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地下有什么?“挖個(gè)洞看看”

 風(fēng)吟樓 2020-02-09

愛天涯學(xué)地理

人類世世代代生活在地球上,卻對(duì)它知之甚少,自古以來,伴隨著豐富的想象,產(chǎn)生了種種傳說。然而,地下究竟有什么呢,難道真的有土地公公?

當(dāng)然不是!

地球內(nèi)部究竟什么樣?打個(gè)洞看看吧~

大陸科學(xué)鉆探

人類在地球上存在了無數(shù)個(gè)春秋。長期以來,人們?cè)噲D通過各種方法對(duì)地球進(jìn)行探測(cè),但是,由于堅(jiān)硬地殼巖石的阻隔,迄今為止,人類對(duì)地球內(nèi)部仍然知之甚少。

想要對(duì)地球奧秘進(jìn)行最直接的探索,必然是深入地球內(nèi)部獲取樣品及各種信息,因此,作為“深入地球內(nèi)部的望遠(yuǎn)鏡”,大陸科學(xué)鉆探是當(dāng)代地球科學(xué)具有劃時(shí)代意義的大型科學(xué)工程,更是解決當(dāng)前人類面臨的資源、災(zāi)害、環(huán)境三大問題的重要途徑。人類歷史上,最早進(jìn)行大陸科學(xué)鉆探的國家是前蘇聯(lián)。

01

前蘇聯(lián)科拉SG-3超深鉆孔

在二十世紀(jì)六十年代冷戰(zhàn)期間,隨著美蘇太空競(jìng)賽逐步升溫,另一場(chǎng)競(jìng)賽也在悄然展開:向地心進(jìn)軍!蘇聯(lián)的超深鉆井計(jì)劃肩負(fù)著多項(xiàng)任務(wù),不僅要查明大陸地殼深部的性質(zhì)結(jié)構(gòu),還得獲取完整的巖石標(biāo)本供后續(xù)研究。

著名的科拉超深鉆孔就是出自其中編號(hào)為SG-3的鉆孔!

1970年5月24日,在一個(gè)名為科拉的冰冷沙漠地帶上,科拉SG-3超深井——人類第一項(xiàng)大陸科學(xué)鉆探拉開了序幕。

1979年6月井鉆破了之前由美國奧克拉荷馬州超深井保持的9583米的記錄

1983年,科拉超深井已鉆至12066米,科學(xué)家認(rèn)為,那里的巖石十分不穩(wěn)定,高熱力使挖掘工作遭遇阻礙,加之當(dāng)時(shí)又要準(zhǔn)備1984年在莫斯科舉辦的國際地質(zhì)大會(huì),人手不夠,故而項(xiàng)目暫停了。

1984年9月,鉆井繼續(xù),然而,第一次下放就出了事故——鉆柱斷落。鉆井從7000米深重新開始,1990年將至?xí)r新的旁支鉆達(dá)12262米深,鉆柱再次脫落,鉆井也因此而徹底關(guān)閉。

21世紀(jì)初,由于財(cái)政困難及缺乏國家支持,“科拉超深鉆井”項(xiàng)目被決定徹底關(guān)閉。 2008年該井被廢棄,設(shè)備被拆除,地面建筑被破壞。

12262米的深度是個(gè)什么概念呢?——對(duì)地球而言,這不過只是薄薄一層,連地殼都沒有鉆透,如果將地球半徑比作一位2米高的壯漢,那么這個(gè)鉆孔只有不到4毫米深。盡管如此,對(duì)于人類而言,這個(gè)深度,依然是一大壯舉。

02

聯(lián)邦德國KTB鉆探項(xiàng)目

KTB鉆探項(xiàng)目于1985年開始實(shí)施,原設(shè)計(jì)孔深14000米,實(shí)際主孔的終孔孔深9101米,被認(rèn)為是德國地學(xué)界對(duì)揭示中歐地殼奧秘的主要貢獻(xiàn)之一。

與科拉計(jì)劃不同,KTB有兩個(gè)鉆孔——先導(dǎo)孔和主孔。先導(dǎo)孔率先鉆進(jìn)4000米,為主孔積累了經(jīng)驗(yàn),并替主孔采集了4000米以內(nèi)的巖心,減輕了主孔的負(fù)擔(dān),使得主孔最終鉆進(jìn)9101米。

KTB這項(xiàng)綜合性大工程,歷時(shí)近15年,總經(jīng)費(fèi)支出達(dá)5.278億德國馬克,盡管在深度上KTB沒有超過科拉超深鉆井,但卻建立了世界最先進(jìn)的深井長期觀測(cè)系統(tǒng),從科學(xué)上,技術(shù)上均獲得了巨大成就。

03

國際大陸科學(xué)鉆探(ICDP)

