人類的三大夢想？入地篇：深入地球深部的望遠鏡

在了解科學鑽探--深入地球深部的望遠鏡之前，我們先了解一下地球相關知識。

NO1. 地球由哪些圈層構成？

人類藉助地震波來研究地球的組成，地震波的傳播速度總體上是隨著深度而遞增變化的，但是其中出現了兩個明顯的波速不連續界面，它們是莫霍面和古登堡面，因此地球的內部結構以莫霍面和古登堡面為分界劃分為地殼、地幔、地核三個圈層。

那麼地殼有多厚呢，根據地震波速度測算，大陸地殼平均厚度大約為33公裡，大洋地殼的平均厚度是7公裡，地殼整體平均厚度是17公裡。

內部圈層：地殼、地幔、地核

外部圈層：大氣圈、水圈、生物圈

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NO2. 大洋鑽探的歷史及成就：

科學鑽探的開始——&34;計劃。美國的莫霍面鑽探計劃是世界上第一個科學鑽探計劃。它的目的是要鑽透莫霍面，揭開地殼下面地幔的秘密，實現地學研究的重大突破。

該計劃首先於1961年3-4月在墨西哥西岸瓜達盧佩海灣實施了5口鑽井，最深的井從水深3566米的洋底向下鑽井183米，其中前170米為中新世的沉積物，向下則為玄武巖，這是人類首次從洋底用鑽探方法獲取的玄武巖樣品。但是由於實施該計劃技術難度大且費用高昂，1966年8月美國國會投票否決了對該計劃的撥款預算，計劃宣告終止。該計劃雖然中途夭折，但對於地球科學的發展起了不可估量的作用，它開啟了科學鑽探的先河，證明了實施深海鑽探，獲取洋底的沉積層和基巖樣品在技術上是可行的。

玄武巖

莫霍面鑽探計劃告終後，深海鑽探計劃開始了。該計劃是20世紀60年代中期開始的一項全球性大洋鑽探計劃，是在大洋和深海區進行鑽探，通過獲得的海底巖心樣品和井下測量資料來研究大洋地殼的組成、結構、成因、歷史及其與大陸關係的一項海底地球科學研究計劃。

「格洛瑪·挑戰者」號鑽探船

該計劃取得了豐碩的成果，深海鑽探取得的大批資料彌補了近代地質學在深海地質方面的空白，驗證了海底擴張說和板塊構造學說的基本論點，提供了中生代（2億年）以來古海洋學的第一手資料，極大地推動了海洋地質學的發展，對近代地質理論和實踐做出了卓越的貢獻。

深海鑽探工作開始於1968年，在幾年的時間了，格羅瑪挑戰者號鑽探船在世界各個大洋進行了廣泛的鑽探和取樣。深海鑽探證實，深海沉積物由大洋中脊向兩側由無到有，由薄到厚，深海沉積物最老年齡不大於1.7億年，證明大洋中脊是地幔物質上湧的通道，上升的地幔物質冷凝形成新的洋殼，並推動先形成的洋殼向兩側擴張。

海底擴張

深海鑽探計劃後，人類又實施了大洋鑽探計劃。大洋鑽探計劃(ODP)是1985年至2003年實施的，通過鑽探取得的巖心來研究大洋地殼的組成、結構以及形成演化歷史的國際科學合作鑽探計劃。這是一項通過在大洋底部鑽探以進入地球內部採集洋底沉積物和巖石樣本進行基礎研究的國際合作項目，是深海鑽探計劃(DSDP)的延伸。

1998年春，中國正式加入ODP，成為第一個「參與成員」。我國著名地質學家汪品先院士等提出了大洋鑽探建議書「東亞季風歷史在南海的記錄及其全球氣候影響」，作為ODP第184航次，於1999年春天在南海順利實施。作為中國海的首次大洋鑽探，184航次是根據中國學者的思路、在中國學者主持下、以中國人佔優勢的情況下實現，無疑是我國地球科學界的一大勝利，標誌著我國在這一領域的研究已躋身國際先進行列。

