這根柱子幹嘛的

在各大媒體紛紛報道松科2井勝利完井的時候，在這個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。

大陸科學鑽探已經實施50年，在此之前，世界上超過9000米的超深孔科學鑽探只有前蘇聯的科拉半島SG-3超深孔(12262m)和德國的KTB孔(9101m)，我國最深的科學鑽探孔為CCSD-1孔，深度僅為5158m。

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個月鑽進花費一千萬來計算，而後期隨著鑽探難度增加，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？今天就講一講這根石柱子：

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，是人類了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岩性情況，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？

這裡要讚美下地球科學家偉大，將研究以無限為有限，以無法為有法，將不可能化為可能，真的所得算一葉知秋：

岩心（就是那個花了一個多億的石柱子），剛剛從鑽桿中取出是這個樣子的——

經過一番地質工作人員編錄和劈心等粗加工工作後，樣子也不過如此——

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，岩心的岩性、物性和古生物遺迹，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，礦物組成通常可以了解其物源特徵，同時礦物的晶型通常也能了解到其發生過大致地質活動。如下圖中對鋯石測年並發現其相關規律。

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、分布、孔隙類型、連通情況等提供了極其便利的研究對象。

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岩性有直接聯繫，通過這些進而可以反演沉積環境。

而一旦發現生物遺迹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。

為何要在這裡鑽探

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；

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解析度也就最高。

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。此外地球內部的高溫高壓問題也對鑽井器材是極大的考驗，隨著鑽探的深入，地下空間中溫度和壓力迅速增大，一般來說，每下探100，溫度就上升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，即便有鑽井液的降溫潤滑作用，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。

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。因此，超深科學鑽井的岩心獲取，不僅貴，而且難，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%，這是個極了不起的成就。

聯邦德國實施了舉世聞名的「聯邦德國大陸深鑽計劃（KTB）」，該計劃由德國聯邦研究與技術部提供總計5億馬克的資助；而蘇聯的莫霍面計劃，則更可以用喪心病狂四個字來形容，雖然沒有披露其研究經費，但勘探工作於1970年5月24日開始，成千上萬的科研人員中只有極少數的科學家得以到現場參加此項研究工作，所有參加此項鑽探工作的人員均分得了一套莫斯科的公寓房，工作期間的月工資水平達到大學教授一年的年薪，其燒錢水平可見一斑。而前面兩個計劃都是在上世紀70年代開始的，再結合我們一個多億打了一鑽，確實是划算極了，這同我們先進的鑽探技術是分不開的，雖然好多人還不知道這意味著啥，但是從各個媒體以及官宣的內容中，隔著文字你都能感覺到中國地質調查局、中國地球科學院、中國地大、大慶油田、吉林大學等等一系列合作單位的大佬們表情，開心的就像個孩子。

鑽探設備設計生產技術得到了驗證和積累

為什麼辣么開心？首先是其在地球科學研究領域巨大的數據意義——鑽孔數據既是研究理論的物質基礎，也是地球科學理論研究的檢驗試金石，由於人類對地球深部的真實情況難以獲得，一方面是困難，一方面的投資巨大，對地球內部依然所知甚少，你所熟知的一些地球理論，其主要依靠觀測的地球物理數據推斷而來，不僅是大家熟知備受爭議的大陸漂移學說，連你知道地球的圈層也是如此，所以鑽孔是檢驗這些學說和推斷極為重要的手段。

當然這些科學理論上的成果都是寫給未來的，目前為止已經有幾十篇的論文以此發表，這些大多數都是我們中國作者，近水樓台先得月的科學研究機會我們並不多，所以未來中國的地球科學研究部門發表的文章數量是極其值得期待的。

當然，僅僅這些長遠的收益不會讓我們如此開心，那些更直接的收益才是讓我們更開心的。如果你閱讀仔細，就會發現前面談到了國際大陸科學鑽探計劃（ICDP），所以松科2井有一部分資金是來自於這個國際組織，雖然大頭依然是中華人民共和國科學技術部、自然資源部和國家自然科學基金的投入，但用別人的錢，發展自己的科技，肯定開心。更重要的是由於使用了部分外部資金，還可以從ICDP的設計、審批、監管和審查過程中獲得國際先進鑽探技術的支持，這些全球範圍內的技術交流遠比花多少錢難得的多。

不僅如此，此次鑽探工程所使用的設備都是我國自行研製和製造的，由吉林大學設計，四川宏華集團製造，成為世界第三家具備設計生產萬米鑽機的國家。要知道，上世紀70年代我們所需要的深井鑽機還需要從羅馬尼亞多次批量進口，總數超過100台；從1985年起，還在從美國引進了22台5000m到9000m電驅動二手鑽機；直到90年代中期國內研製成6000m電動鑽機。

而此次藉此機會，我們通過國家「深部探測技術與實驗研究專項」（SinoProbe）中的深部探測關鍵儀器裝備研製與實驗（SinoProbe-09）項目，出色的完成了深部大陸科學鑽探裝備研製（SinoProbe-09-05）課題研究，拿出了「地殼一號」萬米大陸科學鑽探鑽機，在六個大的方面都有了自主創新，專利總數超過百項，這些都是實打實的工業工程經驗，要知道，很少有鑽探工程需要達到如此高的強度和難度，所以我們只需要適當的使用其中一部分專利創新，就是一台新型鑽機。

