科学钻探的发展历程

  上天、入地、下海洋,是人类自古以来的三大梦想。自1957年前苏联成功发射了第一颗人造地球卫星以来,人类已对太空进行了无数次成功探索。 人类已经不止一次在月球上留下了脚印,未来若干年,登上火星的梦想也即将实现。/上九天揽月,下五洋捉鳖0已经成为现实。然而比起上天下海,人们对自己生活的地球内部所知甚少。

 

  人们根据地表及近地表的地质研究成果以及地球物理等间接方法提出了一系列学说,也一直幻想着各种可以直接入地进行观察观测的方法。由于坚硬岩石的阻隔,人类对地球内部直接观察困难重重。到目前为止,人们对地球内部的认识大多是通过地球物理等间接方法获得的,这种地表的地球物理遥测只能获得构造影像,对地球深部的推测则存在许多不确定性与/多解性0。 对地球奥秘最直接的探索和对地球物理及实验室取得的数据进行验证,必须深入到地球内部,获取样品及各种信息。科学钻探是获取地球深部物质、了解地球内部信息的最直接、最有效、最可靠的方 法,是地球科学发展的不可缺少的重要基础,对21世纪地球科学和相关科学技术发展具有重要的推动和带动作用,同时也是解决人类社会发展面临的资源、灾害、环境等重大问题的重要途径之一。通过数千米甚至上万米的大陆科学钻探,科学家可以揭示大陆地壳的物质组成与结构构造,校正地球物理方法对地球深部的遥测结果,探索地球深部流体系统、地热结构,监测地震活动,揭示地震发生规律,研究全球气候变化及环境变迁,探索地下微生物的分布及潜育条件,预防环境及地下水污染,有效处理核废料,长期观察地球变化等等,可以解决一系列重大基础科学问题。因此,大陆科学钻探工程被形象地誉为/伸入地球内部的望远镜0。对解决人类社会发展所面临的资源、灾害和环境三大问题都有十分重要的意义,同时也是带动21世纪地球科学和相关科学技术发展的大科学工程。

 

  科学钻探的兴起,始于20世纪中叶(刘广志,2005)。1957年3月,美国国家基金地球科学部的成员WalterMunk提出倡议,利用深海钻探在地壳最薄的地方打穿莫霍面,以研究地球的年龄、地幔的物质组成和内部作用,这就是著名的/莫霍计划0(MoholeProject)。该计划首先于1961年3~4月在墨西哥西岸瓜达卢佩海湾(Guadalupe,Mexico)实施5口钻井,最深的一口从水深3566m的洋底向下钻井183m,其中前170m为中新世的沉积物,向下则为玄武岩,这是人类首次从洋底用钻探方法获取的玄武岩样品。尽管第一期工作取得了史无前例的成果,但由于技术、经费及管理问题,整个计划于1966年终止(汪品先,1994)。

 

  1968年,美国科学基金等机构资助实施了一项意义深远的深海钻探计划(DeepSeaDrillingProject,简称DSDP)。1968年8月,/格洛玛#挑战者0号首航墨西哥,标志着DSDP正式开始。从1968年8月11日开始至1983年11月计划结束,/格洛玛#挑战者0号船共完成了96个航次,钻探站位624个,实际钻井逾千口,累计在海底之下钻进320km,最深海底钻井1741m,共获取岩芯97056m。DSDP是地球科学史上最大规模的国际合作,其结果证实了海底扩张,建立了板块学说,同时导致古海洋学新学科的建立,为地球科学带来了一场革命(汪品先,1994)。 1983年,DSDP计划之后,又开始新一轮的大洋钻探计划(OceanDrillingProgram,简称ODP)。ODP主要由美国科学基金资助,参加国家有澳大利亚、加拿大、中国、中国台湾、韩国、比利时、丹麦、芬兰、希腊、冰岛、爱尔兰、意大利、挪威、葡萄牙、西班牙、瑞典、瑞士、荷兰、土耳其、法国、德国、日本、英国和俄罗斯等(ODPFinaltechnicalReport,2007)。 历经20年的大洋科学钻探(ODP)在地球环境动力学和地球内部动力学等方面取得了一系列重要成果,例如:将深海沉积物中记录的气候变化与理论计算的地球轨道参数的变化联系起来,论证了轨道参数变化在驱动气候变化中的作用;以地球轨道周期为基础的高分辨率地质年代表,开创了地质年代学的新阶段;证实了10年至千年际的洋流循环变化;建立并量化了100Ma来的全球环境变化,发现了全球性瞬时气候事件、全球大洋缺氧事件;发现了气候周期演变中热带碳循环的作用;对夏威夷皇帝海岭的钻探所钻取的沉积物和玄武岩样品的测年研究表明,这些年龄沿着海底火山链或火山脊出现系统的变化,验证了板块构造关于火山链/热点0成因的假说等等(柴育成等,2003)。1998年4月,我国作为/参与成员0正式加入大洋钻探计划。

 

  2003年,建立在DSDP和ODP基础之上、规模更大、参与更加广泛的综合大洋钻探计划(IntegratedOceanDrillingProgram,简称IODP)正 式开始。IODP成立之初,即将目标定在地球系统(地球、海洋与生命)的综合研究。