斑岩型铜金矿床是全球铜和金的重要供给来源，近年来，研究人员在多个与碱性岩浆岩相关的斑岩型铜金矿床中发现硫同位素具有时空分带特征，并且该特征与矿体品位变化相对应，这不仅为理解斑岩矿床形成机制提供了新的视角，同时也为找矿勘查提供了新的思路。全球范围而言，斑岩型铜金矿床多与钙碱性岩浆岩有关，然而，硫同位素是否也具有分带特征及其对成矿作用指示意义尚不明确。近期，中国地质科学院矿产资源研究所（以下简称“资源所”）孙嘉副研究员研究团队以西藏多龙矿集区多不杂斑岩型铜金矿床为主，兼顾区内多个矿床开展了系统研究，以此为解决上述科学问题提供新的证据。

研究工作首先根据地质编录与矿物学研究结果，查明了多不杂矿床蚀变矿物组合类型及分布特征，并将成矿作用划分为3个阶段。其中，早阶段与钾硅酸盐化蚀变和青磐岩化蚀变有关，中阶段与绿泥石-绢云母化蚀变有关，晚阶段泥化蚀变局部发育，同时产出大量石英脉、硬石膏脉和黄铁矿脉。通过对比铜金矿体数据，确定成矿作用主要产于钾硅酸盐化蚀变带，而绿泥石-绢云母化蚀变带也有部分矿质沉淀。在此基础上，对上述不同成矿阶段和蚀变的相关脉体开展了硫同位素研究，共采集100余件样品进行系统分析。结果表明不同蚀变类型、成矿阶段的硫化物δ³⁴S值具有明显差异，具体表现为：早阶段钾硅酸盐化蚀变（-4.8‰~-0.4‰）相比青磐岩化蚀变（1.2~4.8‰）具有更低的δ³⁴S值，中阶段绿泥石-绢云母化蚀变（-2.6‰~0.6‰）相比钾硅酸盐化蚀变具有更高δ³⁴S值，晚阶段三类热液脉体δ³⁴S值逐渐升高（-3.1‰~0.5‰，-2‰~0.6‰，-0.7‰~2.3‰）。综合流体包裹体、氧同位素数据和模拟计算推测，硫同位素的分带变化主要与沸腾作用和水岩反应有关，而矿质沉淀则主要由沸腾作用导致的流体降温所引发。此外，硫同位素分带与矿体品位变化对比显示，该矿床矿体富集部位硫化物具有更低的δ³⁴S值（矿体Cu品位＞0.2%，黄铜矿δ³⁴S（‰）＜-1，黄铁矿δ³⁴S（‰）＜0），表明硫同位素对圈定矿化中心具有重要指示意义（图1）。

同时，对多龙矿集区波龙、拿若、拿厅、拿顿和铁格隆南矿床开展的研究指示，硫同位素在矿床范围内也表现出一定的时空变化规律，并可为探讨温度、氧逸度等变化提供佐证。值得注意的是，矿集区内各矿床主要矿化阶段的硫化物均具有较低的δ³⁴S，表明该特征在类似矿床的找矿勘查工作中也可发挥积极的指示作用。

图1. 多不杂斑岩型铜金矿床铜品位分布与硫同位素变化图解

（a.黄铁矿δ³⁴S值；b.黄铜矿δ³⁴S值）

7月7日，国土资源部中国地质调查局在湖北宜昌鄂宜页1井页岩气调查重大突破成果研讨会上透露，中国地质调查局部署实施的鄂宜页1井，在地层形成于约5亿年前的寒武系水井沱组，获得了6.02万立方米/日、无阻流量12.38万立方米/日的高产页岩气流，并首次在形成于约6亿年前震旦系陡山沱组发现页岩气藏——迄今全球发现的最古老地层中的页岩气藏。

这是世界页岩气勘查史上的一个重大突破——在排液仅40分钟，鄂宜页1井就形成高产气流并点火成功。鄂宜页1井，成为我国中扬子地区首次获得页岩气工业气流的参数井，也是迄今世界上在最古老地层中获得页岩气重大发现的参数井。鄂宜页1井，还标志着我国南方老地层的页岩气勘查在中部率先实现了突破。

长江经济带主要油气、页岩气田分布示意图

鄂宜页1井压裂施工现场技术研讨

①半个世纪的梦想终成真 

“鄂宜页1井的突破，圆了中国地质人半个多世纪的梦想。”中国地质调查局武汉地调中心主任姚华舟说完，介绍了地质人在南方寻找油气资源的艰辛历程。

在地质学中，与华北板块相对应的南方大陆叫扬子板块。其中,四川盆地以东的渝东、湖北、湖南及江西的一部分被称为中扬子。新中国成立后，华北板块上的油气勘探突破接踵而至，可扬子板块除了在上扬子的四川盆地内部找到普光、元坝、安岳气田，在四川盆地周缘的川东及川南地区获得页岩气突破外，中、下扬子一直没有大的发现。

怀着找油找气的梦想，自1958年开始，地质人年复一年在中扬子地区深耕细作。但无奈这里地质条件太复杂，总的成藏条件不是太好，油气勘探一直没有大的进展。

“有人形象地把中扬子地区比喻为摔在地上还踹了一脚的玻璃块。”中国地质调查局李四光学者、武汉地调中心油气资源室主任陈孝红说，“中扬子虽然被人们视为一个完整的板块，但其实是被秦岭—大别造山带与江南—雪峰造山带挤成的碎玻璃块。”

“尽管如此，地质人始终没有放弃在中扬子寻找油气资源的梦想。”姚华舟说，在经过半个多世纪的艰苦探索后，地质人对中扬子地区海相层系成藏条件、盆地的构造演化、构造圈闭类型等形成了一系列新认识，认识到黄陵基底等对于区域构造格架的稳定作用。特别是在油气调查类型上，实现了由单一找常规油气向常规油气与非常规油气并重的转变，从而在鄂宜页1井实现了页岩气勘探的重大突破，圆了地质人半个多世纪以来的梦想。

②变顺藤摸瓜为寻根究底 

谈到突破，武汉地调中心鄂宜页1井项目部的刘安、张保民、罗胜元、李海、张国涛、危凯、曾雄伟、李培军等一帮年轻人说，关键就是找矿思路由原来的顺藤摸瓜变为现在的寻根究底。

他们介绍说，常规油气找矿理论可概括为生、储、盖、移4个字，即确定油气生成地层后，再找油气的运移通道和有良好盖层的储存空间。而页岩气则属于生成后原地保存的天然气，不用考虑运移通道因素。

依据这一原理，武汉地调中心在一开始就形成了独具特色的页岩气勘查模式，即在勘查团队组建上，选择与油气资源生成密切相关的地层古生物研究室为主体，再根据工作需要不断引进和补充油气地质研究人员；在研究思路上，坚持从基础地质调查做起，以坚实的地质调查为基础，从一大堆碎玻璃片中找出相对较大的碎玻璃块。

“这个勘查模式更显示了生物生油理论与勘查单位优势学科有机融合的魅力。”姚华舟说。

原来，武汉地调中心自1962年成立后，一直以中扬子地区地层、沉积、构造等基础地质研究为主，以宜昌黄花场“金钉子”剖面、关岭生物群等为代表的地层古生物研究更是在全球享有盛誉。页岩气赋存在富有机质页岩中，而页岩往往富含生物化石，是地层古生物学家的重要研究对象。这些因素无缝对接，为中扬子页岩气勘查新模式的形成创造了条件。

从2007年开始，武汉地调中心承担的《雪峰山西侧地区海相油气地质调查》《中南地区非常规油气形成地质背景与富集条件综合研究》《中南地区页岩气调查评价》《中扬子地区页岩气基础地质调查》等油气、页岩气研究项目硕果频出，和页岩气相关的新认识也逐渐清晰：宜昌地区在寒武纪早期处于台棚过渡相带，富有机质页岩的厚度较大，往往能达到数十米至上百米，页岩富含有机质，生烃条件好；宜昌地区发育古老的结晶基底，在印支期以来的构造运动中相对稳定，地表地质调查和地震剖面解释断裂不发育，页岩气保存条件好；宜昌黄陵古隆起属于继承性古隆起，长期隆起致使寒武系水井沱组页岩的热演化程度相对较低，页岩气形成的时间晚，气体逸散时间相对坳陷区短，有利于页岩气富集；宜昌地区大面积寒武系水井沱组、志留系龙马溪组页岩埋深在1000~3500米，地层倾角一般在10°以下，有利于部署页岩气地质井和参数井……

对这些专业表述，陈孝红用3个比喻进行了解释：宜昌是华南的“根”，基底是30多亿年前的太古代地层；宜昌是生命的“源”，是华南最早的海底多细胞生物分布区，为油气成藏提供了丰富的物质来源；宜昌是恐龙的“家”，侏罗纪和白垩纪地层为油气的保存盖上了厚厚的被子。

“良好的刚性基底、完整的沉积盖层、丰富的烃源岩，使宜昌成为油气成藏的有利地区。”陈孝红说。

在这些新认识指导下，新的勘查模式率先在宜昌开花结果。2015年，武汉地调中心在宜昌点军区车溪和远安县石桥部署了两口页岩气调查井，在中扬子地区寒武纪、志留纪系地层进行页岩气调查。

