大陆科学钻探的科学目标
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发布时间：2022-05-25 04:40
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时间：2024-11-12 19:50
1.地球的历史与气候
过去气候变化的原因和影响可以通过高分辨率的沉积物的研究来了解，它可为预测未来的气候提供极为宝贵的背景信息。最近20年间，通过深海钻探计划（CSDP）及大洋钻探计划（ODP）利用沉积物获得了许多有关全球气候变化和地球历史的宝贵知识。这些知识正用于模拟和预测气候条件，同时通过极地长冰心的调查，也获得了大量气候渐变和突变的新的令人信服的证据，而且其分辨率比深海沉积所记录的要高得多。但这些资料都获自远离人类居住的地区。
图9.7 KTB孔址地震调查
上图为P波与S波反射对比图，纵轴换算到相同深度；下图为先导孔VSP垂直（左）及水平分量（右）记录.qP为直达P波.qS1为快S波.qS2为慢S波
*上存在着表征区域性的和全球性的气候变化特征及其环境影响的大量记录。研究它们的最佳场所位于*内部或沿*边缘的海相环境，那里的较高沉积物堆积速度使得人们可以获得高精度（指时间分辨率）的记录。湖盆是区域动力学的特殊的综合资料库，它们可以帮助解决从构造尺度到轨道、太阳、温室和突变尺度的环境驱动力的问题。
利用钻探取得湖相沉积物的岩心来研究全球古气候的变化属于*科学钻探的范畴（浅钻），但需要特殊的钻探取心设备（见图9.9），目前我国还没有这套设备。1997年德国波茨坦地学中心与中国科学院地质所合作在雷州半岛破火山口进行湖泊科学钻探，是我国境内的首次。图9.10示出通过贝加尔湖沉积物钻探取得的古气候记录的例子。沉积岩心中生物成因的二氧化硅含量灵敏地反映了湖中生物的繁殖丰度，间接反映了25Ma以来夏季的最高气温，并与氧同位素的含量测定结果相符。1995年国际科学家通过了全球变化研究计划PAGES（Past Global Changes Project），并将其纳入ICDP的总计划中。
2.撞击构造与种群灭绝
陨石冲击和恐龙在6500万a前灭绝的问题是当代地球科学研究的一个重要课题。钻探有助于解决许多有关冲击的问题。20世纪后半叶，人类对太阳系的探测表明，陨星撞击在塑造火星和月亮表面的古地貌方面起了重要作用。这些星球上存在大型多环撞击盆地表明，38×108a前太阳系内部处于激烈的陨石撞击阶段。之后，虽然撞击的频率明显降低，但仍可看到。例如，地球平均每百万年就经历一次足以产生直径达20km的陨石坑的撞击事件。尽管这些撞击的地表特征很快被破坏，但至今已识别出大约120个陨石坑，直径由30m到300km，年龄由2000a到20×108a。1979年在意大利古比奥附近白垩纪－第三纪界线上薄粘土层中发现陨石地球化学标志是大块物质撞击可以导致全球性种群灭绝的第一个证据。过去40a中，已在50多个撞击坑中打钻。通过钻探取得的信息，结合有关的地表研究、行星影像分析、撞击和振动实验，以及理论推断，提供了有关撞击过程和所产生地貌的粗略认识。例如，在墨西哥北尤卡坦的Chicxulub构造被鉴定为K-T界线有关的大型陨石坑，地球物理和地质资料表明是一个外缘直径大约为300km的多环盆地（图5.7）。对这一盆地进一步科学钻探的目的在于对撞击构造的进一步了解并研究大型陨石撞击对环境和气候的影响，以及生物圈所产生的变化。
图9.8 KTB的井孔地磁场总场测量结果
1500m以下比地球偶极场计算结果增大很多
图9.9 湖沉积钻探取心示意图
