地球,这颗蓝色星球,从地壳、地幔到地核,由浅及深,深藏着无数秘密和未解之谜。至今,人类的活动和科学探索仅能到达地壳表层。而位于更深部的地幔,是探究地震、火山活动等重要地质过程的关键,也是地球物质循环的重要环节,但人类探测还从未直接触及。
自从地壳与地幔之间的分界面——莫霍面被发现以来,20世纪50年代后期,科学家们就梦想打一口超深的钻井,一直打到莫霍面,看看原位的地幔长什么样。由于莫霍面出现的深度在大陆之下30千米~40千米,而在大洋之下仅6千米~7千米。因此,钻探莫霍面的最佳地点在大洋。
半个多世纪以来,国际上开展了几百个大洋钻探计划航次,我国由于没有自己的大洋钻探装备,只能购买“船票”,才能参与其中。向海图强,逐梦深蓝。中国迫切需要一艘属于自己的大洋钻探船。
“梦想”号大洋钻探船总长179.8米、宽32.8米,排水量42 600吨,由国家发展改革委、自然资源部申报立项,自然资源部中国地质调查局负责具体组织实施,联合中国船舶集团等多家单位完成设计建造任务。2017年底“梦想”号建造从立项进入可研阶段,2020年5月完成初步设计,2021年11月启动建造,2024年10月完成综合海试。
“我们采取了‘小吨位、多功能、模块化’的设计理念,确保科学可持续建设。”“梦想”号总设计师张海彬介绍,借助“模块化”设计理念,多项世界级技术难题被攻克,以“小吨位”实现“多功能”,在国际上首次创新集成大洋科学钻探、深海油气勘探和天然气水合物勘查试采等多种功能。经两轮海试验证,“梦想”号主要性能指标均优于设计要求,取得多项重大突破,构建起我国自主的超深水钻探装备设计建造技术体系。
据悉,“梦想”号入列前,世界上只有两艘深海钻探船,分别是日本的“地球”号和美国的“决心”号,前者2005年建成,曾创下在水深6 883.5米的海底钻探856.5米,实现7 740米世界最深海底钻探纪录;后者1985年入列,证实了海底扩张和板块构造理论,还拥有深海天然气水合物、地中海盐化和侏罗纪恐龙灭绝原因等科研发现。
“深钻、深潜、深网,被认为是深海探测的主要手段。深钻指的就是大洋钻探,通过钻获地球深部的岩心,解读其蕴含的科学信息,探索地球深部的奥秘。”自然资源部中国地质调查局“梦想”号指挥部主要负责人周昶介绍,“梦想”号入列后的一个重要功能,就是为全球科学家开展大洋钻探研究提供重大平台支撑。
究竟什么样的“神兵利器”能实现“打穿地壳,进入地球深部”的科学梦想?
“几年间,我们去了很多国内油田,走访多家装备企业,从石油天然气勘探开发、天然气水合物勘查试采,到大陆科学钻探……一项一项,逐步摸清系统原理和设备配置,完成钻采系统作业能力论证,联合设计单位开发国内第一个具有自主知识产权的钻探船型。”“梦想”号钻采系统负责人冯起赠表示,“梦想”号的钻采系统已经达到国际领先水平。
“梦想”号能够在水深数千米的海底实施钻探,进入海底地层获取岩心样品,实现直接观察、分析测试和科学研究。在技术创新和设备集成的支撑下,“梦想”号具备海域11 000米的钻探能力。
“梦想”号堪称海上的移动“国家实验室”。船上建有基础地质、古地磁、无机地球化学、有机地球化学、微生物、海洋科学、天然气水合物、地球物理、钻探技术等9个实验室,总面积超3 000平方米,装配各种精密实验仪器超过150台(套)。
“梦想”号配备了世界一流的磁屏蔽室、洁净等级达万级的地质微生物洁净间和全球首套船载岩心自动传输存储系统,可满足多学科综合研究要求,一些实验条件比陆地上的实验室还好。在实验室的流程优化上,岩心出心与实验室被设计在同一传输层,并通过装备实现自动转运。可以说,深钻获得的深海岩心一出水,就可以快速被传送到船上实验室,方便科学家切割、采样、实验,开展研究。为了保证未来船上实验功能的进一步拓展,还专门预留了实验室升级拓展空间和公用系统接口。