2016年4月28日，鄂宜页1井正式施工，开启了宜昌地区寒武系页岩气的系统评价。2017年1月22日，在鄂宜页1井评价基础实施侧钻水平井，4月13日进入压裂试气阶段，5月11日，压裂液返排开始。

“排液40分钟时，监测人员抱着试试看的心态将火种伸向排液口，没想到一下就腾起近1米高的火焰。”承担压裂任务的中石化江汉油田页岩气开采服务公司总经理袁发勇说，而且这还是在气液尚未分离、排液孔口径10毫米的情况下实现的。

③创新助推梦想启航 

“鄂宜页1井创造了我国页岩气勘查的多个第一。”中国地质调查局油气咨询专家乔德武兴奋地告诉记者：“第一次在复杂构造区的寒武系老地层中找到高产页岩气工业气流、第一次在中扬子地区采用水平井压裂、第一次在中扬子地区使用国产桥塞……”

“能实现这么多第一，还在于我们贯彻了分工合作、有机整合、成果共享的市场化条件下科技创新机制。”武汉地调中心副主任张旺驰说，这也可以看作是新的勘查模式的一大特色或内容。

在项目实施过程中，武汉地调中心在坚持地质理论、认识创新的同时，还同工程施工单位一起深入研究工程施工中技术工艺的创新。如在直井施工中，武汉地调中心地质人员与核工业216大队技术人员一起，通过技术工艺创新解决了施工中遇到岩性复杂井斜控制难、高演化页岩解气精度不高等难题，使完钻后的鄂宜页1井井眼直，固井质量好，目地层定位准确，为水平井准确入靶和完井作业奠定了良好的基础。

“特别值得称道的是江汉油田页岩气开采服务公司。他们宁可自己经济上吃亏也坚持为地质服务。”张旺驰介绍说，在水平井施工前，页服公司技术人员研究主压裂层的剖面图后发现，页岩层呈北东—南西向以8~10 度的倾角展布，若水平井向北东方向施工，压裂后排放压裂液时就有一定的势能可以利用，既不用再上工程手段增加排液费用，还会节约排液时间降低总体费用。但当地质人员提出下倾角下方的页岩层赋气性更好时，总经理袁发勇当即表示：“朝最好的页岩层打钻，排液不畅就上手段！只要能打出高产气流，我们亏的钱就当是对中扬子油气大突破的贡献！”

地质与设计施工单位融合创新，带来了一系列对中扬子板块油气勘探突破具有现实借鉴意义的成果：

创新地质与工程联合攻关的地调项目工作新模式。坚持以实现产能最大化的地质目标为导向，地质设计与工程施工一体化；强调钻完井工程的目标整体化下各个施工环节工作目标责任制以及无缝对接管理。制定了工程设计和施工过程考核与最终地质目标相结合双重目标责任制考核方法。建立了以地质目标引导过程考核，以过程严格考核促进地质目标实现的目标责任制考核管理方式。

创新低勘探程度地质工程一体化技术。提出了低勘探程度复杂构造条件下“精细描述—技术研究—工程设计—组织实施—综合评价”地质工程一体化技术，集多学科气藏研究、全方位项目管理及钻完井设计施工于一体，攻关形成了适应寒武系页岩储层特征的钻完井一体化工程技术系列。

创新构造复杂区低勘探程度定录导一体化技术。提出了低勘探程度构造复杂区分段分级控制、井震剖面对比—计算—预测—调整地质导向方法，优化设计了变曲率渐增式五段制井眼轨道，优选出精准导向钻具组合和钻进参数，创建了定向+录井+地质导向联合工作模式，形成了构造复杂区低勘探程度定录导一体化技术。

创新复杂地质条件下高位垂比长水平段井壁稳定技术。研制了低温乳化剂、润湿反转剂、降滤失剂，自主研发了低温防垮塌油基钻井液体系，创新提出了全过程井壁稳定预控模式，形成了复杂地质条件下高位垂比长水平段井壁稳定技术，解决了寒武系页岩层长水平段水化失稳难题。

创新常压低温高钙质高应力差页岩储层改造技术。在国内率先提出了常压低温高钙质高应力差页岩储层“主缝+复杂裂缝”改造思路，评价分析了寒武系常压低温页岩储层“六性”特征及其改造效果影响因素，建立了寒武系常压低温页岩储层复杂缝网评价方法及模型，优化了支撑剂组合方式、射孔方式、泵注程序等施工工艺。

创新低温低伤害页岩气压裂液体系。研制了低温破胶剂、减阻剂、稠化剂、助排剂，自主研发了低温低伤害FLICK滑溜水和低温低伤害LOMO胶液体系，有效提高了常压储层压裂液返排率，减少了储层伤害，打破了国外技术垄断。

鄂宜页1井的突破，增添了企业在中扬子的油气勘探信心。现在，中石油已在相邻区块内完成300平方公里的三维地震，并已部署一口评价井；中石化则拟直接利用尚在压裂试气中的鄂宜页2井的资料和经验，在进行充分准备后直接进入开发。

④为了梦想衣带渐宽终不悔 

“鄂宜页1井的突破，离不开项目组全体人员付出的泪水、汗水和心血。”武汉地调中心党委书记胡茂焱动情地说，“为了找到扬子板块油气资源勘探的突破点，为全面突破提供科学理论和实践经验，项目组的同志只得将对家人的愧疚深压在心底。他们无愧于中国地质人的称号！”

这个团队在陈孝红、王传尚的带领下，用一个个创新性成果回报了家人对自己的支持与理解：

以这一项目为平台，陈孝红修订了宜昌地区寒武纪、志留纪地层格架，建立了宜昌地区寒武纪镶边碳酸盐台地边缘沉积相模式和志留纪前陆盆地沉积相模式，发现了寒武系、奥陶系甲烷渗漏证据以及古地理、古环境和古气候变化及其对页岩气储层的制约关系，为页岩气有利区优选、井位部署提出了科学依据。

王传尚提出了宜昌地区页岩气具备多层系立体勘探潜力的认识，为页岩气参数井的部署提供了依据。

刘安通过项目实施查明了寒武系页岩气地质条件，获得了含气性参数，圈出了远景区。通过古流体研究，分析了中扬子重要圈闭构造的油气保存条件，明确了宜昌地区古流体演化过程与页岩气富集的关系。

张保民通过深入研究，精细刻画了宜昌斜坡带寒武系富有机质页岩的发育层位，明确了页岩的古地理分布特点，结合二维地震资料的分析解释，深化了宜昌斜坡带地层、构造以及古地理的认识，圈定了宜昌地区寒武系页岩气有利区。

张国涛在全面收集、整理和分析中扬子地区震旦系和下古生界页岩有机地球化学特征后，编制了中扬子地区震旦系和下古生界各页岩的厚度、有机碳含量、成熟度等有机地化参数等值线图，圈定了中扬子页岩气远景区。

罗胜元通过对中扬子复杂构造区页岩气形成富集机理的系统研究，提出宜昌斜坡区所处的黄陵古隆起对页岩气的形成和聚集有优越控制作用，是寒武系页岩气有利勘探区的认识……

路漫漫其修远兮，吾将上下而求索。项目组成员表示，今后，他们将继续发扬拼搏、奉献、创新的精神，为实现中扬子油气资源的全面突破继续努力。

“陶士先同志是钻探行业知名专家，在国内探矿界具有较高影响力。近年来，该同志作为项目负责人承担了多项地质调查项目和国家地勘基金项目，在冲洗液领域新材料、新技术、新工艺研究方面取得了丰硕的成果。这些成果的转化和应用，在国家地质找矿钻探、新能源和重要矿产资源勘探及科学钻探等工程施工中发挥了重要作用，为解决国家能源、资源、环境、灾害或基础地质问题提供了技术支撑。该同志还组织和参加了大量的野外钻探技术推广、培训和服务工作，对提高地质钻探行业队伍技术水平发挥了重要作用。该同志在主持项目实施过程中，注重年轻科技人员培养，在其带领下已经形成一个理论基础扎实、科研能力强、现场实践经验丰富的专业团队，该团队活跃在国内地质钻探领域，为国家地质找矿钻探、新能源和重要矿产资源勘探及科学钻探等工程施工提供支撑和服务。”这是中国地质调查局北京探矿工程研究所（以下简称“探矿工程所”）对钻井化学研发中心主任、教授级高工陶士先同志作出的评价。

陶士先（中）在泥浆大赛现场

当记者拿到有关陶士先的资料时，看到的是一系列的专业术语和一些生硬的数字，不禁有些懵——这么枯燥的工作，“泥浆、钻探、孔壁失稳、破碎地层”，这是一位女同志从事的工作吗？而且一干就是30多年？是什么信念让她如此执著？而且取得了如此辉煌的成绩？带着一系列问题，记者日前走进了探矿工程所。

错失梦想

1983年，陶士先捧着长春地质学院的录取通知书，来到了这所中国地质人才培养的摇篮。“一不小心掉进了一个陷阱”，按照陶士先的话说，她走进长春地质学院开始大学生活的时候，便错失了这一生要当老师或者医生的梦想。况且，她从报考的“仪器系”被调剂到了“钻探工程专业”，一个班里只有两名女孩子，让这个年轻的女孩子有些傻眼。钻探？难道是每天摸爬滚打在工地打钻吗？这让一个豆蔻芳心的女孩情何以堪？

