中国白垩纪大陆科学钻探工程:松科一井科学钻探工程的实施与初步进展

获取全球环境与气候变化记录是世界科学钻探发展的必然趋势.白垩纪作为地质历史时期"温室气候"的典型范例时期,提供了温室气候条件下地球气候系统运作和变化的良好档案.但是目前国际上针对白垩纪地层的科学钻探主要限于海相地层,对陆相白垩系的科学钻探尚属空白.在我国松辽盆地北部新近完成的中国白垩纪大陆科学钻探工程——松科1井项目有望在此方面取得重要的突破.该项目经过一年多的努力,钻探工程已经全都结束,总计获取岩心长2485.89 m,收获率达96.46%,是目前为止所获取的国际上第一条最长而且连续的白垩系陆相沉积记录.针对岩心的全面研究工作正在开展并已取得初步成果.相关研究工作进展突出表现在通过厘米级样品的取样与分析,将传统地质学百万年的时间分辨率提高到万年尺度,预计其研究结果可为解决当今的全球变暖问题提供重要的参照.利用松科1井科学钻探工程的原始科学资料和研究成果,对岩心已经和在建的包括岩石地层、古生物、沉积相、古地磁、有机地化、旋回地层、地微生物等十大剖面系列,进行科学钻探成果的集成.初步研究在沉积学和有机地球化学、旋回地层学、松辽古湖泊温度变化、地微生物和古大气中CO2浓度定量重建方面已取得重要进展."松科1井"全部岩心剖切后,38%将馆藏保存,其余将用于现阶段研究,并向全世界科学家开放.后续工程"松科2井"也已经被列入国际大陆钻探计划(ICDP)候选项目.     

岩心数字成像技术及其应用

岩心数字成像技术是一种系统技术，其中包括岩心数字扫描仪等硬件设备，还包括岩心图文信息和其它地质信息的综合数据库，以及对图文信息进行综合分析的应用软件。 1 岩心数字扫描仪工作原理 采集岩心图像的工作原理就是通过机电一体化的图像控制系统控制线性数字相机和岩心录入机械装置对岩心实物进行连续扫描，经图像转换系统将岩心模拟图像转换成为计算机可识别的数字图像并存储到计算机中。 岩心图像扫描控制系统和带CCD(电荷耦合器件)传感器的彩色线性数字扫描相机及图像转换系统是系统中的核心部分。图像扫描控制系统安装在计算机…     

松辽盆地松科1井上白垩统四方台组沉积序列厘米级精细刻画：岩性·岩相·旋回

中国白垩纪大陆科学钻探松科1井北孔连续取四方台组岩心心长209．02m,岩心收获率为97．5％,是迄今获取的最连续完整的沉积记录。文章对此进行了厘米级（分层厚度2～5cm）沉积地质描述。四方台组沉积时期对应中一晚坎潘期。通过对松科1井四方台组岩心的精细描述,揭示其岩性-岩相-旋回的沉积序列及其过程。四方台组共识别出8种...     

ICDP创立20周年: 中国大陆科学钻探方兴未艾

国际大陆科学钻探计划(ICDP)创立于1996年, 至今整整20年。ICDP最初由中国、德国和美国3个发起国组成, 目前拥有24个成员国, 在全球已经组织和资助了30余个大陆科学钻探项目和75个研讨会。研究领域覆盖了全球大陆地球科学的各方面主题, 在诸多领域取得了重要进展。此前我们曾介绍了ICDP的概况和进展, 本文概述近些年ICDP科学主题的调整、组织发展状况和申请流程, 着重介绍与中国地学界关系密切的活动断裂与地震、全球性气候周期与环境变化、地球深部生物圈和矿产资源等几个领域的主要进展或发展方向, 并简要介绍了我国开展的“大陆科学钻探选址与钻探实验”(SinoProbe-05)项目、“汶川断裂带科学钻探”(WFSD)项目以及正在进行的ICDP项目——“白垩纪松辽盆地大陆科学钻探”概况和成果。     

中国陆相白垩纪科学钻探松科一井(北井)钻探工程技术配套

松科一井是中国政府"973计划"项目为获取陆相白垩系地质资料,在中国松辽盆地布置的科学钻探工程,由南井和北井两个子工程组成。北井采用水源钻探设备与地质岩心钻探工艺组合,完成了井深1810m的钻探工作,在要求连续取心的1630m井段中,获取直径Φ96mm的岩心1542m,岩心采取率达95%。介绍了北井在钻探工程技术配套上取得的一系列技术成果。     

