科学大洋钻探船的回顾与展望

拓守廷，翦知湣

（1. 同济大学海洋地质国家重点实验室，上海 200092；2. 国际大洋发现计划中国办公室，上海 200092）



科学大洋钻探船的回顾与展望

拓守廷1，2，翦知湣1

（1. 同济大学海洋地质国家重点实验室，上海 200092；2. 国际大洋发现计划中国办公室，上海 200092）

摘要:科学大洋钻探是地球科学领域规模最大、最为成功的国际合作研究计划，40余年来取得了令人瞩目的科学成就，大洋钻探船则是其中的关键。国际上先后有美国的“格罗玛·挑战者号”、“乔迪斯·决心号”和日本的“地球号”投入科学大洋钻探。正在使用中的“乔迪斯·决心号”和“地球号”各有优缺点，这两艘船向地球更深处钻探都有困难，因此，吸收美、日两艘船的经验，建造一艘能够向地球深部钻探的新一代科学大洋钻探船十分必要。本文介绍了科学大洋钻探船的历史和现状，讨论了中国建造大洋钻探船的重要意义和主要技术指标。

关键词:深海钻探、“乔迪斯·决心号”、“地球号”、中国大洋钻探船

1　大洋钻探船的历史回顾

1968年开始的深海钻探计划（DSDP，1968-1983）及其后续的国际大洋钻探计划（ODP，1985-2003）、综合大洋钻探计划（IODP，2003-2013）和当前的国际大洋发现计划（IODP，2013-2023）是地球科学领域迄今规模最大、影响最深、历时最久的大型国际合作研究计划，也是引领当代国际深海探索的科技平台。40余年来，科学大洋钻探在全球各大洋钻井三千余口、累积取芯超过40万米，所取得的科学成果验证了板块构造理论，创立了古海洋学，揭示了气候演变的规律，发现了海底“深部生物圈”和“可燃冰”，取得了一次又一次的科学突破，引起了整个地球科学领域的革命。

科学大洋钻探之所以能取得如此辉煌的成就，大洋钻探船是关键。大洋钻探船是全世界深海高技术的集成，能够在水深数千米的海底实施钻探，是目前在海底深部取样的唯一手段。大洋钻探40余年来，共有3艘专用的深海钻探船为其服务，即DSDP时期的“格罗玛·挑战者号”、ODP时期开始使用至今的“乔迪斯·决心号”和综合大洋钻探阶段新加入的“地球号”，前两艘船由美国提供，后者为日本贡献。此外，欧洲大洋钻探联盟（ECORD）自综合大洋钻探阶段以来提供“特定任务平台”实施IODP航次，不过并没有固定的钻探船，而是根据不同科学任务临时租用相应的钻探船或平台。

1.1 “格罗玛·挑战者号”

“格罗玛·挑战者号”（Glomar Challenger）于1968年在美国德克萨斯州完成建造，该船长121米，宽19米，排水量10500吨，钻塔高度为43米，随船可携带近7000米长的钻杆，最大工作水深约6100米（图1）。1968年8月11日，“格罗玛·挑战者号”首航墨西哥湾，拉开了深海科学钻探的序幕，正式为DSDP服务，直至1983年DSDP结束。在16年的科学钻探生涯里，“格罗玛·挑战者号”的足迹遍布世界各大洋，共完成96个航次，钻井1092口，取芯97056米，创造了众多深海科学钻探的纪录［1］。“格罗玛·挑战者号”所获得的宝贵岩芯取得了大量重要的科学发现。其中最引人注目的就是DSDP第3航次在南大西洋的钻探，航次后研究结果表明，南大西洋洋壳的年龄沿洋中脊两侧逐渐变老，这一重大发现有力地证实了海底扩张学说。此外，DSDP在地中海的钻探发现地中海曾经是一个干涸的湖泊，这一结果轰动了当时的科学界。DSDP在全球各大洋海底沉积物的钻探研究成果更是直接创立了一门新的学科——古海洋学，为研究过去全球的变化发挥了重要作用［1］。

