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2024年12月1日星期日，欢迎收看第33期高见，本期我们来聊一聊深部科学钻探。
11月17日，我国自主设计建造的首艘大洋钻探船“梦想”号在广州正式入列。
长期以来，全球海洋科学钻探都有个梦想，叫“打穿地壳，进入地球深部”，还有另一个口号，是“钻穿莫霍面，进入上地幔”。
“梦想”号最大钻深11公里，根据参与项目的专家介绍，设定这个指标，是因为一般作业水深4~5公里，洋壳平均厚度6公里左右，加起来刚好就是11公里，可以说，打穿地壳就是“梦想”号的梦想。短期内受限于设备与技术经验，“梦想”号还无法钻投洋壳，会采取部分水平钻探。但随着钻探经验机类与装备更新，接下来10年，“梦想”号有潜力实现人类首次打穿地壳。
当然，造“梦想”号的目的绝对不止是抢先打穿地壳，科学钻探是人类探索地球深部构造的手段，科学钻井相当于观测地球内部的望远镜，从最早的莫霍计划（Project Mohole）到现代的国际大洋、大陆钻探计划，科学钻探从单纯验证理论转向多领域跨学科研究，能推动几十个领域的科技进步，具有战略意义，因此，我国有必要研制自己的大洋科学钻探船。
“梦想”号项目由自然资源部中国地质调查局负责牵头组织实施，中船708所研发设计，中船黄埔文冲船厂总成建造，协作单位有150多家。项目在2017年12月正式立项，2021年11月底启动建造，在今年10月份完成了综合海试。“梦想”号从立项到完成设计所花的时间，比后续建造下水的时间还要长，说明研发这艘船对我国相关领域具有“开荒”的意义。
“梦想”号只用三年就完成建造，并不是说它造起来简单。“梦想”号排水量4.36万吨，尺寸上比055还要胖一圈，能续航1.5万海里，抗16级台风，在6级海况下正常作业。船上有9个实验室，总面积3000多平，搭载了150多套精密实验仪器，研究领域包括基础地质、古地磁、地球化学、地球物理、可燃冰，几乎是个漂在海上的国家实验室。
船上布置了这么多不同领域的实验室，就需要船只能够根据不同的研究目的开展多功能作业。为此，“梦想”号钻彩系统采用了模块化设计，集成了四种钻探模式、三种取芯方式，可以根据不同任务快速切换，功能上相当于两艘6-8万吨的同类型科考船或者深海平台。用4万多吨排水量实现十几万吨平台的功能，复杂度比一般项目高出了一个数量级，工程量是一般海工船的十几倍，是一般科考船的几十倍，光是建造就动用了3000多人。由于时间紧、任务重，为了避免后续工作走弯路，“梦想”号在设计阶段就对各环节展开充分论证，即便如此，建设环节还是遇到层出不穷的细节问题。
项目团队组建了12个攻坚小组，连续奋战1100多天，这才确保了“梦想”号在今年能够顺利入列。项目工期紧张，是因为“梦想”号有必要在今年入列。
从1968年起，人类大洋钻探经历了四个发展阶段，对应了四大钻探计划，只有美国与日本有专用的大洋科学钻探船，分别引领了两个计划阶段，其中引领2003-2023年两个十年计划的是日本“地球”号钻探船，这艘船还曾在2006年电影《日本沉没》的结尾登场，作为挽救日本的“秘密武器”。
国际海洋探索计划在去年结束，从今年开始是新的十年计划。“梦想”号在今年入列，目的也是为了在接下来10年引领全球海洋科学钻探。
对于普通人来说，科学钻探离生活有点远，有的网友甚至要用违反物理常识的方式才能想象打穿地壳有什么意义。
过去几十年，最有名的项目是苏联科拉特深井，往地下挖了12263米，至今还在保持人类最大钻深记录，而互联网上关于科拉钻井讨论最多的是所谓打开“地狱之门”的谣言，连配图都是千篇一律，错被称为米尔钻石矿的矿坑。上周，有几家媒体在介绍“梦想”号时，引用了去年《南华早报》的一篇报道而《南华早报》的原标题还是在扯打开“地狱之门”。
为了更好地解释深部科学钻探的意义，接下来我简单回顾一下大地构造理论的发展史。
