地球的年轮—岩芯

　　地球的年轮—岩芯

　　很多事物都蕴藏着历史的密码，例如可以根据树木的年轮推断其年龄，根据珊瑚的生长纹推断亿万年前一昼夜的时间，根据沉船木质的腐烂程度可以估算其沉没的时间等。地球的历史则记录在岩石中，当我们通过钻探的手段获取一段段圆柱形的岩石样品（也就是岩芯），并将其编码装箱储存在特定地点，我们就像是拥有了地球的史书和珍藏地球史书的图书馆。

　　    何为岩芯？

　　岩芯根据地质勘查工作或地质工程的需要，科研人员使用环状岩芯钻头及其他取芯工具，向地下从孔内取出的圆柱状岩石样品。岩芯还被誉为“深入地球内部的望远镜”，获取岩芯是深入了解地下矿产资源特征最直观、最实际的途径。

　　岩芯承载着大量重要的地球系统科学信息，在研究地壳内部结构和物质组成、探究地球形成与演化、解决全球性或区域性地球系统科学难题或重大地质问题、破解与人类生存相关的能源资源环境问题等方面发挥着突出作用，也为深部成矿理论和技术方法研究提供必要的实物和数据基础。

　　岩芯的直径取决于钻头的内径尺寸，固体矿产钻探岩芯直径一般在25毫米~70毫米，水文地质、工程地质岩芯直径一般为95毫米～150毫米，科学钻探岩芯直径一般为50毫米~ 311毫米，水坝桥基岩芯直径有的达1.0米～1.5米。大的难度，所以在钻探之前还需要花费大量资金研发特殊的钻探器材。

　　为了向地球更深部钻探，达到更高的岩芯采取率，以及保障岩芯获取的完整性等，我们需要研制新的钻探技术，采用合乎要求的取芯工具和正确的取芯方法，严格遵守操作规程，为科学分析岩芯数据保驾护航。钻探岩芯是一种目的性极强的工作，需要对钻探进行综合分析研究，确定工作区和钻探具体点位。

　　    地质勘查找矿为了掌握工作勘探技术为获取岩芯保驾护航

　　获取岩芯要面临三大难题：高地应力、高温、高压。首先可能会遇到各种各样的地层和复杂情况，如地应力集中、地层压力异常、地层破碎、地层蠕变、高矿化度（高密度）等，复杂的地质条件可能导致钻井事故和钻井效率降低等不利后果。此外地球内部的高温高压问题也对钻井器材是极大的考验。随着钻探的深入，地下空间中温度和压力迅速增大，一般来说，每下探100米温度就上升30℃。不仅如此，钻机钻进过程中也会因摩擦产生额外的热量，即便有钻井液的降温润滑作用，也会因能量堆积对钻杆产生极大的影响。此外，因深度加深，地层压力体系更加复杂，超长的钻杆柱本身的重量就有极大的应力，而钻杆柱还要承受钻进施工中的拉伸、压缩、弯曲、扭矩等复杂载荷的作用，不可预见因素多，给井身结构设计带来极区蕴藏的矿产资源量多少，需要按照地质条件、工程程度、工程间距等布置钻孔，力争用最少的勘探工作量达到较好的勘查效果。地质勘查找矿主要侧重于生产研究，在地质报告中会设计一批经科学论证的地质钻孔进行钻探。科学钻探主要根据科学研究目标，对科学钻探井进行综合选址，最终能够达到预期设定目标和研究设想，一般重大项目都会设置科学选址研究专项。科学钻探侧重于科学研究，钻探深度大（上千米甚至近万米），且科学钻探投入成本大（多达上亿元），其研究涉及内容多，多用于交叉学科甚至跨学科研究。

　　    国内外岩芯钻探大比拼

　　说起国内外岩芯钻探大比拼，就不得不提大洋钻探和大陆钻探的发展历程。由于大洋地壳平均厚度只有7千米，而大陆地壳平均厚度为33千米，所以人类选择先从较薄的大洋地壳钻探开始，逐步开展大陆钻探计划。

　　大洋钻探历程中，1957年美国提出了“莫霍面钻探计划”，这也是世界上第一个科学钻探计划，这个计划目标是打穿地球“莫霍面”（钻探点地壳厚度为17千米），但最后也只是透过3600米的水深向洋底钻进了183米，发现前170米都是深海沉积物，再往下是基岩——玄武岩，这是人类首次采集到组成大洋地壳的岩石。1968年-19 83年，由“格罗玛·挑战者”号大洋钻探船执行了深海钻探计划(DSDP)；1985年一2003年，由“乔迪斯·决心”号大洋钻探船执行了大洋钻探计划(ODP)；2003年-2013年，由“乔迪斯·决心”号、“地球”号大洋钻探船、“特定任务平台”执行了综合大洋钻探计划(IODPI)，紧接着在2013年-2023年，又执行了国际大洋发现计划(IODPⅡ)。这些计划的实施从开始单一科学目标，逐步演化为综合性的科学目标，使得我们对海底扩张和板块运动深层次原因，以及深部生物圈、气候变化、海底石油、可燃冰等能源资源的热点前沿科学问题有了更多的认识、理解和实践，也为海洋生态环境保护、开发提供了更加科学的依据。