图1　“格罗玛·挑战者号”钻探船

1.2 “乔迪斯·决心号”

“乔迪斯·决心号”原是建造于1978年的石油钻井船Sedco/BP 471号，后来被改造为科学钻探船，命名为“乔迪斯·决心号”（JOIDES Resolution）。该船长143米，宽21米，排水量18636吨，随船可携带9000米长的钻杆，最大工作水深超过8000米（图2）。相比“格罗玛·挑战者号”，“乔迪斯·决心号”钻探能力更强、船上实验室装备更加先进。在完成ODP的使命后，“乔迪斯·决心号”继续服务于IODP，并于2006—2009年进行了全面的升级改造。此次改造包括更换钻机楼层的结构并翻新、升级或更换所有主要的钻探和井下测井系统。大多数的科学系统都进行了维修或更换，为岩芯处理、描述以及岸上和航次后研究提供最先进的支持。船上的分析化学和微生物实验室为分子、元素和离子成分的量化提供最新一代的仪器。七个岩芯记录仪提供了快速和非破坏性的物理性质测量，其中包括一个照相系统和一个自然伽马射线测量仪，远远超过了早先的功能。这次改造全面提升了“乔迪斯·决心号”的作业能力，同时延长了船的使用期限，预计可以使用至2029年。

1985年1月至2013年9月，“乔迪斯·决心号”先后为“大洋钻探计划”和“综合大洋钻探计划”服务，共完成145个航次，钻井2236口，获取岩芯279993米［2］。这些岩芯为固体地球旋回与地球动力学、地球过去气候变化和深部生物圈等方面的研究提供了宝贵材料。过去的数十年间，科学大洋钻探揭示了地球动力学特征的许多方面。在数百万年的时间内，大陆发生张裂，洋盆形成、关闭，在大陆碰撞的地方形成新的山脉。大规模的板块构造活动诱发一系列短期的地质现象，如发生在俯冲带的巨大的破坏性地震（如日本的南海海槽）、沿着大陆转换断层发生的巨大的破坏性地震（如加州的圣安得烈斯断层）以及在岛弧地区发生的火山活动（如菲律宾的皮纳图博火山）。人类开始认识到，上述构造活动及其伴随的洋流循环和气候的变化，曾经深刻地影响着生物进化和生物地球化学循环［3］。在中等时间尺度上，地球轨道参数的变化导致气候的周期性变化，其中最具戏剧性的是过去34Ma（百万年）以来全球冰的容积的消长。气候的缓慢周期性变化被一些迄今为止未能很好解释的急剧变化所扰乱。此外，地球气候系统的极短期颤动以及诸如大型地外物体撞击这样的灾变事件，也会影响气候的周期性变化。不管地球系统目前观测到的变化是人类因素引起的还是自然的变化，大洋钻探所获得的地质纪录表明，“变化”而不是“静止”更能反映地球的历史［3］。

图2　“乔迪斯·决心号”钻探船

1.3 “地球号”

为了在新世纪的大洋钻探中与美国、欧洲等国竞争领导权，日本政府斥巨资建造了“地球号”钻探船。“地球号”于2002年下水，当时在日本全国范围内开展了声势浩大的宣传工作以征集船的命名，下水时请皇室公主剪彩，可谓盛极一时。经过几年的设备安装和调试，“地球号”于2007年正式为IODP服务，该船长210米，宽38米，排水量超过57000吨，理论上可在4000米水深的海域向海底钻进7000米（图3）。

