内容提要：直接进入地球内部观察研究地球的成分、结构构造和各种地质作用是人类的长期梦想‚就目前人类的科学技术条件‚人们还不可能直接钻入地下进行实地取样与观察。科学钻探是获取地球深部物质、了解地球内部信息的最直接、最有效、最可靠的方法。国际大陆科学钻探计划成立以来‚已经在许多领域取得了重要成果‚发表了大量的文章。本文对科学钻探的发展过程、大陆科学钻探的意义、国际大陆科学钻探委员会成立的背景与建立过程、组织结构、立项程序、立项准则以及研究领域做了简要概述。对国际大陆科学钻探近年来在气候变化与全球环境、陨石撞击坑及撞击过程研究、地球生物圈、火山系统和热流机制、地幔柱和大洋裂谷、活动断裂、汇聚板块边界和碰撞带、自然资源等主要研究领域的重要进展做了综述‚重点介绍了日本的云仙火山钻探项目、美国夏威夷火山科学钻探和圣安德列斯断裂深部观测计划的主要进展。概括和总结了中国实施的3个国际大陆科学钻探项目所取得的成果进展和中国的大陆科学钻探事业近期的主要活动。
关键词：国际大陆科学钻探;气候变化;陨石撞击;地球生物圈;地幔柱;活动断裂
1 科学钻探的发展
上天、入地、下海洋‚是人类自古以来的三大梦想。自1957年前苏联成功发射了第一颗人造地球卫星以来‚人类已对太空进行了无数次成功探索。人类已经不止一次在月球上留下了脚印‚未来若干年‚登上火星的梦想也即将实现。“上九天揽月‚下五洋捉鳖”已经成为现实。然而比起上天下海‚人们对自己生活的地球内部所知甚少。
人们根据地表及近地表的地质研究成果以及地球物理等间接方法提出了一系列学说‚也一直幻想着各种可以直接入地进行观察观测的方法。由于坚硬岩石的阻隔‚人类对地球内部直接观察困难重重。到目前为止‚人们对地球内部的认识大多是通过地球物理等间接方法获得的‚这种地表的地球物理遥测只能获得构造影像‚对地球深部的推测则存在许多不确定性与“多解性”。
对地球奥秘最直接的探索和对地球物理及实验室取得的数据进行验证‚必须深入到地球内部‚获取样品及各种信息。科学钻探是获取地球深部物质、了解地球内部信息的最直接、最有效、最可靠的方法‚是地球科学发展的不可缺少的重要基础‚对21 世纪地球科学和相关科学技术发展具有重要的推动和带动作用‚同时也是解决人类社会发展面临的资源、灾害、环境等重大问题的重要途径之一。
通过数千米甚至上万米的大陆科学钻探‚科学家可以揭示大陆地壳的物质组成与结构构造‚校正地球物理方法对地球深部的遥测结果‚探索地球深部流体系统、地热结构‚监测地震活动‚揭示地震发生规律‚研究全球气候变化及环境变迁‚探索地下微生物的分布及潜育条件‚预防环境及地下水污染‚有效处理核废料‚长期观察地球变化等等‚可以解决一系列重大基础科学问题。因此‚大陆科学钻探工程被形象地誉为“伸入地球内部的望远镜”。对解决人类社会发展所面临的资源、灾害和环境三大问题都有十分重要的意义‚同时也是带动21世纪地球科学和相关科学技术发展的大科学工程。
科学钻探的兴起‚始于20世纪中叶(刘广志‚ 2005)。1957年3月‚美国国家基金地球科学部的成员 Walter Munk 提出倡议‚利用深海钻探在地壳最薄的地方打穿莫霍面‚以研究地球的年龄、地幔的物质组成和内部作用‚这就是著名的“莫霍计划”(Mohole Project)。该计划首先于1961年3～4月在墨西哥西岸瓜达卢佩海湾(Guadalupe‚Mexico)实施5口钻井‚最深的一口从水深3566m 的洋底向下钻井183m‚其中前170m 为中新世的沉积物‚向下则为玄武岩‚这是人类首次从洋底用钻探方法获取的玄武岩样品。尽管第一期工作取得了史无前例的成果‚但由于技术、经费及管理问题‚整个计划于 1966年终止(汪品先‚1994)。
1968年‚美国科学基金等机构资助实施了一项意义 深 远 的 深 海 钻 探 计 划 (Deep Sea Drilling Project‚简称 DSDP)。1968年8月‚“格洛玛·挑战者” 号首航墨西哥‚标志着 DSDP 正式开始。从 1968年8月11日开始至1983年11月计划结束‚ “格洛玛·挑战者”号船共完成了96个航次‚钻探站位624个‚实际钻井逾千口‚累计在海底之下钻进 320km‚最深海底钻井1741m‚共获取岩芯97056 m。DSDP 是地球科学史上最大规模的国际合作‚ 其结果证实了海底扩张‚建立了板块学说‚同时导致古海洋学新学科的建立‚为地球科学带来了一场革命(汪品先‚1994)。
1983年‚DSDP 计划之后‚又开始新一轮的大洋钻探计划(Ocean Drilling Program‚简称 ODP)。 ODP 主要由美国科学基金资助‚参加国家有澳大利亚、加拿大、中国、中国台湾、韩国、比利时、丹麦、芬兰、希腊、冰岛、爱尔兰、意大利、挪威、葡萄牙、西班牙、瑞典、瑞士、荷兰、土耳其、法国、德国、日本、英国和俄罗斯等(ODP Final technical Report‚2007)。