广州海洋地质调查局研究员孙珍介绍,设计建造团队研制了全球首台兼具油气勘探和岩心钻取功能的液压举升钻机,集成4种钻采作业模式和3种取心方式,综合钻探效率、硬岩钻进能力较传统电驱钻机提升40%以上,可实现不同地层和岩体持续钻进取心,最大钻深可达万米。其中,深水无隔水管泥浆循环系统(RMR)也是我国自主研发的骄傲,这种作业方式泥浆不排海,可实现海底零排放,同时降低钻探成本。
有了“梦想”号,我们能做什么?面向重大科技前沿,推动地球系统科学变革是我们的首要目标。
具体而言,“梦想”号具备万米以下的钻探能力,令科学家看到了“打穿莫霍面,直达上地幔”的希望。届时,随着国家重大科技项目和国际大科学计划的实施,大洋钻探深度不断推进,科学家将能更好地回答地球内部是如何运行、地球生命是如何产生、地球磁场倒转的原因是什么等重要科学问题。目前,深钻是唯一能够进入地球深部获得直接证据的手段。因此,“梦想”号也将助力科学界在多圈层上和多学科上研究范式的变革。
作为大洋钻探科考船,“梦想”号也将服务于国家“双碳”战略和防灾减灾。例如,在二氧化碳海洋地质的碳封存研究方面,以往缺乏技术装备来取得相应的深海样品,如今这艘船具备了相应的采样能力。而在研究地震、海底滑坡等地质灾害历史记录方面,“梦想”号也将发挥重大作用。
“‘梦想’号还能够带动相关装备产业的发展,助力制造强国建设。”孙珍指出,在具体实施科考计划中,科学家们将面临许多诸如高温高压等极端环境的考验。这将推动钻头、钻杆等新材料的研发,加快井口装置设备国产化替代,使得海工装备制造升级,同时也会推动水下信息通信装备的技术进步。
向海图强的梦想,还需要国内外科学家的共同努力,加快研究提出并实施科学计划与任务。
半个多世纪以来,科学大洋钻探在全球各大洋钻井数千口,取得的科学成果验证了板块构造理论,揭示了气候演变的规律,发现海底深部生物圈和可燃冰,而“打穿莫霍面,进入上地幔”这一梦想还未曾实现。
“地球就像一个带壳的鸡蛋:‘蛋壳’是地壳,‘蛋清’是地幔,‘蛋黄’是地核,地壳和地幔之间的分界面就是莫霍面。”中国科学院院士朱日祥介绍,打穿莫霍面,对于深入了解地球内部的物质组成、结构、物化性质、演化规律等具有重要意义,也能在地震预测、矿产资源勘探等领域发挥出重要的应用价值。
随着“梦想”号正式入列,我国将和美国、日本和欧洲一样具备自主组织航次的实力,从而在国际大洋钻探中发挥更重要的作用。孙珍介绍,目前我国正在发起自己主导的国际大洋钻探计划,未来将通过“梦想”号自主组织航次,与欧洲和日本主导的国际大洋发现计划(IODP)进行合作。
中国科学院院士、海洋地质学家翦知湣:努力引领地球科学的世界潮流
1999年,我第一次跟随汪品先院士登上美国“决心”号大洋钻探船,参加国际大洋钻探航次。记得当时,中国作为国际大洋钻探的参与成员,一年要支付50万美元的会费。后来,这个费用涨到300万美元。就算这样,由于中国没有自己的科学钻探船,我们在船上参与钻探研究,多数情况下也只能跟着人家走。
可喜的是,如今中国终于有了自己的大洋钻探船,我深感自豪。我是搞海洋地质的,以前做这方面的研究,使用的科考船与“梦想”号相比,几乎就是“小舢板”。我欣喜地看到,这条船不仅能够进行科学钻探,还配有无人遥控潜水器等装备系统,是一艘多功能的科学钻探船,能力上已经达到世界一流。在稳定性上,这艘船非常优越,船上的科研、住宿甚至餐饮条件,都能够给科学家提供一个安心、舒适的环境,有助于科学家更好地专注于科学研究。
中国科学院院士、地质学家王成善:既是巨大机遇也是挑战
“梦想”号的建成并入列,令我感到非常振奋。我们有了一艘能够实现地球科学家梦想的国之重器。
船上配备有4种不同的钻井作业模式和3种取心方式,更有深达11 000米的钻井能力,资源勘探与科学考察并行设计,能够满足大洋科学钻探、天然气水合物勘查试采、海洋油气勘探和深远海科学考察等多种需求。利用这些先进的能力,我们能不能打穿莫霍面,进入上地幔,改变地球科学史?这对我们而言,既是巨大的机遇,也是挑战。
我认为,要实现这个重要的目标,解决全球性的科学问题,应当尽快建立把技术、硬件优势转变成科学优势的全球共商机制,通过对话、共商的模式,凝聚共识,共享发展成果,最终形成全球认可和积极参与的科学规划。