　　大陆科学钻探历程中，前苏联曾在远东的科拉半岛上布置了一口钻井，设计孔深15000米，并且成立了16个实验室，开展对岩芯的研究。这口钻井自1970年到1983年的13年时间里，向地下钻了12262米。最后，因为技术、资金，加上科学研究没有重大发现等原因，1994年，科拉超深井钻探工作正式终止，但是其创造的12262米的科学钻探深度世界纪录至今没有被打破。

　　1977年，当时的联邦德国提出了“联邦德国大陆深钻计划(KTB)”，该计划主孔在1990年~1994年实施，设计孔深14000米，最终钻进深度9101米。科学家通过获取的岩芯，分析掌握了地下9000多米不同深度的岩石物理参数。

　　1996年，中国、美国、德国联合签署合作备忘录，国际大陆科学钻探计划(ICDP)宣告成立。在 ICDP资助下，我国主要实施了三个钻探工程：江苏东海大陆科学钻探工程于2001年至2005年实施，钻探深度5158米，通过获取岩芯数据分析，科学家发现了超高压矿物柯石英和金刚石。青海湖国际环境科学钻探工程2005年实施，包括湖上钻探和陆上钻探，前者实施13个孔，累计钻进547.8米，获取岩芯323米；后者实施2个孔，累计钻进近2000米，获取岩芯1600余米，由此建立沉积物年代序列和研究高分辨率环境变化，为研究我国青海湖地区环境形成演化以及西部地区开发提供数据基础和决策依据。松辽盆地国际大陆科学钻探工程由“三井四孔”组成，即松科一井南孔、北孔，松科二井和松科三井，获得连续完整的岩芯8200余米，其中松科二井钻探深度7178米，科研成果最为丰硕。此项工程建立起了通往白垩纪的“金柱子”，为地球深部探测和科学实验研究提供了关键技术和装备，拓展了松辽盆地深部页岩气、地热能等能源勘查开发的新空间，引领了全球白垩纪陆相古气候研究，显著提升了我国在地质历史古气候研究领域的国际影响力。

　　    建立“地球历史图书馆”——描述和保存岩芯

　　岩芯的价值在于其蕴含的科学信息，因此要对岩芯进行科学描述，同时对于采集的岩芯要妥善保存，这就好比建设一个地球历史的图书馆。

　　岩芯的描述分为宏观和微观描述两个部分，宏观描述主要包括岩性、矿物成分、结构组分、生物化石、沉积构造、产状、孔隙裂隙等，主要是磨制光（薄）片进行显微镜下矿物结构特征的观察分析。此外，科技人员通常要对从特殊矿区、深孔、超深孔、海底洋底取出的岩（矿）芯做几十项化验、检测、分析，包括物质成分的常量、痕量分析，古地磁测定，年龄测定，X光衍射、同位素测量、放射性测量，以及测定岩芯的物理力学性质。描述后，要开展全面的岩芯扫描数字化工作，即用岩芯数字化技术提取描述岩芯的数据信息，将实体岩芯“数字化”，建立“全国岩芯样本基因数据库”。

　　岩芯不仅具有很高的科研价值，而且获取过程也消耗大量的人力、物力，因此需要妥善保管。首先要按照《地质勘查钻探岩矿芯管理通则》(DZ/T 0032-92)的要求，将获取的岩芯自上而下地按顺序及时、准确地放入一定尺寸的岩芯箱内，进行编号，确保从钻井提取上来的岩芯记录完整、准确、岩芯真实有效等，并赋予“岩芯ID”，关联所有与之对应的岩芯段位信息，使得岩芯成为“有身份的人”。此外，普通岩芯做好“防盗、防光、防高温、防火、防潮、防尘、防鼠、防虫”八防要求，特殊岩芯根据实际情况还应具备防辐射、恒温恒湿、低温、超低温、高压、低压等要求，像冰芯冷库的温度一般为-25℃，可燃冰岩芯样品需要采用液氮（-196℃条件）来保存。

　　在科学技术日益发展的今天，凭借着科技工作者的努力奋斗和不懈努力，我们国家的岩芯科研工作不断取得新的进展，隐藏在这小小圆柱体中更多的地球奥秘将被揭开。

　　摘自《地球》2023年第4期