历经20年的大洋科学钻探(ODP)在地球环境动力学和地球内部动力学等方面取得了一系列重要成果‚例如：将深海沉积物中记录的气候变化与理论计算的地球轨道参数的变化联系起来‚论证了轨道参数变化在驱动气候变化中的作用;以地球轨道周期为基础的高分辨率地质年代表‚开创了地质年代学的新阶段;证实了10年至千年际的洋流循环变化;建立并量化了100Ma 来的全球环境变化‚发现了全球性瞬时气候事件、全球大洋缺氧事件;发现了气候周期演变中热带碳循环的作用;对夏威夷皇帝海岭的钻探所钻取的沉积物和玄武岩样品的测年研究表明‚这些年龄沿着海底火山链或火山脊出现系统的变化‚验证了板块构造关于火山链“热点”成因的假说等等(柴育成等‚2003)。1998年4月‚我国作为“参与成员”正式加入大洋钻探计划。
2003年‚建立在 DSDP 和 ODP 基础之上、规模更 大、参 与 更 加 广 泛 的 综 合 大 洋 钻 探 计 划(Integrated Ocean Drilling Program‚简称 IODP)正式开始。IODP 成立之初‚即将目标定在地球系统(地球、海洋与生命)的综合研究。
2 国际大陆科学钻探委员会(ICDP)的建立
与大洋钻探相比‚大陆科学钻探起步较晚‚始于 20世纪70年代的前苏联。1970年‚前苏联地质部在科拉半岛等地先后施工了若干科学钻探‚其中最深也是最著名的为 SG-3井‚终孔深度达到12261 m。1984年‚第27届国际地质大会在莫斯科召开之际‚SG-3井的成果陆续发表。德国于1987年至 1994年间‚在德国中部的 Windischeschenbach 镇进行了科学钻探‚即举世闻名的 KTB 钻探项目‚原设计孔深14000 m‚实际主孔的终孔孔深9101 m。 ICDP 计划即是在 KTB 钻探项目结束后由德国、美国和中国等国家发起成立的。
1992年11月‚在经济合作与发展组织(OECD)的大科学论坛上‚鉴于当时地学领域大量的国际合作项目的广泛成功‚建议成立国际大陆科学钻探组织。当时‚德国 KTB 钻探项目已经取得了令人鼓舞的成果‚所以建议德国负责组建这一组织。
1993年8月30日至9月1日‚德国地学研究中心(简称 GFZ)在波斯坦召开了关于科学钻探的国际会议‚来自28个国家的250余名代表出席会议。会后‚15个国家的科学家考察了德国 KTB 钻井现场‚并正式讨论成立国际大陆科学钻探计划(ICDP)。代表们一致认为‚大陆科学钻探对固体地球科学起着至关重要的作用‚需要进行综合性、国际性的研究计划‚成立 ICDP 组织的时机已经成熟。
1996年2月26日‚在东京德国驻日本使馆‚中国地质矿产部、美国自然科学基金和德国联邦教育科技部的代表分别代表各国政府正式签署合作备忘录(MOU)‚ICDP 宣告成立‚中国、美国和德国亦成为 ICDP 的3个发起国。目前‚ICDP 已经有21个成员‚其中19个为国家成员‚另外两个分别为联合国教科文组织和 Schlumberger 公司(表1)。
ICDP 的最高决策机构是理事会(Assembly of Governors‚简称 AOG)‚由每个成员国各派一位代表组成。理事会负责资金筹措、科学监督、重要决策和新成员国的接纳。理事会下设执行委员会(Executive Committee‚简称 EC)‚负责 ICDP 的管理事务‚由成员国各指派一代表组成。EC 负责组织科学委员会对项目进行年度评审‚每年要向理事会报告上一年度的项目运行情况‚包括资金预算和科学进展。
执行委员会下设科学委员会(SAG)和运作支持组(OSG)。科学委员会由国际知名的同行专家组成。科学委员会每年召开一次年会‚对所有新申报的立项建议进行审查排序‚然后向执行委员会推荐。项目运作支持组(OSG)为执行委员会的服务机构‚ 成员由德国地学中心从事科学钻探的有关专业的科技人员组成‚负责为执行委员会提供管理服务‚并为 ICDP 资助的项目提供钻探、测井、信息技术等支持服务如专业技术培训等(图1)。
3 大陆科学钻探的主要研究领域和立项准则
3.1 大陆科学钻探的主要研究领域
ICDP 的主要目标是：通过独特的科学钻探方法‚精确地了解地壳成分、结构构造和对地球资源与环境起着至关重要作用的各种地质过程。
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国际大陆科学钻探计划的研究主题是：①与地震、火山爆发有关的物理、化学过程及相关的减灾措施;②近期全球气候变化的方式与原因;③天体撞击对全球气候变化及大规模生物灭绝的影响;④深部生物圈及其与各种地质过程(碳氢化合物的成熟、矿床的形成与地球的演化)的关系;⑤如何安全处理核废料和其他有毒废料;⑥沉积盆地与能源资源的形成与演化;⑦不同地质环境下矿床的形成;⑧板块构造的机理‚地壳内部热、物质和流体的迁移规律;⑨如何更好地利用地球物理资料了解地壳内部的结构与性质。