這次深海探測取得如下成果：（1）在不同時間尺度上建立起了西太平洋區迄今為止最佳的深海地層剖面；（2）揭示了氣候周期演變中熱帶碳循環的作用；（3）查明東亞季風演變的深海記錄；（4）為研究南海盆地演化提供了沉積學證據。

綜合大洋鑽探計劃（IODP）是以地球系統科學思想為指導，計劃打穿大洋殼，揭示地震機理，查明深海海底的深部生物圈和天然氣水合物，理解極端氣候和快速氣候變化的過程，為國際學術界構築起新世紀地球系統科學研究的平臺，為實現深海新資源勘探開發、環境預測和防震減災等實際目標服務。它將為我們人類了解海底世界、研究地球變化、勘探各種資源（礦產資源、油氣資源和生物資源等）開闢了一條新途徑。

「地球號」是日本製造的世界最大深海鑽探船。它能夠在大地震發生等區域進行高深度鑽探作業，被稱為「人類歷史上第一艘」多功能科學鑽探船。據報導，「地球號」鑽探船已成功鑽探至海底3260米深度，打破了之前的記錄。

「地球號」鑽探船

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NO3. 大陸科學鑽探的歷史及成就：

A. 科拉超深鑽

科拉超深井是前蘇聯於1970年在科拉半島鄰近挪威國界的地區開始的一項科學鑽探，其中最深的一個鑽孔SG-3達到12，262米，是目前世界上最深的大陸科學鑽探井。

科拉半島超深鑽

科拉超深鑽起於美蘇爭霸。當時，前蘇聯出於與美國競賽和科研的目的挖掘了這口井，是冷戰期間最奇怪的一種競賽。科學家在1970年開始勘探，試圖打敗美國，先探測到莫霍面。

科拉超深鑽於1970年5月24日開鑽，1979年6月鑽進深度達9583米，打破美國記錄；1980年7月，鑽進深度達到10000米；1983年，達到12000米，舉國歡慶近1年，1984年恢復鑽井；1984年9月，鑽進深度達到12066米，但是當時發生了嚴重的事故，5000米鑽杆斷落井下，從12000米開始，每鑽進一米都舉步維艱，到1989年，鑽進深度達12262米時終孔。

B. 德國超深鑽

德國大陸科學鑽探計劃（KTB鑽）位於巴伐利亞州，其目的是通過施工科學超深井獲取地學信息，進行關於地殼較深部位的物理、化學狀態和過程的基礎研究和評價，以了解內陸地殼的結構、成分、動力學和演變。

德國KTB超深鑽

1977年提出，經過10年考察、論證、選址，於1987年9月18日至1989年4月4日完成先導孔（4001米）施工；1990年10月6日至1994年10月12日完成主孔（9101米）施工。

來自12個國家400多位科學家共執行了200多項地學研究項目，弄清了深部巖層中地震反射體的本質，證實地表或淺層進行地震法研究的結果不能用於深部。

對於大陸科學鑽探來說，1996是非常有紀念意義的一年。1996年2月由德國、美國和中國發起成立了「國際大陸科學鑽探計劃（ICDP）」，至今已有近20個國家和團體加入該計劃。

C. 中國大陸科學鑽探的成就：

此後，在ICDP的資助下，中國先後實施了中國東海大陸科學鑽探工程、青海湖科學鑽探工程和松遼盆地科學鑽探工程。

（1）東海科學鑽探1井

中國東海大陸科學鑽探1井是我國第一口大陸科學鑽探井，該項工程的首席科學家是許志琴院士。

中國東海科學鑽探1井地理位置位於江蘇省東海縣，大地構造位置位於蘇魯-大別超高壓變質帶內。蘇魯-大別超高壓變質帶是華北、揚子兩大板塊匯聚、碰撞的產物，是研究大陸動力學的絕佳素材，所以這裡是眾多地質學家關注的焦點、研究的前沿。

