取得超深孔岩心為何難？松科2井這根柱子究竟有多牛？_風聞

【文/ 觀察者網專欄作者 荊博】

在各大媒體紛紛報道松科2井勝利完井的時候，依然有不同的聲音發出，國家花了一個多億就打了根石柱子？松科二井，從2014年4月13日開鑽，至2018年3月18日完鑽、5月26日完井，歷時1504天，終孔井深7018米，是全球第一口鑽穿白堊紀陸相地層的大陸科學鑽探井，也是亞洲國家實施的最深大陸科學鑽井和國際大陸科學鑽探計劃（ICDP）成立22年來實施的最深鑽井。

（圖1 國際大陸科學鑽探計劃（ICDP）科學鑽井井位分佈圖及其科學目標）

雖然沒有見到松科2井完井報告中的項目決算書，但是按照其第一年中每4個月鑽井花費一千萬來計算，而後期隨着鑽探難度增加，項目開支必定有增無減，全部花費超過一個億確然無疑，花費過億打了根石柱子確實並非空穴來風。

那麼，國家花了一個多億，打了根石柱子究竟值不值？

這根石柱子是做什麼的？

迄今為止，人類對地球內部仍然所知甚少，科學家們試圖運用地質、地球物理和地球化學等方法來探測與研究地球內部，但所獲得的認識都是間接的。科學鑽探是目前能直接獲取地下實物數據和提供測量信道的唯一技術方法，是人類瞭解地殼深部運動和內層物質信息不可或缺的重要手段，這也是將科學鑽探稱為“伸入地殼的望遠鏡”的由來。那麼僅憑一根石柱或許能夠知道地下幾千米的礦產和基本巖性情況，但又是怎麼能夠研究出幾千萬到一億多年地球的氣候和環境的變化呢？

（圖2 松科2井剛剛提鑽後的岩心）

經過一番地質工作人員編錄和劈心等粗加工工作後的樣子如下：

（圖3完成岩心編錄後經過劈心的岩心）

是不是還很好奇是如何憑藉這些黑乎乎的石頭做到對古地理和古環境恢復的。其工作原理簡而言之是利用已掌握的地球科學經驗規律從微觀到宏觀反演。其主要依據通常分為三方面，岩心的巖性、物性和古生物遺蹟，前兩項屬於無限制條件，後一項的研究對象則需要憑運氣。

在初步的岩心編錄完成後，岩心磨製成各種薄片，然後在顯微鏡下觀察其礦物組成和微觀結構，礦物組成通常可以瞭解其物源特徵，同時礦物的晶型通常也能瞭解到其大致發生過的地質活動。如下圖中對鋯石測年並發現其相關規律。

（圖4 元古代渾圓狀鋯石，U-P年齡1938.2Ma，2262-2277m；古生代碎裂狀鋯石，U-P年齡302.2Ma，2595-2658m；中生代稜角狀鋯石，U-P年齡225.5Ma，3993-4017m）

針對特定的岩石種類還有特定的研究方法，如研究砂岩常用的鑄體薄片，將有色液態膠在真空加壓下注入岩石孔隙空間，待液態膠固化後磨製成的岩石薄片。由於岩石孔隙被有色膠充填，故在顯微鏡下十分醒目，容易辨認，為研究岩石孔隙大小、分佈、孔隙類型、連通情況等提供了極其便利的研究對象。

（圖5 鑄體薄片岩礦鑑定）

​由於岩心的物性更方便觀測，所以其連續性變化則更有規律性。如自然電位很大程度同岩心的孔隙度等宏觀巖性有直接聯繫，通過這些進而可以反演沉積環境。

（圖6 自然電位曲線同沉積環境和沉積序列的關係）

而一旦發現生物遺蹟則對恢復古環境和古地理有更大的幫助，無論是指相化石還是標準化石，因為其生存需要一定的條件，其恢復環境的意義不言而喻。最後綜合多種研究方法，最終便可以形成一張綜合柱狀圖，表達其研究成果，同時，因為其研究的方法不同，會出現有出入的結果，綜合柱狀圖就是權衡了各種因素得出的結論。

（圖7 鑽孔綜合柱狀圖）

為何要在這裏鑽探

（圖8 松遼盆地嫩江組早期盆地範圍和沉積相展布）

選擇在松遼盆地進行大陸科學鑽探計劃，是與其出色的地質條件分不開的，松遼盆地作為研究對象，有兩個顯著的特點，一個是大，一個是厚，前者因其晚白堊世沉積範圍大於26萬平方公里，而且湖相細粒碎屑沉積在整個白堊系沉積序列中佔主體，這為白堊紀古氣候研究提供了理想的地質記錄；後者因其地處歐亞大陸東緣，中生代位於北部蒙古—鄂霍茨克縫合帶與東部太平洋板塊俯衝帶之間，沉積了厚達萬米的白堊系火山－沉積序列。

（圖9 白堊紀松遼盆地發育時限及其與全球同期主要盆地的對比）

加之松遼盆地白堊紀時期經歷了同裂谷（150～105Ma）、後裂谷（105～79.1Ma）和構造反轉（79.1～64Ma）３個構造演化階段，連續成盆和接受沉積的時間長達8600萬年。與全球同期白堊系主要盆地相比，松遼盆地發育歷史最長、沉積厚度最大、主期沉積速率最大，因而地層沉積記錄的分辨率也就最高。

取得超深孔岩心為何難

超深孔鑽探本身就極具挑戰性，首先因為地質條件複雜，可能會遇到各種各樣的地層和複雜情況，如地應力集中、地層壓力異常、地層破碎、地層蠕變縮徑、高礦化度(高密度)等複雜地質條件。複雜的地質條件可能導致鑽井事故和鑽進效率降低等不利後果。

此外地球內部的高温高壓問題也對鑽井器材是極大的考驗，隨着鑽探的深入，地下空間中温度和壓力迅速增大，一般來説，每下探100，温度就上升3°C；不僅如此，鑽機鑽進過程中也會因摩擦產生額外的熱量，即便有鑽井液的降温潤滑作用，也會因能量堆積產生極大的影響。

而因深度加深，地層壓力體系更加複雜，超長的鑽桿柱本身的重量就有極大的應力（這也是為什麼超深孔使用鋁合金鑽桿的原因），何況鑽桿柱還要承受鑽進施工中的拉伸、 壓縮、彎曲、扭矩等複雜載荷的作用，不可預見因素多，給井身結構設計帶來極大的難度，所以我們在鑽探之前還需要花費大量資金研發特殊的鑽探器材。

（圖10 為保證超深孔順利進行的超深井鑽孔結構和套管程序）

而科學鑽探還需要取得較為完整的岩心，這是的整個鑽探工程的難度瞬間增大。有時候甚至需要一定的運氣才能保證採取率，本次松科2井岩心採取進尺4192.0米，獲取岩心4005米，岩心採取率高達95.54%，這是個及了不起的成就。

因此，超深科學鑽井的岩心獲取，不僅貴，而且難。地下勘探需要極大的投入，就如同挑戰極限一下，每前進一米都需要更多的投入，而且如果重新探測，換地重來。另一方面，深部勘探依然存在理論上的極限，超過這個極限，不等温壓條件提高到熔化金屬設備，鑽桿自身的重量就會將自身壓斷。但即便如此，超深鑽探依然是目前人類掌握地球深部直接探測的唯一手段。

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