大陆科学钻探—固体地球科学新发展的突破口

本文从当代固体地球科学发展所面临的若干关键问题──板块大地构造学说的崛起、地震预测研究、大型隐伏矿床预测和科学钻探结果产生的冲击等出发，提出了大陆科学钻探是固体地球科学新发展的突破口的观点．本文对大陆科学钻探的进展情况做了综述。特别是对在这一领域中有代表性的前苏联、美国、德国大陆科学钻探计划和做法进行了详细分析，并结合我国具体情况，对在我国实施大陆科学钻探计划提出了几点建议。     

标定大陆科学钻探孔区地震反射体

在中国大陆科学钻探孔区 (江苏省东海县南部 )进行了系统的地球物理调查 ,包括二维地震测网和专门的地震剖面 ,大地电磁法和位场方法等 .地震调查表明 ,在超高压变质岩出露区上地壳充满了反射体 ,包括倾斜反射体与上拱的反射弧 .本文介绍大陆科学钻探先行研究中地震调查的成果 .根据大陆科学钻探预先导孔的岩芯和测井资料、井旁VSP和数值模拟结果证实 ,高波速的榴辉岩体、破碎断裂带和大型韧性剪切带都可引起倾斜的地震反射 ,而上拱的弧形反射体则是由近似直立的榴辉岩体和其中的破碎带的综合反映 .由于地壳深部广泛分布着经受变质的岩石 ,上述研究结果对标定地壳中的反射地震信号具有一定意义     

大陆科学钻探的现状及展望

１．大陆科学钻探是国际岩石圈动力学计划的重要组成部分，是当代地球科学的重大前沿之一，是一项划时代意义的地学高科技系统工程。大陆科学钻探不仅具有直接揭示地壳内部组成、结构、构造、流变学、流体作用、热历史，应力及应变机制以及重塑地壳与岩石圈动力学的重大理论意义，并且具有充分利用地下资源、减灾及保护环境的实际经济价值．２．大陆科学钻探在世界范围内实施３０年来已取得巨大进展，解决深部水资源、深部流体资源、深部地热资源、壳幔过渡、岩石圈动力学及变形、地球历史、生物圈及环境变化、地应力、地下强磁区、矿床成因以及盆地演化、碳氢化合物成因与迁移等科学问题已成为世界性地质目标。３．作为地质大国，面临地球科学新挑战以及２１世纪资源、减灾及环境的需求，填补中国大陆科学钻探的空白已成为当务之急。４．根据需用科学钻探解决的中国关键性深部地质问题，提出选址原则及十大选区（域），并对中国大陆科学钻探的战略目标提出切合国情的建议。     

标定大陆科学钻探孔区地震反射体

在中国大陆科学钻探孔区(江苏省东海县南部)进行了系统的地球物理调查,包括二维地震测网和专门的地震剖面,大地电磁法和位场方法等.地震调查表明,在超高压变质岩出露区上地壳充满了反射体,包括倾斜反射体与上拱的反射弧. 本文介绍大陆科学钻探先行研究中地震调查的成果.根据大陆科学钻探预先导孔的岩芯和测井资料、井旁VSP和数值模拟结果证实,高波速的榴辉岩体、破碎断裂带和大型韧性剪切带都可引起倾斜的地震反射,而上拱的弧形反射体则是由近似直立的榴辉岩体和其中的破碎带的综合反映.由于地壳深部广泛分布着经受变质的岩石,上述研究结果对标定地壳中的反射地震信号具有一定意义.     

塔里木地台北部寒武纪-奥陶纪层序地层及其与扬子地台和华北地台的对比

以详细的露头层序地层研究为基础,概述了塔里木地台北部寒武纪-奥陶纪的层序地层系统.该系统以不同级别的层序为基本单元所构成,包括35个三级层序,12个超层序,4个超层序组和2个巨层序.同时,结合地震剖面和钻井资料,对其中的重要层序界面特征进行了讨论,并通过生物地层与层序地层相结合的方法,标定了重要层序界面的年龄.通过对塔里木地台寒武纪-奥陶纪层序地层与扬子地台和华北地台同期层序地层的对比研究发现,其间有较好的对应关系.说明寒武纪-奥陶纪时中国三大地台上碳酸盐岩层序的发育主要受控于大区域和全球性的海平面变化.这为在我国三大地台区寒武系-奥陶系中开展以层序地层学为基础的高分辨率年代地层体制研究提供了理论支持.     

