地球深部钻探，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。这也是目前世界上只有少数国家能够钻探超过5000米深度的重要原因。

文/记者 李鹏 编辑 陈永杰 供图/视觉中国

有很多人都看过著名科幻小说《地心游记》，作者凡尔纳通过想象描述了地下人类未知的世界。其实，那仅仅是科幻作品，在现实中，真的有通往地心的“通道”。

人类深入地球深部的“望远镜”

5月26日，在黑龙江省安达市，由中国地质调查局勘探技术研究所承担的松辽盆地大陆深部科学钻探工程即“松科二井”胜利完成钻探任务，井深7018米，创造了亚洲国家大陆科学钻井的最深纪录，也使我国大陆科学钻探装备和技术跃升到新水平。

▲地壳一号万米钻机首秀，钻井深7018米创亚洲纪录

在“松科二井”现场总指挥、中国地质调查局勘探技术研究所所长张金昌看来，到目前为止，人们对地球内部的认识大多是通过地球物理等间接方法获得的，因此往往就会得出多种不同的结论。也就是说，现在我们对地球内部的认知依旧非常少。

长期以来，由于充斥着坚硬岩石，地球内部处于高温高压的极端环境中，人类对地球深部的认知非常肤浅，甚至远没有达到对太空和深海的认识程度。

尽管地质学家就已经确定了地球的化学层，科学家也可以通过地震站或者重力感应卫星进行直接观测和研究地球表面，但是这些技术很难确定岩石圈的边界。另外，科学家们的研究还经常会得出相互矛盾的结果。“在现实中要想更深入地了解地球内部结构，最直接有效的方式就是打一口科学钻探井，让人类的视线范围能够深入到地球内部。”张金昌说。

▲ 地球结构图

按照普遍接受的理论，地球的构造是分层的，由外至内分别是地壳、地幔和地核。地球是我们赖以生存的家园。人类要想要一个更为美好的未来，就必须了解来自地球内部的信息。

比如地震的原因是什么?地壳中有什么样的流体?是什么力引发了造山运动?地壳中曾经和正在进行什么样的物理化学过程?地球深处藏着哪些远古生物的秘密?这些问题都是很多人想知道的。地球深部钻探被看作是人类深入地球内部的“望远镜”和了解地球演化的时间隧道。人类向自己脚底下探索要远远难于向头顶上探索，尽管人类的探索已经可以到达太阳系的边沿，但很难打一个超过1万米深的深井。

2010年，联合国“国际行星地球年”将地球深部作为地球科学的最后前沿，这也被看成是解决人类面临的能源资源和生存空间基本问题的必由之路。

“莫霍计划”和科拉超深钻井

给地球深部打洞至今已经有半个多世纪的历史。从20世纪60年代起至今，已有不少国家在洋底和大陆打了上百口深浅不一的科学钻孔。

大陆超深科学探索钻井是冷战时代的产物，当时美国和前苏联进行了一场长时间较量。冷战期间地学领域最具代表性的两大工程是大洋钻探和大陆超深钻，两大科学工程均始于上世纪五六十年代。大洋钻探以美国为主导，大陆超深钻以前苏联为主导。

▲科拉超深钻孔是前苏联在1970年，在科拉半岛所进行 的一项科研。图为谷歌地图上的科拉超深钻孔

1957年，美国地质学家提出“莫霍计划”，这也是世界上第一个科学钻探计划，科学家希望揭开地壳下面地幔的秘密。在“莫霍计划”的第一阶段里，他们进行了一组试验性质的钻探，在太平洋西海岸靠近墨西哥的海域钻了5个深度不超过200米的井。这几乎是“莫霍计划”的全部直接成果了，1966年美国国会砍掉了拨款，计划终止。

为了和美国较劲，前苏联的大陆深部钻探项目上了马，最著名的就是位于俄罗斯西北部科拉半岛的科拉超深钻井。科拉超深钻井目标为15000米。1993年，该钻井到达地壳内部12262米的深度，目前仍是地球上最深的科学探索“地眼”。

