2011年12月20日，中国自主研发和生产的10000米超深科学钻探装备在成都竣工验收。这标志着中国人迈向地球深部的能力获得了真正意义的突破。

与之相辉映的则是，中国科学家将借助这台入地利器，为全球古气候和古环境变化研究做出独一无二的学术贡献。

2012年年中，松辽盆地春暖花开的日子，这台万米钻机将在这里进行一项前所未有的科学钻探工程，深入地下6600米，探寻恐龙时代的科学奥秘。

（图为中国万米大陆科学钻探钻机竣工现场。）

不一样的科学钻探

2011年12月20日，四川宏华集团位于广汉的厂区，10多台钻塔林立。刚刚竣工的万米大陆科学钻探钻机格外高大。这台由吉林大学负责研制、四川宏华集团参与研制生产的高60米的钻塔显得与众不同。

“它的诞生，是中国大陆科学钻探事业的一个里程碑式的进展。” 出席当天竣工仪式的国家深部探测技术与实验研究专项首席科学家董树文评价说。与身旁的石油钻塔的使命不同，这台新钻机承担着要求更为苛刻、挑战可谓艰巨的科学钻探使命。

万米科钻钻机诞生的大背景，正是雄心勃勃的中国“入地”计划。

被称为中国“入地”计划先导项目的国家深部探测技术与实验研究专项，在项目九中设置深部探测关键仪器设备研发的攻关，万米科钻钻机正是其中令人激动的一项新突破。正在进行以及即将开展的大规模的深部钻探计划，还包括在甘肃金川铜镍硫化物矿集区，西藏罗布莎铬铁矿，江西南岭矿集区，云南腾冲火山等6~7个科学钻探实验。在先期实验的基础上，综合研究论证未来在中国大陆实施12000~15000米超级深井的可行性。

中国已经有了12000米的石油钻机，但是10000米的深部大陆科学钻探钻机却完全是一个新事物。中国汶川地震科学钻探总工程师张伟告诉记者，实施深部大陆科学钻探对钻机装备的要求更高。

大陆科学钻探一个最基本的要求，也是其优点，就是能够获取地下连续的岩心，为科学家们建立高分辨率的时间框架并对进行地质记录的全球对比提供帮助。然而，目前国内深部石油钻机主要为获取深部油气资源而设计，转速低，不用取岩心，钻进工艺简单，取心钻探效率低，钻探成本高，不适合深部大陆科学钻探连续取心钻进施工的要求。

被称为中国科钻第一井的东海大陆科学钻探（CCSD-1），历时4年的入地探险最终定格在深部5158米，“其最大的特点是全孔连续取心，并且全部是坚硬的岩石，在国内尚属首次，在世界上也是少有的。”全程参与钻探工程的CCSD-1井的副总工程师张伟称。

在地质学家看来，上天难，入地更难。在地下打一眼细孔，钻进万米，取得新鲜的岩心，其难度比之航天工程毫不逊色。

一般而言，钻得越深，取心的难度越大，效率越低。“举个例子来说吧。钻取地下10000米深度的岩心，需要的钢钻杆可能重达200~300吨，加上井壁的摩擦力，提升钻杆的载荷可能需要超过600吨。因此万米钻机必须要有一个强劲有力的大功率绞车。”吉林大学万米科学钻探钻机研制首席科学家孙友宏教授说。

同时，钻进过程中地下各种复杂情况将层出不穷，常见的一种情况是可能遇到比较坚硬的岩石。孙友宏说，“啃下这种硬骨头，需要特制的金刚石钻头，井底和井上的动力联合作业，还需高精度控制钻压，但很可能1小时取心钻进不到1米。取一次岩心就得起钻一次。粗略测算，如果这台钻机完成设计的10000米深度一次取心工作，起钻顺利还需要连续工作1天1夜。这对钻机系统的工作效率要求是非常高的。”

把岩心取回地面，立刻面临数千米到上万米的钻杆摆放难题。钻塔平台空间有限，如何迅速将地下深处的岩心保鲜保真存放，有序摆放钢钻杆，准备下次取心，也将是一大挑战。

“提高效率是必须要考虑的。这台钻机所有的控制系统都实现了数字化，还将配备我们最新研发的自动摆排管系统，整个起钻操作将实现机械化和自动化。”孙友宏说。

白垩纪岩心中的秘密

钻向埋藏在6600米深处的白垩纪地层，通往恐龙时代，正是这台万米钻机的历史性使命。

2012年年初，高达60米、重达1000吨、占地约10000平方米的整套钻机装备，将运抵大庆油田。中国科学家将联合国际大陆科学钻探计划（ICDP）在此实施松辽盆地国际大陆科学钻探（简称“松科2井”）工程。

早在2007年，中国地质大学（北京）王成善教授任首席科学家的“973”计划项目“白垩纪地球表层系统重大地质事件与温室气候变化”成功实施了“松科1井”，获取岩心长2485. 89 米，收获率达96. 46 %，是目前为止国际上获得的最长而且连续的白垩系陆相沉积记录。

“松科2井”计划钻进6600米，与已经完成的“松科1井”一起，将构成全球首个近乎完整的白垩系陆相沉积记录，以期获得白垩纪时期亚洲东部高分辨率气候环境变化记录，进而为预测未来全球时间尺度气候变化趋势提供科学依据。

