地球的年輪——岩芯

 很多事物都蘊藏著歷史的密碼，例如可以根據樹木的年輪推斷其年齡，根據珊瑚的生長紋推斷億萬年前一晝夜的時間，根據沉船木質的腐爛程度可以估算其沉沒的時間等。地球的歷史則記錄在岩石中，當我們通過鑽探的手段獲取一段段圓柱形的岩石樣品（也就是岩芯），並將其編碼裝箱儲存在特定地點，我們就像是擁有了地球的史書和珍藏地球史書的圖書館。

何為“岩芯”？

岩芯根據地質勘查工作或地質工程的需要，科研人員使用環狀岩芯鑽頭及其他取芯工具，向地下從孔內取出的圓柱狀岩石樣品。岩芯還被譽為“深入地球內部的望遠鏡”，獲取岩芯是深入了解地下礦産資源特徵最直觀、最實際的途徑。

岩芯承載著大量重要的地球系統科學資訊，在研究地殼內部結構和物質組成、探究地球形成與演化、解決全球性或區域性地球系統科學難題或重大地質問題、破解與人類生存相關的能源資源環境問題等方面發揮著突出作用，也為深部成礦理論和技術方法研究提供必要的實物和數據基礎。

岩芯的直徑取決於鑽頭的內徑尺寸，固體礦産鑽探岩芯直徑一般在25毫米-70毫米，水文地質、工程地質岩芯直徑一般為95毫米-150毫米,科學鑽探岩芯直徑一般為50毫米-311毫米，水壩橋基岩芯直徑有的達1.0米-1.5米。

勘探技術為獲取岩芯保駕護航

表面形態的相似不能掩蓋實質的不同，不論是物質基礎、形成過程，還是規模，湘西的喀斯特和北方的黃土地貌都存在巨大的差異。

獲取岩芯要面臨三大難題：高地應力、高溫、高壓。首先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、高礦化度(高密度)等，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，一般來説，每下探100米溫度就上升3°C。不僅如此，鑽機鑽進過程中也會因摩擦産生額外的熱量，即便有鑽井液的降溫潤滑作用，也會因能量堆積對鑽桿産生極大的影響。此外，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，而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，所以在鑽探之前還需要花費大量資金研發特殊的鑽探器材。

為了向地球更深部鑽探，達到更高的岩芯採取率，以及保障岩芯獲取的完整性等，我們需要研製新的鑽探技術，採用合乎要求的取芯工具和正確的取芯方法，嚴格遵守操作規程，為科學分析岩芯數據保駕護航。

鑽探岩芯是一種目的性極強的工作，需要對鑽探進行綜合分析研究，確定工作區和鑽探具體點位。地質勘搜尋礦為了掌握工作區蘊藏的礦産資源量多少，需要按照地質條件、工程程度、工程間距等佈置鑽孔，力爭用最少的勘探工作量達到較好的勘查效果。地質勘搜尋礦主要側重於生産研究，在地質報告中會設計一批經科學論證的地質鑽孔進行鑽探。科學鑽探主要根據科學研究目標，對科學鑽探井進行綜合選址，最終能夠達到預期設定目標和研究設想，一般重大項目都會設置科鑽選址研究專項。科學鑽探側重於科學研究，鑽探深度大（上千米甚至近萬米），且科學鑽探投入成本大（多達上億元），其研究涉及內容多，多用於交叉學科甚至跨學科研究。

國內外岩芯大比拼

説起國內外岩芯鑽探大比拼，就不得不提大洋鑽探和大陸鑽探的發展歷程。由於大洋地殼平均厚度只有7千米，而大陸地殼平均厚度為33千米，所以人類選擇先從較薄的大洋地殼鑽探開始，逐步開展大陸鑽探計劃。

大洋鑽探

1957年美國提出了“莫霍面鑽探計劃”，這也是世界上第一個科學鑽探計劃，這個計劃目標是打穿地球“莫霍面”（鑽探點地殼厚度為17千米），但最後也只是透過3600米的水深向洋底鑽進了183米，發現前170米都是深海沉積物，再往下是基岩——玄武岩，這是人類首次採集到組成大洋地殼的岩石。

1968年-1983年，由“格羅瑪·挑戰者”號大洋鑽探船執行了深海鑽探計劃（DSDP）。

1985年-2003年，由“喬迪斯·決心”號大洋鑽探船執行了大洋鑽探計劃（ODP）。

2003年-2013年，由“喬迪斯·決心”號、“地球”號大洋鑽探船、“特定任務平臺”執行了綜合大洋鑽探計劃（IODPⅠ）。

2013年-2023年，又執行了國際大洋發現計劃（IODPⅡ）。

這些計劃的實施從開始單一科學目標，逐步演化為綜合性的科學目標，使得我們對海底擴張和板塊運動深層次原因，以及深部生物圈、氣候變化、海底石油、可燃冰等能源資源的熱點前沿科學問題有了更多的認識、理解和實踐，也為海洋生態環境保護、開發提供了更加科學的依據。