3.2 科学钻探的立项准则
波茨坦会议上确定‚ICDP 项目必须满足如下要求：
(1)全球性原则：项目应该是具有全球意义的世界级地质项目‚即项目应致力于研究重要的具有全球性意义的地质和地球物理问题‚在世界范围内选择地学界公认的钻探现场。
(2)国际性原则：项目应该具有广泛的国际合作、最好的科学家团队以及可共享的资源‚项目的实施须有助于技术创新。
(3)钻探工作的必要性原则：所有项目必须通过钻探方法才能顺利进行‚钻探的深度根据实际需要可深可浅。
(4)社会需求原则：项目应该具有适当的社会影响及工业界的合作。
(5)实行项目负责制‚项目均需经过同行评议‚ 项目的科学发现应该在全球具有广泛的影响。
(6)深度-经费准则：所申请的项目必须做好钻探深度与经费预算的平衡‚在管理和技术上必须满足地学界的需求。
国际大陆钻探计划的项目申请过程具有高度的开放性和严肃性。其开放性体现在成员国或准成员国的地球科学家均可在每年的1月15日前提出立项建议。但从立项提交到批准执行的整个过程又是非常严谨和严肃的。从立项建议到正式成为 ICDP 项目规定需要经过两个阶段：图2 ICDP 的立项流程示意图(据 Harms 等‚2007) Fig.2 From proposal to project (after Harms et al.‚2007)
阶段一：由申请人向 ICDP 递交召开研讨会建议或初步立项建议申请书(workshop proposal 或 preliminary proposal)‚该申请书其实就是一个内容完整的设计申请‚但还不是最终设计。该设计申请经过科学委员会(Science Advisor Group)充分评议与 排 序 后 提 交 到 执 行 委 员 会 ( Executive Committee)表决是否可以资助。如果获得资助‚说明该项目的初步设计得到认可。申请人在 ICDP 的指导下‚召开国际讨论会(Workshop)‚研讨会的目的是帮助首席科学家完善项目设计。
阶段二：项目申请人(首席科学家)根据出席研讨会专家的意见‚修改设计后‚向 ICDP 再次提交一个完整设计(Full Proposal)‚该申请需要再次经过科学委员会专家评议、排序和推荐‚经执行委员会上表决通过‚最终提交到理事会(AOG)‚在理事会上获得通过的项目才能正式列为 ICDP 支持的项目。
图2为 ICDP 项目从申报到批准执行全过程示意图：从立项到实施钻探‚除去科学意义这一重要因素外‚另外3个重要因素是资金来源、钻探相关的设备以及管理。中国大陆科学钻探工程从立项到实施经过了近10年的时间。
大陆科学钻探研究领域正在不断拓展‚得到 ICDP 资助的钻探项目和研讨会已经扩大到全球各大洲。据不完全统计‚自1996年 ICDP 成立至2008 年‚ICDP 共接收各种项目建议201项‚研讨会立项建议50项(包括不同年份重复提交的项目)‚已经资助科学钻探项目25个‚另外资助召开了30多个研讨会。绝大部分受资助的钻探项目涉及两个以上的研究主题(表2)。中国科学家提交到 SAG 讨论的项目建议有16个‚提交到 EC 讨论的有4项‚其中中国大陆科学钻探工程、青海湖科学钻探项目和松辽盆地科学钻探项目获得了批准。
4 国际大陆科学钻探的主要进展
ICDP 正式启动到现在‚已经在多个科学研究领域取得了系列重要成果。简单介绍如下。
4.1 气候变化与全球环境
气候变化与全球环境是地学界的热点之一‚因而也是 ICDP 申报项目最多的主题。
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大多保存在大陆内部的湖相沉积中‚特别是具有较长寿命的湖相沉积中。大陆上分布着大量的湖泊‚系统地对全球大陆上广泛分布的湖相沉积物进行系统钻探取样分析‚可以得到全球气候动态变化的模型‚了解气候变化对大陆地貌、生态以及人类环境的影响。湖泊沉积物中还保存有地球磁场变化的信息‚沿大的断裂分布的盆地湖泊沉积物中还保存有高分辨率地震的时空分布信息‚对这些信息进行分析研究可有助于预防自然灾害特别是地震灾害(Brigham-Grette et al.‚2007)。因此近年来湖泊钻探成为科学钻探中最热的课题‚与该主题相关的立项建议、WORKS HOP 项目以及实施的钻探项目已有20余项。——论文作者：苏德辰‚杨经绥
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