中國大陸科學(xué)鉆探工程的歷程

  中國大陸科學(xué)鉆探工程是國家重大科學(xué)工程之一，是目前國際上正在實(shí)施的最深的科學(xué)鉆井，受到國內外地學(xué)界的高度關(guān)注。中國大陸科學(xué)鉆探工程的孔址位于蘇魯超高壓變質(zhì)帶南部的東?？h，其穿過(guò)的巖石是曾位于板塊會(huì )聚邊界的地幔深處，是研究大陸深俯沖及地幔動(dòng)力學(xué)的最佳選址。中國大陸科學(xué)鉆探的科學(xué)目標旨在通過(guò)對鉆孔中獲取的全部連續巖心、液態(tài)和氣態(tài)樣品及原位測井數據進(jìn)行的全方位測量與綜合研究，建立5km孔深的各類(lèi)多學(xué)科精細剖面，再造北中國板塊與揚子板塊會(huì )聚邊界深部三維物質(zhì)的組成和分布及三維結構構造；闡明板塊會(huì )聚邊緣的深部流體作用、殼一幔相互作用及地幔中物質(zhì)循環(huán)和流變學(xué)；尋找超深地幔條件下形成的特征礦物，揭示超高壓變質(zhì)成礦機理：
 
  建立結晶巖地區地球物理理論模型和解釋標尺；揭示超高壓變質(zhì)巖石的形成與折返模型及板塊會(huì )聚邊界的深部動(dòng)力學(xué)機制。通過(guò)5 km深孔營(yíng)造的特殊地下空間，研究現代地殼的物理、化學(xué)及生物作用，并將建立亞洲第一個(gè)大陸科學(xué)鉆探深孔長(cháng)期觀(guān)察實(shí)驗站。中國大陸科學(xué)鉆探工程運用先進(jìn)的鉆探和測井技術(shù)，首次在高難度的硬巖中鉆進(jìn)3 636 m深度，鉆井斜度平均5度左右，取心率80%以上。通過(guò)初步研究，已建立了中國大陸鉆探工程主孔3 000 m的構造學(xué)、巖石學(xué)、地球化學(xué)、巖石物理、礦化、地球物理VSP、測井及微生物剖面，并進(jìn)行了巖心的深度和方位準確歸位。初步揭示了超高壓變質(zhì)帶三維物質(zhì)組成、結構及研究了大陸深俯沖的動(dòng)力學(xué)機制，發(fā)現了來(lái)自地下深部的特殊氣體異常和地下極端條件下的微生物，擴大了金紅石礦床的規模，取得了重要的理論與應用性研究成果。
 
  (1)揭示主孔2 000 m榴輝巖的厚度超過(guò)1 000 m，在原定的金紅石礦體下又發(fā)現了400 m厚的達工業(yè)品位的新的金紅石礦體，主孔和衛星孔巖心中揭示地幔巖厚620 m。
 
  (2)揭示了主孔2 000 m深度的各類(lèi)巖石中均含有超高壓礦物柯石英，在主孔附近的榴輝巖薄片中發(fā)現金剛石，結合區域大面積范圍內普遍發(fā)現柯石英，證明了巨量物質(zhì)深俯沖的重要論點(diǎn)。通過(guò)SHRIMP測年在同一鋯石不同微區中準確確定超高壓峰期240～ 220 Ma及退變質(zhì)事件220-200 Ma的年齡。
 
  (3)在片麻巖和退變榴輝巖中發(fā)現與柯石英共存于同一變質(zhì)增生鋯石微區中的C02氣-H20液兩相流體包裹體，提供了超高壓峰期變質(zhì)階段處于“濕體系”環(huán)境的有利證據。
 
  (4)以鉆孔附近榴輝巖為實(shí)驗材料，通過(guò)高溫高壓的實(shí)驗和研究，發(fā)現榴輝巖結構水析出引起不穩定性和致裂作用，是一種新的斷裂機制，它成功地解釋了俯沖過(guò)程中發(fā)生的高溫地震成因，同時(shí)也為地幔轉換帶的深源地震機制提供了新的啟示。本文已在《自然》Nature雜志上（2004年，428卷）刊登。
 
  (5)氧同位素研究表明，巨量超高壓變質(zhì)巖具有異常低的氧同位素值，平面面積達5 000 mz，深度達1 600 m，表明超高壓變質(zhì)巖的原巖在近地表與大氣降水發(fā)生交換，花崗巖體的侵人為其提供熱源，為晚元古代全球性雪球事件提供重要證據。
 
  (6)在衛星孔CCSD-PP1東海芝麻坊地幔巖的單斜輝石包體中發(fā)現鈦斜硅鎂石和鈦粒硅鎂石出溶體；在石榴石中發(fā)現罕見(jiàn)的超高壓IOA礦物相；橄欖石優(yōu)選方位的EBSD組構與阿爾卑斯阿拉米地幔巖相同，說(shuō)明備受?chē)鴥韧獾貙W(xué)界關(guān)注的芝麻坊地幔巖可能經(jīng)過(guò)了超高壓變質(zhì)作用，俯沖深度可能超過(guò)250 km。
 
  (7)劃分了構造巖片單元，確定了其邊界的韌性剪切帶性質(zhì)，并發(fā)現早期超高壓變質(zhì)巖石的流變學(xué)信息。
 
  (8)建立的隨巖性變化的彈性波速度和熱導率連續剖面，對地震反射和熱結構提供了巖石物性的制約；建立了鉆孔的VSP地震剖面。通過(guò)鉆孔驗證了孔區深部為向南東緩傾的構造巖片結構，以及強地震反射層和大型韌性剪切帶有關(guān)。地震反射資料還揭示地幔中層狀結構，地震層析資料揭示了郯廬斷裂和響水斷裂均為超巖石圈大于250 km斷裂。
 
  (9)從400多m深度開(kāi)始，發(fā)現了甲烷、乙烷、丙烷和丁烷等烴類(lèi)氣體、氦氣、二氧化碳、一氧化碳氣體及氮氣氬氣的異常，建立了地下流體系列異常剖面，發(fā)現氣體異常隨深度越來(lái)越頻繁出現，并且與裂隙有關(guān)。初步研究表明，一部分地下流體的來(lái)源可能是多樣的，有一部分可能來(lái)自深部地幔。
 
  (10)中美合作開(kāi)展對2 000 m巖心的地下微生物研究，通過(guò)及時(shí)對巖心的低溫冷儲及DNA分析，首次在476m深度的榴輝巖中發(fā)現太古菌及細菌，繼后又對6個(gè)不同的深度、4種不同巖性的固體樣品及流體樣品進(jìn)行DNA分析，發(fā)現了大量極端條件下形成的微生物：有嗜酸菌、嗜鐵菌、嘈甲烷菌等，并完成了嗜熱微生物的分離培養及鑒定的試驗性工作。設計了一系列培養基，已經(jīng)分離得到兩株高溫菌株。另外，在衛星孔CCSD-PP1地幔巖中發(fā)現古菌，為地下生物圈及生命起源的研究提供了重要信息。