“地球号”是为特定目标而建造的一艘立管钻探船，为日本海洋研究开发机构（JAMSTEC）所拥有，由其旗下的深部地球探测中心（CDEX）负责运行。该船可容纳200人（包括船员、钻探工人、技术人员和科学家），续航力为20000海里。70米高、双钻杆的钻塔能将钻杆拉升1200米，目前的立管钻探能在2500米的水深处作业，在新的钻探项目里钻探能力将扩展到超过4000米深海区。船上6个强大的推进器能保证船在流速超过3节以及风速大于23m/s的海况下位置不变。“地球号”配置了380吨重的防井喷器，承压能力达103MPa。立管系统能安装称为“整流装置”的设备，用于减轻立管系统在强海流影响下作业时产生的涡旋振动。“地球号”配备了一套先进的实验设备，能进行与“乔迪斯·决心号”相同的岩芯测量。在岩芯被剖开两半分别供取样和存档之前，“地球号”能对岩芯进行CT扫描，提供岩芯的三维影像。“地球号”还装备了电感耦合等离子体质谱仪（ICP-MS）进行微量元素分析。此外，“地球号”配备了岩屑取样和分析装置，用以研究立管钻探过程中通过钻井泥浆循环被带到表面的岩屑［4］。

从2007年9月开始，“地球号”正式实施IODP科学钻探，在菲律宾海北部开展南海海槽发震带试验（NanTroSEIZE）计划的钻探。整个综合大洋钻探阶段，“地球号”主要在日本周边海域实施钻探，除NanTroSEIZE计划外，还针对2011年日本东北大地震实施了震后快速反应钻探等。但由于“地球号”运行费十分昂贵，每年只能有4个月时间用于科学钻探，其他时间则寻找机会从事商业钻探，获得收入来补充运行经费。

图3　“地球号”钻探船

2　国际大洋发现计划现状

2013年10月，科学大洋钻探进入全新的阶段——国际大洋发现计划（IODP）。与过去四十年大洋钻探计划相比，新IODP计划的科学视野和目标将大为扩展，更加突出其社会需求，不再以“钻探”为限，而以探索深部和了解整个地球系统为目标，以预测未来、预警灾害为己任，实施后将继续保持国际海洋界最为重要的国际科技合作计划。新IODP的科学计划以“照亮地球：过去、现在和未来”为主题，在科学目标上，围绕气候与海洋环境、深部生物圈、地球内部与表层连接、灾害与观测等四大主题展开；在技术手段上，发展海底井下监测预警、海底微生物检测培育、钻探地壳探索上地幔等。新IODP计划的科学视野和目标展示了海洋科学乃至地球科学最前沿的诱人前景。

为了克服当前IODP计划面临国际经济形势和科学技术变化带来的不利影响，进一步提高计划执行管理效率和节约管理成本，国际大洋发现计划改变了综合大洋钻探阶段统一组织实施的模式，建立科学目标统一规划、钻探任务分头实施的新机制，由美国、日本和欧洲联合体现有的三个钻探平台各自组建“平台管理委员会”进行独立管理，各成员国通过分别加入这三个平台委员会方式来参与新IODP的科技活动。

美国通过提供现有的“乔迪斯·决心号”钻探船，每年执行任务八个月，相当于四个航次，组建“乔迪斯·决心号”平台委员会，由资助机构代表、国际学术界顶尖科学家、执行机构代表组成，主席由美国科学家担任。日本通过提供现有的“地球号”钻探船，每年执行五个月航次，组建“地球号”平台委员会，由资助机构代表、国际学术界顶尖科学家、日本文部省和日本海洋研究开发机构（JAMSTEC）等代表组成。欧洲大洋钻探研究联盟（ECORD）没有固定的钻探船，但通过现有机制提供“特定任务平台”，每年执行一个航次，组建相应的平台委员会，由国际顶尖科学家、科学实施机构代表、管理机构主席、资助机构代表组成，主席由欧洲科学家担任。