陶士先（左）现场考察

然而，生活没有回头路，既然踏上了这条路，那就踏踏实实地走吧。没想到，这一走，就走了35年。今天，当陶士先谈到所从事的工作时，却充满了骄傲和幸福：“这个工作很适合女孩子干，做泥浆（钻井液）有很多试验室的工作，女孩子心比较细。而且，我在工作过程中总结了很多经验，给很多地质队讲过课，为地勘单位培养了大批人才，也算是圆了我当老师的梦想吧。”

大学毕业后，她被分配到探矿工程所从事钻井液研究工作。上世纪90年代，地勘经济不景气，地质钻探工作量急剧萎缩，传统服务对象“难觅踪影”。于是，探矿工程所将“船头”转向了石油石化行业。1994年起，陶士先跟随所里步伐，开始做市场，卖泥浆材料，因为有过硬的技术，该所在市场上闯出了一片天地。

解决关键技术难题

“我正儿八经地做地质钻探是2003年以后，当时中国地质调查局给探矿工程所列了一些科研项目。2008年以后，得益于地质找矿的快速发展，地质钻探呈现井喷式增长，我们的科研经费也逐年增多。我们结合地质钻探施工过程中遇到的一些问题开展研究；针对复杂地层，研究一些材料和技术体系，与现场紧密结合起来，为钻探工程提供解决问题的方法和途径。”也就是在这几年，陶士先和她的团队取得了不斐的业绩：

陶士先组织或参与研发的成果已应用于多种金属矿钻探、页岩气钻探、钾盐等盐矿钻探、干热岩钻探及大陆科学钻探等，使用单位达166家，仅项目组参与的在复杂地层中的试验与示范钻孔就达到181个，累计工作量为10余万米，解决了多项关键技术难题；组织实施系列钻探科研项目，研制了多种新型泥浆材料和针对不同勘查区或矿区的冲洗液护壁堵漏技术，开展了大量野外现场技术推广、培训和服务工作。同时，他们的成果也为地学研究及科学研究提供了良好的钻探验证手段。

陶士先授课

——他们研制的成膜护壁冲洗液在河北、甘肃、四川及云南等地的金属矿、页岩气及煤炭孔钻探中应用，解决了炭泥质千枚岩、绿泥石化岩石等行业难点地层的孔壁失稳难题，提高了成孔率、施工效率和取心质量，在多个矿区创造了孔深、成孔率及施工效率的纪录。

——他们研制的饱和盐水、新型镁基及二盐冲洗液，在云南、青海及境外老挝、泰国等钾盐勘探施工中应用，解决了钾盐勘探过程中氯化钠、氯化钾、光卤石、溢晶石等高溶蚀性地层孔壁失稳、取心率低及采用油基钻井液的高成本难题；研制的用现场卤水、海水配制的冲洗液，解决了现场卤水、海水配浆胶体稳定性差、蚀变和破碎地层孔壁失稳、绳索取心钻杆内壁结泥皮等技术难题，在新疆、青海、山东地质找矿钻探及南黄海大陆架科学钻探施工中发挥了重要作用。

——他们研制的耐240℃高温冲洗液解决了高温下冲洗液流变性、护壁性等性能显著恶化等难题，为青海共和高温干热岩钻探提供了良好的技术支撑，其中GR1井井底温度达到236℃，是目前国内温度最高的干热岩井，也是国内少有的温度超过230℃的高温井之一。该科研成果获原国土资源部科技二等奖、中国地质调查局科技一等奖。

——他们研制的MBM使膨润土的使用量降低50%以上，有效避免了膨润土资源的浪费；研制的新型镁基冲洗液、二盐冲洗液替代了油基冲洗液，以及为海上科学钻探设计的环保冲洗液等，预防了油基钻井液等对环境的污染；研制的快速凝胶堵漏技术，提高了恶性漏失的堵漏成功率，大幅度降低了钻探施工过程中水资源和泥浆材料的浪费。

“在钻探过程中会遇到各种各样的地层。比如找钾盐，地层成分以氯化钠为主，我们研制了二盐冲洗液，克服了普通盐水浆抑制不住的难题；再比如打金矿矿井，破碎地层要多一些，地层一块一块的，我们就要往钻井液里面添加东西，把破碎地层的缝隙给填上。做之前我感觉挺困难，但是一个又一个困难被我们克服了，做完之后就觉得没什么了。室内的研究工作也是必不可少的，地质队把岩心给我们，我们要分析它含有什么成分。”

“钻探这个行业，大部分人觉得是男人干的活，其实我觉得泥浆这个工种挺适合女孩子的。因为这里有大量的室内研究工作，很像是中医配药方。现场配泥浆就是根据不同的地质情况作出不同的判断，配出不同的泥浆。这个过程非常有意思，让人不会感到枯燥。”

也许，正是因着对这份事业的热爱，让岁月的年轮没有在她身上留下多少印迹。年逾50的陶士先，依然玉貌花容，明眸皓齿，声音清丽。

推动行业技术进步

多年来，陶士先和她的团队在科技理论创新和技术方法方面做出了突出贡献：针对复杂地层钻进面临的孔壁失稳、冲洗液漏失、低取心率以及复杂地层绳索取心钻探的局限性等难题，组织实施了与冲洗液有关的关键技术攻关，形成了一套适应地质钻探小井眼特点的复杂地层护壁堵漏技术。该技术引领国内地质钻探冲洗液技术的发展，推动了地质钻探冲洗液技术的进步。陶士先出版专著2部（第一作者），获得国家发明专利7项（第一发明人6项）、实用新型专利2项（第一发明人）及国家重点新产品1项，发表论文31篇（第一作者13篇）。

陶士先（前排左）参加项目汇报

近年来，陶士先和她的团队研制了8种新型泥浆材料，如多功能材料（MBM）、防塌减阻剂（GFT）、抗盐增粘剂（GTQ）、成膜A剂、成膜堵漏剂及有机凝胶等。其中，他们研制的具有“方便面”特点的多功能材料（MBM），解决了现场卤水配浆、复杂地层绳索取心钻进、配浆过程复杂等相关技术难题，填补了国内空白，获国家发明专利和2013年度国家级新产品；研制了适应地质钻探，具有较低软化点、较强粘接与封堵特性的防塌减阻剂（GFT），获国家发明专利。上述材料的研究，为推动地质钻探冲洗液技术进步打下了坚实的基础。

他们在分析不同复杂地层孔壁失稳原理的基础上，结合地质钻探小井眼特点，设计了用于不同复杂地层的系列冲洗液体系，如研发了具有高效能水基冲洗液特性的成膜护壁冲洗液，实现了水基冲洗液性能的突破；研发了用于强溶蚀性地层、具有强抑溶作用的镁基及二盐冲洗液，可替代国内外普遍使用的油基冲洗液，是水基冲洗液应用于强溶蚀性地层钻探的一大突破；研发了用于干热岩等高温钻探、耐温200℃～260℃的系列高温冲洗液，获国家授权发明专利4项。

在快速堵漏方面，他们更是做出了突出贡献：研制了适应地质钻探小井眼特点的快速凝胶堵漏技术，首次提出并设计了用于地质钻探的孔口装置，有利于提高堵漏成功率；在国内外首次提交与温度相对应、适应不同深度的快速凝胶堵漏配方表，采用该配方配制的无机凝胶堵漏浆液节省候凝时间30%～70%，有效提高了堵漏作业效率；采用有机凝胶与无机凝胶相结合的方式，大幅度提高了恶性漏失和含水层漏失的堵漏成功率；研制的无机凝胶材料与传统水泥相比，固结后的固结体韧性显著增强，体积无收缩。该成果获国家授权发明专利1项，实用新型专利2项。该项技术为地质钻探提供了新的快速有效的堵漏方法，推动了地质钻探堵漏技术的进步。

拥有广阔市场前景

新技术已为探矿工程所创造了良好的经济效益：自2011年至2015年，他们研制的成果带动的泥浆材料开发及技术服务共创产值5831万元；2016年至2017年，共创造产值2800多万元。同时，施工单位采用成果技术后，钻进速度、成孔率明显提高，事故率显著降低，泥浆排放量、泥浆漏失量大幅度减少，为施工单位节省了大量劳务费用、电力、油料消耗费用及泥浆处理剂费用等，因此也得到了施工单位的高度肯定。

在谈到产业前景及后续人才培养方面的问题，陶士先信心满满。她认为，泥浆产业前景广阔，应用范围非常宽广。现在不仅应用于地质钻，像一些地热、干热岩，矿山治理、矿山救援等方面，也离不开钻井液的应用。

陶士先（左一）在野外现场指导工作

“比如矿山治理工程，我们从2016年开始涉入这个领域。矿山企业在采矿之前对采矿区域进行堵水或加固，通过打羽状井并注浆来实现，前景很好。比如，我们与施工单位合作在河北省邢台市邢东矿做的一个项目，已经打了33个分枝井。邢东矿在开采区下面有一层高压水，可以淹没采矿区，采矿过程中万一发生透水事故，后果不堪设想，损失亦不可估量。于是，在采矿区底部和高压水层之间打了系列水平井，用注水泥浆把裂隙和孔隙都给堵上。这一工程已为探矿工程所增加产值400多万元。”

“我们还参与了山西、陕西等地的矿山救援及煤层顶板加固项目，都取得了显著成效。我们最大的成就感来自于给大家解决问题，问题解决了我们就非常高兴，解决不了也很沮丧。”