ICDP計(jì)劃是在KTB鉆探項(xiàng)目結(jié)束后由德國、美國和中國等國家發(fā)起成立的。

ICDP的主要目標(biāo)是:通過獨(dú)特的科學(xué)鉆探方法,精確地了解地殼成分、結(jié)構(gòu)構(gòu)造和對(duì)地球資源與環(huán)境起著至關(guān)重要作用的各種地質(zhì)過程。

目前,在我國已經(jīng)實(shí)施的項(xiàng)目有3項(xiàng),分別是中國大陸科學(xué)鉆探工程,青海湖鉆探項(xiàng)目和白堊紀(jì)松遼盆地大陸科學(xué)鉆探項(xiàng)目。

中國大陸科學(xué)鉆探工程

中國大陸科學(xué)鉆探工程是國家重大科學(xué)工程,被譽(yù)為中國第一井。

中國大陸科學(xué)鉆探工程是繼前蘇聯(lián)和德國之后

第三個(gè)超過5000米的科學(xué)深鉆

“中國第一井”于2001年6月25日開工,至2005年1月23日鉆達(dá)5118.20米,順利完成了全部取芯施工任務(wù)。該項(xiàng)目在鉆探、測(cè)井、地球物理、分析測(cè)試以及信息技術(shù)等方面取得了豐碩的成果:研發(fā)了一整套獨(dú)具中國特色的硬巖深孔鉆探技術(shù)體系,發(fā)明了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的井底動(dòng)力驅(qū)動(dòng)沖擊回轉(zhuǎn)取芯鉆探技術(shù);開發(fā)了國內(nèi)第一套人機(jī)聯(lián)作巖芯空間歸位、特征參數(shù)提取及統(tǒng)計(jì)功能的成像測(cè)井-巖芯掃描圖像綜合處理系統(tǒng),首次系統(tǒng)分析了超高壓變質(zhì)巖的測(cè)井響應(yīng)特征等。中國大陸科學(xué)鉆探工程的實(shí)施不僅對(duì)我國科學(xué)鉆探工程技術(shù)進(jìn)步有巨大推動(dòng)作用,還推動(dòng)了地學(xué)各領(lǐng)域及交叉領(lǐng)域的相關(guān)技術(shù)的進(jìn)步。

青海湖鉆探項(xiàng)目

青海湖國際環(huán)境鉆探項(xiàng)目是國際大陸鉆探計(jì)劃(ICDP)項(xiàng)目之一,也是中國環(huán)境科學(xué)鉆探計(jì)劃的重要組成部分,是我國唯一的以環(huán)境變化研究為主的大型現(xiàn)代湖泊鉆探。項(xiàng)目的目的是獲取高精度的東亞古環(huán)境記錄,研究區(qū)域的氣候、生態(tài)和構(gòu)造演變及其與其他區(qū)域和全球古氣候變化的關(guān)系,通過鉆孔數(shù)據(jù)取得了喜人的研究成果。

白堊紀(jì)松遼盆地大陸科學(xué)鉆探項(xiàng)目

項(xiàng)目全稱為“白堊紀(jì)松遼盆地大陸科學(xué)鉆探項(xiàng)目——連續(xù)高分辨率陸相沉積記錄與溫室氣候變化”,該項(xiàng)目2009年獲ICDP資助,是繼東海和青海湖大陸科學(xué)鉆探之后獲國際大陸鉆探計(jì)劃支持的第三個(gè)項(xiàng)目。項(xiàng)目的實(shí)施將有助于科學(xué)家進(jìn)一步對(duì)地球歷史上在陸地上發(fā)生的快速氣候變化過程進(jìn)行追蹤,通過對(duì)快速氣候變化的原因、過程及其對(duì)環(huán)境、生物的影響等綜合研究,進(jìn)而洞悉未來全球氣候變化的趨勢(shì)。

近年來,我國科學(xué)鉆探項(xiàng)目蓬勃開展,比如金川科學(xué)鉆孔,騰沖科學(xué)鉆孔,南嶺科學(xué)鉆孔NLSD-1孔等,其中,最受人矚目的,就是汶川地震科鉆,這是我國第一次地震科學(xué)鉆探。

2008年的5月12日14時(shí)28分04秒,8.0級(jí)地震撼動(dòng)四川汶川,在地震中,近7萬人喪生,1.8萬人失蹤,37萬余人受傷。

地震震驚了全世界,同時(shí)也給地質(zhì)學(xué)家提出了新的課題——研究汶川地震的成因、探索地震發(fā)生發(fā)展規(guī)律。因此,國土資源部和中國地震局共同組織實(shí)施了汶川地震斷裂帶科學(xué)鉆探項(xiàng)目。

