松辽盆地大陆深部科学钻探地球科学研究进展

松辽盆地大陆深部科学钻探工程"两井四孔"之一的松科二井东孔(简称松科二井),位于黑龙江省安达市境内,于2018年5月26日正式完井。松科二井的科学目标涵盖古气候研究、资源能源探索、基础地质研究和发展深部探测技术四个方面。自2014年正式开钻以来,松科二井科学钻探工程组织实施了钻井取芯、原位测井、岩芯元素化学分析以及井周边深部结构探测等工作,目前已取得初步科研进展:获取长4134.81 m原位岩芯资料,完成了对白垩纪最完整最连续陆相地层厘米级高分辨率的精细刻画,初步建立起陆相地层标准剖面;发现了松辽盆地深部非常规天然气资源与盆地型干热岩良好的勘探开发前景;首次重建了白垩纪陆相百万年至十万年尺度气候演化历史,并发现白垩纪气候波动重大事件;揭示了古大洋板块俯冲、聚合的深部证据,为松辽盆地成因再认识及深层油气勘探提供了理论依据。松辽盆地大陆深部科学钻探工程的实施,对探索地球奥秘、解决深部能源环境等重大问题,具有重要意义,是"向地球深部进军"道路上迈出的坚实一步。     

松辽盆地白垩系大陆科学钻探松科2井钻遇地层界面及岩性剖面预测

在松辽盆地白垩纪大陆科学钻探松科2井实施前,以钻井地质设计为基础,结合区域地层特征、地球物理资料和邻井钻探结果,参照油气勘探生产标准和经验,对松科2井钻遇主要界面深度进行预测,建立基本框架,同时预测全井段岩性序列、可能的油气水情况和故障层段,最终建立松科2井综合模拟柱状图。各主要地层界面预测深度为:嫩江组二段顶面(T_06)950m,姚家组顶面(T_1)1 245m,泉头组顶面(T_2)1 680m,登娄库组顶面(T_3)2 530m,营城组顶面(T_4)2 965m,沙河子组顶面(T_4-1)3 320m,火石岭组顶面(T_4-2)5 670m,基底顶面(T_5)6 240 m。岩性剖面的预测主要分为两部分:(1)T_4-1之上参考邻井宋深3井钻遇岩性序列;(2)T_4-1之下则根据地震剖面、其他钻遇相当层位的邻井和区域地层特征综合预测。主要目的层岩性特征如下:营城组上部为粗砂岩、砾岩、砂砾岩,下部为厚层凝灰岩、安山玄武岩、流纹岩夹泥岩,底部为砾岩;沙河子组为泥岩夹煤线、细砂岩、粉砂岩和泥质粉砂岩;火石岭组上部为凝灰岩、泥岩、英安岩和安山岩,下部为泥岩夹细-粉砂岩,含煤;基底为极低级或高级成岩的石炭—二叠系沉积地层。松科2井模拟柱状图是钻探工程施工的主要依据,同时也为其他科学钻探工程模拟柱状图的编制提供借鉴。     

松辽盆地白垩系大陆科学钻探“松科2井”选址

松辽盆地大陆科学钻探工程已经进行了十余年(2005—2016),松科1井于2007年完钻,松科2井于2014年开钻,预计2017年底完钻。该工程的目标是通过实施"2井4孔"钻探,打穿松辽盆地白垩系,获取万米连续高分辨率的陆相地质记录,用以研究白垩纪时期的温室气候变化,以期更好地应对全球变暖使人类面临的挑战。据此确定松科2井的选址原则:地层沉积记录连续;以沉积岩为主,尤其是以湖相细碎屑岩为主;厚度尽可能薄;构造简单;地面施工条件好。松科2井选在松辽盆地徐家围子断陷中沙河子组湖相泥岩最为发育的宋站地区。钻探主要目的层为下白垩统断陷层序的营城组、沙河子组和火石岭组。钻遇主要岩性为含火山岩和火山碎屑岩的砂岩、粉砂岩、泥岩、煤层互层序列,以河湖相反映还原环境的暗色岩系为主。期间穿过断陷层顶(T_4)、底(T_5)界面,上下白垩统界面和白垩系/侏罗系(K/J)界面等反映区域构造-成盆作用的重要地质界线,还会取得与白垩纪超静磁带(CNS)和全球大洋缺氧事件(OAE-1)等重要地质事件相对应的连续岩心记录。     

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.     