在人才培养方面，陶士先说：“地质队的人才还是很缺的。我觉得自己除了搞科研之外，最大的贡献是对地质队的人才培养。我每年大概讲课10几次，有地质队办的培训，有各省地勘局办的培训，也有中国地质大学的课程。泥浆这块内容，基本上都是我讲的，也圆了我当老师的梦想吧。”

“研究所和学校的区别在于，学校注重理论知识的培训，而研究所更注重应用价值，要解决实际问题。所以我们讲课尽可能做到把理论和实践相结合。到地质队讲课，我面对的是钻工，有的人文化水平相对低一些。所以，讲课的内容让他们听懂最重要。记得第一次去现场的时候，我们跟人家说，解决他们现场的问题需要提高密度。结果我走了之后，人家说我们忽悠他。当时我很疑惑，理论上说我讲的内容是对的，为什么说我们忽悠他呢？原来是因为我们讲得太专业。所以，我们也在不断总结，如何提高讲课效果。后来遇到这种情况，我就举例子，比如1个瓶子，装密度是1的500毫升白水，重量是500克；如果装密度是1.3的泥浆的话，重量就是650克。泥浆重了，泥浆对孔壁的压力（或称支撑力）就大了，就压瓷实了。”

交流中，记者感受了陶士先对工作的无限热爱。谈到产业发展前景，陶士先信心心满满：“是呀，这个产业前景非常光明。钻井液应用非常广，不仅应用于打钻，还有基础施工、地热、干热岩、矿山救援等。为什么在地勘经济、矿业经济形势下滑时期，我们依然有饭吃？我和年轻人说，因为这项工作的技术含量比较高。泥浆关系孔内安全、施工效率等方方面面，在整个打钻的过程中，孔内的地质情况以及从孔里返出的泥浆性能会时刻发生变化，影响因素很多，你需要根据实际情况进行判断，拿出科学合理的方法，切切实实地为对方解决问题。所以我说搞这项工作感觉不枯燥，我们有很大的发挥空间。但是这需要扎实的理论基础和实践经验，观察要仔细，还要有准确的判断。”

“一个工作做一生，而且做得如此风生水起、有声有色，是要有坚定的人生信仰吧？”

听到记者的提问，陶士先平静地说：“踏实做事就是我的人生信仰，搞应用技术，哪怕解决一个很小的问题，也是一个进步。”

多年来，陶士先为本单位培养6名专业技术骨干，形成了在国内地勘行业领先的钻探冲洗液科研团队。在组织项目实施过程中，她带领6名年轻科技人员参与项目新材料研制、新型冲洗液体系设计、堵漏技术研究、专著编写及现场试验与示范等，提高了他们的科研工作能力、现场解决问题的能力、科研管理水平及各类报告、专利、论文的编写水平。其中，有两人作为项目组长成功申报了国家青年科学基金项目，两人分别担任地调项目和国家地勘基金项目的副组长，四人活跃在野外施工现场，能够独立提供技术服务。

同时，她为一线施工单位培养了大批冲洗液技术人才，组织项目组人员到现场指导施工人员配制、使用冲洗液和实施堵漏作业100余次，现场培训近2000人次；为中国地质调查局、地质大学、各省地勘局及地质队等举办的钻探技术培训班授课112次，培训1000余人次。通过现场指导及技术交流与培训，她为一线施工单位培养了人才，提高了现场施工人员的专业技术水平。

谈到生活，陶士先更是充满了幸福感。“孩子小的时候都是自己带，虽然工作忙，但是没对家庭造成什么影响。后来出差多了，孩子也大些了。2000年以前，大家都在房山周口店上班。那个时候很艰苦，生活用品都没地方购买。记得当时发了工资，第一个周末单位就开动班车，载上大家进城购物。当时没有高速公路，进城要两个多小时，虽然路途遥远，但是大家都非常快乐。”2000年以后，她搬到城里工作和生活，幸福指数更是成倍增加。

看着她写满幸福的脸，让我想起了上世纪80年代流行的一首歌：甜蜜的工作甜蜜的工作无限好啰喂，甜蜜的歌儿甜蜜的歌儿飞满天啰喂……

在国家自然科学基金项目（编号：41725011, 41572204）及院长基金项目（编号：YYWF201718）等资助下，自然资源部中国地质调查局地质力学研究所张拴宏研究员课题组及其合作团队，在华北克拉通及全球~13.8亿年大火成岩省及黑色页岩沉积成因联系及其对地层断代及古环境意义等方面取得了重要进展。研究成果在2018年11月以“A temporal and causal link between ca. 1380 Ma large igneous provinces and black shales: Implications for the Mesoproterozoic time-scale and paleoenvironment”为题发表在国际知名刊物Geology上（论文链接：https://doi.org/10.1130/G45210.1）。

大火成岩省（large igneous provinces，LIPs）代表了相对较短时期内形成的规模宏大（巨量）的幔源岩浆活动。因为是地质历史上发生的极端地质事件，大火成岩省对全球性大气-海洋环境的巨变及生物灭绝有非常重要的影响。前人研究结果表明，显生宙（即寒武纪以来）大火成岩省与全球大洋缺氧与生物灭绝有明显的对应关系，显生宙国际地质年代表中多个金钉子均与以大火成岩省、黑色页岩及生物灭绝为代表的全球性地质事件相对应，如法门阶底界、二叠-三叠纪界限、托阿尔阶底界及土伦阶底界等。但由于对前寒武纪，特别是“地球中年期”(18~8亿年，“枯燥的10亿年”)大气氧浓度、海洋的氧化-还原状态及生物门类及演化认识的局限，关于前寒武纪大火成岩省与环境的影响及其与黑色页岩沉积的成因联系一直很不清楚。

张拴宏研究员课题组及其合作团队通过对全球哥伦比亚（奴那）超大陆中~13.8亿年全球性大火成岩省及黑色页岩沉积时空分布的研究，发现这些大火成岩省及黑色页岩的分布有明显的规律（图1）。~13.8亿年黑色页岩广泛分布在北美、格陵兰、西伯利亚、波罗地、非洲、南极等大陆上；而同期的黑色页岩在华北及北澳大利亚克拉通广泛分布，在西伯利亚、巴西及印度等克拉通也有分布（图1、图2）。提出了哥伦比亚（奴那）超大陆中这些广泛分布的~13.8亿年黑色页岩可能沉积于连通的大型海相盆地，而不是前人所认为的局部封闭的小盆地。通过~13.8亿年大火成岩省与黑色页岩内火山灰年龄的对比（图3、图4），进一步提出~13.8亿年存在一次与全球性大火成岩省有关的大洋缺氧事件，以此期大火成岩省与黑色页岩为代表的全球性地质事件为中元古代盖层系与延展系提供了精确的界限年龄为1383 Ma。上述研究结果为认识“地球中年期”(“枯燥的10亿年”)大气圈、水圈、生物圈、岩石圈及其协同演化及晚前寒武纪地层断代提供了重要依据及新思路，也挑战了目前国际上流行的Canfield中-新元古代“长期硫化缺氧”的海洋模型及“地球中年期”大气圈、水圈、生物圈、岩石圈静滞演化的概念。另外，由于华北克拉通下马岭组及北澳大利亚Velkerri组黑色页岩均富含页岩气等资源，研究结果对于认识中元古代黑色页岩内油气资源潜力及其成因也有重要意义。

图1 哥伦比亚（奴那）超大陆重建图中13.8亿年大火成岩省及黑色页岩的分布

图2 华北克拉通下马岭组及北澳大利亚克拉通Velkerri组地层柱及对比

图3 下马岭组黑色页岩内火山灰（斑脱岩）夹层

图4 13.8亿年大火成岩省与下马岭组黑色页岩内火山灰年龄对比图

裴荣富（1924.8.24- ）矿床地质与矿产勘查学专家。研究员，博士生导师，中国工程院院士。1948年毕业于北京清华大学，获理学士学位。历任中国地质科学院矿产资源研究所研究员、所长，中国地质学会矿床专业委员会主任，国际矿床成因协会主席，中日、中美科技合作和世界大－超大型矿床成因图及全球成矿项目首席科学家。

他致力矿业工程勘查和科学研究已近60年，在国内外主持五项重大矿产勘查工程和30余矿床地质勘探与矿山开采工程验证对比研究，创新地提出“双控论”和“合理域”固体矿产勘查模型，为指导地质工作做出充分科学论证，并被国际引证。近十多年来，他专攻特大型矿床成矿背景研究，提出“成矿偏在性”和“异常成矿”等新概念，为在全国开展找矿提供理论基础。其成就，除获国家级、部级科学技术进步奖多项和李四光地质科学最高奖外，并以他为首，与多国矿床学家合作执行了国家地质对比计划IGCP-354项目，成果达国际先进水平。因贡献突出，国际矿床成因协会特授他终身荣誉称号。

“随着‘一带一路’倡议的提出，新时代‘丝路矿业开发’也被赋予新的内涵，不仅要重视绿色矿山建设，更要促进沿线发展中国家共同发展，共享繁荣。地质工作合作也随之驶上新线路，促进了有关国家共商、共赢、共享的国际主义。”中国工程院院士裴荣富近日在接受中国矿业报记者专访时就丝路矿业开发侃侃而谈，并提出建立“四元性模型”，即从地质、环境、技术、经济4个方面对矿产资源合理勘查涉及到的定量因素和定性因素进行分析，由此评判矿产资源勘查开发方案的合理性。