▲科拉超深钻孔是人类进行钻探的 最深的一个钻井， 深处达到惊人的12262米。

目前地球上最深的马里亚纳海沟也只有11034米深。不过，于地球的半径而言，这样的深度依旧还是很浅的皮层。地球平均半径6371千米， 12262米的钻孔也仅仅向地心钻进了大约0.2%。 “如果把地球比作一个鸡蛋的话，现在连鸡蛋皮都没钻破!” 中国科学院院士高锐表示。

1983年时，科拉钻井的钻探深度就已经达到了12000米。直到2008年和2011年分别被卡塔尔及俄罗斯库页岛的石油钻井打破，其中卡塔尔阿肖辛油井深12289米，库页岛Odoptu OP-11号井的井深为12345米，但是这两者都是斜井的深度，截至目前科拉超深钻井仍是人类挖过的最深的垂直钻孔。

在俄罗斯，科拉超深钻井是继前苏联空间站、深海勘探船之后的第三大科研成果，一直是俄罗斯科学家的骄傲。上个世纪90年代钻探工作停止以后，一些相关的研究依旧持续了很多年，直到2006年资金耗尽。2008年，该地址被废弃，科拉超深钻洞口被生锈的金属帽盖严。

▲2008年， 科拉超深钻孔被废弃， 洞口被金属帽盖严。12262米的纪录被刻在生锈的金属帽上

大陆科学钻探深度排名第二的是德国KTB超深钻，深度有9101米。德国的该项钻探工程选定有两个深孔孔位，代号分别为ENV和ZTT。ENV先导孔于1987年9月18日开钻，孔深达到4000.1米，于1988年4月完成。主孔计划钻探深度为12000米-14000米，用7年的时间完成钻探，其于1990年9月正式开钻，因为多方面的困难1994年10月10日在9101米深处停钻。

在深度上德国的KTB没有超过科拉超深钻井，但却建立了世界最先进的深井长期观测系统。

中国给地球深部打洞拉开序幕

1996年2月，德国、美国、中国作为第一批成员，发起了国际大陆科学钻探计划(ICDP)，自此以后，中国给地球深部打洞也拉开了序幕。

这些年来，我国已经实施了江苏东海“大别—苏鲁”大陆科学钻探、青海湖环境科学钻探、汶川地震断裂带科学钻探、松科一井等多项大陆科钻工程，并取得了骄人的成绩。

张金昌表示，“松科二井”位于我国东北部松辽盆地，静卧在大小兴安岭和长白山脉的怀抱中。这个盆地是当今世界最大的典型陆相沉积盆地之一，是我国最主要的含油气盆地，保存白垩纪最完整最连续的陆相地层，是探索深部能源资源和寻求白垩纪陆相气候变化地质证据的绝佳位置。我国的科学家们决定通过钻探深井的方式一探究竟。

“松科二井”于2014年4月开钻，整整钻探了4年的时间，经过艰难攻关，该工程攻克了超高温钻探和大口径取心等关键技术难题，获取了415万组24TB的深部实验数据，创造了4项世界纪录，标志着我国钻探装备研发水平成功跻身国际第一梯队，在“向地球深部进军”的道路上又迈出了坚实的一步。

深部大陆科学钻探工程并不仅仅是在地球上打个较深的洞而已，其涉及地学、力学、机械、仪电、材料、物理、化学等多个学科和领域，深部大陆科学钻探装备水平也反映出一个国家的科技发达程度。

三大难题：高温、高压、高地应力

张金昌告诉记者，给地球深部打洞，主要依赖于钻头和中空的钻杆进行。其中钻头是能够“冲锋陷阵”的“地下先锋”，由高强度的昂贵人造金刚石构成，而钻杆都有螺纹接头，一根一根相接，就可以不断钻入地球的深部。

进行地球深部钻探时会遇到一系列的难题和挑战。如何保障钻头在持续超高温下不“罢工”，就是科学家们面临的重要问题，因为钻头在钻探时需要降温，钻井越深，温度越高。

科学家预计，钻到地球深处超万米处，温度将达到300摄氏度以上。这意味着，钻探机器上所使用的孔底马达、震击器、轴承密封等材料得耐得住这样的高温才行。可现阶段很多材料的耐高温性能还没这么厉害。

因此实施钻探时，深度越大用于降温用的循环钻井液面临的挑战就越大，此外还必须通过井下温度传感器实施精确监控。否则，钻头被烧坏，损失就大了。在钻探松科二井时，每往下钻进100米，地下温度会升高3℃至4℃，等钻到孔底的时候温度已超过240℃。