該項(xiàng)目于2008年10月啟動(dòng),2014年6月結(jié)束。

多年來,該項(xiàng)目開展了地質(zhì)構(gòu)造、地震地質(zhì)、巖石力學(xué)、化學(xué)物理、地震物理、流體作用和流變學(xué)等多學(xué)科研究,取得了多項(xiàng)重要發(fā)現(xiàn),如:(1)揭示了汶川地震斷裂帶特征;(2)發(fā)現(xiàn)了汶川地震主滑移帶;(3)證實(shí)了兩條斷裂帶具有不同的斷裂結(jié)構(gòu)與地殼穩(wěn)定性;(4)揭示了地震斷裂機(jī)制;(5)證實(shí)了斷裂帶的滲透率差異性;(6)世界上首次直接測(cè)量出地震摩擦熱;(7)開展了汶川地震斷裂帶地震摩擦學(xué)實(shí)驗(yàn);(8)揭示了流體與地震的關(guān)系, 可應(yīng)用于地震預(yù)報(bào)預(yù)警和趨勢(shì)分析;(9)重新認(rèn)識(shí)龍門山構(gòu)造格架。

地球內(nèi)部的“三高”問題

咦,地球內(nèi)部也有“三高”~

為什么井不能一口氣鉆到地心呢?因?yàn)榈厍騼?nèi)部有“三高”啊!

——想要鉆一口深井,需要利用強(qiáng)大的機(jī)器鉆透一層又一層堅(jiān)硬的巖石?!霸谶@個(gè)過程中,會(huì)遭遇很多世界級(jí)難題。”——這就是地球內(nèi)部的“三高”問題。

高溫??茖W(xué)家預(yù)計(jì),鉆到地球深處超萬米處,溫度將達(dá)到300攝氏度以上。這意味著,鉆探機(jī)器上所使用的孔底馬達(dá)、震擊器、軸承密封等材料得耐得住這樣的高溫才行??上КF(xiàn)階段很多材料的耐高溫性能還沒這么厲害。

高壓。如果鉆孔深度達(dá)到一萬多米,預(yù)計(jì)井內(nèi)泥漿壓力將達(dá)到175MPa以上,地層壓力將達(dá)到400MPa。而現(xiàn)有很多測(cè)量儀器所能耐受的壓力為140MPa到170MPa之間。更要命的是,在高溫、高壓之下,巖石的物理力學(xué)性質(zhì)會(huì)發(fā)生改變,容易破碎。一旦井壁巖石出現(xiàn)破碎,又會(huì)嚴(yán)重阻礙鉆井施工的順利進(jìn)行。

高地應(yīng)力。所謂地應(yīng)力,是地殼內(nèi)巖石在受到外力而變形時(shí),各部分之間產(chǎn)生相互作用的內(nèi)力。高地應(yīng)力非常容易造成井壁垮塌、卡鉆等井下事故。前蘇聯(lián)的科拉超深井和德國的KTB井在6000米至7000米以下井段施工時(shí),就曾因?yàn)楦叩貞?yīng)力頻頻發(fā)生事故,從而浪費(fèi)了大量時(shí)間和經(jīng)費(fèi)。

探索與發(fā)現(xiàn)

自1970年蘇聯(lián)開展大陸科學(xué)鉆探以來,已有十余個(gè)國家陸續(xù)展開了這項(xiàng)科學(xué)項(xiàng)目,取得的成果超出了地球科學(xué)家的預(yù)想。除地學(xué)研究中關(guān)于地殼組成與結(jié)構(gòu)相關(guān)的專業(yè)發(fā)現(xiàn)外,最讓大眾感到震驚的,是地球內(nèi)部生物的存在

許多科學(xué)深鉆都發(fā)現(xiàn)地下深處存在大量耐溫厭氧的細(xì)菌。從地表向下溫度越來越高,過去人們通常認(rèn)為當(dāng)?shù)販厣叩?00℃,便不可能再有生命的存在。但是在瑞典進(jìn)行的科學(xué)鉆探發(fā)現(xiàn),生物圈的深度能達(dá)到地下4200米深,而溫度約為11O℃。

可以看出,大陸科學(xué)鉆探在拓寬人類的眼界與思維方面獨(dú)具魅力,這種魅力體現(xiàn)在打開了一扇從來未被觸及的大門,改變了人類對(duì)地球內(nèi)部組成和結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)。因此,大陸科學(xué)深鉆與超深鉆一直牽動(dòng)著全世界地球科學(xué)家的神經(jīng),是他們共同關(guān)注的焦點(diǎn),因?yàn)榇箨懣茖W(xué)鉆探的每一次重大發(fā)現(xiàn)都是向傳統(tǒng)地學(xué)理論的挑戰(zhàn),也是對(duì)新地球?qū)W說的召喚。

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