我国大陆科学钻探工程实施概况及其取心钻进技术体系

科学钻探是为包括构造运动、气候变迁、火山喷发、地震机理、陨星撞击等基础地学研究领域,提取地球深部信息、建立地下长期观测网络的科学工程。开展科学钻探,不仅将促进我国地学基础理论研究走向国际前沿,实现从地质大国向地质强国的转变,还具有拉动我国钻探工程整体进步,提高其技术、学术水平和国际地位的工程技术意义。在通过科学钻探获取的地下信息中,岩心是直接反映地球演变历史的实物资料,也是最为地质学家所重视的研究资料。我国自2001年启动大陆科学钻探工程以来,素以全过程连续钻取岩心和对岩心的高质量要求著称于世。本文概略介绍了我国已成功实施的4项大陆科学钻探工程,着重介绍了在工程中形成的,具有我国自主知识产权的科学钻探取心钻进技术体系：井底动力取心钻进系统、大口径长回次钻程取心钻进系统、极复杂地层原状取心钻进系统,以及各类岩心的无损出管方法,介绍了各钻进系统在工程应用中取得的主要成果。     

苏联绳索取心泡沫洗井钻探工艺试验

位于上普伐尔茨的联邦德国大陆深钻计划（KTB）先导孔是经历了560天的钻探施工，于1989年4月4日，以4000.1m的深度，达到其科学和技术目标。从480m至3893m的孔段，采用了绳索取心钻探工艺，总进尺为3142.6m，取得了3074.66m岩心，岩心采取率为97.84％，平均的回次钻进长度为3.56m。除了取心外，在振动筛和旋流除砂器处采集了13069个岩屑样品以及采集了4342个泥浆样品，用于其它项目的评价。从这些样品中共抽取了465个特殊样品。     

松辽盆地松科1井上白垩统嫩江组一、二段沉积序列厘米级精细刻画：岩性·岩相·旋回

中国白垩纪大陆科学钻探松科1井连续钻取嫩江组一、二段岩心长295．53m,岩心收获率为97．45％,是迄今获取的最连续完整的沉积记录。文章对此进行了厘米级沉积地质描述（分层厚度2～5cm）。嫩江组一、二段沉积时期与晚三冬早坎潘期对应。通过对松科1井嫩江组一、二段岩心的精细描述,揭示其岩性一岩相一旋回的沉积序列及其过程。...     

ICDP湖泊科学钻探进展

气候变化与全球环境是地学界的热点之一。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。因此,湖泊环境科学及湖泊环境科学钻探作为开展此类研究最为直接的技术手段,一直以来都受到国内外学术界的高度关注。在介绍湖泊科学钻探技术难点的基础上,以国际大陆科学钻探计划(ICDP)资助的已完成的12个湖泊钻探项目为例,对2000年以来ICDP在气候变化与全球环境研究领域的重要进展进行了综述,并对未来的主要湖泊科学钻探计划进行了简要的概述。     

安徽省地矿局313地质队两科钻深孔顺利通过验收

本刊讯由安徽省地矿局313地质队承担的“华东庐枞盆地科学钻探选址预研究”LZSD-1孔、“华南于都-赣县矿集区科学钻探选址预研究”NLSD -1孔科学钻探工程于2013年12月30日通过中国地质科学院组织的专家验收。LZSD-1孔终孔孔深3008.29 m,终孔直径77 mm,岩心采取率97.41％,创特深孔岩心钻探施工周期最短的纪录;NLSD-1孔终孔孔深2967.83 m,终孔直径97 mm,岩心采取率97.8％,全孔人工纠斜96次,创国内复杂地层、高粘度泥浆、塔式钻具H口径受控绳索取心钻孔最深纪录。两孔各项技术指标完全满足地质研究与科学钻探要求,同时也是我国大陆科学钻探选址预研究所布置实施的6个科学钻探孔中最深的两个钻孔,为我国万米科学超深钻实施奠定基础,对推动我国超深孔钻探技术发展起到重要推动作用。     