通过反复研究和实验，张金昌团队研发出新型水基钻井液配方，经受住了井底高温的考验，这刷新了我国钻井液应用的最高温度纪录。

给地球深部钻探降温，现在一些科学家也在设想采用专门的制冷设备，像空调一样给钻具降温。遗憾的是，可以在高温高压环境下使用的制冷机目前还没有诞生。

高压也是深部钻探的一大挑战。如果钻孔深度达到一万多米，预计井内泥浆压力将达到175MPa以上，地层压力将达到400MPa。而现有很多测量仪器所能耐受的压力为140MPa到170MPa之间。这也是现阶段我国深部钻探还没有突破1万米大关的重要原因。

更麻烦的是，在高温、高压之下，岩石的物理力学性质会发生改变，容易破碎。一旦井壁岩石出现破碎，又会严重阻碍钻井施工的顺利进行。

高地应力是深部钻探不能忽视的另一重威胁。所谓地应力，是地壳内岩石在受到外力而变形时，各部分之间产生相互作用的内力。高地应力非常容易造成井壁垮塌、卡钻等井下事故。张金昌透露，为了顺利推进钻探的进行，松科二井就实施了很多技术革新。比如采用国内首创的大直径同径取心钻探工具，使用钻探工具直接钻进一个大井眼，可以一次性钻进至设计的井眼直径。

▲2013年9月11 日，日本地震学家 乘坐“地球号”深海钻探船，在日本南海海槽进行钻探。这次钻探深入到海底地下3600米处，开展地质等调查，其目的在于查明发 生巨大地震的原理。

损失1厘米岩心相当于损失1万年纪录

“钻地”成功后科学家们又面临“取心”的挑战。在一个极不均匀和复杂的球体上“动刀”，在保证钻的井眼不能坍塌和崩裂的同时，还要完整无缺地取出深部岩心，难度极大。

为了克服十分坚硬岩层钻进难、钻进速度低的问题，工程技术人员在这种情况出现时就在钻头上部安装了一个液动锤，每秒钟冲击5-20次先将岩石震碎，这样就降低了钻头破碎岩石的难度，提高了钻进速度。

要是遇到了破碎的岩石和不稳固的地层，为了避免洞壁坍塌造成麻烦，他们就给洞壁装上支架撑开，就如同给一些心血管狭窄的疾病患者安装支架一样。当孔已经很深时，为了避免提钻取心占用过多的辅助时间，研制成功了绳索取心技术。这样不用取出钻头和钻杆，一两个小时就能够取出岩心。张金昌说要不是通过这样的方式，通过取出钻头钻杆时一起取出岩心，每取一次就得花好几十个小时，这将会大大降低钻井的效率。

岩心是研究和了解地下地质和矿产情况的重要实物地质资料。中国科学院院士王成善表示，提取岩心率必须达到95%才符合要求。

王成善告诉钻探人员，损失一厘米岩心，用地质年代换算，特殊情况下相当于损失一万年记录。岩心的提取率将直接影响后期的研究成果，在科研人员的不懈努力下，如今松科二井岩心提取率已经超过96%。

研究地球的气候与地质演化

为何给地球深部打洞?张金昌说，古生物与古气候研究是其一项极为重要的使命。研究证明，古生物的兴衰与气候变迁具有很大的关系，而大地的深处埋藏着很多信息，获取的岩心就是最为重要的证据资料。

目前松科二井岩心已经全部采集完毕，这将会在研究白垩纪古气候演变以及未来人类生存环境演化方面发挥关键作用。“我们打到了7018米的深度，这几乎等同于我们经过了1.4亿年的还原。”张金昌说。

白垩纪指约1亿4550万年前至6550万年前，这个时期地球变得温暖、干旱，平均气温和二氧化碳含量都比现在要高。许多新的恐龙、最大的恐龙在这个时期出现。值得一提的是， 6600万年之前地球上发生了一次大规模生物灭绝事件，地球上约75%的动物与植物都在这次生物浩劫中消失。尽管这一灭绝事件的原因众说纷纭，气候环境的变换依旧是科学界最为怀疑的对象。