1—沉入湖底；2—钻入；3—封底；4—提升
3.沉积盆地的演化
沉积盆地是地球地质历史基本的记录之一，它是储存水资源和油气资源的主要场所。因此，了解沉积盆地的成因、演化和动力状态.对于了解地球的历史和合理利用地球资源是极为重要的。与沉积盆地形成有关的问题可分为以下两类：“大型级别的”和“盆地级别的”。“大型级别的”因素包括从构造运动的角度探讨沉积盆地的成因；“盆地级别的”因素指研究盆地的沉降、沉积、压实、热、流体及物质运移。科学钻探是对上述问题进行观测和理论研究的直接手段。科学钻探可发挥以下作用：（1）在新的和古老的扩张盆地中进行钻探以更好的了解裂谷的动力学以及构造和气候的相互作用；（2）在盆地下产生高热的花岗岩中钻进以寻找潜在的能源；（3）在活动的扩张断裂中钻进以实地检验断裂的性质、断裂定向的机制和断裂运动；（4）对静压力层向地压力层转变的过渡带实施钻探以实地检验该带性质和了解压力作用的机制；（5）钻探盆地的典型部位以了解海平面变化的地层记录。
图9.10 湖相古气候记录的例子，时间为（0～25）×104a（Colman,1996）
左图为SPECMAP氧同位素记录，中为贝加尔湖岩心中生物成因的硅氧含量，右图为夏季最高气温模型
4.岩石圈动力学与变形
地震机制是科学家们关注的重大科学问题之一，而这个问题和岩石圈动力学与变形的研究密不可分。岩石圈运动学可以利用许多地质的、地球物理的和大地测量的技术来直接观测。岩石圈动力学则不同，利用地表的仪器或技术观测不到作用力，也观测不到对这些应力的流变学响应。因此，地球科学很明显地发展到了一个新的阶段，即必须通过钻探进行直接的观测以获得足够的岩石圈变形机制的新认识。
主要活动走滑断裂是岩石圈变形最引人注目的表现形式，因为它们引起破坏性地震。但是我们对其动力学特征知之甚少。提高对活动断裂带动力学的认识不仅关系到对岩石圈动力学的认识，更重要的是关系到对地震机制的了解，直接服务于人类的减灾事业。通过科学钻探可以：（1）直接测量断层及其邻区的应力状态。通过对断裂上的应力和区域应力状态的了解有利于解决引发断裂滑动所需应力水平的长期争论。（2）对活动断裂带的物质取样，直接研究断裂处岩石的流变特征，只有建立在这种特征基础上的实验结果才是可信的。（3）调查断裂带内及其附近围岩的流体状态。断裂带的流变学和流体状态紧密相关，只有实际了解流体状态才能真实模拟发震深处的断裂机制。（4）测量断裂带及其邻区的热状态，是评估断裂真实深度的一种有效方法，（5）建立一个或多个孔内观测点长期监测活动断裂带的流体压力、流体化学、温度、应变及地震活动性等。例如，即将开始的圣·安得烈斯断层的第二期科学钻探，将用斜孔穿过几乎垂直的断裂带（图9.11），取得地下2～3km处的断裂带的岩心，以分析多发地震断裂的内部组构及流体性质。
5.火山系统和热机制
火山系统及地球中的热机制由于其内在的科学意义及对社会的影响的重要性，因此成为*科学钻探最具有吸引力的科学主题之一。在过去的几十年间，通过对活动的及古老的火山系统的地质、地球化学及地球物理的调查，已建立了一些关于岩浆及热行为的热、化学和动力学的模型。仅仅根据古火山或热液系统的研究，或根据对活动的近地表系统的观测而建立的模型还只是一些假设，在当今技术可以达到范围内进行尽可能深部的科学钻探对这种假设的验证是十分重要的。目前，ICDP资助在夏威夷现代火山进行科学钻探。以下是科学钻探在研究火山系统和热机制方面的四个关键问题：
（1）喷发过程。了解火山系统通过减压及破裂作用而产生的熔岩流动和释放的过程。
（2）侵入过程。了解岩浆注入、结晶、通过二次沸腾而放气，及火山作用与深成作用的转变关系。