松辽盆地科学钻探工程松科2井东孔测井设计

松辽盆地资源与环境深部钻探工程计划实施两井四孔,其中松科2井东孔是钻探的主体钻孔,设计井深为6 400m,拟穿透白垩纪地层。松科2井东孔的实施对于开展白垩纪沉积环境和气候研究、实现油气勘探新突破、提升深部钻探技术和复杂井况的测井技术水平等具有重要意义。围绕钻探的科学目标和任务,结合松科2井东孔钻井工程设计及井况特点,开展了测井设计。提出松科2井东孔拟采用先进的测井仪器设备采集测井数据,设计的测井方法系列包括裸眼井综合测井和套管井固井质量检查测井2大类。根据钻井开次和钻进计划情况,设计了8次裸眼井综合测井和5次套管井固井质量检查测井。不同钻井开次的裸眼井综合测井项目有所不同;考虑到井深4 500m以下高温测井的挑战性,设计了必测项目和选测项目。总之,松科2井东孔测井设计既力求取全取准各项测井资料,又体现了应对复杂井况的灵活性,有利于松辽盆地资源与环境深部钻探科学目标的顺利实现。     

国际大陆科学钻探的回顾与成果

著者对国际大陆科学钻探的历史和所取得的成果进行了回顾。通过大量的统计和分析研究对前苏联,德国和美国等国有大陆科学钻探计划的实施情况,存在问题进行了总结,最后就今后我国在科学钻探实施方面提出了建议。     

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。     

“白垩纪温室世界的快速环境/气候变化:海洋陆地相互作用与松辽盆地大陆科学深钻计划”国际研讨会

2007年2月，由我国学者领衔申请的IGCP555（白垩纪温室世界快速环境／气候变化：海洋-陆地作用）项目在联合国教科文组织（UNESCO）和国际地科联（IUGS）所属的国际地球科学计划（IGCP）执行局第35届会议上得到批准；2007年4月，由我国学者领衔申请的又一国际地学项目——国际大陆科学钻探国际研讨会项目（白垩纪松辽盆地大陆科学深钻计划）又得到国际大陆钻探计划（ICDP）执行委员会的批准。此两项目的成功立项是我国在国际白垩纪研究科学领域取得的又一突破。     

松辽盆地徐家围子断陷沙河子组顶界面特征研究——基于松辽盆地大陆科学钻探松科2井

为精确划分松辽盆地沙河子组层序地层,限定断陷期沙河子组与营城组地层时代,进而研究断陷期盆地的演化,笔者利用松辽盆地大陆科学钻探松科2井获取的下白垩统地层岩芯资料,从岩芯尺度对沙河子组与营城组界面进行揭示,结合过松科2井地震剖面解释、松科2井及邻井测井响应特征分析和岩芯精细描述,总结出沙河子组顶界面在不同尺度的具体特征:(1)在地震剖面尺度,其表现为明显上超的特征;(2)在测井曲线上,界面附近表现为由下到上自然伽马曲线变化幅度增大,双侧向电阻率曲线由低值变为中高值的特征;(3)岩芯尺度上,表现为细粒沉积的砂泥岩突变为砾岩或火山岩。     

Deep Continental Scientific Drilling Engineering Project in Songliao Basin: progress in Earth Science research