从国际大洋发现计划近两年的运行情况来看，美国“乔迪斯·决心号”运行管理最为成功，目前已顺利完成2014—2015年度的航次计划，2016—2018年的航次计划也正在有序准备中，甚至可能在2018年及2019年各增加1个航次。在经费削减的情况下能做到这一点是十分不容易的，这主要得益于新IODP三个钻探平台独立寻找合作伙伴的新模式，通过这种方式，“乔迪斯·决心号”每年可多获得1450万美元的运行费。此外，通过引入“匹配性项目建议书”（Complementary Project Proposal，CPP）新机制，即由建议方承担部分航次经费，“乔迪斯·决心号”获得了额外的资金以补助其运行费的不足。此前已顺利完成的IODP 349航次和IODP 355航次，分别由中国和印度各提供600万美元的经费，资助方同时也获得更多航次权益，成为一种双赢的模式。预计在2017年还将有两个航次采用CPP模式。

相比而言，日本“地球号”的运行就显得捉襟见肘了，发展国际合作伙伴的行动不尽人意，目前只有ECORD和澳大利亚—新西兰联盟加入“地球号”伙伴，资助经费也仅有130万美元，对于“地球号”每年7000万美元的运行费来说是杯水车薪，只是具有国际合作计划的名义而已。从航次执行情况来看，尽管此前JAMSTEC宣称“地球号”每年都将投入IODP钻探5个月，但由于经费短缺的原因，2014年和2015年的航次都没有实现。目前计划在2016年执行5个月的航次，仍然是继续NanTroSEIZE计划的钻探，在可以预见的将来，这种困境不会改变。

欧洲的“特定任务平台”总体运行良好，按计划可每年执行一个航次，目前已计划完成了在大西洋的IODP 357航次，2016年还将在墨西哥湾钻探陨石坑的K/T界线。更值得一提的是，2018年计划分别在南极和北极实施两个极地航次，研究新生代南极冰盖与北冰洋古海洋变化。欧洲的“特定任务平台”瞄准美国和日本船不能去的浅水和极地海域，取得了非常突出的科学成就。

3　建造中国大洋钻探船的展望

科学大洋钻探船是深海研究中的“航空母舰”，在过去40多年里，美国先后以“格罗玛·挑战者号”和“乔迪斯·决心号”投入其中，始终占据了科学大洋钻探的领导地位。从综合大洋钻探阶段开始，日本投入“地球号”钻探船，大幅度增加对IODP的投入，十几年来日本的深海科技水平大幅提高，人才队伍也快速成长，成为全球深海研究中的重要力量，与美国共享大洋钻探的领导权。可见谁拥有大洋钻探船，谁就能站在深海科技竞争的制高点。我国海洋事业目前还比较落后，只有采用超常规手段才能脱颖而出。从科学上来讲，深海海底的一系列重大问题有待新型钻探船探索，而其中最突出的是钻穿地壳。地球体积84％属于地幔，火山活动、板块漂移的根源都在地幔，而大洋地壳最薄只有5000—6000米，因此半个世纪前美国深海钻探就想打穿地壳，日本造“地球号”的口号也是打穿地壳，但目前看来都还难以实现。如果我国能抓住机会，采用崭新技术建造一艘新型大洋钻探船，就有可能在国际海洋界脱颖而出，成为大洋钻探一支新的生力军。一旦拥有了自己的大洋钻探船，在国内必然会极大地促进深海科技，使整个海洋事业升级，在国际则必然进入深海研究的前沿与核心。