地球科学与天文学相似，研究对象几乎不能拿来做实验，理论的发展高度依赖于观测手段，如果观测结果不精确、不全面，那就很容易归纳出错误的结论。
19世纪人类只能对陆地地表现象做粗浅分析，理论学说更接近于哲学思辨。当时人们能看到陆地上有断层、有山脉，于是就推断整个地壳主要是在垂直方向上活动，上升造成隆起，下降造成凹陷，典型代表就是1857年霍尔提出的漕台假说，将大地构造单元划分成地槽和地台，漕台假说一直延续到了冷战。
现在我们知道地壳存在板块运动，而且大陆板块与海洋板块存在不同特征。洋壳更年轻、密度更大、厚度更薄，而且处于壳幔物质循环的运动过程；而陆壳更古老、密度较轻、厚度更厚，物质不容易被地幔回收，是几十亿年地质活动积累的遗留物。过去的学者由于缺乏来自海底观测的证据，很容易根据陆壳几十亿年的历史就推断地壳不存在水平移动，位置固定不变，漕台假说后来也被称为“固定论”。
魏格纳在1915年提出大陆漂移假说，还找到了地质构造方面的证据。但魏格纳解释不清楚大陆漂移的驱动力，只能猜测是因为地球自转，这当然经不起计算推敲。所以在相当长时间里，他的假说都被认为是外行的脑洞。
二战后，美苏都在积极拓展全球军事影响力。50年代初，美苏都在研制核潜艇，为了让核潜艇能够在大洋中隐匿活动，两国都秘密开展了大量海洋调查。苏联海军让军人装扮成渔民，在全球秘密进行海底声呐探测。
赫鲁晓夫上台后与西方缓和关系，苏联地球物理学者开始参与国际交流。当时，来自60多个国家的科学家正在联合举办国际地球物理年（IGY），苏联代表团出席地质学会议时向多国参会成员赠送了由几百名制图师手工绘制的巨幅苏联地质地图，还分享了部分海洋地质数据，这既是表达友善，也是展示实力。到60年代，苏联还公开出版过不少海洋地形图，但苏联只是将海底测绘当成制图成果，没有对海洋地质活动进行太多科学研究，学术界依然坚持“固定论”。
同一时期，美国海军展开了更详细的海洋调查，负责这项秘密任务的人叫赫斯（Hess）。赫斯曾在二战期间担任约翰逊号运兵船的船长，约翰逊号配备了声呐，所以赫斯非常熟悉声呐观测。当时他领导普林斯顿大学与欧洲的学者，长期展开海洋科学考察，用声呐探测全球海洋，绘制的海底地形图。
与此同时，赫斯团队还对海床进行采样分析，在海底进行了重力、地磁、地热、地震探测，分析海底地质构造。到60年代初，赫斯团队凭借海洋调查资料，结合各国用来监测地下核试验的地震台网数据，得出了几个重要学术成果，包括发现了大洋中脊扩张带、大洋板块向大陆板块的俯冲带、大洋中脊附近存在转换段层，以及发现海底普遍存在地质年龄不到两亿年的海底沉积物和玄武岩。
凭借这些新发现，1962年赫斯发表了《海底盆地史》，正式提出海底扩张设想，为后续的板块构造学说奠定了基础，引发了60年代地球科学的理论革命，赫斯的《海洋盆地史》一度曾是固体地球物理学领域引用次数最高的文献。
在赫斯开展海底地质调查时，美国国家科学基金会（NSF）资助了莫霍计划，首次提出要钻穿地壳，拿到莫霍面样本。莫霍面是地壳与地幔的分界面，地震波传递到莫霍面时波速会突然加快，陆壳厚度平均达到33公里，洋壳厚度一般在5-10公里，所以莫霍计划选择在海底进行钻井，赫斯也参与了这个项目。
1961年3月，莫霍计划开展了第一阶段工作，卡斯一号（CUSS Ⅰ）钻井船在墨西哥瓜德罗普岛近海3.5公里水深的位置打了5个钻井，最大井深183米，但由于工程太复杂，成本太高，莫霍计划在这次试钻后烂尾了。
在莫霍计划之后，美国在1968年开展了深海钻探计划（DSDP），耗时15年，用“挑战者”号钻探船，在北冰洋以外的各大洋打了1053口钻井，拿到97公里长的岩芯。这是人类首次钻取海底玄武岩样本，通过对样本进行分析，科研人员发现，样本中磁条带的对称性、岩石年龄存在显著的分布规律，离洋中脊越远，沉积物年龄越大。这证实了海底扩张理论，说明地幔物质通过大洋中脊上涌，然后推动板块向两侧移动。