大陸科學鑽探歷程中，前蘇聯曾在遠東的科拉半島上佈置了一口鑽井，設計孔深15000米，並且成立了16個實驗室，開展對岩芯的研究。這口鑽井自1970年到1983年的13年時間裏，向地下鑽了12262米。最後，因為技術、資金，加上科學研究沒有重大發現等原因，1994年，科拉超深井鑽探工作正式終止，但是其創造的12262米的科學鑽探深度世界紀錄至今沒有被打破。

1977年，當時的聯邦德國提出了“聯邦德國大陸深鑽計劃（KTB）”，該計劃主孔在1990年-1994年實施，設計孔深14000米，最終鑽進深度9101米。科學家通過獲取的岩芯，分析掌握了地下9000多米不同深度的岩石物理參數。

1996年，中國、美國、德國聯合簽署合作備忘錄，國際大陸科學鑽探計劃（ICDP）宣告成立。在ICDP資助下，我國主要實施了三個鑽探工程：江蘇東海大陸科學鑽探工程于2001年至2005年實施，鑽探深度5158米，通過獲取岩芯數據分析，科學家發現了超高壓礦物柯石英和金剛石。青海湖國際環境科學鑽探工程2005年實施，包括湖上鑽探和陸上鑽探，前者實施13個孔，累計鑽進547.8米，獲取岩芯323米；後者實施2個孔，累計鑽進近2000米，獲取岩芯1600余米，由此建立沉積物年代序列和研究高解析度環境變化，為研究我國青海湖地區環境形成演化以及西部地區開發提供數據基礎和決策依據。松遼盆地國際大陸科學鑽探工程由“三井四孔”組成，即松科一井南孔、北孔，松科二井和松科三井，獲得連續完整的岩芯8200余米，其中松科二井鑽探深度7178米，科研成果最為豐碩。此項工程建立起了通往白堊紀的“金柱子”，為地球深部探測和科學實驗研究提供了關鍵技術和裝備，拓展了松遼盆地深部頁巖氣、地熱能等能源勘查開發的新空間，引領了全球白堊紀陸相古氣候研究，顯著提升了我國在地質歷史古氣候研究領域的國際影響力。

建立“地球歷史圖書館”

岩芯的價值在於其蘊含的科學資訊，因此要對岩芯進行科學描述，同時對於採集的岩芯要妥善保存，這就好比建設一個地球歷史的圖書館。

岩芯的描述分為宏觀和微觀描述兩個部分，宏觀描述主要包括岩性、礦物成分、結構組分、生物化石、沉積構造、産狀、孔隙裂隙等，微觀描述主要是磨制光（薄）片進行顯微鏡下礦物結構特徵的觀察分析。此外，科技人員通常要對從特殊礦區、深孔、超深孔、海底洋底取出的岩（礦）芯做幾十項化驗、檢測、分析，包括物質成分的常量、痕量分析，古地磁測定,年齡測定，X光衍射、同位素測量、放射性測量，以及測定岩芯的物理力學性質。描述後，要開展全面的岩芯掃描數字化工作，即用岩芯數字化技術提取描述岩芯的數據資訊，將實體岩芯“數字化”，建立“全國岩芯樣本基因數據庫”。

岩芯不僅具有很高的科研價值，而且獲取過程也消耗大量的人力、物力，因此需要妥善保管。首先要按照《地質勘查鑽探岩礦芯管理通則》（DZ/T0032-92）的要求，將獲取的岩芯自上而下地按順序及時、準確地放入一定尺寸的岩芯箱內，進行編號,確保從鑽井提取上來的岩芯記錄完整、準確、岩芯真實有效等，並賦予“岩芯ID”，關聯所有與之對應的岩芯段位資訊，使得岩芯成為“有身份的人”。此外，普通岩芯做好“防盜、防光、防高溫、防火、防潮、防塵、防鼠、防蟲”八防要求，特殊岩芯根據實際情況還應具備防輻射、恒溫恒濕、低溫、超低溫、高壓、低壓等要求，像冰芯冷庫的溫度一般為-25℃，可燃冰岩芯樣品需要採用液氮（-196℃條件）來保存。

在科學技術日益發展的今天，憑藉著科技工作者的努力奮鬥和不懈努力，我們國家的岩芯科研工作不斷取得新的進展，隱藏在這小小圓柱體中更多的地球奧秘將被揭開。

來源：自然資源部宣傳教育中心

責任編輯：李月萍