中国大陆科学钻探孔区全观式三维地震采集

大陆科学钻探不仅是打一口钻,而是深部钻探同地球物理遥测结合起来的相互反馈系统,这里地球物理遥测主要是指三维深反射地震. 中国大陆科学钻探孔区三维地震调查是大陆科学钻探工程的一项重要内容. 在数据采集中提出了全观式三维地震调查新技术,它是指排列不滚动的三维地震调查,即将地震检波器铺满全部测区的一种地震采集方法,尤其适合于有限面积的三维地震工作. 这种方法的优点是：(1)快速高效; (2)叠加次数高; (3)与常规三维地震相比成本大幅度减少. 在中国大陆科学钻探孔区内进行的全观式三维地震测量,全面实现了预期目标,包括：(1) 配合钻探查明孔区地质构造,将钻探的一孔之见扩展到深6000m、长宽超过3000m的三维岩柱;(2)提供高精度定位的地壳反射体以供标定;(3)发现中、下地壳及地幔内的反射体等.     

苏北大陆科学钻探靶区岩石物理性质

对苏北地区主要岩石物性的调查结果发现,科学钻探的目标体榴辉岩有很大的密度,与其他围岩的密度差达0.9×103?kg/m3,具有重力勘探的物性基础;除角闪石化榴辉岩的弹性波速与围岩相近外,榴辉岩的弹性波速高于其他围岩,地震勘探在该区应是一种有效的勘探方法;就磁性而言,榴辉岩的磁性介于围岩磁性之间,与围岩磁性没有明显区别,但金红石矿化榴辉岩的磁性有明显差别,因此磁法勘探在该区受到岩石组成复杂性的限制.     

苏北大陆科学钻探靶区岩石物理性质

对苏北地区主要岩石物性的调查结果发现,科学钻探的目标体榴辉岩有很大的密度,与其他围岩的密度差达0.9×103?kg/m3,具有重力勘探的物性基础;除角闪石化榴辉岩的弹性波速与围岩相近外,榴辉岩的弹性波速高于其他围岩,地震勘探在该区应是一种有效的勘探方法;就磁性而言,榴辉岩的磁性介于围岩磁性之间,与围岩磁性没有明显区别,但金红石矿化榴辉岩的磁性有明显差别,因此磁法勘探在该区受到岩石组成复杂性的限制.     

中国大陆科学钻探孔区的地震波速模型

大陆钻探区地震资料的解释正确与否取决于对该区确定地震波速模型, 地震波速模型的确定是反射地震处理极为困难的问题.中国大陆科学钻探提供了难得的深孔岩性、构造与地球物理测井资料,可以对结晶岩区地震资料时深转换的精度与地震波速模型的确定进行检验.本文介绍了科学钻探前根据地表资料建立波速模型的方法及钻探后由钻孔资料建立波速模型的方法.由地表资料建立的波速模型其精度分布是不均匀的,其波速反演的方差将随深度成正比地放大,在有钻孔时应尽量根据钻孔资料加以修正.由地球物理测井和岩芯的波速测试结果建立的波速模型结予波速估计值均匀的约束,说明由钻孔资料取得的波速模型可以有效地降低在深部的误差,提高地震反射与岩性变化和波阻抗合成的地震道之间的相关性.为检验波速模型,由测井资料与波速模型作出的合成地震道与反射地震剖面对比时还必须考虑到井孔的实际轨迹,否则对比相关性可能明显减小.     

中国大陆科学钻探主孔动态地温测量

介绍了大陆科学钻探主孔完钻后4次的钻井测温数据,地温梯度随深度的变化趋势,系统的热导率测试结果及其温压校正. 地温测量显示,浅部（100m以上）的4次测量结果有较大的区别,而100m以下测量温度趋于一致.在900～1600m井段,温度略有波动,可能存在地下水活动.到了深部,温度与深度呈现良好的线性关系. 在0～500m,500～2700m,2700～3600m及3600m以下这4个井段范围内,地温梯度随深度降低或增加的趋势交替变化,平均地温梯度24.8±3.4℃/km. 198块岩芯样品测试结果表明,热导率变化范围在1.711～3.6 W/(m·K),平均2.716±0.403 W/(m·K). 依据实测的温度-深度进行温压校正后,热导率为1.989～3.652 W/(m·K),平均2.808±0.363 W/（m·K）. 热导率随深度的变化趋势与地温梯度的变化趋势并不能完全相互补偿,表明影响地温梯度的其他因素不容忽视. 大陆科学钻探温度测量,为今后进一步研究超高压变质带深部地热场及其地球动力学含义提供了可靠的基础数据.     

华北地台北缘地球物理场特征与金属矿床预测

对华北地台北缘的地球物理场特征进行了探讨,根据重、磁异常数据反演计算了该地区的莫霍界面、居里界面、磁性界面的起伏.利用地球物理场资料和反演计算结果对该地区的构造格架和断裂进行了推断,同时预测了9个成矿远景区:(1)集宁一呼和浩特金成矿区;(2)张家口一赤城金、银多金属成矿区;(3)密云一高岭金、铜成矿区;(4)青龙一马兰庄金成矿区;(5)秦皇岛、金多金属成矿区;(6)郝家营多金属成矿区;(7)承德地区金、多金属成矿区;(8)赤峰一喀喇沁旗金成矿区;(9)宁城东金、多金属成矿区.     