回顾国际上大洋科学钻探技术的发展，粗略看可以分为三个阶段，第一个阶段为非立管钻探技术，第二阶段为立管钻探技术，第三阶段则为非立管泥浆泵钻探技术。非立管钻探和立管钻探都具有明显的优缺点。相比立管钻探而言，非立管钻探的优点是不需要携带大量立管，可有效控制钻探船的规模，降低运行成本。缺点是钻探深度较浅，多数在海底以下1000多米，目前最深的纪录是2111米，不能在有油气显示的海区钻探，以免造成井喷，威胁钻探船的安全。而立管钻探技术正好克服了非立管钻探的缺点，装备了巨大的立管和防喷装置，可以连接钻探船至海底，这种钻探技术的好处是可以在海底钻探更深，还可以为石油和天然气钻探服务。缺点是由于要携带大量立管，使得钻探船过于庞大，运行费用飙升。实际上，立管钻探技术在石油钻探中已经使用得很广泛了。最近，为了克服前面两种钻探技术各自的缺陷，国际上开始研发了泥浆返回系统用于非立管钻探中，即将泥浆泵放在海底，通过泥浆泵将钻探的碎屑返回到船上，避免堆在井口导致塌井和卡钻。非立管泥浆泵钻探技术的好处是显而易见的，既控制了钻探船的规模，又可以提升钻探能力，并且可以为石油钻探所用，这是海洋钻探发展的新方向，实际上，这种技术已被尝试在石油钻探中使用［5］。

中国建造大洋钻探船，可以考虑借鉴美、日两家的经验教训，采用非立管泥浆返回系统、双口径钻具、新型升沉补偿装置、配套水下机器人等改进措施，使得新一代大洋钻探船具有最先进的技术，能够承担将来打穿地壳的重任。工程目标是建造一艘20000吨级、装备高精度动力定位系统、在不同海区和地质环境实施钻探的中国大洋钻探船。建成后将为国家海洋科学研究和海洋石油等资源开发，特别是深海及大洋区的海洋科学研究提供海上钻探取样和试验平台，成为我国大洋钻探科学研究迄今唯一的科学钻探船，并成为国际大洋钻探计划三个先进的钻探平台之一。新一代大洋钻探船主要的指标如下。

3.1非立管泥浆返回系统

泥浆循环是深钻的基本要求，通过泥浆循环可以将岩屑带走，还可以保护井壁避免坍塌。另外，只有泥浆钻井才有防喷装置。然而，“格罗玛·挑战者号”和“乔迪斯·决心号”都是裸眼钻，不用泥浆、不能防喷，即所谓的“非立管型”（图4），因此进尺一般在1500米以内，更不能在有油气显示的海区钻探以防井喷。而日本“地球号”与“乔迪斯·决心号”最大的不同在于“地球号”装备了隔水套管，具备立管钻探的能力。在立管钻探中，使用一根大直径的钢管，即立管，来连接钻探平台和海底，钻杆在立管里面转动。泥浆被泵入钻杆底部并返回到被套管包着的钻杆外面，通过控制泥浆的密度来保持钻孔内的压力平衡，防止坍塌。但因为携带了巨大的立管，使得“地球号”船体十分庞大，比“乔迪斯·决心号”大3倍，从而使得运行经费倍增。目前“地球号”也只能在水深2500米的海域实施立管钻探，远期计划扩展到4000米的海域，但仍有很大困难。最近的新趋势是发展“非立管泥浆返回系统（Riserless Mud Recovery）”，把泥浆泵放到海底去（图4），这不仅可以避免建造过大的船只，而且会大大改进钻井效果和费用［5］。

图4　三种不同钻探技术比较［5］

3.2总重20000吨规模、钻探总深度达10000米

美国“乔迪斯·决心号”排水量18000多吨，钻探的最大水深为8000米，钻探总深度（即钻杆长度，为海水深度和海底以下深度之和）为9000米，但由于没有装备“防喷器”，使得“乔迪斯·决心号”在较厚地层特别是在大陆架钻探时的风险性增大，在小于73米的水深不能开展钻探。日本“地球号”为57000吨，钻探总深度为11000米，理论上可以在水深2500米的海域实施立管钻探，向海底以下钻进7000米。虽然“地球号”具有各种水深的非立管钻探能力，但由于船体庞大，钻探费用是“乔迪斯·决心号”的好几倍。新建造的中国大洋钻探船的规模宜介于“乔迪斯·决心号”和“地球号”之间，在不成倍增加建造和钻探成本的情况下，能够在各种海域实施钻探，特别是在中国广泛分布沉积层的边缘海区的钻探总深度达10000 米，如在水深4000米处，设计自海底以下钻探地层最大深度6000米。

