海洋纪实▏大洋钻探计划的前世今生 - 海洋地质岩心分析

嗜血战神 · 发表于海洋技术专业 2024-4-19 08:44:49

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打一口深井，打穿地壳和地幔的分界面—莫霍面，看看“原位”的地幔究竟长什么样？上个世纪五十年代，美国科学家提出了雄心勃勃的“莫霍计划”。但在付诸实施近十年后，因经费远超预期而夭折，“莫霍钻”最终变成了“乌有钻”。但有心栽花花不开，无心插柳柳成荫。虽然科学家的“莫霍钻”梦想至今仍未实现，但为此而发展起来的大洋钻探技术，却提供了一种新颖直接的“窥探”地球手段，为人们打开了一扇全新的科学研究之门。上个世纪六十年代，美国四大海洋所联合组成“地球深部采样联合海洋研究所”，提出“深海钻探计划”（DSDP）。1968年，“格罗码·挑战者”号大洋钻探船首航墨西哥湾，从此开启了地球科学历史上规模最大的一项国际合作计划。

1966年6月，美国科学基金会指派斯克里普斯海洋研究所筹备开展一项以浅层取样为目的的深海钻探计划(DSDP)，该计划主要是在大洋和深海区进行钻探，通过获得的海底岩心样品和井下测量资料来研究大洋地壳的组成、结构、成因、历史及其与大陆关系的一项海底地球科学研究，是地球科学中规模最大、历时最久的大型国际合作计划，其成果改变了整个地球科学发展的轨迹，始终是国际地球科学创新的前沿。当时主要由“格洛玛·挑战者”号钻探船负责钻探。

1968年8月，“格洛玛·挑战者”（Glomar Challenger）号首航墨西哥，深海钻探计划正式开始。它用五年半的时间完成了三期钻探计划。由于该计划执行以来取得了显著成果，因而苏联、联邦德国、法、英、日等国相继加入，深海钻探计划进入国际合作的新时代，即大洋钻探国际协作阶段（IPOD）。IPOD是深海钻探计划的第四阶段，它继续延用DSDP的航次和编号。该计划于1983年结束。国际大洋钻探计划（ODP，1985～2003）及其前身深海钻探计划（DSDP，1968～1983），是二十世纪地球科学规模最大、历时最久的国际合作研究计划，而我国于1998年才正式加入ODP计划，成为ODP历史上第一个“参与成员”。

“格洛玛·挑战者”号

“格洛玛·挑战者”号船是莱文斯顿造船厂建造，于1968年3月下水，船长121米，型宽19米，型深8米，吃水6.1米，航速12节，船中部竖立着43.3米高的钻井塔，塔顶高出海面61米。该船排水量10500吨，设计最大工作水深6096米，设计最大钻探深度7615米。从1968年 8月11日开始，到1983年11月8日退役为止的15年中，该船共完成96个航次的作业，在世界各大洋的624个钻探地点进行了钻探取样。据统计，到1981年11月的第82航次，该船就钻了932个钻孔，总进尺213412米，回收岩心16801个，岩心总长78024米，单井钻入洋底的最大深度为1741米。1978年“格洛马·挑战者”号钻探船在马里亚纳海沟查林杰海渊创造了当时的世界记录，总钻探深度达7049.5米。

“格洛马·挑战者”号的动力定位和钻孔配置图

深海钻探计划取得的大批资料弥补了近代地质学在深海地质方面的空白，验证了海底扩张说和板块构造说的基本论点，提供了中生代（2亿年）以来古海洋学的第一手资料，极大地推动了海洋地质学的发展，对近代地质理论和实践作出了卓越的贡献。

深海钻探计划完成之后，它的后续任务由大洋钻探计划（Ocean Drilling Program，ODP）完成，该计划从1985年1月开始实施，由美国科学基金会和其他18个参加国共同出资，大洋钻探计划的学术领导机构是JOIDES（地球深部取样海洋研究机构联合体），具体的执行和实施机构是得克萨斯农业与机械大学，哥伦比亚大学的拉蒙特—多尔蒂研究所负责测井工作。大洋钻探计划（ODP）是深海钻探计划（DSDP）的继续。DSDP的编号为1～99航次，ODP则自第100航次起编号。