1969年，由这些新发现所推动的理论学说，被命名为“板块构造”。板块构造理论提出后，科学钻探成为验证和扩展这一理论的重要手段。在深海钻探计划之后，国际上又连续组织了三个大洋钻探计划，我国从1998年4月开始正式加入了这一国际科考活动，截止到目前，几十年的大洋科学钻探计划累计打了4000多口钻井，采集到的岩芯总长度超过了450公里。
除了刚才提到的大洋科学钻探，还有陆地科学钻探。在美国主导60年代海洋科学钻探时，苏联不甘落后也想搞科学深钻工程。但由于苏联海洋工程技术水平相对落后，想要在指标上追赶美国进度，只能搞陆地深钻，苏联将钻井选址在靠近挪威边境的科拉半岛。
1970年5月24日，科拉钻井正式开钻，第一阶段一路钻到7000多米深，在钻透了花岗岩层之后，遇到了脆弱的层岩，出现破碎空腔，钻杆被岩石卡住，钻头被折断。这之后几年，类似事故频繁发生，苏联科研人员只能反复偏转钻探方向，打出了像树根一样的钻井。
1979年6月，科拉钻井打到9.6公里深度，1983年打到了12公里深度；1984年，国际地质大会在莫斯科举办，苏联专门布置了一个展台介绍科拉钻井；国际地质大会结束后，科拉钻井继续下钻，结果钻杆再次断裂，只能重新从7000米深度换个方向开钻；1990年钻到了12262米，钻杆再次断裂，最终钻深点相对于井口已经水平偏移了840米，这之后科拉钻井停钻，至今仍然保持着世界最大钻深记录。2008年以后，科拉钻井被封存，地上设备也被拆除。
苏联学者原本预计，能通过科拉钻井发现花岗岩与玄武岩的变质界面，但钻了12公里深，只发现了花岗岩没有玄武岩，不过随着深度加深，花岗岩的物理性质有明显变化。苏联学者没有通过科拉钻井直接得到与莫霍面地板有关的样本，但通过观察花岗岩的变化，苏联学者猜想，莫霍面并不是一个简单的突变界面，而是一个存在梯度渐变的地质构造层。
在苏联科拉钻井之后，德国开展了KTB科学钻探项目。1987年，KTB项目开始打先导孔；1994年4月，KTB主孔完钻，孔深达到9.1公里。KTB钻井证明，随着深度增加，岩石的温度与压力越来越高，传导地震波的速度也会发生变化。
1996年，中国、美国、德国共同发起了国际大陆科学钻探计划（ICDP），到目前为止，国际上22个国家在这一计划框架下，在各大洲打了近200口陆地钻井。总体来说，最近半个多世纪，通过多个国际钻探计划，科学家进一步揭示了板块界面的活动规律，确认了俯冲带扩张脊与转换断层的地质特征。同时，科学钻探为地球深部的物质循环和热流运输提供了关键证据。举例来说，对玄武岩岩心分析，就证实了洋中脊的物质来源和地幔的对流模式。
此外，近年来科学钻探的目标逐步向更复杂的方向延伸。比如，探索地震段层滑移机制、深部生命活动的极限条件，以及洋壳与陆壳的过渡区特征，这些研究逐步完善了当代地球系统科学。
过去，我国科学钻探长期落后，20世纪我国也打过超深钻井，比如1976年我国钻成了第一口超深井女基井，井深6011米；1978年钻成关基井，井深突破7000米。单看钻深，似乎冷战时期我国技术也不错，但这两口井都是油气勘探井，任务目的与科学钻探不同。油气勘探井是为了寻找潜在油气资源，选址上不会挑钻深难度太高的位置，而且不需要连续采集岩芯样本，钻具不需要太考虑耐用性，可以当耗材用，坏了就换。但科学钻探的选址首先要看科学研究价值，不会太避讳下钻难度，而且科学钻探需要取出连续岩芯，这样才能形成连续的分析数据，这就要求科学钻探的设备要更耐用，而且钻井还不能太小，钻到5000多米深时，还要有超过150毫米的直径。
进入21世纪，我国正式启动中国大陆科学钻探工程（CCSD），在江苏连渔港市东海县打下了科钻一井。选择在东海县打国内第一口大陆科学钻井，是因为东海县位于大别-苏鲁超高压变质带上，这是全球已经发现的十几个超高压变质带中最大的。
2.6亿年前，中朝板块与扬子板块是隔海相望的两块大陆，在晚二叠纪到三里纪时期，这两块大陆碰撞到一起，形成了现在的秦岭与大别山，大别-苏鲁超高压变质带就是这一地质运动的历史痕迹。科钻一井在2001年6月25日开钻，2005年4月18日完钻，终孔深度5158.48米。
3.