3.3具备海底井下观测、海底观测网建设等多种功能

目前的“乔迪斯·决心号”和“地球号”都具有一定的先进的海底井下观测技术（CORK）和海底观测网建设的功能，中国大洋钻探船将进一步优化这些功能，特别是采用具备国际最新水平的钻探和高精度实时监控设备，提高岩芯的采收率，并具备各类深潜器施放等新的功能。

3.4建造中国大洋钻探船的政策建议

建造第三条国际大洋钻探船，必须能够承担探索地球深部的新任务，因此只能是国际先进技术的结晶。由中国主办、通过国际合作建造新一代大洋钻探船，将会极大地推进中国深海科学和技术的发展，也会理所当然地使中国进入国际深海研究的领导层。然而有了“地球号”的前车之鉴，中国必须在国际层面上展开认真的调查研究，通过现有技术和技术创新的结合，并充分考虑建成后如何合理运行，才能成功。为此，建议设立项目，进行“新一代大洋钻探船”的国际、国内深入调研。同时，鉴于现有技术下大洋钻探的巨大需求，还可以考虑结合我国大洋矿产资源、天然气水合物、极地调查等方面的需求，精心策划建造钻探船，参加国际大洋钻探。

为了避免建成后巨额运行经费的困扰，中国的大洋钻探船在运行管理上必须要有重大创新，在造船伊始就应与产业界合作，将来的运行管理采用基础研究与产业部门相结合的模式，一部分时间用于国内和国际的基础研究，一部分时间用于石油和矿产等部门的深海油气、“可燃冰”及其他深海资源的勘探，以发挥最大的效益。

参考文献

［1］ http://iodp.tamu.edu/publicinfo/glomar_challenger.html

［2］ http://iodp.tamu.edu/publicinfo/drillship.html

［3］ Joint Oceanographic Institutions （ed.）. ODP Highlights. Washington D C: Joint Oceanographic Institutions， 2003.

［4］ 中国综合大洋钻探计划办公室 等译. 国际大洋发现计划2013—2023科学计划书， 照亮地球-过去、现在与未来［R］. 同济大学出版社， 1-84.

［5］ Myers， G.. Ultra-deepwater riserless mud circulation with dual gradient drilling［J］. Scientific Drilling， 2008， （6）: 48-51.

Scientific Ocean Drilling Vessels： Review and Prospect

Tuo Shouting1，2， Jian Zhimin1
（1. State Key Laboratory of Marine Geology， Shanghai 200092， China； 2. Tongji University， Shanghai 200092， China）

Abstract:Scientific ocean drilling represents one of Earth sciences' longest running and most successful international collaborations， which has made remarkable achievements in past 40 years. Such brilliant achievements were made mainly by the scientific ocean drilling vessels. There are three ocean drilling vessels serve for scientific ocean drilling: Glomar Challenger and JOIDES Resolution contributed by United States and Chikyu contributed by Japan， respectively. JOIDES Resolution and Chikyu are currently working for IODP， but both of them have their own advantages and disadvantages， and they both can’t drill deeper to the Earth. It is very necessary to build a new generation drilling vessel in order to drill to deeper part of the Earth. This paper reviews the history and current status of the scientific ocean drilling vessels， and discusses the important significance and technical indicators of Chinese ocean drilling vessel.

Keywords:deep-sea drilling， JOIDES Resolution， Chikyu， Chinese Ocean Drilling Vessel

中图分类号：P71

文献标识码：A

文章编号：1674-4969（2016）02-0155-07

DOI：10.3724/SP.J.1224.2016.00155

收稿日期：2015-12-18； 修回日期： 2016-03-03

作者简介：拓守廷（1979-），男，博士，讲师，主要从事国际大洋发现计划的科学管理工作。E-mail: shouting@tongji.edu.cn