人類一直向地殼深處打洞，但離把地球鑿穿還有多遠？

出品| 網易新聞

作者| 負標高，中國地質大學地質工程專業

　　江蘇連雲港有三樣東西比較有名，其一是傳說中齊天大聖孫悟空佔山為王的花果山水簾洞，其二是打造了毛主席水晶棺的東海水晶，還有一個，就是被當地老百姓稱為「中國地眼」的中國大陸科學鑽探工程CCSD—1號井（以下簡稱科鑽一井）。

　　這個科鑽一井，你可以姑且把它理解為一口井，只不過這是一口很深很深的井。有多深呢？深入地下5158米。

　　如果和地球的平均半徑6371千米比較的話，這個深度簡直是小巫見大巫，但這已經是人類在陸地科研鑽探方面不錯的成績了，要知道向地球深處打洞可不是個容易事兒。中國正是憑藉科鑽一井這一深度成為了全世界第三個陸地科研鑽探深度超過5000米的國家，前兩個分別是前蘇聯和德國。

　　這口井跟普通的井有什麼不同？在地下這麼深的地方打洞究竟有什麼用？如果人類一直向地殼深處打洞，會不會把地球打穿？接下來我們一一揭曉。

中國大陸科學鑽探工程CCSD—1號井

（一）地球內部究竟什麼樣？打個洞看看

　　一百五十多年前，凡爾納在《地心遊記》這部經典科幻小說中，講述了主人公通過火山口深入地底所經歷的一系列奇幻的景象，這裡有巨大的海、巨型的植物，早已滅絕的遠古生物，甚至古人類遺骸……真實的地下是否也像小說中描述的那樣呢？這一直是個令人著迷的問題。

　　為了研究我們的地球，地質學家想了很多很多辦法，然而，除了使用各種間接的方法（比如通過地震波研究地球結構），最直觀、最準確的方法還是打開地球看一看——鑽探。

　　通過鑽探取回的岩芯樣本，地質學家可以分析研究岩石的成分、地殼的結構，進而推斷地殼的演化過程。

　　科鑽一井取回的岩芯照片

　　根據岩芯裡面的礦石成分，結合地質構造，人們可以知道去哪裡找礦藏、石油、天然氣。

　　2017年中國在南海成功開採可燃冰

　　此外，通過鑽探，人們還可以研究生物的演化和滅絕的歷史。

　　科學鑽探可以研究生物演化史

　　中國的科鑽一井就是這樣一口用來進行科學研究的鑽井，通過科鑽一井獲得的岩心，在科學家手裡可是無價之寶。

　　除了這些，在鑽井的基礎上建立地殼的長期觀測站，還可以研究地震是怎麼發生的，對以後地震的預測和預報都有很大的幫助。

　　而且，科學鑽探的超大深度、超高壓力本身對鑽井技術、機械設備、材料製造以及工程管理等方面提出很高的要求，這也會大大推動鑽探技術的發展。

　　當然，科學鑽探還能研究很多其他的問題，所以，各個國家都在積（feng）極（kuang）地打鑽。

（二）向地球深處鑽探，人類300年走了0.2%

　　正如大家所知道的，世界上垂直距離上最深的鑽孔是前蘇聯的科拉超深鑽，它深達12262米，這一紀錄至今近30年過去了依舊無人能打破，這個深度只有地球平均半徑的0.2%左右。

　　前蘇聯科拉鑽井(Kola Superdeep Borehole)，深達12262米

　　在科拉超深鑽的基礎上，前蘇聯/俄羅斯建立了世界上第一個地學實驗室，專門研究古地殼結構。

　　除了前蘇聯外，全世界排名第二的深井是德國KTB鑽井，深度達9100米。美國也已經實施了13口鑽孔。

　　在此背景下，中國科學家也不甘落後。除了參加國際大陸鑽探項目外，在國內，中國大陸科學鑽探工程（Chinese Continental Scientific Drilling, CCSD）也如火如荼展開。

　　科鑽一井於2001年6月25日開鑽，2005年4月18日完鑽，終孔深度5158米。

　　井場位於江蘇省連雲港市東海縣安峰鎮以西7.5km處，是在具有全球地學意義的大別-蘇魯超高壓變質帶實施的第一口5000米級科學深鑽。如今，在井場上建立了中國大陸科學鑽探工程長期觀測站。

　　中國大陸科學鑽探工程井場位置圖

（三）打一個5000米深的鑽孔，有多難？

　　我們都知道，地殼深處是一個高溫高壓的環境，這個高究竟能高到什麼程度呢？

　　有科學家預計，當鑽頭鑽到地下萬米後，溫度將達到300攝氏度以上，也就是說，鑽頭每前進一米都要經受更高溫度的考驗。對付岩石，金屬鑽頭是一把好手，但面對高溫，它們立馬就蔫了。

