深井钻探 揭开地球深处的秘密

马志飞

我们常仰望星空，梦想飞越天际，也常眺望大海，期待遨游深渊，却总是忽视脚下的土地。在当今“上天、入地、下海、登极”四大科研领域，航空航天、深海探测与极地科考发展迅速，对地下的研究却始终困难重重。

为何会有人说“上天容易入地难”？向地球深部进军，究竟面临哪些难以逾越的障碍？我们目前已经取得了哪些突破呢？

向下，再向下

从古至今，人类从未停止探索大自然的脚步。对于多数时间只生活在地球表层的人类而言，所接触到的事物大都只存在于地表，因此，人类对地球内部究竟是什么样充满了好奇，也一直致力于探索地球内部的世界。所以，才会有“上穷碧落下黄泉”之说。

井，或许是人类对地下世界的最初探索方式。

井是我们生活中常见的一种工程设施。早在远古时期，为了获取相对更安全的饮用水，人类凿地开挖垂直向下的深穴，于是就有了水井。后来，为了采盐，人们又开凿了盐井，为了采矿而开凿了矿井。人类对地下深层的探索欲望永无止境，钻的井也越来越深，从最初的几米、几十米一直到上千米。这一口口井就像一根根打入地下的“岩石探针”，帮助人们探寻地球深处的秘密。

我國四川省自贡市的盐井可谓古代深井钻探的典范。当地人用竹篾绳将若干杉木捆扎起来做成支架，竖立在盐井的井口，人称天车。据统计，自贡的盐井天车曾经数以万计，这些鳞次栉比的天车成为自贡盐场的一道奇观。在清朝咸丰、同治年间，自贡的天车数量达到鼎盛时期，当地年产食盐近30万吨，可供全国1/10的人口食用，自贡因此获得“盐都”之名。迄今，自贡还保留着一座名为“燊海井”的著名盐井。这口盐井始建于清道光十五年（1835年），井位海拔341.4米，井深1001.42米，是世界上第一口深度超过千米的深井。当时，开凿盐井采用的是北宋庆历年间的工匠们发明的冲击式（顿钻）凿井法，即利用钻头自由下落的冲击力，击碎岩石，并使盐井不断加深。该工艺开创了人类机械钻井技术的先河，在传到西方后，被广泛应用于矿产勘探活动中。

伴随科技的发展，人类创造的钻探深度纪录一次次被打破。1974年，美国一家天然气公司在奥克拉荷马州沃希托县钻成的伯沙罗杰斯钻井，深达9583米，创造了当时的世界纪录。该纪录直到1979年才被苏联的科拉超深钻孔超越。1970年，在位于北极圈深处的科拉半岛上，苏联人开启了雄心勃勃的深钻计划，在1989年达到其最大井深—12262米，创造了新的世界纪录。尽管如此，该深度还不足地球半径的1/500，如果把地球比作一个鸡蛋的话，它连鸡蛋皮都没钻破呢。

地下有什么

地下1米是地鼠居住的最大深度；地下2米是普通人墓地的深度；地下18米，一般是能防核武器的防空洞的深度；地下21米是巴黎人墓地的深度……继续向下挖，还会出现什么呢？

地下60米有世界上最深的游泳池。有条件的小伙伴可以去迪拜感受一下这个极具赛博朋克风的超酷地下游泳池。

地下85米是8世纪在土耳其发现的一座古老的地下多层城市的深度。

地下100米是人类掩埋放射性物质的深度。

地下155米有世界上最深的萨拉银矿酒店。虽然沿途风景优美，想要如厕却是个大问题，可以说是花钱找罪受。

地下392米有英国人挖的一口纯人工水井，它也是世界上最深的水井。

地下688米有智利人修建的圣何塞铜矿。

在地下1410米，居然有芬兰人打造的地下演唱会，据说，还创造了吉尼斯世界纪录。

地下2438米有世界上最深的人造隧道—圣哥达机械隧道。穿梭在这样的隧道中，会不会令人有一种穿越时空的梦幻感？

地下3900米处有世界上最深的矿井。在几千米深的海洋中，生活着很多生物，但在地下几千米深处想找到活物，则相当困难。当科学家在3900米深的地下发现一种线虫时，感到十分惊讶。这个深度也是人类能抵达的最大深度，再往下，就只有开采资源的钻井了。

