岩溶水动态监测体系；开展水土污染机理研究，充分利用多期监测成果，选择典型场地进行污染治理试点工作，深化污染演化规律认知，开展关键修复技术研究。

“最终，我们的各项研究成果均将体现在对‘首都地质资源环境承载力监测预警系统’的建设和完善中。”

据郑桂森介绍，根据国家建立资源环境承载力监测预警机制的要求，北京市地勘局已率先建设了首都地质资源环境承载力监测预警平台。该监测预警平台以保证城市运行地质安全为核心，以地质演化理论为依据，以高新技术方法手段为依托，建设平面分区、纵向分层的立体监测网，对浅层地表至深层基岩的各项地质因素进行实时监测，分析推演地质演化过程，预测预防风险，为决策部门提供可靠数据，为公众提供地学信息。

“监测预警系统与信息化建设将是个长期的过程。到2020年，基本建成首都地质资源环境承载力监测预警平台，初步建立地质资源环境评价指标体系；到2030年，全面提升监测自动化水平，完善地质因素预警阀值指标体系，查清主要地质因素演化机理，基本实现平台预警预报功能；第三步，到2050年，实现首都地质资源环境承载力预警预报，为城市防灾减灾、安全运行提供全面可靠地学支持。”郑桂森说。

提升科技创新能力，让城市运行更加安全、绿色和智慧

“十三五”时期是北京市率先实现全面建成小康社会奋斗目标的关键时期，是建设“国际一流的和谐宜居之都”的重要时期，随着京津冀协同发展战略实施，城市副中心等重大工程建设开展，对地质工作提出了更高的要求，为科技创新指明了方向。

“科技创新中心是北京市‘四个中心’定位之一。北京市将统筹建设中关村科学城、怀柔科学城和未来科技城，优化中央科技资源布局，打造具有世界影响力的原创科技中心，这就迫切需要我们加快地质科技创新步伐，提高地质行业自主研发水平，融入国家科技创新行列。”郑桂森说。

《北京市城市地质科技创新发展规划》的关键词是“科技创新”，其目标就是：以现代地质学基本原理为依托，以城市建设发展需求为导向，以保障城市地质安全为目标，创新发展城市地质理论、方法和工作体系，全面提高北京市地勘局科技创新能力，为北京创建世界一流科技创新中心贡献力量。

据郑桂森介绍，北京市地勘局将深入研究城市发展地质资源环境承载力，为城市可持续发展提供理论支撑；深入研究城市地质数据采集方法，引领城市地质工作向定量化、精准化、即时化、综合性发展；深入研究地质成果表达方式，实现信息化、知识化、智能化，促进成果转化并惠及社会各层面，建成首都城市地质资源环境承载力监测预警平台；加强科研团队建设，充分利用各种资源，多渠道、多方式培养一批优秀人才；切实提高局履职能力，提高城市运行安全保障程度。

那么，北京市地勘局将在科技创新方面实现哪些目标？

郑桂森告诉记者，该局将在2020年前完成下列工作：一是基本建成首都地质资源环境承载力监测预警平台，涵盖“八个监测预警系统”和地质安全保障信息服务平台，实现多源地质数据的综合分析处理，初步建立地质资源环境评价指标体系；二是建成北京城市副中心地质资源环境承载力监测预警平台，率先实现对重点工程建设区地质数据的分析、预警功能；三是统筹推进浅层地温能国家级重点实验室建设，加强地热、浅层地温能等可再生清洁能源形成机理、高效开发利用等实验研究；四是建设完善水土化验室、北京市生态地质环境修复测试中心，加强水土污染实验研究、风险评价及修复治理实验研究；五是厘定城市地质学概念与内涵，探讨城市地质工作分类，初步建立城市地质工作方法体系，包括调查、监测、评价、模型构建、趋势预测等，形成一部分城市地质工作技术规范标准；六是开展土壤污染修复关键技术研究，依托城市副中心“616工程”项目，开展土壤修复关键技术试验研究；七是创建“互联网+地质”智能地质新格局，加快“e地质”建设步伐，优化提升科普地质品质，提高城市地质工作服务广大市民水平。

“随着城市经济发展，信息化水平不断提高，城市地质工作服务领域更加广阔。无论是建立京津冀地质资源承载力监测预警平台，实现地质数据共享，使城市管理向实时化、信息化、科学化转型，还是借助数字化、网络新媒体，扩大地质成果普及，推进智慧城市建设，我们的地质工作都将做得更多、用得更好。”郑桂森表示。