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。     

中国大陆科学钻探工程主孔石榴石单辉橄榄岩的岩石化学研究

中国大陆科学钻探工程主孔石榴石橄榄岩产出于603.20～683.53m之间,主要为石榴石单辉橄榄岩,内部还见有巨晶状角闪石岩(曾经是岩脉)和榴辉岩与橄榄岩之间厘米级的方辉辉石岩.石榴石橄榄岩多数含有钛斜硅镁石.从其内部所夹的榴辉岩条带可知,橄榄岩发生过褶皱等构造变形作用.其围岩和内部夹层榴辉岩中的锆石中舍柯石英的事实可能表明岩体经历过超高压变质作用.石榴石橄榄岩的主要造岩矿物橄榄石的Fo端员低(0.82～0.86)、全岩岩石化学的低Mg#值(77.26～85.07)和高易熔元素以及低于典型阿尔卑斯型橄榄岩的(Mg Ni)/(Fe Mn)比值,意味着该石榴石橄榄岩体的原岩为岩浆固结成因.石榴石橄榄岩的稀土元素总量低,配分型式有LREE富集型((La/Lu)N比值为9～16.6)、LREE适度富集型((La/Lu)N比值为1.47～8.22)和LREE亏损型或平坦型((La/Lu)N比值为0.62、1.19～1.92)三种,并构成从亏损或平坦型到富集型的韵律,反映了结晶分异的特点.微量元素蛛网图上,石榴单辉橄榄岩微量元素的丰度总体上低于N-MOBB的丰度.Cu、Ni和MgO的判别图表明,石榴石橄榄岩的原岩岩浆的固结成岩时期主要为镁铁质矿物的分离结晶作用而硫化物不是重要的矿物相.Ti和P的剧烈变化表明了有磁铁矿和磷灰石的堆积作用.微量元素判别图表明岩体受到了明显的地壳物质混染作用.铂族元素丰度总量低,其丰度分布型式图表明原岩岩浆的部分熔融程度高,而且元素的判别图表明岩浆具有S不饱和特点.硫化物残留在地幔中而使得岩浆中PGE相对Cu、Ni亏损,在Ni-PGE-Cu图上呈总体上的凹形分布.同属PPGE的Pt比Pd所显示的更高的相容性也表明了岩浆中S的不饱和特点.而Ir的负异常可能说明原始岩浆在侵入前的分离结晶作用其间发生了Ir的结晶析出,或者是在地幔部分熔融时Ir残留在地幔残留体中.因此,主孔石榴石橄榄岩的原始岩浆是上地幔适当部分熔融程度的产物((Pd/Ir)N≥1),可能在源区有硫化物的残余而造成了PGE相对Cu、Ni亏损而在Ni-PGE-Cu图上呈总体上的凹形分布.后S不饱和的岩浆经历分离结晶作用而造成了Pt相时于Pd亏损的特点.     

Organic geochemistry of Deep Sea Drilling Project sediments from the Gulf of Calofornia—hydrothermal effects on unconsolidated diatom ooze

The effects of intrusive thermal stress have been studied on a number of Pleistocene sediment samples obtained from Leg 64 of the DSDP-IPOD program in the Gulf of California. Samples were selected from Sites 477, 478 and 481 where the organic matter was subjected to thermal stress from sill intrusions. For comparison purposes, samples from Sites 474 and 479 were selected as representative of unaltered material.The GC and GC-MS data show that lipids of the thermally unaltered samples were derived from microbial and terrestrial higher-plant detritus. Samples from sill proximities were found to contain thermally-derived distillates and those adjacent to sills contained essentially no lipids. Curie point pyrolysis combined with GC and GC-MS was used to show that kerogens from the unaltered samples reflected their predominantly autochthonous microbial origin. Pyrograms of the altered kerogens were much less complex than the unaltered samples, reflecting the thermal effects. The kerogens adjacent to the sills produce little or no pyrolysis products since these intrusions into unconsolidated, wet sediments resulted in in situ pyrolysis of the organic matter.Examination of the kerogens by ESR showed that spin density and line width pass through a maximum during the course of alteration but ESR g-values show no correlation with maturity. Stable carbon isotope (δ¹³C) values of kerogens decrease by 1–1.5‰ near the sills at Sites 477 and 481 and the atomic N/C decreases slightly with proximity to a smaller sill at Site 478. Differences in maturation behavior between Site 477 and 481 and Site 478 are attributed to dissimilarities in thermal stress and to chemical and isotopic heterogeneity of Guaymas Basin protokerogen.     