如今94岁高龄的裴荣富先生依然精神矍铄，壮心不已，奉献之心如初。如果说每个人的一生都由各个节点串联而成，那么毫无疑问，裴荣富的一生深深地镌刻在了中国矿业工程勘查和科学研究的里程碑上。从清华地质专业到矿产勘探“跑野外”，深造为一名“初显地质天赋”的地质人才，继而逐渐成长为一名中国地质勘探事业的旗帜性人物，最后走向国际地质舞台。“顺势而为”，是他回顾自己学习工作生涯时的最大感受，顺历史之大势，服从国家和民族的选择；“永不止步”，是他一生致力地质事业的不变状态。我们的专访从他正在研究的丝路矿业开发开始。

记者：您如何看待丝绸之路的历史渊源？丝路矿业开发的资源背景情况如何，我国都开展了哪些相关工作？

裴荣富：丝绸之路源于中国，但“路”之名则来自德国地理学家李希霍芬《中国旅行纪》一书。该书记录了公元前114年至公元127年长达两个半世纪的时间，由中国开辟的，正式命名由西安经西域与中亚及印度连接的丝绸贸易之路。该路径跨越100多年的发展，可分为路上和海上。路上又分草原丝路、沙漠丝路和西南丝路。海上则分为东海和南海丝绸之路。草原丝绸之路东起蒙古高原大兴安岭，翻越阿尔泰经准格尔盆地至哈萨克或黑海低地贯通欧亚；沙漠绿洲丝绸之路由长安经河西走廊的敦煌再分南北两路到安息（波斯今伊朗）、大秦（罗马帝国今地中海沿岸）；海上丝绸之路，最初是通往朝鲜、日本，所以被称为东海丝绸之路，继而又通往东南亚，后面的线路被称为南海之路。这些丝路是有关国家经济贸易的通道，也见证了人类文明的发展。

现在我们提出的开发丝绸之路是国家间互通有无，发展现代化经济的必由之路，更是发展中国家实现矿业可持续发展的当代创举。矿产资源是人类赖以生存的重要物质基础，但同时也是一种耗竭性的经济地质体。因成矿机率很小，所以必须通过充分研究，不断提高其认识规律，通过合理勘查、开发和加工转化为矿产品。

丝绸之路的矿业开发应满足有关国家工业发展和百姓生活的需求，目标是保障供给需求平衡，健全政策法规，实施有效的管理与保护措施，大力依靠信息化、智能化，深化认知，采取集约与推动型的资源开发策略，实现环保与经济协调发展。

根据矿床空间分布的不均匀性，全球划分为四大成矿域（劳亚成矿域、特提斯成矿域、环太平洋成矿域、冈瓦纳成矿域）和21个巨型成矿区带，21个巨型成矿带中“一带一路”占据12个成矿带。成矿域是全球I级成矿单元，一般与全球性、跨洲际的大地构造区域相对应，在成矿域内部进一步划分出成矿区带。

我们在世界地质图类委员会（CGMW）主持下完成了“1∶25M全球大-超大矿成矿图”、“1∶25M全球海洋矿产资源图”和“1∶10M亚洲成矿图”，在此基础上，基本掌握了全球四大成矿域、21个巨型成矿带、22个矿种、1285个大-超大矿的成矿规律，并提出全球成矿统一性、不同区域成矿特殊性、大-超大矿成矿偏在性和超巨量金属工业堆积异常性等成矿的新认识，这些都为“一带一路”矿业开发奠定了有利成矿地质资源背景。

加拿大学者最早提出矿床点密集区与成矿，美国学者完成了美国的矿床（点）密集区图，但未公开发表。在此基础上，我们对中国金矿床（点）利用其等密度或等量的参数圈出矿聚区，也称矿汇区。矿汇区包括矿床和矿化点，必须通过矿调来完成。矿调是在区域编图成果基础上对成矿认识的深化，矿调要求单位面积应有一定数量的地质点，包括野外地质槽井和浅钻施工。在矿汇区内选取其中最大密集和最小时限的部位部署整装勘查工作，相关企业应该跟上，同时对接矿产风险勘查基金，有利于实现找矿快速突破。

记者：地质勘查和矿业开发是高投入、高风险，在“一带一路”选取的有利整装勘查区内，如何做到最佳投入产出比？

裴荣富：从地质、环境、技术、经济4个方面对矿产资源合理勘查涉及到的定量因素和定性因素进行分析，建立“四元（地质、环境、技术和经济）性”评价模型，根据得出合理勘查开发指数值，评判矿产资源勘查开发方案的合理性，已经运用该模型检验甲玛铜多金属矿的勘查开发情况，证明甲玛铜多金属矿的勘查开发方案是合理的。

其中，地质因素是指成矿地质条件,按照景、场、相、床四个指标体系急变带为最佳耦合成大矿。

“景”是指宏观的可能成矿的环境和场地要素，通常有利的成矿构造背景为两个地质构造单元交接的边缘带及其地球物理和地球化学显示的各项参数急变带，超大型矿床多产于此类环境中,尤其引人注目。

“场”是指在成矿构造背景下，发生在一定地域的地质、地球化学和地球物理等有利控矿因素的综合汇聚，不是简单的空间场所。

“相”主要研究成矿构造背景和成矿构造聚敛场耦合部位的成矿物理化学条件，包括成矿流体性质和物理化学条件演化（成矿流体来源、性质、金属离子浓度、流体酸碱度、氧逸度、温度、盐度、压力等）和成矿区域的“冷速率-热效应”。

“床”是指矿床样式，包括矿物共生组合、矿石组构、成矿期次、蚀变分带和矿体垂向、侧向变化等。

地质因素主要是研究区域“景”、“场”、“相”、“床”的发育和耦合程度；环境因素是对土壤、地表水、地下水和大气进行污染评估；技术因素主要包括采矿回采率、选矿回收率、综合利用率；经济因素主要是评估矿石的经济价值。

地质、环境、技术、经济这4个因素均按等级进行定量描述，比如，地质因素采用“很好、好、中、差和很差”5个等级，用“5、4、3、2、1”的不同分数分别对5个等级进行定量描述。

记者：如何建立四元性模型，需要开展哪些工作？

裴荣富：四元性模型的建立应开展地质勘查四项科学技术模拟工作。

一是矿产勘查“双控论”与“合理域”的科学技术模拟。“双控论”是指地质与技术经济两项研究指标得到合理保证，最优的地质指标是成矿地质背景、控矿场、成矿流体相和矿床四因素的最佳耦合，技术经济是表达勘查开发技术的可行性。按照两项指标的保证程度评定地质勘查和矿山开发建设是否合理。“合理域”是指技术经济的勘查工作的投入在合理范围内。

二是矿产勘查风险投资决策支持系统的科学技术模拟。根据预查、普查、详查、勘探不同阶段，不同矿床地质复杂程度、工作任务、勘查技术经济条件决策其勘查周期应投入的工作量和时间、投资金额及合理的风险投资比例，这是探矿工作合理投入的准则，也是决策当前探矿权交易和获取风险勘查基金合理投入的科学依据。

三是矿山合理开发年限的科学技术模拟，这是大、中、小型不同规模矿山合理开发年限的模拟，结合矿山生产规模和平均设计服务年限，划分出试产、达产、稳产、萎缩、补偿、闭坑、复垦等不同阶段，评定矿山合理开发、闭坑、矿权投资交易的标准。

四是5R循环经济矿业可持续发展的科学技术模拟，5R原则是指减量化（Reducing）、再利用(Reusing)、再循环(Recycling)、再发现（Rediscovery）和复垦（Reclamation）。任何产业的开发均应追求少投入大回报，地质勘探和矿业开发不确定性因素多，风险大，发现新资源和增加储量，是保证矿业可持续发展的决定因素，复垦直接关系到生态环境，对应5R原则不同阶段均有不同的工作任务。5R循环经济能保证矿产资源再发现的增储，延长矿业开发的补偿期，促使产能、消费和废物等各个环节达到循环充分利用，最大限度提高矿产资源的利用率，真正实现矿业可持续发展，同时保证生态环境修复。

记者：您认为，如何保障丝路矿业开发和绿色矿山建设工作的顺利推进？目前丝路勘查工作的努力方向是什么？

裴荣富：建立复垦保证体系。复垦保证体系是“一带一路”沿线国家矿业开发的核心内容，从宏观层面研究整个矿带的矿山复垦规划，从微观层面制定矿区复垦机制，同时建立复垦保障制度的监督体系，保障复垦工作的顺利进行。开展矿业可持续开发的资源、资产、资本的研究，加强矿业的资本运营。成立丝绸之路矿产风险勘查基金，按照风险投资的科学技术模拟引导企业在矿汇区进行整装勘查，有利于实现快速突破。在丝路勘查工作上，必须扎实开展基础地质工作，加强合作从不同角度联合攻关，通过大量的地质观察、科学实验等工作，进一步深化认知，勇攀科学高峰。

在广东罗定河口开展红土壤野外调查。 卜建军 摄

近日，中国地质调查局地质力学研究所组织相关人员在北京进行下一年度地质调查项目立项论证时，一项有关南方红土的基础地质调查项目引起了人们的关注。那么，广泛分布于我国南方地区的红土有着怎样的地质生态意义？即将推进的地质调查工作，将对开发这类土地资源、解决红色荒漠化等地质环境问题发挥哪些作用？请看地质力学所有关专家的解读——