（3）岩浆与热流的耦合系统，通过热液储集库研究岩浆和热液系统之间与物质之间的转变。
（4）岩石圈中的岩浆侵位。采取大型火山机制的垂向连续样品，可以获得关于熔岩成分和体积随时间变化的资料，为岩浆成因模型提供新的重要约束。
6.会聚板块边界和碰撞带
会聚板块边界和碰撞带，是陆壳形成和消亡的地带，它是认识地壳演化和*动力学的关键。在会聚板块边缘和碰撞带实施科学钻探是用原地观测确定实际物理化学条件随深度的变化以及其他有关的变量的唯一方法。通过连续取样来确定地壳结构，从而可证实和发展会聚板块边界地壳演化的假说。
根据对这类地区提出的科学钻探建议，可将其主要目标归为以下几类：（1）研究和证实活动的俯冲带和增生楔；（2）陆上大型活动逆冲断裂的研究；（3）了解山脉的热历史，重建造山带隆生的构造特征；（4）超高压变质岩的折返机制，这些被认为曾埋藏于比地壳厚度还深的地球深处的岩石为何出露于地球表面。通过钻探研究这些岩片的三维结构及其下伏岩石接触带，将为研究这些岩片的折返机制及陆壳构造理论提供重要依据（见第十讲）。
7.地壳中的流体
了解地壳中流体的物理和化学性质及其分布，以及控制流体迁移的岩石性质是极为重要的，它有助于提高对构造作用、矿床的成因、石油和地热资源的分布、与气体演化有关的爆发性火山喷发机制以及水—岩浆相互作用的认识。同时对确定地壳中饮用水的可用性和补充量，防止自然和人为造成的资源污染都有重要的意义。
研究的主要问题包括：（1）静水压—超高压条件的转换，这是研究地表水向地壳渗透的一个重要因素；（2）脆—韧性流变转换对流体流动的影响；（3）孔隙流体与地震的关系；（4）不同构造—地质环境中饮用水的局限性；（5）岩浆脱气作用、爆发性火山作用和热液矿床的成因；（6）构造变形引发的沉积盆地脱水、成油和流体迁移：（7）中—深地壳孔隙流体对地球物理异常的影响；（8）由俯冲而迁移到地球内的流体再循环作用；（9）应力状态与水文参数、地球化学参数的相互关系；（10）在递进变质过程中，板块内裂隙—充填脉的生长对透水性的*；（11）地壳内水文状态的周期性变化；（12）*壳中热迁移作用的性质。
图9.11 过圣安德烈斯断层的电阻率剖面和第二期*科学钻探钻孔设计
用斜孔穿过陡立的断裂带
8.矿床的成因
大量矿床的勘探工作已使我们对矿床的成因有了许多认识。金属物质的运移对所有矿床的形成都是必要的条件。这种运移的媒质主要是水流体，但有些情况要求特殊的流体——岩浆。尽管这一事实已众所周知，但有关矿质运移系统的定量信息知之甚少。这是因为在矿床的勘探中人们的目标只集中于矿化地带而极少设计钻孔去研究确定矿化路径所需的多种地质信息。
因此科学钻探在研究矿床成因方面的主要目标是充分了解重要矿床类型形成过程的关键信息，也就是识别金属物质和水流体的来源，和流体从源区运载金属物质到它最后形成矿床的部位所经过的路径，以及沿着这些运移通道，金属和流体所发生的物理化学作用及其随时间的变化。
9.标定地球物理信息
前一讲已经提到，科学钻探已取得的成就对地表地球物理观测推断的地壳结构提出了挑战。对这一点地球物理学家并不感到惊奇。迄今为止，我们对地球内部的认识多半是建立在地表物理观测资料的反演推断上。地球物理反演存在其固有的多解性。因此，地球物理学家特别强调需要科学钻探来论证其结果。另外一个重要的方面是科学钻探提供了一个新的机会，使地球物理的观测可利用钻孔深入地壳内部进行，这样将极大地提高地球物理观测在认识地球内部物理场特征以及结构的能力。在用科学钻探标定地球物理信息时，特别要注意以下几点：（1）壳内反射的多源性；（2）深变质岩内地震反射体的标定；（3）地壳中良导体的成因；（4）深部地壳的磁化增强问题；（5）地壳的热状态。