通过在坚硬的结晶变质岩中钻井取样，我国科研人员发现扬子板块在向中朝板块下方俯冲时，地表物质先被挤入了地下几十公里，在高温高压下变质形成了柯石英与金刚石，之后又在持续挤压过程中折返回了浅层。通过科钻一井，我国科研人员还原了两大板块碰撞的历史过程。
5·12汶川大地震之后，我国地学专家向国家申请开展汶川地震断裂带科学钻探工程（WFSD），在地震带上打出科学钻井群，这是世界上第一个响应大地震的科学钻探项目。科研人员通过分析样本，还原了地震过程中岩石的物理化学行为，还原了汶川大地震的演化机制，之后还在这几个钻井中安装了地震探测器，能够在未来长期跟踪观测地下活动。
这一时期我国虽然取得了科学钻井项目的突破，但相关装备技术还比较落后，科学钻井深度达不到世界先进水平。
2009年，黄大年通过“千人计划”回国，到吉林大学任职，成为“深部探测关键仪器装备研制与实验项目”的负责人。黄大年团队开发了航空对地探测装备，不仅能对海底展开地质探测，还能发现深海隐藏的潜水器。
与此同时，黄大年团队还研制了“地壳一号”万米钻机。这套钻机在2014年被安装到松科二井上，将钻身提升到了7018米。松科二井一方面进一步探明了松辽盆地的油气资源潜力，另一方面还原了白垩纪气候变化过程。松辽盆地拥有全球最完整的白垩纪陆相沉积层。通过松科二井，科研人员发现，白垩纪存在大量铱元素，而铱元素在地球上非常稀少，大概率是来自地外。这与墨西哥奇库卢布陨石坑极高浓度的铱元素证据相结合，进一步证实了恐龙灭绝与陨石撞击。
与此同时，松科二井还发现，白垩纪晚期的生物灭绝并非是一次简单的“陨石遁”。在陨石撞击之前，印度德干高原火山频繁喷发，让白垩纪空气中二氧化碳浓度剧烈变化，大洋缺氧，
先后出现了四次冷却，三次升温和三次半干旱事件，极端气候变化导致大量生物在陨石撞击之前就已经灭亡了。
“地壳一号”万米钻机的成功研发，让我国科学深钻技术突飞猛进。有了这些技术，2023年，深地塔科学一井在新疆塔里木开钻，到今年3月初，钻深突破1万米。接下来，国内还规划了钻深12-15公里的大陆科学钻井计划，未来几年有希望刷新人类钻深季度。
长期以来，科学钻探的技术壁垒，使这一领域成为国际竞争的高地。在大洋科学深钻领域，美国与日本凭借各自的钻探船，长期在国际钻探计划中占据主导地位。
现在，我国自主研制出旗舰级钻探船“梦想”号，这不仅是一项技术突破，更象征着我国在未来地球科学领域的国际地位。
相比于陆地深钻，海洋深钻的技术要更复杂。科考船漂浮在海面上会受到风浪影响，钻井时必须确保船舶位置稳定，由于下钻位置的水深往往有几公里，在这么长的尺度上，金属钻杆受到洋流作用，会像绳子一样发生晃动，而钻探过程需要反复多次下钻，要用专门的重入装置，确保钻头能够准确落入钻井。
深海钻探设备除了要应付地壳中的高温高压，还要应付深海的高压与腐蚀，而且海底作业一旦出现井喷、溢油，就容易导致海洋环境污染，这些风险因素都大幅抬高了海洋钻探船的研制门槛。
过去20多年，我国一直都在租用美国与日本的科学钻探船，之前的大洋科学钻探都使用了与海洋油气开采相似的技术，用轻型隔水管保护钻探设备，降低钻探成本。但隔水管模式反过来也会限制作业水深，而且隔水管会占用更多的船上载荷空间，这就是为什么日本“地球”号的吨位会接近6万吨。这次“梦想”号采用了无隔水管闭式循环，能够在8000米水深的海床下钻，船只空间利用率更高，综合性能更强。
未来10年的大洋科学钻探，全球科研团队都要来租我们的“梦想”号了。
好，本期节目到此结束，感谢各位收看，我们下期再见。