在科学界，比较一致的观点认为，利用地球深部钻探找出当时的岩心进行研究是分析白垩纪气候变化极为重要的方式。

让研究古生物与古气候的科学家十分欣喜的是，通过岩心复原，松科二井科学钻探工程首次建立了白垩纪最完整、最连续高清晰度的陆相地层“金柱子”，成为白垩纪的标尺和标杆。这将有助于我国引领全球白垩纪陆相古气候研究，显著提升我国在地质历史古气候研究领域的国际影响力。

并且在对松科二井深部信息资料的研究中，科学家发现当时气候出现巨大波动，捕捉到大规模火山爆发排放二氧化碳引发陆相气候剧烈波动的重要信息，证实了气候快速变化是导致恐龙灭绝的诱发因素。而小行星撞击地球发生在此后，可能是压垮骆驼的最后一根稻草。

王成善表示，白垩纪这一时期是离我们最近的温室气候时期，也是高二氧化碳、高海平面和高温的“三高”时期。搞清楚白垩纪，对于研究未来地球演化——尤其是可能会进入这种“三高”时期具有重要借鉴作用。

近百年来，全球气候正在经历一次以变暖为主要特征的显著变化，人类文明的发展迫切要求我们对这种变化的发展趋势及其环境与资源效应有更加深入的了解。据了解，目前正在实施的国际大陆科学钻探项目有30余项，其中近一半的项目是针对“全球环境与气候变化”的研究。

为能源调查提供重要支撑

给地球深部打洞也能够为地球上的能源研究与寻找、地质调查、地震科学研究等提供十分重要的支撑。通过科学钻探，科学家可以对岩石圈进行直接观测和获得连续的岩石记录，这对解决人类社会发展所面临的资源、灾害和环境三大问题都有十分重要的意义。

如7018米的松科二井揭示了松辽盆地形成的原因、过程和结果，为支撑大庆油田未来50年发展，保证我国能源安全提供了重要数据支撑。

目前，大庆油田开采的油气资源深度大约在3000米以内。而通过此次“松科二井”钻探，地质学家在松辽盆地深部凹陷带3350米以下的地层中发现了累计厚度达102米的高甲烷含量地层，这也将拓展我国深部能源勘查开发的新空间。

地球深部蕴藏了绝大部分的资源和能源，是维系万物生存的物质和能量基础。从理论上讲，地球内部可利用的成矿空间分布在从地表到地下1万米，目前世界先进水平勘探开采深度已达2500米至4000米，而我国大多小于500米。

有学者研究认为，如果我国固体矿产勘查深度达到2000米，探明的资源储量可以在现有基础上翻一番。

此外，松科二井还首次在井深4400米~7018米发现了温度在150℃~240℃的具备开发条件的高温干热岩和2层含高放射性元素异常地层，展示了松辽盆地具有良好的地热能开发应用潜力。

张金昌表示，在完成钻探并获取岩心以后并不是就要进行回填处理，只要没有意外状况，就要下放一些科学仪器进行跟踪研究。比如这样的场所是地震信号捕捉的最佳场所，通过监测仪器的布设将会给地震科学研究带来很大的帮助。

刚触及地球表层不会引发火山爆发

地球的深部钻探，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。这也是目前世界上只有少数国家能够钻探超过5000米深度的重要原因。

根据规划，中国未来还将有深度更深的地球深部钻探工程。下一步，中国科学家将继续研发15000米国产超深钻探装备系列，做好我国超万米大陆科学钻探工程。

“随着技术的发展，现在智能钻探、定向钻探已经成了地球深部钻探的主要发展方向，在不久的将来希望我们就能够实现想钻到哪里就打到哪里。”张金昌说。

有一些人担心，给地球深部打洞，如果不慎可能会导致火山等灾难性事故。张金昌认为当前这样的担忧过虑了，因为就当前的钻探深度而言，才刚刚触及了地壳的皮毛，根本不会因为打到岩浆层导致火山喷发。

就是将来人类可以打得更深了，也可以在打洞之前根据获得的地质信息资料对打洞风险进行评估，并采取合适的策略。■

(本文内容整理自6月10日张金昌在中科馆大讲堂所做演讲《神奇的钻地术》，文字经过张金昌审核)