在地下9000米深的地方，会开采到大量的黄金。如果你有这个能力的话，下一个世界首富就是你。

为何要“挖呀挖呀挖”

从中国古人认为“天圆地方”，到航海家麦哲伦环球航行证明地球是球体，从古希腊科学家埃拉托色尼测量了地球周长，到莫霍洛维奇发现了地幔和地壳的分界层、古登堡发现了地核与地幔的分界层，每一次的科学进步都让我们对脚下的地球有了更加科学与深入的认识；然而，对于人类来说，直至今天，地下深处依旧显得遥不可及，充满了诸多谜团。简而言之，至少还有以下三大问题悬而未决。

地球内部结构究竟如何？医生给病人看病讲究“望、闻、问、切”，地质工作者研究地球也采取类似的方法，总结起来就是调查、探测、钻探、取样。其中，钻探和取样是通过打钻孔，取出岩心，然后进行研究；但目前的钻探深度远未达到理想要求。如今，人们对地球深部的认知主要来自对地震波的研究，且依然停留在推测和假说阶段，在很多具体研究领域仍然存在较多争议，例如，地壳、地幔、外核和内核之间的确切界限以及它们的温度、压力和组成成分等问题尚未完全解决。

深部矿产资源在哪里？目前，地球上对人类有开发利用价值的矿产资源，包括金、银、铜、铁、锡以及煤炭、石油、天然气等，基本都集中在地表以下几千米内的地壳中。随着地球深部不断有新的矿藏被发现，人们意识到还有更多的资源隐藏在地球深部。就我国而言，一方面，目前尚未全部完成对各地的详细地质调查，有些地方还是找矿的“处女地”；另一方面，在地球深部资源探测方面，目前处于世界先进水平的勘探开采深度已达2500～4000米，而我国的勘探开采深度大多小于500米。因此，无论从勘探范围还是从勘探深度讲，都有大量工作可做。

如何抵御深部灾害？地震是地球上最严重的地质灾害，每一次地震都是板块间能量的释放，但对于在什么时间、什么地点、释放多大的能量，即地震预报的三要素—何时、何地、何种震级，科学家们目前仍然难以做出准确预测。关于地震的具体触发过程以及与之相关的地质、物理和化学过程，也未能完全破解。地质学家研究发现，地震并非均匀分布在地球上，而是集中于板块的边界地带，这里是地壳比较活跃的地带，火山、地震活动以及断裂、挤压褶皱、岩浆上升、地壳俯冲等频繁发生。出人意料的是，2011年3月11日，日本东海岸发生的9.0级大地震竟然出现在地震学家圈定的可能爆发大地震的危险区之外。这不得不让科学家们重新审视现有的地震研究理论，并重新认识我们脚下的地球。

地球表面的地质环境变化、地质成矿作用和灾害孕育过程，其主要控制因素都来自深部物质与能量交换的地球动力学过程。无论是基于对基础地质科学的研究，还是考虑到对资源开发和灾害防治的需求，向地球深部进军都具有现实的必要性和紧迫性。

日本“3·11”大地震的启示

2011年3月11日14时46分（东京时间），日本宫城县牡鹿半岛东南偏东130千米发生里氏9.0级大地震，深度约为24千米。这是日本有地震记录以来规模最大的一次地震，也是人类历史上有地震记录以来的第四大地震，仅次于1960年智利大地震、1964年美国阿拉斯加大地震和2004年印度尼西亚大地震。

关于“3·11”大地震的成因，目前的观点认为，这是发生在太平洋板块俯冲带上的海沟型地震。早在“3·11”大地震发生的一个月前，日本海沟附近板块边界就已经出现了剧烈活动，在“3·11”大地震发生的前两天，三陆海域发生了里氏7.3级的地震。遗憾的是，大家都认为这些地震是孤立发生的，并没有把它们视为另一场更大规模地震的前兆。