赣南淘锡坑钨多金属矿床花岗岩和云英岩岩石特征及云英岩中白云母40Ar/39Ar定年

赣南崇义县淘锡坑钨矿位于南岭东西向构造带东段,属于以黑钨矿石英脉型为主的钨多金属矿床。矿床形成与燕山期中酸性岩浆作用有密切关系,石英矿脉受一组北西向断裂控制,穿切新元古界。本文在淘锡坑钨矿区3个揭露到花岗岩体顶部的中段（206、106、56中段）采集到岩体顶部云英岩样品,利用40Ar/39Ar同位素定年测得云英岩中的白云母的坪年龄分别为152.7 ± 1.5 Ma（206中段）,153.4 ± 1.3 Ma（106中段）,155.0 ± 1.4 Ma（56中段）。与前人用其他方法测定的花岗岩成岩和成矿年龄几乎一致。花岗岩和云英岩全岩稀土元素均具有M型四分组效应和强烈的Eu亏损特征,反映出花岗质岩浆经历了高度分异演化及其岩体结晶晚期流体/熔体相互作用。综合前人在南岭地区同类矿床的研究资料,可知南岭地区160～150Ma成岩成矿作用主要分布于南岭中-东段,可能为大陆边缘弧后岩石圈伸展的构造动力学背景的产物。     

国际大陆科学钻探（ICDP）进展

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。     

基于技术经济评价的取心钻进方法设计

提出了一种进行取心钻进设计的新方法，其特点是将技术经济学的思想引入钻探工程设计中，从而实现取心钻进方法的优选。该方法具有通用性，可用于任何钻探项目取心钻进方法的选择。在研究中，建立了评价取心钻进施工的技术经济评价指标体系；推导了钻进时间和成本的计算公式，并以一个5000m取心钻进项目的设计为例，对CCSD科钻一井的取心钻进方法进行了评价，证明由中国大陆科学钻探工程中心发明和研制成功的螺杆马达-液动锤-提钻取心法是一种高效、优质、低成本和安全的取心钻进方法。     

Main technical innovations of Songke Well No.2 Drilling Project

Songke Well No.2, one of the main part of the scientific drilling project in Songliao Basin, which was drilled 7018 m and acquired the part of cores continuously from the Low Cretaceous to the Carboniferous and the Permian from the 2843 m deep, can be considered as the deepest continental drilling project in Asia. Aiming at the features of longer well sections, larger diameters and multiple spud-ins for coring of Songke Well No.2, this project broke through the “coring in small diameter and reaming in large diameter” spud-in drilling-completion procedures which are always used in large-diameter-well coring for continental scientific drilling projects in domestic and overseas and the drilling method of short-single-cylinder roundtrip footage. At the same time, “coring in the same diameter and completing drilling at one single diameter” was achieved at all φ311 mm and φ216 mm coring sections of more than one thousand meters long, high-efficient operation with “drilling long footage with drill tools combined in multi-cylinders” was achieved at deep coring section. Four world drilling records were created which include more than a thousand meters continuous coring at φ311 mm, and the footage per roundtrip footage at φ311 mm, φ216 mm and φ152 mm is all more than 30 m, all of these breakthroughs reduced at least 300 days for this project; moreover, considering the characteristics of formations that the geothermal gradient is high in the drilled sections and the inside-well temperature is over 240°C after drilling completion, a formate-polymer water-based mud system was developed by compounding attapulgite and sodium bentonite and by adding independently developed high-temperature stabilizer, which can provide critical technical support for successful well completion at 7018 m in the super-high-temperature environment It is the first time that the water-based mud is operated at the working temperature higher than 240°C in China; Besides, considering the high-quality requirement on cores imposed by the project, the method “mechanical cored is charge” to discharge core nondestructively on the ground was worked out, and more than 4000 m scatheless cores were discharged out of the drill pipes while maintaining original stratum structures.     

汶川地震断裂带科学钻探一号孔（WFSD-1）不同取心方法的应用效果分析

针对因地震造成的复杂地层,在汶川地震断裂带科学钻探一号孔（WFSD-1）钻探施工中,为了保证岩心的采取率和原状性,满足地震机理研究需要,长孔段采用多型号多规格半合管取心工艺技术,确保全孔岩心采取率高达94．3％及岩心原状性好的目的,从而满足了汶川地震地学研究的需要。     

‘PALEOVAN’, International Continental Scientific Drilling Program (ICDP): site survey results and perspectives