华北地台北缘地球物理场特征与金属矿床预测

对华北地台北缘的地球物理场特征进行了探讨,根据重、磁异常数据反演计算了该地区的莫霍界面、居里界面、磁性界面的起伏.利用地球物理场资料和反演计算结果对该地区的构造格架和断裂进行了推断,同时预测了9个成矿远景区:(1)集宁一呼和浩特金成矿区;(2)张家口一赤城金、银多金属成矿区;(3)密云一高岭金、铜成矿区;(4)青龙一马兰庄金成矿区;(5)秦皇岛、金多金属成矿区;(6)郝家营多金属成矿区;(7)承德地区金、多金属成矿区;(8)赤峰一喀喇沁旗金成矿区;(9)宁城东金、多金属成矿区.     

中国大陆科学钻探孔区的垂直地震剖面调查

苏鲁超高压变质带的研究对了解发生在地幔深处的大陆动力学作用具有重要意义.近年来在此带中进行了大陆科学钻探和以深反射地震为主导的详细的综合地球物理调查,为研究超高压变质带地壳上地幔组构提供了难得的基础资料.根据大陆科学钻探工程的安排,在钻探取心,测井和地面三维地震观测的同时,还在5000 m的钻孔中用三分量数字检波器,对地表激发传播到井中的地震波场作垂直地震剖面（VSP）观测,目的是将传感器放在钻孔内,近距离、高精度和高分辨率地观测井周围由于超高压变质带的构造特征和岩石岩性特征引起的波场变化.通过零偏移距和非零偏移距VSP调查,我们首次在超高压变质带取得了深度达5000 m的精细的横波速度和泊松比等地球物理属性数据,作出了钻井岩心柱、测井、VSP纵波速度、横波速度和纵横波速度比、VSP上行波和地面地震资料的桥式综合对比图,使不同尺度的地质和地球物理调查资料互相连接在一起. 零偏和非零偏VSP观测可以标定主孔地质剖面各深度地质体的地震反射特性、井旁地震剖面上各个同相轴的地质属性,并对井旁局部地质构造作精细成像.由此观测取得的横波速度资料,成为建立孔区横波速度模型主要的资料来源,这种模型也是地面多波观测数据处理不可缺少的.因此,建议在进行大陆科学钻探时尽可能安排VSP地震调查.     

苏北大陆科学钻探靶区重磁异常反演解释

对江苏东海县毛北地区重、磁观测异常进行了处理和特征分析,并根据科学钻探主要目标体榴辉岩与其围岩有达0.9×103kg/m3的明显密度差,进行了等效密度反演成像与综合地震约束反演计算.给出了该地区重力异常模型,可作为综合地质与地球物理研究的一个基础.     

深井地球物理观测的最新进展与中国大陆科学钻探长期观测

深井地震与地球物理观测(Borehole Seismology)是21世纪的一项崭新的高科技项目. 其目的是为了解决地球的表面效应和人类社会高度发展的城市化、工业化、现代化带来的噪音干扰,提高信噪比,推进现代地球物理观测与研究.随着地球系统科学的深入以及解决环境、资源、地震灾害预报等问题的需求, 近年来世界大陆科学钻探以及在钻孔深井内进行的地球物理长期观测得到了飞速发展,取得了高精度的观测研究成果. 中国大陆科学钻探长期观测在前期工作基础上,已经启动并正在构建我国第一个无地面干扰的深井地震、地球物理长期观测站,为实现我国的“入地”科学计划,开创我国21世纪地球科学观测研究的新局面作出贡献.     

苏北大陆科学钻探靶区重磁异常反演解释

对江苏东海县毛北地区重、磁观测异常进行了处理和特征分析,并根据科学钻探主要目标体榴辉岩与其围岩有达0.9×103kg/m3的明显密度差,进行了等效密度反演成像与综合地震约束反演计算.给出了该地区重力异常模型,可作为综合地质与地球物理研究的一个基础.     

标定大际科学钻探孔区地震反射体

在中国大陆科学钻探孔区（江苏省东海县南部）进行了系统的地球物理调查，包括二维地震测网和专门的地震剖面，大地电磁法和位场方法等，地震调查表明，在超高压变质岩出露区上地壳充满了反射体，包括倾斜反射体与上拱的反射弧，本文介绍了大陆科学钻探先行研究中地震调查的成果，根据在陆科学钻探预先导孔的岩芯和测井资料，井旁VSP和数值模拟结果证实，高波速的榴辉岩体，破碎断裂带和大型韧性剪切带都可引起倾斜的地震反射，而上拱的弧形反射体则是由近似直立的榴辉岩体和其中的破碎带的综合反映，由于地壳深部广泛分布着经受变质的岩石，上述研究结果对标定地壳中的反射地震信号具有一定意义。