乔迪斯·决心号

ODP主要使用的是用乔迪斯·决心号（JOIDES Resolution）大洋钻探船，该船建造于1978年，原名为“Sedco/BP 471号”，是美国Sedco公司和英国石油公司所属的一艘石油勘探船。后改装供大洋钻探计划使用，船长143米，宽 21米，钻塔高61米，排水量16862吨，自持力75天，载员119人，其中59名科考人员，钻探能力9510米，钻探最大水深8235米。随船携带了直径127毫米和140毫米钻杆9150米。决心号钻探船比“格洛玛·挑战者”号钻探船的装备条件和技术能力要强得多，具有先进的动力定位系统、重返钻孔技术和升沉补偿系统，可在暴风巨浪条件下进行钻探作业。船上有7层共1400平方米实验室，配备电子扫描显微镜、X射线荧光计、X射线衍射计、气相色谱仪、热解分析仪等诸多先进仪器，可供沉积学、岩石学、古生物学、地球化学、地球物理、古地磁等海洋地质学各学科的分析、测试和实验。乔迪斯·决心号从1985年开始成为大洋钻探计划专属钻探船，到2003年9月共实施了111个航次(第100航次到第210航次)的调查，行程355781海里，足迹遍布全球各大洋，在669个站位钻了1797个钻孔，取心总数为35772个(取心长度总和35772米)。2004年，大洋钻探计划为综合大洋钻探计划所取代，乔迪斯·决心号继续为综合大洋钻探计划服役至今。但决心号采用“非立管型”钻探，进尺一般在1500米以内，不能在有油气显示的海区钻探以防井喷。

决心号船体中部的月池和钻探系统

决心号上的机舱集控室

决心号尾部的直升机起降平台正在起降直升机

决心号上的实验室

大洋钻探计划于2004年转入综合大洋钻探计划（Integrated Ocean Drilling Program, 缩写为IODP）的新阶段。目前，共有26个国家参与其中，包括美国、日本、欧洲18国、中国、巴西、印度、韩国、澳大利亚和新西兰等，一半以上的资金来自美国。综合大洋钻探计划的规模和目标更为扩展，其以地球系统科学思想为指导，计划打穿大洋壳，揭示地震机理，查明深部生物圈和天然气水合物，理解极端气候和快速气候变化的过程，为国际学术界构筑起新世纪地球系统科学研究的平台；同时为深海新资源勘探开发，环境预测和防震减灾等实际目标服务。钻探船由ODP 时的一艘增加到两艘以上，钻探范围扩大到全球所有海区(包括陆架浅海和极地海区)，研究领域从地球科学扩大到生命科学，手段从钻探扩大到了海底深部观测网和井下试验。

20世纪80年代后期，日本对参与大洋钻探计划后取得成果做评估并做出了高度评价。为了进一步取得更多成果，获得更大的主动权，1990年，日本政府科学会议批准了新建大洋钻探船计划，随后以日本海洋科学技术中心（JAMSTEC）为首的相关部门在引进国外技术的基础上开始研发钻井系统，1999年开始初步设计，2001年4月25日该船在三井造船玉野造船厂开工，2002年1月18日下水，正式命名为地球号（Chikyū），教母为日本公主纪宫清子，随后进行码头舾装，后来转至三菱重工长崎造船厂安装由三菱重工建造的钻井系统。2005年7月29日完工交船。建造费用650亿日元(约39亿人民币)，每年的运行费用为100亿日元（约6亿人民币）。

地球号

该船船长210米，型宽38米，型深16.2米，吃水9.2米，排水量57087吨，载员150人，其中50名科考人员，最大航速12节，续航力14800海里（10节），船首设有直升机起降平台，可用于海上作业时人员轮换，采用电力推进系统，6台主发电机，单机功率5344 kW。采用6台4100kw全回转推进器（3台位于船尾，）和1台2550KW首侧推，在动力定位系统控制下可保证在风速3m/s，波高4.5m，海水流速1.5节的海况下完成钻井作业。其立管型钻井系统位于船体中部，高度为距水线121米，钻头直径可达533毫米，钻探深度可达万米，具备在在水深2500米(将来可达4000米)的海底之下钻探到7000米的能力，可不受海底油气影响。立管型钻探系统使得钻探更加安全、深度更大。但由于船体庞大，也带来成本、运行和管理等诸多问题。船上有2300平方米的实验室，配备了包括CT设备在内的先进仪器，还装备了载人潜水器，ROV等设备。