The Songke No.2 well (eastern hole) (referred to as Well SK-2), one of the “two wells and four holes” of the Deep Continental Scientific Drilling Engineering Project in the Songliao Basin, is in Anda City, Heilongjiang Province, and was officially completed on May 26, 2018. The scientific goals of Well SK-2 cover four aspects: paleoclimate research, resource and energy exploration, primary geological research, and development of deep earth exploration techniques. Since the official commencement of drilling in 2014, the Well SK-2 scientific drilling engineering team has organized and implemented drilling for coring, in situ logging, chemical analysis of core elements, and deep structural exploration around the well. Currently, the following preliminary scientific research progress has been made: 4334.81 m in situ core data has been obtained; the centimeter-level high-resolution characterization of the most complete and continuous Cretaceous continental strata ever unearthed has been completed, and the standard profile of continental strata has been initially established; the unconventional natural gas resources and basin-type hot dry rocks in the deep Songliao Basin were found to have good prospects for exploration and development; the climatic evolutionary history of the Cretaceous continental strata was rebuilt for the first time, covering hundreds of thousands to millions of years, and the major events of Cretaceous climate fluctuations have been discovered; all these reveal strong evidence for the subduction and aggregation of paleo-ocean plates, providing a theoretical basis for the re-recognition of the genesis of the Songliao Basin and for deep earth oil and gas exploration. The implementation of the Deep Continental Scientific Drilling Engineering Project in the Songliao Basin is of great significance for exploring the mysteries of the Earth and solving major problems such as those related to the deep energy environment. It is a solid step along the road of “going deep into the Earth”.     

松辽盆地科学钻探工程松科二井东孔上白垩统地球物理测井科学成果

松辽盆地科学钻探工程是围绕地球深部资源、古环境与古气候等一系列重要地球科学问题而实施的重大科学工程。作为该工程的主体钻孔, 松科二井东孔设计为松辽盆地最深钻孔, 设计深度6 400.0 m, 计划穿透白垩系地层、钻至盆地基底。由于上白垩统井段取心量非常少, 因此地球物理测井的作用尤为重要。该孔正式开钻后, 采用先进的成像测井设备对一开和二开钻井井段(上白垩统井段)先后实施4次裸眼井综合测井和套管井测井作业, 并系统地开展测井综合评价, 取得以下科学成果: (1)原位获取了常规测井、特殊测井和固井质量检查测井资料共20种, 资料丰富、质量优良, 建立了上白垩统连续的岩石物理参数标准剖面; (2)完成了上白垩统地层划分、岩性识别、沉积和构造精细解释; (3)识别出泉头组油气储层、嫩江组和青山口组烃源岩层、嫩江组高放射性异常层, 以及上白垩统地热开发潜力层; (4)探索了青山口组古气候分析的有利测井指标; (5)及时提供准确的井径、钻孔轨迹和固井质量等关键钻探工程信息。研究成果对于松辽盆地地球物理勘探科学“标尺”建立、古环境与古气候研究、钻探工程施工起到至关重要的作用, 为整个钻探工程科学目标的实现奠定良好基础。     

中国大陆科学钻探终孔及研究进展

中国大陆科学钻探工程经过1309天的努力奋斗，于2005年1月23日，钻井终孔深度达到5118．20m。成为中国钻探技术发展的新里程碑。全面研究正在开展，在巨量物质深俯冲、超高压深俯冲与折返的精确定年、超高压岩石的原岩形成背景、上地幔流变学、地幔特殊新矿物发现、地下流体异常及地下微生物发现等方面已取得重要进展。     

大陆科学钻探与中国第一口科学钻选址

大陆科学钻探是一项堪与航天技术媲美的浩大系统工程。它的实施具有深远的科学和经济意义。通过介绍国外大陆科学钻探的现状和成果,阐述大陆科学钻探对地球基础科学、其他自然科学研究所具有的重大促进作用,从而为开展我国第一口大陆科学钻探,缩短与国外先进水平的差距提供有益的借鉴。     