在“3·11”大地震之前，人们普遍认为，俯冲带可能只在地下8～40千米深范围内产生大地震；当深度达到40千米时，地球内部的高温足以将岩石熔化变形，导致岩石具有可塑性；当深度在8千米时，那里的岩石主要由海底沉积物组成，含水量较多。鉴于以上两种情况，断层表面一直滑动，反而不容易产生大地震。不过，发生东日本大地震的地区并没有遵循上述规律。因此，对于地震学家来说，日本“3·11”大地震是一次震撼人心的警告。有学者痛心疾首地说：“相对地球漫长的行为来说，我们对地球物理学的记录仅仅是一孔之见；我们最先进的地质模型只是自然的卡通化、简单化的写照；100年来最先进的地震学理论可能在100秒内被摧毁。”

地球科学的最后前沿

1968年8月，美国国家科学基金会等机构资助实施了深海钻探计划。到1983年11月计划结束时，“格罗玛·挑战者号”钻探船共完成了96个航次，在太平洋、大西洋和印度洋624个站位上钻井1092口，累计在海底之下钻进320千米，海底钻井最深为1741米，共获取岩心97056米。这次钻探工作不仅验证了海底扩张和板块构造学说，而且发展了大洋地层学理论，促进了古海洋学新学科的建立，在海洋地质科学史上留下了浓墨重彩的一页。此后，由德国牵头，在国际地学界的支持下，28个国家的250位专家出席并讨论了国际大陆科学钻探计划。1996年2月26日，中国、德国、美国作为发起国，正式启动国际大陆科学钻探计划。目前，该计划已经拥有24个成员国，另有8个非正式成员国积极参与了立项和项目实施工作。国际大陆科学钻探计划是一个投资巨大、需要一系列高新技术支撑的全球性大科学项目，成立至今，由国际大陆科学钻探计划参与完成的科学钻探项目已经超过30个，取得了一大批重要成果。

在深地科研方面，我国积极响应，启动了中国大陆科学钻探计划。首先，在江苏省连云港市东海县打下了中国第一口大陆科学深钻井，该钻井号称“亚洲第一井”，从2001年6月25日开钻，到2005年3月8日结束钻探，共钻进5158米，取心钻进1074个回次，岩心采取率85.7%，其中获取的最长岩心为4.67米。随后，我国在这口钻井的基础上建立了深井地壳运动长期观测站，在主孔的544米、1559米、2545米和4190米四个深度分别安放了两套高精度数字地震仪和一套地温观测仪，又在其他深度位置安装了深井多分量地应力观测仪器、地磁仪、水压仪等地球物理监测仪器，对地应力、磁力、孔隙压力、温度及水位进行实时综合观测。

此后，我国又开展了青海湖环境科学钻探、松辽盆地白垩纪科学钻探、柴达木盐湖环境资源科学钻探、中国大陆科学钻探资源集成计划等，共钻进约3.5万米。2007年10月，中国白垩纪大陆科学钻探工程—松科1井的钻探工作在我国松辽盆地北部完成，获取岩心总长2485.89米，创造了目前为止国际上第一条最长而且连续的白垩纪陆相沉积纪录。松辽盆地是世界上最大的典型陆相沉积盆地之一，保存着白垩纪最完整、最连续的陆相地层，这里也是我国最主要的含油气盆地，在该区域实施科学钻探的主要目的，就是探索深部能源资源和探究距今0.65亿～1.45亿年的地球气候变化。2014年4月，松科2井正式开钻，设计深度为6400米，至2018年5月26日顺利完成，该钻井的实际钻探深度为7018米，刷新了我国大陆科学钻探的纪录，成为当时我国最深的科学钻井，也是全球第一口钻穿白垩纪陆相地层的大陆科学钻探井，标志着我国在向地球深部进军的道路上又迈出了坚实的一步。

“打洞”会诱发地质灾害吗

深井鉆探可能会对地层结构产生一定的影响，但通常不会显著改变整体的地层结构或诱发严重的地质活动。其原因在于，地层结构是由长期的地质作用形成的，具有相对的稳定性，而钻探本身是一个局部性的活动，其影响范围有限，在钻探过程中，钻头会穿过不同的岩层，对岩层产生的扰动通常仅限于钻头周围的较小区域。尽管如此，深井钻探仍要想方设法避免在某些特殊情况下加剧地质活动。因此，在进行深井钻探时，需要制定合理的钻探方案和安全措施，以确保钻探活动的安全性和可控性。