“地球号”设备布置

地球号上的立管系统

从塔架上俯视甲板，可以看到携带的钻管

地球号上的驾驶室

地球号可以钻探至地幔层，探究地幔流动对板块运动和火山活动的影响；也可钻探海底地震带，设置观测装置，观察研究地震发生机制；也可研究沉积学、岩石学、古生物学、等海洋地质学各学科。地球号的入列使得日本海洋地质学研究水平大大提升。

地球号的首次亮相是在2006上映的电影《日本沉没》中，在电影中，该船以原名登场，和载人深潜器深海6500一起执行了地震带调查并最终和载人深潜器深海2000拯救了日本列岛。日本列岛地质活动频繁，长期以来日本民众对此忧心忡忡，这也许是日本相关部门不惜耗费巨资建设地球号的原因。

《日本沉没》中的地球号和女主角

2006年8月，地球号开始试运行，从11月开始正式执行任务。2007年9月开始，地球号对日本东南部约58公里处的南海海槽地震带执行IODP下“南海地震发生带钻探计划”并于2009年、2011年、2012年、2013年多次执行此项计划以研究海底地震成因。2008年3月，该船的6部全回转推进器中的三部出现质量问题，甚至不能运行。为此日本海洋科学技术中心将三菱重工、三井造船、川崎重工3家建造商告上法庭，要求赔偿约30亿3000万日元。2012年10月4日，双方达成和解，3家建造商赔偿共计约1亿7500万日元。

2012年4月15日地球号开始在宫城县牡鹿半岛外220公里的海域执行任务，帮助探明东日本大地震的发生机制。研究人员向水深6883.5米的海底插入钻头，并向下钻探了856.5米，总的钻探深度达到7740米，创造了新的世界记录。

2013年底，地球号在爱知县附近1000m深海底成功开采出可燃冰，成为世界上首个掌握海底可燃冰开采技术的国家，日本相关机构希望进一步发展相关技术，实现商业化开采。今年5月18日，我国“蓝鲸1号”平台工作于南海神狐海域可燃冰试采成功，标志着我国取得了天然气水合物勘查开发理论、技术、工程、装备的自主创新，实现了历史性突破，是继日本后世界上第二个取得试采成功的国家。

2016年11月，在IODP第370航次中地球号

获取的海底岩石样本

2016年12月，地球号在冲绳海域进行海底热水矿床调查的站位和进尺深度。海底热水矿床由于海底岩浆的热等喷出的锌、铜、金和稀有金属的沉淀而成，日本近海约20年前首次发现海底热水矿床，迄今为止在伊豆和冲绳海域发现了大量分布，据测算总量达7.5亿吨。商业化开采之后可彻底解决日本部分稀有金属的进口问题。

我国于1998年才正式加入ODP计划，成为ODP历史上第一个“参与成员”。我国自1998年加入国际大洋钻探计划以来，已有来自同济大学、中国科学院、北京大学、中国地质大学、中国海洋大学等20多家单位上百位科学家，登上“决心”号参加大洋钻探，促进了我国科学家进入国际深海研究的前沿。1999年春，由中国科学院院士、同济大学海洋地质国家重点实验室汪品先教授设计、主持的184航次，以深海软泥沉积为研究对象，探讨东亚季风气候的演变历史。

汪品先教授1999年2月在决心号上

此航次在南海的南沙和东沙深水区6个站位钻井17口，从水深2000～3300米的海底钻入地下，最深的一口深入海底以下850米，共钻取了5460米的深海岩芯，取得了西太平洋海区最佳的长期沉积记录，发现了气候演变长周期等多种创新成果，使我国一举进入国际深海研究的前沿。

2014年春，“决心”号在南海实施的349航次调查任务，这是综合大洋钻探计划在2013～2023新十年的第一个航次，由同济大学海洋地质国家重点实验室李春峰教授、美国伍兹霍尔海洋研究所林间教授担任首席科学家。该航次以南海深部的玄武岩洋壳为主要研究对象，以揭示南海的形成演变历史。共完成5个站位的取芯，和2个站位的地球物理测井工作，钻探深度共4317米。其中，沉积岩取芯1524米、基底玄武岩取芯78米，获得最大井深1008米，首次获取了南海深海盆的沉积岩和大洋玄武岩岩芯记录。首次获得南海形成年龄的直接证据，发现南海形成过程中有多期次的大规模火山喷发，发现南海深海盆反复变化的沉积历史。