水平定向钻无套管双管回托工艺研究

本文结合单根管道水平定向钻穿越回托力计算,对无套管双管回托力计算方法进行了理论分析,并通过工程实例对计算公式进行了修正,得出了无套管双管回托力计算方法,以期为同类工程实践提供理论参考。     

中国大陆科学钻探主孔钻孔崩落与现场应力状态的确定

中国大陆科学钻探主钻孔在1200m深度以下出现了钻孔崩落现象,我们在1200m至2015m的范围内采集了82个钻孔成像测井图象资料。对钻孔崩落长轴方位进行了方向统计,结果表明近似对称的崩落平均方位为324.8°±3.3°,对应的平均最大水平主应力方位为54.8°±3.3°。利用崩落形状要素(崩落深度和崩落宽度)以及岩石力学实验确定的岩石内聚力和摩擦系数,计算了1269m、1500m、2000m等16个深度上的最大和最小水平主应力的大小。根据岩石密度测井资料计算了各个深度上静负载应力。三个主应力的大小和方向反映出主钻孔位置的应力场处于走滑应力状态,与地震震源机制解得到的走滑应力场一致。     

大洋钻探与深海热液作用

在ＤＳＤＰ／ＯＤＰ的２６年钻探中，有近２０个航次钻遇到的热液作用踪迹或热液产物。强调了深海热液作用作为研究海底扩张，地幔物质上涌，新生洋壳生成及火山活动所构成的地壳演化过程，已经成了大洋钻探计划的核心内容之一，并由此在若干重大理论问题上，获得了突破性的发展。     

New evidence for age variation and scale effects of permeabilities of young oceanic crust from borehole thermal and pressure measurements

In 1996, long-term sealed-hole hydrological observatories with subseafloor temperature and pressure sensors were installed in four cased holes drilled by the Ocean Drilling Program into sedimented young oceanic crust east of the Juan de Fuca Ridge. Data recovered over a year later showed that all four holes displayed temperature profiles indicative of vertical fluid flow immediately prior to their being sealed. Warm water was being produced from basement in two cases, and cool ocean bottom water was being drawn into basement at the others. Linear flow rates of 60–200 m/h were estimated from the perturbation of the temperature profiles relative to undisturbed geothermal gradients at the sites. The pressure differentials driving the flow were also measured at the time of the observatory installations, allowing estimates of permeabilities of the upper crustal sections penetrated by the holes. Estimated permeabilities vary systematically with age, ranging from about 10⁻¹⁰ m² in the youngest site (0.9 Ma) to 10⁻¹² m² in the oldest site (3.6 Ma), confirming an apparent reduction of permeability with age determined with packer experiments at three of the same sites. Combined with other estimates of permeabilities in the same holes using methods with different scales of investigation, the new permeability estimates also provide evidence for a significant scale dependence of permeability in the upper oceanic crust.     

云南泸西县云鹏水电站坝基基础工程处理

大坝基础帷幕灌浆工程中采用新技术、新工艺，使工程质量大幅提高，也使这些新技也能在实践中得到发展和完善，为工程良好的质量和效益打下了坚实的基础。     

中国大陆科学钻探工程主孔0～2000米斜长片麻岩的地球化学性质及成因研究

在苏鲁-大别山造山带内,黑云斜长片麻岩习惯被称为副片麻岩,它也是中国大陆科学钻探工程主孔岩芯中一种重要岩石类型,不仅构成了孔深738-1113m之间斜长片麻岩岩性段的主体,在其它岩性段也有少量以“夹层”的形式产出。其中除少数斜长片麻岩可能是由榴辉岩经斜长角闪岩退变而来或由含泥质的沉积岩变质而来外,绝大多数斜长片麻岩的地球化学特征与现残存的扬子地台北缘晚元古代双峰式火山岩的酸性端元非常相似,指示它们的原岩可能类似于这些酸性火山碎屑岩-凝灰岩。斜长片麻岩中不同元素之间的相关性差别很大,这主要与超高压变质及随后的退变质过程中元素间活性的差异有关。其中SiO2、TiO2、Al2O3、FeO、CaO、Cr、Ni、V、Co、Fe、Mn、Cu、Zn、Sc等与MgO具明显相关性,它们与MgO一样属不活泼元素。重稀土元素及Y也属于不活泼元素。而K2O、Pb、Rb、Ba、U、Th等大离子亲石元素与MgO之间没有任何相关性,这些元素属活泼元素。Na2O、Sr、Nb、Ta、Zr、Hf等则介于两类之间,可视为准不活泼元素。LREE虽然有一定的活性,但即使是超高压变质作用,也没有从根本上改变稀土元素的分配模式,仍可有效地应用于对原岩性质的恢复。对比研究表明,斜长片麻岩与花岗片麻岩在地球化学性质上存在着明显的差异,其中前者的MgO、TiO2、CaO以及过渡元素的含量明显偏高,尤以低的K2O/Na2O和Rb/Sr比而明显不同于花岗片麻岩。此外,与花岗片麻岩强烈的负Eu异常(δEu=0.21-0.26)和Ba负异常不同,斜长片麻岩中Eu负异常的程度相对较弱(8Eu大于0.5),且总体表现为Ba正异常。绝大多数“副片麻岩”和花岗片麻岩(>90%)可以根据全岩的地球化学特征加以有效区分。     

“科钻一井”钻探施工技术概览

文章介绍了中国第一个硬岩、深孔、连续取心钻探项目——中国大陆科学钻探工程科钻一井的钻探实施情况,涉及该井的钻探技术设计、钻孔结构和套管程序、进行取心钻进、扩孔钻进和纠斜钻进时采用的方法和技术。此外,还介绍了科钻一井的施工过程以及在钻进施工遇到的各种技术难题和采取的解决措施、获得的主要技术经济指标。总的来说,科钻一井施工采用了许多特殊和新型的钻探技术,施工获得了高效、优质和低成本的好效果。