江苏东海大陆钻址区层析成像

苏鲁大别造山带是出露榴辉岩典型的超高压变质带,大陆科学钻选择东海县榴辉岩大片覆盖区作为址区,对揭示碰撞造山和后期变形及折返等动力学过程有重要意义。但该地区缺少深部地质资料和数据,层析成像作为深部速度扰动分析的主要手段之一,可以作为这个地区的深部探测的先导工作。以钻址为中心布置了N340W和N70E的十字测线。层析反演结果第3层与重力异常变化一致,和Moho面变化有关,高速体和高重力都在中心出现,而郯庐断裂和嘉山-响水断裂均为高低速体变化的界线。NS剖面垂直于构造走向可分为三个部分,可能分别代表扬子板块、苏鲁地体和华北板块及它们之间界线的特征。南部断裂产状较陡,在其北侧隐约有不连续倾斜的高速体,北部断裂的产状比较一致的北倾,受郯庐断裂控制明显。200km深度以上的高速体与低速体发生突变的地带,分别处于30km、80km、130km的深度上,相当于Moho面、岩石圈、软流圈的大致深度。这种格局反映了苏鲁地区在断裂控制下岩石圈活动的特征。     

中国大陆科学钻探预先导孔(CCSD-PP2)榴闪岩的地球化学组成及其地质意义

预先导孔(CCSD-PP2) 位于苏鲁高压-超高压变质地体南部的北苏鲁超高压变质表壳剪切叠覆岩片中, 岩心主要由榴闪岩(包括角闪岩)、花岗片麻岩、副片麻岩和榴辉岩组成.镜下鉴定和激光拉曼测试结果表明预先导孔(CCSD-PP2) 第一段榴闪岩的主要矿物为角闪石、石榴石、黑云母和钠长石, 是榴辉岩退变质作用的产物.地球化学数据显示榴闪岩的化学成分与正常型榴辉岩相对应, 稀土元素组成及配分模式与主孔榴辉岩基本相似, 但微量元素特征及在地球化学判别图解上存在一定差异, 说明该段榴闪岩与主孔榴辉岩的原岩虽然都是形成于板内环境玄武岩类, 但它们并不完全相同, 其差异可能是由原岩性质的多样性及榴辉岩退变质过程中流体组分的加入引起的.榴闪岩及其下部花岗片麻岩内锆石中柯石英、绿辉石等矿物包裹体的发现及岩石学和地球化学特征等与主孔花岗片麻岩相似的性质, 以及在接触面附近榴闪岩中的SiO₂含量具有逐渐增高的趋势等, 说明榴闪岩与花岗片麻岩曾一起俯冲到地下深处, 并在折返过程中经历了强烈的退变质作用, 它们之间可能存在一定程度的物质交换.      

深俯冲和折返动力学:来自中国大陆科学钻探主孔及苏鲁超高压变质带的制约

中国大陆科学钻探工程和苏鲁高压-超高压变质带为大陆岩石圈的深俯冲与折返动力学的研究提供了以下制约(1)苏鲁高压/超高压变质地体迭置于南、北苏鲁两个不同时代及属性的基底之上;(2)苏鲁巨量表壳岩石深俯冲至200km以下的上地幔深度,并经历超高压变质作用;(3)根据不同类型超高压变质岩石锆石的SHRIMP-U/Pb原位精确定年,获得超高压变质岩石的深俯冲-折返全过程(240～252Ma→230～237Ma→207～218Ma)时限.并建立了新的深俯冲-折返全过程的P-T-t轨迹;(4)富钛铁的辉长岩在大陆地壳的深俯冲过程中,经历了超高压变质作用并转变成了富含金红石的榴辉岩,形成了超高压变质的钛矿床;(5)通过榴辉岩和石榴石橄榄岩的显微构造分析及石榴石、绿辉石和橄榄石EBSD测量,确定深俯冲过程中绿辉石和橄榄石的组构运动学和流变学特征;(6)在大陆的深俯冲过程中,强烈水化的陆壳岩石经历了进变质脱水过程,巨量的地表水带入到＞100～200Km的地幔深处,在超高压变质峰期的极端条件下,通过含水超高压变质矿物的分解形成超临界的含水熔体,导致有效的壳-幔物质交换和岩石圈物质分异;(7)苏鲁超高压变质地体在折返阶段形成挤出纳布构造,与岩石圈深俯冲管道流的折返挤出机制有关;(8)提出新的深俯冲-折返动力学模式陆.陆碰撞的深俯冲剥蚀模式及大陆地壳多重性、分层型和穿时性的俯冲和折返模式.     