2014年决心号在南海采集到的四种颗石藻球（钙质超微浮游植物的一类）的扫描电镜照片。

2016年5月，同济大学联合中国科学院南海海洋研究所等单位提出的科学钻探建议IODP 878号建议书通过国际评审，并安排为 IODP 367和IODP 368两个航次，于2017年2月8日至6月11日由决心号在南海北部海域执行。这次钻探的任务的科学目标是揭示南海成因，并检验国际上以大西洋为蓝本的海洋形成理论。科学目标将聚焦在南海扩张之前的大陆破裂，计划在南海北部水深三、四千米的深海海底，选取四个站位，往下钻探千余米，钻取南海张裂前夕的基底岩石，揭示南海的成因，检验国际上以大西洋为蓝本的“大陆破裂”理论，揭示“海洋盆地怎样形成”的科学之谜。

IODP 367航次首席科学家由中国科学院南海海洋研究所孙珍研究员和美国加州理工学院Joann Stock教授共同担任；IODP 368航次首席科学家由同济大学海洋与地球科学学院翦知湣教授和丹麦地质学会Hans Christian Larsen教授共同担任。除首席科学家外，我国还共有24 位科学家参加第三次南海大洋钻探，每个航次分别为12位。主要来自于同济大学、南京大学、北京大学、中国地质大学、中山大学、国家海洋局第二海洋研究所、中科院南海海洋研究所、深海科学与工程研究所和广州地球化学研究所等单位，代表了我国在南海地质与地球物理研究的最高水平。

南海IODP367航次已完成，孙珍任中方首席科学家，团队由来自中国、美国、法国、意大利、挪威、日本、印度等国家的33位科学家组成，其中中国科学家13位，来自南海海洋所、同济大学、广州地化所、北京大学、中国地质大学（武汉）等单位。4月14日，由我国科学家主导的国际大洋发现计划368航次正式起航。“决心”号大洋钻探船带着来自多个国家的33名科学家，进行为期两个月的科考，以探寻南海海陆变迁之谜。IODP367航次与368航次段均属第三次南海大洋钻探航段，具有同一科学主题，计划在南海北部近4000米水深的海底进行四个站位超千米的大洋深钻取芯研究，聚焦南海扩张之前的大陆破裂，揭示南海陆海变迁之谜。同时，它对研究地震发生机制也有帮助。现在，大洋钻探可以利用海底钻孔放置地震监测设备、进行长期观测，了解地球气候演变的机制；了解南海北部盆地的发育史，可以推测深海石油、天然气水合物的形成机理。

368航次的中外科学家合影

368航次钻取到的沉积岩芯

观测岩芯

做为IODP的成员国，我国每年缴纳100万美金会费，对于我国主导的航次，还需承担更多费用，例如2014年的349航次大约出资950万美元。同时我国每年大约2～3个科学家可以登船，有机会获得宝贵了大洋钻探样品。

青岛海洋科学与技术国家实验室依托各理事单位集聚一批科考船、深潜器、水下机器人等重大科研设施，整合各类海洋科研设施和数据资源，打造全国有影响力的海洋资源共享平台。目前该平台内已拥有或在建的世界最先进全球级科考船达到16艘，同时，蛟龙号载人深潜器也是该平台的重要组成部分。目前，海洋国家实验室正在发改委立项世界第三艘大洋钻探船——梦想号，这艘船设计排水量3万吨，能在海底以下钻进10000米，可打穿大洋壳，揭示地震机理，查明深部生物圈和天然气水合物，理解极端气候和快速气候变化的过程，构筑新世纪地球系统科学研究的平台，实现人类探索地幔的梦想，同时为深海新资源勘探开发、环境预测和防震减灾等实际目标服务。大洋钻探船建成后，可实现国际和国内的“一船两用”。1/4时间投入国际大洋钻探计划，围绕国际前沿的海洋科学问题实施钻探；1/4时间用于国内基础研究，实施我国深海科技计划和大型海洋地质调查；1/2时间用于产业部门，执行我国深海油气勘探钻井的各项任务。

青岛海洋科学与技术国家实验室

■资料来源：新华网、中国科学院南海海洋研究所官网、搜狐、青岛新闻网、青海日报、互动百科、Yan说事情等

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