为保障国家能源安全，我国在油气勘探开发领域实施的“深地工程”近年来也取得了一系列新突破。在油气资源丰富的四川盆地已经完成8口8000米以上超深井、2口9000米以上特深井的钻探工作。2023年2月13日完成钻探任务的蓬深6井（位于四川省绵阳市盐亭县境内）最深达到9026米，刷新亚洲最深直井纪录。在新疆塔里木盆地，深度超过8000米的油气井已经有160口。2023年5月30日，位于新疆塔克拉玛干沙漠腹地的深地塔科1井开钻，该井设计井深11100米。尽管深井钻探面临着高温、高压等重重困难，举步维艰，每钻进1米都充满了风险，但技术人员凭借精湛的专业能力和惊人的毅力朝着万米深度挺进，终于在2024年3月4日突破10000米。这不仅为我国今后进军万米深地提供核心技术和装备储备，也再次证明中国深地探测系列技术已跨入世界前列。

深井钻探面临的挑战

或许有人会觉得，钻探不就是一台机器带动旋转的钻杆朝着地下打洞嘛，这有何难？事实上，随着钻探的深度不断增加，施工难度会越来越大，成本也越来越高。深井钻探面临的首要问题就是高温。在地球上，从地表向下，随着深度的增加，温度不断升高，平均每深入100米，温度大约会上升3℃。如果钻到10千米深，此处的温度高达300℃以上，这还不算钻机旋转与岩石摩擦产生的热量。这意味着，无论是钻头还是钻杆都要面临极大的考验，由于钻头和靠近钻头的钻杆部分经受不住长时间的高温，经常会变形乃至断落。据统计，目前在4000米以内的钻探，平均每钻进80米就要更换一个新的金刚石钻头。因此，向下钻探需要耗费大量的时间和高昂的费用。此外，在钻探过程中还经常遇到钻进方向倾斜或弯曲、因孔壁不稳定而发生坍塌等诸多技术难题。所以有专家直言不讳地说：“表面上看是打一口井，实际上却是在考验一个国家的经济实力、基础工业实力和整个科技的发展水平。”

正因为如此，超深钻一直是世界难题。1961年，美国曾开展过一项大规模的钻探计划，该计划以地球物理学家莫霍洛维奇的名字命名，人称“莫霍计划”。该计划原本想在海底选定某些地点向下钻探，期望穿透地壳，直达地幔。施工人员在墨西哥湾西海岸水深3558米的海底一共钻了 5口深海钻井，其中最大井深为183米，距离钻透地壳这一目标相去甚远。最后，由于专业技术能力不足，加上经费原因，该计划于1966年以失败而告终。

钻探就像外科医生的“手术刀”，深入地球内部取出某些“组织”供科学家化验。虽然现在的地质学家可以利用地震波对地球进行“CT扫描”并推断出地层深部结构，但相比较而言，钻探更直接、更准确。我们相信，未来的钻探技术一定能够突破重重困难，带领我们揭开地球深处的秘密。

用地震波给地球做CT

利用地震波给地球做扫描是一种常用的地球物理勘探方法，被广泛应用于地壳结构、地震活动性等领域的研究以及石油、天然气、矿产等资源勘探中。它的基本步骤如下：

首先是人工激发地震波。通过在地面或地下放置炸药、使用重锤敲击地面或使用振动器等方式，产生地震波，有时候也会利用天然地震产生的地震波。这些地震波在向地下传播过程中遇到不同的物质界面会发生反射、折射等物理现象。

然后是接收地震波。在地面或地下设置检波器，用于接收地震波信号。检波器将接收到的地震波信号转换成电信号并记录下来。

接下来是数据处理。通过计算机对接收到的地震波信号进行濾波、去噪、增强等处理，从而根据地震波的传播时间和路径，计算出地下不同深度的物质性质和结构特征。

最后是成像解释。将处理后的地震数据转换成图像，结合地质调查、钻探等各种地质资料进行解释和分析，推断出地下的岩性、构造、油气藏等信息。

【责任编辑】赵 菲