Lake Van is the fourth largest terminal lake in the world (volume 607 km³, area 3570 km², maximum depth 460 m), extending for 130 km WSW–ENE on the Eastern Anatolian High Plateau, Turkey. The sedimentary record of Lake Van, partly laminated, has the potential to obtain a long and continuous continental sequence that covers several glacial–interglacial cycles (ca 500 kyr). Therefore, Lake Van is a key site within the International Continental Scientific Drilling Program (ICDP) for the investigation of the Quaternary climate evolution in the Near East (‘PALEOVAN’). As preparation for an ICDP drilling campaign, a site survey was carried out during the past years. We collected 50 seismic profiles with a total length of ～850 km to identify continuous undisturbed sedimentary sequences for potential ICDP locations. Based on the seismic results, we cored 10 different locations to water depths of up to 420 m. Multidisciplinary scientific work at positions of a proposed ICDP drill site included measurements of magnetic susceptibility, physical properties, stable isotopes, XRF scans, and pollen and spores. This core extends back to the Last Glacial Maximum (LGM), a more extended record than all the other Lake Van cores obtained to date. Both coring and seismic data do not show any indication that the deepest part of the lake (Tatvan Basin, Ahlat Ridge) was dry or almost dry during past times. These results show potential for obtaining a continuous undisturbed, long continental palaeoclimate record. In addition, this paper discusses the potential of ‘PALEOVAN’ to establish new results on the dynamics of lake level fluctuations, noble gas concentration in pore water of the lake sediment, history of volcanism and volcanic activities based on tephrostratigraphy, and paleoseismic and earthquake activities.     

大陆科学钻探的新发现与研究主题

大陆科学钻探是当代地球科学的重大科学工程之一,也是带动21世纪地球科学发展的关键。概括了20多年来大陆科学钻探取得的主要成就,并对其面临的科学主题作了详细阐述;最后对我国开展大陆科学钻探提出了几点建议。     

中国大陆科学钻100～850 m深度岩心的贵金属地球化学

本文对CCSD超深钻中首次获得的铂族元素及金、银的地球化学特点进行了分析和研究,结果表明各类样品的铂族元素含量均偏低,100～850 m深度平均Ir小于0.1×10-9,Os小于0.3×10-9,Pd小于0.5×10-9,Pt小于0.4×10-9,Rh小于0.1×10-9,Ru小于0.4×10-9,只有个别橄榄岩样品的铂族元素含量接近于地壳丰度,但远远低于超基性岩的一般含量.这种极低的铂族元素含量,属于"负异常",表明在变质作用过程中铂族元素发生了活化转移.榴辉岩和橄榄岩的铂族元素含量都偏低,但其球粒陨石标准化配分明显具有明显不同的特点,利用铂族元素仍然可以帮助对变质岩进行分类或恢复原岩.前人在蒋庄超基性岩岩体的人工重砂中发现有铂族矿物,其中包括有铱铂矿.可见,铂族元素是可以活化转移的,其活化转移的原因还需要探讨,是在结晶分异过程中转移的、还是在折返过程中活化的、或者是在造山运动结束之后由于其他原因而造成的,尚需要深入研究.     

中国大陆科学钻探井区深部构造地震波反射特征

中国大陆科学钻探（CCSD）井位于苏鲁超高压变质带南部的东海县境内。井区地震勘探是钻探综合研究项目之一,该项目采用世界先进的数字地震仪和三分量数字检波器,对line 1线剖面进行了测量。依据地震勘探成果和CCSD岩心资料,通过对该地震剖面深部构造反射特征的详细分析,发现该区深部反射构造具有明显的三单元层结构。第一单元层,约在11 km内,出现6个强反射带,产状基本一致,倾向SE,倾角28°。岩心资料和VSP勘探资料证实前4个反射带主要是榴辉岩带和韧性剪切带的反射,榴辉岩带与片麻岩成不规则层状相间分布。第二单元层,约在11~30 km,有4个比较清楚的反射带,反射弱,连续性差,带内分布有不规则的弱反射。其产状也基本一致,倾角很小,比较平缓,由浅到深,倾向逐渐变为NW,它与第一单元层为角度不整合接触关系。第三单元层,约在30 km以下深度,其顶部出现了比较强的反射带,连续性较好,产状较平缓,倾向NW;而在顶部反射带以下,则反射均匀,没有不规则反射带。据上述反射特征,结合该区地质背景,推测第一单元层为中朝与扬子板块俯冲带的折返地壳层,第二单元层为扬子克拉通层,主要为变质岩层,第三单元层为上地幔层,其顶部的反射为莫霍面的反射。