探寻红土水热、植被、母质条件与水、气、生物、岩石圈层物质循环的关系

“南方红土是我国热带、亚热带以各类岩石和第四纪松散沉积物为母质发育的红色风化壳，也是我国分布最广的第四纪土状堆积之一。它与我国西北地区深厚的黄土—古土壤沉积物相对应，精确记录了第四纪的古气候环境信息。”

地表作用与系统演变基础地质调查工程首席专家、地质力学所研究员胡健民介绍说，“早中更新世以来，在中国南方自秦岭—淮河以南、青藏高原以东广大地区发育红土沉积物，据推测面积达220万平方公里。它们是我国中、低纬度地区受第四纪季风气候影响下形成的特征沉积物，其分布、成因、来源及理化特征与新构造运动的发展、东亚季风系统的建立及第四纪全球气候变化的纬度效应均有着潜在耦合关系。”

比如，南方网纹红土属富铝红色沉积物，呈强酸性，高度风化，主要形成于中更新世—晚更新世早期，经历了长期相对湿热的气候环境。但从沉积物颜色变化、粒度组成、化学成分、孢粉组合等指标看，网纹红土并不是在持续湿热背景下形成的，其间可能经历了相对冷湿或凉干的气候。这样说明中国南方古气候存在多个“沉积—成土—构造”过程的旋回。

可见，红土中隐藏着反映气候周期性变化的“密码”，记录了全球气候变化、青藏高原隆升所引发的季风环流的形成与发展的过程，特别是中更新世全球气候和环境巨变等构造—气候事件，并且可与北方黄土—古土壤序列以及深海沉积记录相对比。

那么，为什么与西北地区的黄土沉积相比，有关南方红土的研究相对薄弱呢？

专家指出，中国南方湿热气候导致的强化学风化作用，使得红土的原始沉积学信息在成土过程中被显著改变。而正是由于红土成因的多元性、物质来源及沉积模式的不确定性，阻碍了科学家对中国南方红土的认识以及对其所含古气候信息的提取，阻碍了对第四纪全球变化及区域气候相应的认识。

地球系统科学是地质调查工作的理论基础。

近年来，地学界已开辟红土成土过程与全球变化研究的新方向，将红土的成土过程与宏观时空变化相结合，探寻红土水热、植被、母质条件与水、气、生物、岩石圈层物质循环的关系，以及红壤物质循环对环境和全球变化的影响。“目前，亟需获得中国南方红土沉积物地球化学信息及有效物源指标，探究南方红土表生风化特征及沉积物的来源，从而认识南方红土蕴含的有关圈层相互关系的地质记录。”胡健民说。

探查红土区生态地质环境演变规律，助力南方红土丘陵区生态脆弱性的改善

自然资源部成立之后，基础地质调查工作正在从支撑矿产资源向自然资源转变。只有查明自然资源的物质基础和空间载体，才能为支撑自然资源管理、经济社会发展、生态文明建设提供基础信息资料和科学决策依据。

“在当前和今后一段时间，基础地质调查工作将着力解决自然资源和生态环境关键基础地质问题，深化多圈层交互作用调查，全面支撑服务自然资源管理和生态文明建设。”胡健民告诉记者，红土分布区涉及多种类型重要生态系统，是生态环境比较脆弱的地方，人地关系矛盾极为突出。

这与红土区地形起伏多变、降水时空不均匀等自然条件和红土自身酸、瘦、黏的性质有着很大关联。加上人类的不合理开发利用，导致中国南方红土生态系统面临着水土流失、土壤酸化、肥力退化、季节性干旱、土壤污染、生物退化、石漠化及土地沙化、耕地面积缩减和系统功能衰减等一系列生态环境问题。

红土区的生态环境脆弱性表现为：土层较薄，肥力贫瘠；人口密度大，人为活动强烈、土地严重过垦，土壤质量下降明显；自然植被破坏严重，雨量多而集中，暴雨强度大，水土流失严重。

资源潜在的生产能力得不到应有的发挥，整个地区农业及经济持续发展必然受到严重影响。

目前，我国对红土的认识尚存在一些不足：一是对红壤肥力的现状及其分布认识的不足；二是对红土质量的评价指标和保护认识不足，评价指标上偏重于土壤化学和物理性质的评价；三是对红土的认识缺乏系统性和整体性，未将其看成一个生态系统。

认识上的不足，也大大限制了人类对红土区自然资源的合理开发和利用。

“因此，我们在明年的地调项目中特地安排了有关南方红土覆盖区的基础地质调查项目，着重对红土与环境变化进行研究。”胡健民说。

地质力学所副研究员傅建利告诉记者，当前国际土壤学围绕环境与农业问题，形成了以研究土壤与环境保护、土地覆被与土地利用、土地评价、土地退化与修复、全球变化与区域治理等重大问题为核心的综合研究趋向。我国也应加强对红土的综合性研究，尤其要关注自然和人为活动影响下红壤生物地球化学循环、红壤丘陵区地表侵蚀速率及其动力学、红壤退化的时空变化和退化机理、土壤温室气体及其源汇领域研究，从而揭示现代生物气候条件和人类活动对红土表层的影响与改变，为现代生态环境恢复奠定基础。

深化对“红土荒漠化”等灾害的认识，服务区域经济发展规划和防灾减灾工作

严重的水土流失还会造成红土覆盖区“红土荒漠化”等地质灾害。

华南红土区具有中亚热带优越的生物气候条件，是我国热带和亚热带经济及粮食作物的重要生产基地。由于该区雨量丰沛但时空分布极不均匀，洪涝与干旱并存，同时坡面分布广泛，加上长期对土地资源的不合理开发与利用，整个地区水土流失十分严重，其严重程度并不亚于黄土区。

据统计，长江流域以南的红土丘陵地区水土流失涉及琼、粤、桂、湘、赣、闽、鄂七省( 区 )，水土流失面积已达 220万平方千米，仅长江上游地区就达35.2万平方千米，水土流失区的土壤流失量高达15.6亿吨。

另据国家林业局统计，我国南方的湿润沙化土地分布面积达到0.88万平方千米，范围包括浙江、福建、江西、湖南、湖北、广东、广西、海南、贵州、云南、四川、重庆等12个省（区、市）的260个县（市、区）。

红土荒漠化是中国南方湿润区水土流失的一种重要形式。如东南沿海及江南丘陵山地区的花岗岩、红色岩系和红土分布区等生态脆弱带出现的土地荒漠化，其基本特征为基岩裸露和生态功能丧失，其中劣地式红层荒漠是通过表土层被流水侵蚀，造成红层基岩或其风化壳斑点状暴露作为开始，进而形成大面积的裸露的红层基岩或密集侵蚀沟的劣地式红色荒漠，俗称“红砂岭”或“牛肝地”。这些地区植被演替脱离湿润区的生态发展轨迹，形成旱生灌丛群落，并最终失去生物生产力，土壤含水量降低，有机质减少直至完全检测不到有机质，变成寸草不生的裸地。

红土荒漠化不仅造成大量的水土流失，而且也存在严重的地质灾害、水资源和水环境以及土地退化等问题，对区内的道路建设与养护、城镇建设、工农业生产和居民区安全也构成隐患。

“严重的水土流失，已严重影响了人民的生存环境，不仅危害人类的健康和生命，也严重影响了人类的生产和生活活动。加深对红土区地质灾害发育规律的认识，不仅能有效服务于区域的防灾减灾工作，而且对于国土资源的合理开发利用、城市建设和区域经济发展规划等提供科学依据。”胡健民表示。

加强现代化地质调查，促进人类对红土区自然资源的合理开发和利用

人地矛盾的解决，依赖于该区基础地质调查资料的支持，特别是对反映地区特点的自然资源和地质环境条件，综合评价地区资源环境承载能力的综合调查。

虽然，之前地质工作者曾对南方红土区进行过基础地质调查等多方面的区域地质工作，对红土区分布区的基岩和构造等基础地质有了清晰的认识，对长江下游流域的红土层的沉积结构和元素地球化学特征及成壤作用过程和古气候记录等也开展了大量研究，但是对于不同红土类型的划分和空间分布及其与之相关的生态环境问题方面的研究仍显不足，无法满足当前区域经济发展和生态文明建设对基础地质调查工作的要求。

自然资源部成立之后，地质调查工作积极拓展工作领域，将开展数量、质量与生态“三位一体”的多门类自然资源综合调查。不仅将针对山水林田湖草共同体，大力加强资源环境承载能力调查评价、监测预警和国土空间适宜性评价，而且将加强地球多圈层交互作用研究，提供地球系统科学解决方案。

傅建利说：“地球表层系统是一个相互作用的耦合系统，红土作为地球表面最表层的地质体，是深、浅部和人类及大气等圈层综合作用的结果。红土的形成演化既受母质基岩岩性控制，又受到气候的影响；同时，红土的发育受地表水圈和人类活动的影响，同时又影响地表水圈的演化和人类的活动。加强对地表红土层为重心的综合调查，深化对红土成因机理的认识，将对科学合理、绿色高效开发利用红土区资源有着重要意义。”

“地质力学所正在组织力量，从统一的生态系统整体角度，针对南方不同类型红土地层记录的热带亚热带地区古气候古环境演变过程、南方红土区水土流失和红色荒漠化等地质灾害发育规律、不同类型红土的理化性质和发育过程对地球表层系统的响应等三个方面开展地质调查和研究，为优化国土空间开发格局、构建可持续的山水林田湖草生态体系提供基础地质图件及科学理论依据。”傅建利介绍说。