不僅如此，是實際的鑽探中，不僅需要強力的設備，還需相適應的高端耗材和與之相匹配的生產技術。首先是鑽機使用的是高強度鋁合金鑽桿，超深孔鑽探中巨大的應力使之對鑽桿的要求極高；其次，毫不起眼的鑽井液實際上是一個更具備技術含量的工作，鑽探之中需要的鑽井液需要進行實地配比，才能達到一個更好的效果，但很難有那一隻鑽探隊伍能夠達到此次鑽探任務的人員配比，有一隻專業高素質研究型團隊專門負責鑽井液的調配工作，以滿足工程的需要，這在一般的鑽探工程中是不敢想像的。而超深鑽探工程所遇到的困難與常規鑽探工程完全不是一個等級，這也給了這隻團隊發展的空間，此次的工作經驗則可以很好的總結供其他鑽探工程使用。最終超深鑽探的6個研究專題（包含14項研究內容）都順利完成，其中有深部大陸科學鑽探液壓頂驅鑽機研製（6項研究內容：高轉速液壓頂驅系統、高精度自動送鑽系統、懸掛式鑽桿自動擺排管裝備、智能化鐵鑽工、深部大陸科學鑽探用鑽機數字化樣機研製、鑽機整機系統集成與實驗）；也有深部大陸科學鑽探鑽具系統及取心技術研究（4項研究內容：耐高溫液動錘、密閉取心鑽具、高強鋁合金鑽桿、仿生鑽頭）；還有耐高溫鑽井液體系研究、深部大陸科學鑽探用耐高溫電磁隨鑽測量系統研究、深孔井壁穩定研究以及耐高溫固井材料研究。

當然，爭取這個機會也是極其不易的，我們是2006～2007年在大慶實施了「松科一井」項目，施工了深度分別1810m和1915m的兩口取心鑽井，形成了一套完整的、經濟可行的白堊紀陸相地層鑽探工程方案：集成創新了超長岩心取心技術；發明了長井段岩心長期保真保存技術，並為松科2井提供了組織管理經驗以及人才和技術儲備，在此基礎上才爭取到了進一步加深鑽探的機會，獲得了ICDP的資金支持，這些都與我們良好的積累分不開的。

再說個小細節，有木有覺得鑽機塔的顏色五顏六色，有一種街頭塗鴉畫風，其實這是自下而上太古代到新生代共5代12紀的標準用色（不用數啦，代表元古代的桔紅和太古代的玫瑰色都被擋到了，圖上能看到最下面的是代表寒武紀的橄欖綠），既有對科學鑽井的期望和野心，也有地球科學工作者的小浪漫。

地下探測的難點

地下探測的難點有兩個，一個是貴，一個是難，前一個是因為，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，前面的投入不能節省，就像吃第九個燒餅才吃飽，前面的八個不能少。另一個就是難，而且深部勘探依然存在理論上的極限，超過這個極限，不等溫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。

再講幾句題外話，項目的完成確實要感謝國家的體制，如果不是因為國家如此強大的行政能力和執行力，像這種長達數年的近期收益甚微的科學鑽探項目很難完成。別說這種超深孔鑽探，就是一般的深孔鑽探，在工程設計和實施的時候也會有非常多的問題，拋開技術層面，鑽探不可避免的涉及到佔地、賠償以及環境問題，如果是某一家鑽探公司去完成這個項目，會遇到超級多的協調問題，從選址到終孔然後把岩心帶走到實驗室，心一直是提著的，你完全不知道什麼時候哪路神仙就過來插一腿，讓你的項目進展受阻；而這種集中力量辦大事，一路綠燈的感覺超爽。隨著鑽探工程完結，相信基礎數據會源源不斷的被分析出來，擬建設的「深部探測數據中心」的成型，完成對專項所屬各課題的探測數據、處理數據和成果數據進行集成管理，為專項的數據綜合、集成與解釋提供了資料庫系統平台、高速計算平台、地球模擬顯示和數據信息共享技術平台，將綜合各層次深部結構探測與不同尺度物質探測成果，集成適應不同地質背景與成礦條件的深部探測各方法數據；綜合深部探測與模擬計算成果數據，成為未來各種研究理論的重要基石[11]。

生存，還是毀滅，這是我們自己的問題。地球的存在不因我們的行為或生或滅，而我們卻因地球的活動或生或滅，所以加深認識地球，不是一群人或是一個國家的問題，而是全人類的問題。松科2井順利完井，是我們的成功，也是全人類很重要的一小步，為後續的研究開了個好頭，這不是結束，僅僅是開始，未來的路依舊很長。

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1. 全球地形數據來自General Bathymetric Chart of the Oceans (GEBCO)網站，井位分布數據來自ICDP網站。 ↑
2. 中國實物地質資料信息網，松遼盆地大陸科學鑽探2號井現場照片 ↑
3. 中國實物地質資料信息網，松遼盆地大陸科學鑽探2號井現場照片 ↑
4. XX凹陷項目薄片分析照片(版權歸作者所有) ↑
5. 國家重大專項課題海洋深水區油氣勘探關鍵技術薄片分析照片(版權歸作者所有) ↑
6. 據Galloway，1983，轉引於沉積岩石學（第四版），朱筱敏（筆者有改動） ↑
7. XX盆地項目綜合柱狀圖(版權歸作者所有) ↑
8. Wang P J，Matten F，Didenko N A，et al Tectonics and cycle sy of the Cretaceous SongliaoBasin an inverted active continerted active continental margin basin [J]Earth-Science Review 2016.159:82-102 ↑
9. 王璞珺等. 松遼盆地白堊系大陸科學鑽探「松科２井」選址[J]. 地學前緣, 2017, 24(1): 216-228 ↑
10. 中國地質科學院勘探技術研究所 大陸科學鑽探工程實踐與13000米科學超深井鑽探技術項目彙報多媒體 ↑
11. 深部探測數據集成與共享課題成果報告簡介 ↑

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