超深孔地質(zhì)鉆探的概念

  為研究地殼深部和上地幔地質(zhì)與礦藏等情況而進(jìn)行的鉆探工程，又稱(chēng)科學(xué)鉆探。超深孔的深度定義，隨鉆探工程技術(shù)的發(fā)展而變化。目前，用旋轉鉆機施工深6 000 m以上，用巖心鉆機施工深3 000 m以上的鉆孔，統稱(chēng)為超深孔。
 
  其目的主要有以下7個(gè)：①研究深部地質(zhì)學(xué)、實(shí)施“國際巖石圈計劃”(ILP)的主要手  段之一；②探察地殼和上地幔的結構，研究其物質(zhì)組分和礦產(chǎn)分布規律，研究新的成礦理論；③驗證深層地球物探探測資料；④探索地震預報新途徑；⑤在火山巖區勘探和開(kāi)發(fā)”F熱巖”地熱能源；⑥作為地殼深部長(cháng)期觀(guān)測孔站，裝置儀器長(cháng)期觀(guān)測地磁、地電、地應力、地熱變化，掌握地殼活動(dòng)規律，研究巖礦成因、變質(zhì)作用、物相轉化、合成礦物的條件等；⑦作為地殼深部核廢料處理場(chǎng)。
 
  超深孔鉆探與一般的鉆探相比，有其特殊性。主要特點(diǎn)：①孔位應選在地殼盡可能裸露的結晶巖地區。②要盡量取出全套地層的地下地質(zhì)實(shí)物資料，如巖心、巖屑側壁巖樣、液態(tài)和氣態(tài)樣；進(jìn)行地球物理測井和采集信息資料。③為減輕鉆探設備的總重量、節約功率總消耗，使用高強度輕合金鉆桿；為保持長(cháng)鉆桿柱(3 000-is 000 m)的高度穩定性、預防鉆孔彎曲，大量削減起下鉆次數，降低非生產(chǎn)時(shí)間和勞動(dòng)強度，要采用與孔底動(dòng)力機（渦輪鉆、螺桿鉆、沖擊回轉鉆）結合的繩索取心和孔底換鉆頭等新技術(shù)。④結晶巖堅硬，要研制全新式長(cháng)壽命金剛石鉆頭。⑤由于鉆探工作是在高溫(150-400℃)、高壓(100 -150MPa)狀態(tài)下進(jìn)行的，各類(lèi)孔底動(dòng)力機、鉆頭、測井儀器、電纜等都要提高耐高溫、高壓的能力，還必須采用抗高溫的鉆井液材料和處理劑。
 
  各國超深孔及其成果簡(jiǎn)介（主要介紹蘇聯(lián)、美國、德國、中國等的情況）如下：
 
  (1)蘇聯(lián)20世紀60年代初，地質(zhì)學(xué)家H．A．別利亞耶夫斯基等根據深部地球物理資料提出，為獲得整個(gè)地殼剖面，至少要在6個(gè)地區打超深孔。蘇聯(lián)國家科委為統一協(xié)調超深孔鉆探規劃，組建了“地球地下資源研究與超深孔鉆探部門(mén)科學(xué)委員會(huì )”，由E．A.科茲洛夫斯基任主席，有95個(gè)生產(chǎn)和科研單位參加。設計施工超深孔約18口。其中cr -1井設計深度12 000 m（烏拉爾的馬格尼托哥爾斯克復背斜）；cr -2井設計深度15 000 m(阿塞拜疆的薩阿特雷)；cr -3井設計深度15 000 m（科拉半島）。其他15口為6 000 m左右的衛星井。cr -3井到1986年3月已達12 300 m，居世界領(lǐng)先地位。
 
  超深鉆探中意外發(fā)現，在7 000-8 000 m深的巖層中，有礦化水和大量溫度達150℃的二氧化碳、氦、氫和碳氫化合物氣體；在巖石中還有20億年前的生物化石；火成巖比預估的要厚得多；預計在4 500 m左右遇到巖層，實(shí)際上在6 800m才遇到；過(guò)去認為地震波傳播速度突變處就是康拉德面（即地殼花崗巖與深部玄武巖的交界處），物探探測為7 000 m，而11 000 m還未遇到。這使水熱礦床和油氣形成的傳統理論遇到挑戰。蘇聯(lián)科學(xué)家認為，在4 700 m以下，用折射波識別地震波折射和多種巖石結構的單道地震速率來(lái)劃分層位是錯誤的。
 
  (2)美國。1961年，美國開(kāi)始實(shí)施莫霍計劃(Mohole  Project)，在加利福尼亞灣外試鉆，此后在墨西哥西海岸外鉆到玄武巖，因多種原因而中途終止計劃的執行。1965年，美國組建了“海洋地球深部取樣聯(lián)合機構”(JOIDES)，由蘇、英、日、德等參加商定進(jìn)行“深海鉆探計劃”。
 
  1968 -1983年正式執行“深海鉆探計劃”，用“格洛瑪挑戰者”號鉆探船航遍各大洋，在96個(gè)航次中共航行60萬(wàn)km，在624個(gè)工作點(diǎn)上鉆了1 092個(gè)鉆孔，取巖心近9.8萬(wàn)m，最大工作水深6 247 m，水下最大鉆進(jìn)深度1412 m，鉆人玄武巖最深583 m，編成的《深海鉆探計劃初步報告》至1985年已達40多卷，對地球科學(xué)、海洋科學(xué)做出了巨大貢獻。
 
  1974年，美國在俄克拉荷馬州鉆成了羅杰斯1號超深孔，深9 583 m。1984年3月，在美國國家科學(xué)基金會(huì )領(lǐng)導下，由23所大學(xué)參加組建了地殼深部觀(guān)測與取樣組織(ECDOSO)。1985年一些科學(xué)家提出33份有關(guān)科學(xué)鉆探的建議，分設“大洋鉆探計劃”（ODP）及“大陸科學(xué)鉆探計劃”(CSDP)，這兩個(gè)計劃是相輔相成的，美國大陸共選定井位29處，1986年在索爾頓海的以研究地熱為主的第一口深孔于3月完工，井底溫度高達365℃。
 
  (3)德國。1985年，聯(lián)邦德國成立了“大陸深孔鉆探”(KTB)組織，在聯(lián)邦德國科技部(BMFT)領(lǐng)導下，選定兩個(gè)深孔孔位，代號分別為ENV和ZTT。ENV先導孔于1987年9月18日開(kāi)鉆，孔深達到4 000.1m，于1988年4月完成。主孔設計深度為12 000 m，已于1990年9月正式開(kāi)鉆。
 
  (4)中國。中國開(kāi)展深部地質(zhì)學(xué)研究已有多年，取得了一些成果，并參加了“國際巖石圈計劃”。1978年為石油勘探鉆成一口深7 175 m的超深井，1988年起已籌辦超深孔地質(zhì)鉆探，目前已結束全部鉆探工作，井深5 500 m。
 
  (5)其他國家。法國、意大利、羅馬尼亞等分別鉆了多口超深孔。日本、澳大利亞等國參加了“深海鉆探計劃”和“大洋鉆探計劃”。