中国大陆科学钻探工程现场实验室采样及样品处理方法探讨

本文主要阐述了中国大陆科学钻探工程现场实验室采样和分析流程。介绍了现场气体分析方法和异常气体采集装置的使用及其对气体分析结果的影响情况,并比较了气体分析的准确度和精密度。对比了4种现场泥浆样品处理方法,特别是后两种方法,分别从准确度和精密度、上层清液放置时间和泥浆处理时间等不同因素对泥浆分析结果的影响进行了分析比较。     

中国大陆科学钻探预先导孔(CCSD-PP2)退变榴辉岩中碳硅石的发现及其地质意义

镜下鉴定和拉幔光谱测试结果表明中国大陆科学钻探工程预先导孔(CCSD-PP2)退变榴辉岩中石榴石内存在除绿辉石、磷灰石、锆石、金红石、磷灰石、石英、菱镁矿和磁铁矿等矿物包裹体外,还存在一种具有重要温压指示意义的碳硅石矿物包裹体.碳硅石包裹体拉幔光谱峰值稳定,主峰变化于786～789cm-1之间,次峰为966～977cm-1,两组弱峰峰值分别为769～781cm-1和915～918cm-1.寄主矿物-石榴石成分的反环带特征及矿物包裹体组合表明CCSD-PP2中退变榴辉岩是在高温高压条件下形成的榴辉岩,经降温降压退变质作用形成的,碳硅石等超高压矿物是在榴辉岩峰期变质作用期间形成的.根据碳硅石形成于极度还原环境、压力大于6.0GPa,温度在1000℃以上的特点并结合前人的矿物温压计算结果分析认为苏鲁超高压变质带中的部分榴辉岩是扬子板块俯冲至200km以下的上地幔下部,经超高压变质作用、形成碳硅石等矿物后快速折返的产物.     

中国大陆科学钻探工程的科学目标及初步成果

中国大陆科学钻探工程的主孔位于苏鲁超高压变质带南部的东海县,其穿过的岩石曾位于板块会聚边界的地幔深处,是研究大陆深俯冲及地幔动力学的最佳地区。中国大陆科学钻探的科学目标旨在通过对钻孔中获取的全部连续岩心、液态和气态样品及原位测井数据进行的全方位测量与综合研究,建立5000m孔深的各类多学科精细剖面,再造北中国板块与扬子板块会聚边界深部三维物质的组成和分布及三维结构构造;阐明板块会聚边缘的深部流体作用、壳一幔相互作用及地幔中物质循环和流变学;寻找超深地幔条件下形成的特征矿物,揭示超高压变质成矿机理;建立结晶岩地区地球物理理论模型和解释标尺;揭示超高压变质岩石的形成与折返模型及板块会聚边界的深部动力学机制。通过5km深孔营造的特殊地下空问,研究现代地壳的物理、化学及生物作用,并将建立亚洲第一个大陆科学钻探深孔长期观察实验站。中国大陆科学钻探工程已取得初步成果。主孔2000m岩心的深度和方位准确归位;建立了岩性、地球化学、构造、矿化、岩石物性、地下流体及各类测井等精细剖面;揭示了发现除超镁铁质岩外的各类岩石中的柯石英;通过SHRIMP测年准确确定超高压及退变质事件的年龄;初步揭示了超高压及退变质过程中流体的变化及水一岩作用;划分了构造岩片单元,确定了其边界的韧性剪切带性质,并发现早期构造信息;建立的随岩性变化的弹性波速度和热导率连续剖面对地震反射和热结构提供了岩石物性的制约;VSP地震剖面揭示了孔区深部的构造岩片结构,以及强地震反射层和大型韧性剪切带有关;发现地下特殊气体一甲烷、二氧化碳及氦气的异常,以及气体异常越往深部越频繁出现的规律。经DNA分析,在超高压岩心中发现在极端条件下形成的微生物。