对于地质学家而言，白垩纪的世界简直是一个充满万千气象、谜一般的存在。

在白垩纪中期，海水和大气温度平均比现今高10℃，大气二氧化碳含量大约是现今含量的4~10倍，海平面比现今高出200~300米，现今陆地的1/3均被海水覆盖。

不仅如此，白垩纪时期大气—海洋系统发生了许多重要事件，有多次气候快速转化过程，并伴随有大规模岩浆火山活动，大规模生物灭绝与复苏，出现大规模的油气富集。例如造成富含有机质的黑色页岩在各大洋盆广泛发生的“大洋缺氧事件”，被认为与气候变化密切相关；在白垩纪大洋缺氧事件之后，一套以红色、紫红色为主的称为“白垩纪大洋红层”的沉积物，广泛出现在全球大洋深水环境中，并在80Ma（1Ma=100万年）左右达到全球性分布。这一快速转化过程表明了在所谓的白垩纪温室气候条件下，大气—海洋系统的不稳定性，迥异于此前通过古气候与古海洋模型研究得到的认识。

白垩纪是距今最近，地质记录也保存得最为完整的温室气候时期。为了解开白垩纪气候快速变化的谜团，必须对海—陆相沉积记录进行整合研究。国际上通过针对中生代海相地层的钻探已经取得了丰富的成果，为研究晚中生代古海洋、古气候作出了巨大贡献。但是相应的陆相地层却并不完整，在国际大陆科学钻探计划（ICDP）正在开展科学钻探中，尤其缺乏晚侏罗世—白垩纪末期近90Ma的陆相记录。

对于科学家而言，26万平方公里的松辽盆地是世界上发育时间最长的陆相湖泊盆地，堪称是补足上述空白的理想的研究对象。其演化历史完整，而且连续沉积，在其湖相沉积地层中保存了最能反映全球或局部气候变化与环境的高分辨率沉积记录。

白垩纪的终极秘密就藏在深埋地下的岩心里。

“研究唐朝的历史就要有唐朝的档案，研究白垩纪时代的地球气候演化的历史，必须要有白垩纪的档案。”王成善说，唯一的办法就是科学钻探，拿到地下的岩心，才能还原当时的地质记录。

位于松辽盆地腹地的大庆油田同样将受益于这项科学钻探研究。贯穿盆地的连续岩心记录，有可能进一步阐明这个世界上最大的陆相生油盆地形成的原因、过程和结果，为大庆油田开辟西部中—深层油气勘探新领域，为稳产4000万吨作出贡献。

通往恐龙时代的科学探险

2012年年初，70多台大卡车组成的车队将从成都先兵分陆路和水路，浩浩荡荡开向冰天雪地的大庆，在那里，60米的井架将重新竖起。“松科2井”将开始全面钻进。取心的钻探将在5月以后展开。

孙友宏告诉《科学新闻》，根据地层复杂程度来设计的松科2井钻孔结构主要分为五个阶段，不同阶段钻孔直径不同。在最初的“一开”阶段，钻进约300米深度，需要大直径开孔，下套管保护井壁。“松科2井”的开孔直径达到666毫米，远远超过了一般300毫米的大直径标准。

第二阶段也称“二开”，井眼的开孔直径达到444.5毫米，钻进目标2865米，这一深度参照了“松科1井”的成果，因此并不需要取心，但是以近半米的口径钻进2800多米，钻头需要重新设计，在技术上依然面临不小的挑战，尤其是过程中可能会遇到漏浆、卡钻和塌孔等事故。

自“三开”起始，将开始连续取心，采用前苏联科拉超深井的超前裸眼钻进技术，目标直指6600米深度，取心长度将达3735米。此时的井眼尺寸缩小至156毫米。钻进过程中，还会经历“四开”和“五开”，井眼尺寸将会又扩大至311.1毫米和215.9毫米。但是各个阶段的钻进深度将视地层情况而定。

随着取心工作的开始，难题将接踵而至。首当其冲的难题是保证95%的岩心采取率，随着钻孔的加深，取心将会越来越困难，由于深部地应力的作用，岩石处于三维应力状态下，钻进后岩石地应力释放，岩石本身的性态将发生改变，岩心变得一片片像饼干一样，同时井壁也变得容易剥落，掉入井中很容易造成卡钻事故。

除了4500米附近深度难啃的坚硬地层，钻进过程中还可能会遭遇地下高压油气层，一旦压力失控将酿成喷井事故。因此，采用泥浆来进行井内精准压力控制也将是一大难题。

另一项世界级的挑战来自地温。高温对泥浆系统、钻具系统、测井电子器件都是不小的麻烦。松辽盆地处于一个高地温场，是一个“热盆”，深度每增加100米，温度就会上升3~4°C。经过模拟计算，“松科2井”的最高井底温度将达到前所未有的270°C。此前苏联的科拉超深钻，在1.2万米的深度，地温也仅在220°C左右。

频繁的取心和越来越长的起钻过程将变得令人煎熬。5000米深度的一次起钻工作，估计将耗时12小时。而取得岩心长度可能不到10米。

当令科学家梦寐以求的岩心取出地面时，真正的研究工作才刚刚开始。

这些“宝贝”岩心，将在科学家们的手中首先完成厘米级的描述，然后被切成1米的小段，贴标签，进行包装或者密封，转移至现场的实验室，保存在4°C的环境下。任何敏感的材料，如地质微生物样品，都将得到合适的取样和零下80°C无菌条件下的冷藏保存。

其后，进行完电子扫面的岩心将被切开，38％将在一个特殊的仓库中保存归档，62％的岩心需要在科学家的监督下进行初步取样。

通过厘米级取样与分析，传统地质学以百万年计的时间分辨率如今提高到了万年尺度。“1米长的岩心相当于1万年的地质记录信息”，王成善说。

正是通过“松科1井”和“松科2井”的科学钻探，中国科学家有望重建通往白垩纪的“金柱子”，这些看起来普通的岩石柱子来得不容易，在科学家们的眼中都是无价之宝，从中有望解读出距今6500万年至1.4亿年间地球温室气候变化的细节。■

本刊记者 李晓明