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南方红土是我国热带、亚热带以各类岩石和第四纪松散沉积物为母质发育的红色风化壳, 也是我国分布最广的第四纪土状堆积。因此，南方红土大致可以划分为两种类型：一类是以第四纪松散堆积物为母质发育的红色风化壳，另一类是以各种基岩为母质发育的红色风化壳型。

加积型红土是以松散沉积物为母质的红色风化壳，一般称为南方红土，其中分布在长江中下游地区的加积型红土，主要包括网纹红土、下蜀土和成都黏土等。

风化残积型红土以各类基岩为母质发育的红色风化壳也可称为风化残积型红土，主要分布在长江以南地区。按照其母质的分布，大致又分为两个区域，第一个区域以碳酸盐岩为母质发育的风化壳，主要分布在我国西南的云贵高原、四川东部、广西、广东北部、湖南西部及湖北西部的岩溶山区，厚度一般较小；第二个区域以花岗岩、砂岩、变质岩、玄武岩为母质发育的风化壳，主要分布在我国华南的广大区域，厚度不一。

另外，在我国浙江、福建、广东等地的沿海岬湾地区的向岸风岸段台地上断续分布着一种红色、棕红色半胶结的中细砂风成沉积物，经后期风化，这些沉积物的上部呈红色、棕红色甚至出现网纹红土，地质调查中一般泛称这些砂质沉积为“老红砂”。

捷克团队在小南海地下河做示踪试验。翟秀敏 摄

天星岩“T”字大厅主洞地下河下游方向，受洞道崩塌块石的淤塞，因而在崩塌体上游一侧堆积大量砾石。更为奇特的是在崩塌体之上，有水平层理保存完整的古砾石层，说明崩塌体年代较久。 扬·斯洛特克 （捷克） 摄

中外科考队在天星岩主洞和支洞交叉的“T”字大厅合影。扬·斯洛特克 （捷克） 摄

占据全球天坑总数1/4的陕西汉中天坑群，一经发现便引起国内外的广泛关注。

中国地质调查局岩溶地质研究所、中国地质环境监测院、陕西省地质调查院联合开展天坑和洞穴普查，发现典型的天坑和漏斗54个，其中口径大于500米的超级天坑2个、大型天坑7个、常规天坑45个，其他地质遗迹473处。中国科学院院士袁道先一行对汉中进行实地考察后认为，这是在北纬32°～33°范围首次发现的、我国岩溶台原面上发育数量最多的天坑群，这一发现将我国湿润热带—亚热带岩溶地貌区界线显著北移，对中国南北方乃至全球古地理环境及气候变化的对比分析具有重要科学价值。

为了更好地保护和利用汉中天坑群地质遗迹资源，通过岩溶水文地貌系统的深入调查进一步揭示汉中天坑群的演化机理，中国地质调查局于2018年下达了《陕中南岩溶区水文地质环境地质调查》项目，由岩溶所承担，并作为“全球岩溶动力系统资源环境效应”国际大科学计划的组成部分。4月28日~5月9日，岩溶所通过自然资源部第四次邀请捷克科学院地质所和捷克洞穴协会的专家，协助开展了汉中南郑洞穴调查；同时，与陕西省地质调查院、中国地质环境监测院共同组织精兵强将，开展了区域地质、水文地质、地下水示踪、洞穴年龄、第四纪古环境等方面的调查与研究。

中捷联合科学考察新发现

张远海 翟秀敏 陈伟海

这是中国—捷克第四次对汉中天坑群进行联合科学考察。

捷克团队11人共分3组，分别利用地下潜水、橡皮艇漂流、洞穴单绳技术对小南海观音洞地下河系统、天星岩洞穴系统、伯牛坑洞穴系统进行了洞穴探测。中方团队29人，承担了大佛洞洞穴系统、西沟洞洞穴系统的补充探测工作，并就小南海台原地区的洞穴沉积物进行了系统的采样。

此次科考新发现洞道15.3千米，其中天星岩新发现洞道6224米，包括2处溶洞大厅；伯牛坑新发现洞道407米；小南海观音洞新发现洞道1036米，它是大佛洞主要的地下河排泄系统；吊洞新发现洞道584米；新发现大佛洞支洞5547米，探测西沟洞1442米。大佛洞地下河系统新发现洞道超过1000米，并与多个洞穴大厅相连，说明大佛洞洞穴系统发育期次之多，规模之大超于早期认知。

科考团队采集了重砂样品5件，其中洞内3件、地表样2件，为揭示洞内砾石来源和地下水运移途径提供了科学依据；采集岩石标本8件和草测地质剖面4条，以揭示南郑台原地区的天坑、洞穴发育的构造、岩性的控制作用，分析天坑洞穴的成因规律；采集宇生核素石英样品8件，以测定洞内石英的埋藏年龄和洞口石英沉积物的曝露年龄，推理洞穴发育时间和崩塌时间；采集洞穴石笋4根，分析了南郑地区末次冰期DO18事件的区域特殊性，是北半球驱动的特殊响应。

科考团队在伯牛坑投放荧光素钠示踪剂，并于大佛洞地下河出口、观音洞、白水洞、龙王庙洞进行了样品的接收，实验结果将揭示南郑台原地区洞穴系统的排泄途径和地下分水岭情况，为揭示岩溶洞穴、天坑发育提供又一有力证据。

此次科考在陕西最大溶洞大厅发现，地下分水岭成因揭示和天坑演化地貌背景研究等3个方面取得新成果。

——发现陕西最大的溶洞大厅。

2016年5月，第一次中国—捷克联合天坑科考队在汉中市南郑区小南海岩溶台原面西北侧干河沟村发现了天星岩。当时，对天星岩2个消水洞和天星岩漏斗的探测结果是，洞穴长度157米，认为这是一个季节性的消水洞。今年5月1日，科考队再次对消水洞进行勘查，发现150米深处的地下河峡谷，沿地下峡谷1.7千米后，在丁字洞道交叉处发现主洞道，主洞道高大宽敞，沿主洞道行进3.5千米后，发现了长300余米、宽100米的溶洞大厅，而且主洞道仍在延伸。科考团队根据区域地质情况推测，这可能是陕西最大的洞穴大厅。

岩溶所副所长蒋忠诚指出，一般在岩溶发育条件非常好的热带及亚热带低纬度地区才有洞穴大厅。此次发现的长300米长、宽100米的洞穴大厅，相当于十几个足球场的大小，这在亚热带和温带交界地区是少见的。这说明，这里的岩溶发育程度、岩溶动力条件非常好。

——揭示分水岭成因。

在天星岩探测过程中，科考队发现，洞穴走向完成了一个360度的大拐弯，最后向西北侧的白水洞排泄；而在同纬度的小南海岩溶台原面东北侧却是小南海地下河出口。二者间地下分水岭在哪里？岩溶所教授级高级工程师吕勇在经过仔细踏勘后认为，导致天星岩地下河和小南海地下河分水岭的原因是宽缓褶皱的背斜部位，更重要的是石灰岩众多硅质条带夹层的隔水作用。这个认识也解释了天星岩洞道东侧硅质条带上发育的众多瀑布的机理。

——天坑演化地貌背景研究新认识。

过去在进行天坑演化历史的研究中，关注更多的是洞穴沉积物埋藏年龄研究，寻找洞穴古河流堆积物中的石英颗粒。而此次对大佛洞对岸罗汉洞的古地下河沉积物中石英颗粒的研究，转变为对石英暴露年龄的研究，这样一来，就从单纯洞穴演化历史的研究转变为对整个区域环境演化的研究。

今后，岩溶所将在中国地质调查局的指导下，以及陕西省地质调查院的支持和配合下，继续加大投入开展《陕中南岩溶区水文地质环境地质调查》项目，用科学数据证实汉中天坑群的科学价值，进而提升岩溶地貌学、岩溶水文地质学的社会应用价值。

汉中洞穴探险记

张远海

4月底，汉中的雨季尚未完全到来，虽然小南海岩溶台原面龙头山上还残留皑皑白雪，但气候业已回暖，鲜花盛开，正是洞穴调查探险的好季节。我们与来自捷克科学院地质所和捷克洞穴协会的探险家们一起，再次赶赴汉中，开展天坑群联合可科学考察。

洞里淘砂

龙洞，位于小南海台原面中东部，是个出水洞穴。5月5日，我们于午后从小南海镇出发前往龙洞。

车停于洞口下方，我们带上安全帽和头灯，攀援而上。洞口凉风徐徐而来，洞底溪流叮当而出。在入洞50米许，中国地质调查局岩溶所的区域地质调查专家吕勇找到一处回水区，正好是沙砾堆积之处。按照吕勇的指导，我在下游堆一小坝，蓄水淘砂。

淘砂是为了进行重砂分析，寻找它的地表源头。重砂是相对密度较大、物理和化学性质比较稳定的矿物，因其相对密度较大、呈砂状，故名重砂。根据重砂的矿物组合，进行物源识别，从而判定物源方向和物源区的大致位置。

吕勇熟练地利用淘砂盆的角度首先将黏土淘洗出去，然后将大颗粒的砾石扔掉，很多遍之后，黑色的粉末状物质浮现出来。这就是重砂。后来我们又在溪流上游、洞穴深处又淘了两处重砂样，差不多1千克，装入塑料袋中，编上号，大功告成。