鑽探現場--位置--科學家

該工程的總體思路是運用現代鑽探的高新技術，通過連續取芯，原位測試，進行全方位的多學科的三維動態研究。解決板塊會聚邊界的深部動力學及現代地殼作用等關鍵科學問題，建立亞洲第一個地下長期觀測實驗站。目的是揭示大陸板塊匯聚邊界的深部物質的組成與結構；揭示超高壓變質巖的形成與折返的過程與機理；建立結晶巖地區地球物理理論模型和解釋標尺；探索地下的生物圈和水圈。

中國大陸科學鑽探工程於2001年6月開鑽，2005年4月竣工，鑽進深度為5158.48米。

該工程成果十分豐碩，通過對東海科學鑽探1井巖心取樣分析、研究測試，首次在建立高壓-超高壓變質帶上見了由巖性、構造、地球化學、氧同位素、構造變形、礦化、巖石物性、測井、地震VSP、地下流體和微生物等60條剖面組成的系列「金柱子」。

同時，在不同巖性的巖石中發現了「柯世英」、「金剛石」包體，通過研究，地質學家揭示了蘇魯-大別超高壓變質帶的形成機理：認為兩大板塊匯聚碰撞時，揚子板塊俯衝到華北板塊下部，在俯衝過程中，地表的物質、甚至深部物質（如下地殼、上地幔）同樣也捲入了其中，向下運移到地表100公裡以下，在高溫高壓作用下形成超高壓變質礦物，這些礦物而後又折返回地表。從而建立了高壓-超高壓變質帶陸-陸碰撞俯衝折返模式。

（2）「松科2井」

「松科2井」是目前亞洲最深的大陸科學鑽探井，首席科學家是王成善院士。

「松科2井」地理位置位於黑龍江省安達市，構造位置位於松遼盆地，它是全球第一口鑽穿白堊紀陸相地層的大陸科學鑽探井。「松科2井」於2014年開鑽，鑽進深度為7018米。松遼盆地作為研究對象，特點突出，面積大、地層沉積厚度大，是研究白堊紀古環境、古氣候的絕佳場所。

鑽探現場--位置--科學家

截止目前，主要取得了如下進展：

（1）發現松遼盆地深部清潔能源（乾熱巖）具有良好的勘探開發前景，深部具備非常規天然氣資源的開發潛力；

（2）建立了白堊紀重要地質歷史檔案，發現白堊紀氣候變化的主要控制因素，捕捉到白堊紀陸相氣候劇烈波動的重要信息，這對進一步研究和預測未來全球氣候變化意義重大，同時為白堊紀晚期的生物滅絕事件提供了依據。

（3）發現了松遼盆地多次、短期海侵事件的新證據，提出了白堊紀海侵事件是有機質富集和烴源巖形成的重要因素之一的新認識，豐富了白堊紀陸相生油理論。

（4）初步建立完整的松遼盆地陸相地層標準剖面，為開展區域性和全球地層對比研究提供了重要的陸相「標尺」。

（5）揭示了松遼盆地深部地質構造特徵，發現了古大洋板塊俯衝、聚合的深部證據，構建了盆地演化新機制，為松遼盆地成因再認識及深層油氣勘探提供了理論指導。

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NO4. 未來入地工程的發展方向

（1）在地下空間利用方面，利用鑽探、物探、化探、遙感等多種手段，開展地質調查工作，摸清地下信息，給淺部地球做一次體檢，摸清地下的地質情況，為地下空間規劃提供第一手資料。

（2）在拓展找礦空間，保障資源安全方面，目前我國絕大多數礦山的開採範圍在0-1000m，利用深部鑽探、物探、化探、遙感等多種手段，建立深部找礦模型，了解地下1000-3000m範圍內的資源狀況，拓展第二找礦空間也是未來發展的方向。

（3）在地質科學研究方面，繼續實施大於5000m的深部鑽探工程（如東海大陸科學鑽探1井、「松科2井」），解決資源、環境、災害等重大地質科學問題同樣仍然是未來「入地」工程的重點和發展方向。而且任重道遠。

夢想起航