　　萬米下的壓力同樣令機器不堪重負，科學家預估，在鑽到一萬米地下後，鑽井內泥漿壓力將達到175兆帕以上，地層壓力將達到400兆帕。

　　而高溫和高壓又會導致岩石容易破碎。

　　因此，想要鑽一個5000米深的鑽孔，困難重重。

　　而且，科鑽一井這樣的大陸深地鑽探在中國尚無先例，沒有可以借鑒的案例和技術，也沒有地下深部的資料，施工的難度和風險都極大。

　　為了解決這個問題，工程師們設計和創造了「靈活的雙孔方案」。

　　雙孔方案是在最終目標鑽孔附近先鑽一個直徑較小、深度較淺的取芯鑽孔，然後再進行最終目標鑽孔的鑽取。

　　直徑較小、深度較淺孔稱為先導孔，最終目標鑽孔稱為主孔。根據不同的施工要求而靈活運用兩種施工程序的整體方案，解決了沒有資料和技術等諸多問題。

　　科鑽一井雙孔方案

　　為了科研的需要，這個鑽孔還不能太細，即使在5158米深的井底，鑽孔的直徑也達到了156毫米，而且還要連續獲取岩芯。這都對鑽機系統和鑽頭工藝提出了很高的要求。

　　科鑽一井施工使用的是完全國產的鑽機。它用電驅動，技術先進，自動化程度高，操作方便。鑽機能實現無極調速，與各子系統配合，可以設計不同的鑽進模式，擴大了鑽機的使用範圍，更適合在同一井內使用多種工藝方法施工，滿足了科學鑽探的需要。

　　科鑽一井使用的鑽機

　　科鑽一井遇到的岩石主要是片麻岩和榴輝岩，這兩種岩石是原有岩石在地殼極大的壓力下變質形成的，因此十分堅硬，難以鑽進。所以，鑽頭的硬度要高，耐磨性要好。

　　堅硬的榴輝岩，需要硬度高而且耐磨的鑽頭才能鑽進

　　在鑽進時，科鑽一井採用了薄壁孕鑲金剛石取芯鑽頭為主的金剛石取芯鑽進工藝方法，建立了「組合式鑽探技術」。

　　所謂孕鑲金剛石鑽頭，就是在鑽頭胎體里均勻包鑲著金剛石顆粒的鑽頭。鑽進時胎體磨損，金剛石不斷出露，切削岩石。孕鑲金剛石鑽頭即使在胎體全部磨完時都有新出露的金剛石進行工作，大大提高了鑽頭的工作效率。

　　科鑽一井使用的不同規格的鑽頭

　　孕鑲金剛石取芯鑽頭

　　常見的鑽探技術有地質岩芯鑽探技術和石油鑽探技術兩大類，但是各有優缺點。地質鑽探技術使用頂驅動力式岩芯鑽機，可以獲取全部的岩芯，但是鑽孔直徑小，最深不超過3000米；而石油鑽探技術則可以鑽的很深（可超過10000米），但是取回的岩芯很少，一般不超過5%。

　　所以，工程師就把二者的優勢結合起來，利用石油轉盤鑽機和頂驅動力系統，進行金剛石繩索取芯鑽進。這便是「組合式鑽探技術」。

（四）地下望遠鏡，科學鑽探發現了啥？

　　科鑽一井施工獲得的岩芯樣品和測井所獲得的大量原位信息為地學研究提供了豐富、翔實、可靠的實物資料。地質學家經過研究，已經取得許多研究成果。

　　科鑽一井揭示了50種類型的岩石。

　　中國大陸科學鑽探工程主孔0~2000米岩性簡化剖面

　　1-榴輝岩，2-角閃岩化榴輝岩，3-石榴角閃岩，4-斜長角閃岩，5-超基性岩，6-石榴(角閃)黑雲斜長(二長)片麻岩，7-綠簾黑雲斜長(二長)片麻岩，8-花崗質片麻岩，9-破碎帶。

　　第一次在世界上超高壓變質岩區建立了深入地下5000米精細的由岩性、地球化學、氧同位素、構造變形、礦化、岩石物性、測井、地震VSP剖面和地下流體等系列剖面組成的「金柱子」，為相關領域的研究提供了基礎資料。

　　科鑽一井項目還在國內首次開展三維地震探測，提供了精細地震和地質構造解釋結果和波速模型，對中國的地震發生機制的研究和地震預測預報工作有重要的推動作用。

　　此外，科鑽一井鑽出的岩心，在不同深度、不同岩性的岩石中發現大量極端條件下形成的微生物，在地質微生物研究方面取得了重大的進展。

結語

　　中國大陸科學鑽探工程，是亞洲第一個深部地質作用長期觀測實驗基地，也是亞洲第一個大陸科學鑽探和地球物理遙測數據信息庫，亞洲第一個研究地幔物質的標本岩心館和配套實驗室，使中國超高壓變質帶和地幔物質研究達到國際領先水平。

　　在科鑽一井之後，中國又陸續開鑽了中國環境科學鑽探青海湖工程、中國白堊紀大陸科學鑽探工程——松科1井和松科2井，並取得豐碩的研究成果。

　　其中，「松科2井」截至2016年11月1日已經鑽進至5877.06米，超越了中國大陸科鑽（CCSD）1井的終孔深度5158米，不僅刷新了中國大陸科學鑽探的記錄，而且實物資料豐富，多項技術已突破了國內外科學鑽探的前沿技術，樹起了科學鑽探領域的又一里程碑。

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編輯| 史文慧

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