接着，我们赶往大佛洞淘砂。大佛洞在1970年代是兵工厂所在地，如今被开发为旅游洞穴。因为做过工厂，洞中沉积物大部分已荡然无存。因此，寻找样品只能在洞穴深处和洞道高处。

下午的时间所剩不多，我们分为两组分头行动。在距离大佛洞洞口200米东南侧上方、60～70米高处为古佛洞上层洞，2016年在探险过程中发现洞道一侧有古地下河水文边槽，边槽内有古地下河的沙砾堆积。从下层洞到上层的道路为30～40厘米宽的步道，甚是险峻。好在，2016年留下的绳索还在。我抓住绳索，绕右手腕一圈，一步一绕，匍匐上行。步道顶端为乱石堆，越过乱石堆，才至边槽平台。很快采满了一大袋样品，然后背负下洞。

比起上坡，因为负重，脚底反而更稳，加上绳索护身，倒也不觉艰难。

山中寻宝

淘砂只能确定洞内的堆积物从何处来，无法确定沙砾堆积什么时候进入洞穴。要确定沙砾进入洞穴的时间，还要寻找更好的“宝贝”——沙砾堆积物中的石英。

5月6日清晨，我们从小南海镇出发，到罗汉洞寻找石英。

与我一同展开寻宝之旅的是陕西省地质调查院教授级高级工程师张俊良。出发之前，老乡告诉我们寻着养蜂人的小道可以方便地找到洞口。

到达山边，果然看到了一条小道，但并不是养蜂人的羊肠小道。往山上望去，坡度60度以上不仅有浮土，更危险的是碎石，甚至大块石。一旦滚落山下，可能危及谷底的寺庙和香客。

我们小心翼翼地尽量寻着基岩裸露的谷坡上行。上到一半，幸运地在毛竹林中找到了养蜂人的“之”字形小道。从小道穿过竹林，终于可以一窥洞口的风貌，却发现此洞口好像不是与大佛洞相对应的洞口。带着疑问，张俊良给同伴打电话，同时挥舞手中的强光手电，让同伴看看我们所站的位置是否是大佛洞正对的洞口。果不其然，同伴告知，大佛洞正对的洞口在我们所在洞口的右侧。从我们所在的位置向右望去，完全是悬崖峭壁。借助藤蔓的保护，我们决定翻越峭壁。

抓住藤蔓，我们不敢上望，也不敢往下看，每移动一下，都思考数分钟，生怕意外发生。但越是小心，越出问题。有时藤蔓挂住背包的带子，有时缠住背包里露出的鎯头手柄，令人进退不得。只好一只手抓住藤蔓，腾出另一只手解开藤蔓，再继续前行。

越过陡崖，终于到达另一个山坳，洞口就在陡坡上方50米左右的位置。比起峭壁，陡坡因为有许多松动的块石而更难攀援。我跪在陡坡上，寻找着可依附之物，或树根，或兰草，或藤蔓，好不容易上升了20多米，人已气喘吁吁。又前行了20余米，宽大的洞口已近在咫尺。

仔细环视洞口，洞口呈岩屋状，宽50米左右，洞高15~20米，大洞口西侧还有一个小洞，洞口宽3米，洞高2米，洞深5米多，洞壁四周全是石英沙砾沉积，而且沙砾沉积表现明显的韵律层理，粗砂——较大的卵石和砂——细砂——黏土，如此循环反复。

张俊良和我，一边讨论砂砾石形成的地质背景，一边测定砂砾石沉积剖面。我从上至下、从左到右依次取样；张俊良则采集10厘米以上的花岗岩砾石样和砂卵石样，回去左切片样，这样做物源分析更有效果。我采集了大约40多斤的样品，背负下山。

坑底寻洞

天星岩，是小南海台原面西北侧的一个天坑，于2016年中国—捷克联合科考探险时发现。

天星岩天坑坑口直径和深度都接近百米，上部是天坑洞口，底部为一条季节性的消水洞。消水洞平时为干洞，下雨的时候，水会充盈溪沟，满灌洞口。

在消水洞西北方向大约2公里是地下河出口——白水洞；而在消水洞东北方向约3公里也是地下河出口——小南海观音洞。那么，消水洞的水究竟流向何处？为了确定地下水的流向，探险队决定再次对天星岩地下洞穴进行探测。

前三天，主要是安装单绳系统。探测从第四天开始进行。

最开始探测数据显示，洞道往东南延伸，于是大家判断洞道往伯牛坑方向延伸，可能与伯牛坑相连。次日，探测数据显示洞道又转向东北方向，于是大家又推断，洞道往西沟洞方向延伸，可能与西沟洞相通。再探测的数据又显示东南向延伸，大家的推断又回到伯牛坑。每天科考回来，无论多晚，我们都要将数据输入电脑，看看洞道的延伸方向。直到第7日探测，探险队发现了一条宽30米、高50米以上的大洞穴，才明白以前探测的不过是天星岩洞穴系统的一个小支洞。

我是最后一天参加科考的，随行的除了捷克的扬·斯洛特克三人团队外，还有汉中洞穴科考爱好者李辉和余欣。

我们从路边下到季节性河道，然后顺河道走向天坑，首先是个30米的陡坎，然后横向30米，进入第二个40米陡坎，之后一小段横移，下第三个30米陡坎到地下河床。这三个陡坎，正好验证了天星岩天坑的演化历史阶段，从内往外随着河水侵蚀下切，裂点不断后退形成陡坎。

到达地下河床后，洞底并非水平，也是一段一段的小陡坎和跌水、水潭。为了探测安全和方便，探险队安装了多种类型的绳索系统，从辅助的绳结式或扁带式攀登，到独木桥式跨越，锚点贴壁横移、悬空横移，甚至绳索桥，绳索桥和保护绳配套的横移，应有尽有。

3个半小时后，我们终于抵达主洞和支洞交叉的“T”大厅。借助强光手电的光，我们初步估计大厅底的面积有1万平方米左右。我仔细观察洞道形态，主洞完全不同于支洞清晰的溶蚀沟槽、窝穴、流痕等丰富的微形态，主洞洞壁则式清晰可见、深浅相间的微倾斜岩层；与支洞洞底丰富的卵石堆积不同，主洞洞底大部分为黏土堆积和崩塌块石，局部可见河床卵石；与支洞峡谷状洞道不同，主洞洞道为大型廊道状，厅堂状洞道；与支洞倾斜洞底和众多跌水不同，主洞洞底则总体起伏不大，但洞道一侧总是伴随大量的崩塌体和黏土堆积形成的高坡；与支洞地下河占据整个洞底并伴随众多水潭不同，主洞地下河仅在洞道一侧流淌，或左或右，流量为支洞地下河的5倍左右。

我们在洞道高处寻找古地下河沉积物堆积，看看是否能发现石英颗粒。很遗憾，大部分堆积体为黏土，即使发现卵石，其成分大部分为灰岩，个别为砂岩和硅质岩（燧石），没有发现石英颗粒。

我们前行了一段距离，在采集两个重砂样后，算一算返回时间，决定先行撤离。经过连续4个半小时的艰难攀行，才看到洞口透进来微弱的光。

（作者单位：中国地质调查局岩溶地质研究所）

延伸阅读

中捷科学家汉中探险

■ 2016年5月19日～5月31日

中国地质调查局岩溶地质研究所通过国土资源部，邀请以捷克科学院地质研究所副所长迈克·菲利皮博士为领队的捷克科学院岩溶洞穴科学考察队，在陕西汉中南郑县开展了第一次岩溶洞穴科考合作，证实在陕西省汉中市南郑县小南海镇台原上存在天坑，并对其地下河进行了初步勘查。这是首次在我国热带—亚热带岩溶区最北界发现的天坑地质奇观。

随后，岩溶所与中国地质环境监测院、陕西省地质调查院开展密切合作，将天坑理论系统引入地质调查工作，在整个米仓山岩溶台原面展开天坑岩溶地质遗迹调查，更多天坑不断被发现。

■ 2016年10月20日～11月1日

岩溶所组织第二次中国—捷克岩溶洞穴科学考察，对宁强县地洞河地下河系统进入探测，探测长度12千米，为我国北亚热带及其以北最长洞穴。这次科考初步确定地洞河天坑发育的水文地质背景和发育特征方面的独特性；与此同时，组织国内洞穴科考爱好者对镇巴县圈子崖、天玄坑及其附近溶洞进行探测，并对天坑形态进行了系统探测。

■ 2017年4月30日～5月12日

岩溶所组织第三次中国—捷克岩溶洞穴科学考察，对镇巴县风洞系统进行初步探测。

根据以上调查成果，并通过对全球天坑进行对比分析，科考团队确定汉中小南海天坑群和我国西南大石围天坑群为各具特色的两种演化模式，即大石围外源水穿越型岩溶天坑演化模式和小南海内源水窗式岩溶天坑演化模式，同时将天坑类型确定为溶蚀性崩塌天坑和侵蚀性崩塌天坑两种类型。

同时，岩溶所与陕西地质调查院开展合作，确定汉中天坑群的国际地位：汉中天坑群成群出现，数量众多，迄今发现4个天坑群54个天坑，集中分布于陕西汉中4个台原面，占据全球天坑总数的近1/4，举足轻重；汉中天坑群是内源水窗式岩溶天坑演化模式的典型范例。汉中天坑群是全球发育在岩溶台原上的最大天坑群，也是我国北亚热带最大的天坑群。