科学周刊｜为什么要在4000多米深海取岩石？华商报大风新闻专访解读南海钻探奥秘

近日，“梦想”号大洋钻探船成功钻获南海洋盆玄武岩样品，我国成为全球第三个利用钻探船成功钻获深海洋盆硬岩样品的国家。“梦想”号是全球唯一具备11000米钻探能力的大洋钻探船，本航次历时30天，在我国南海深海海盆4100米水深海域完成钻探取心任务。

为何要在深海“挖岩石”？海底玄武岩为什么被称作记录南海身世的“石头日记”？深海钻探除了科研，对普通人最大的意义是什么……近日，华商报大风新闻记者专访了西北大学地质学系教授、博士生导师张超，为大家一一揭秘。

>>新闻背景

“梦想”号南海试钻成功

钻获深海洋盆玄武岩样品

广州海洋地质调查局官方微信公众号发布消息，近日，“梦想”号大洋钻探船完成南海大洋钻探试钻任务返回广州，实现南海构造演化科学研究、取心体系构建、国产核心钻探装备应用等多项突破。

梦想号

本航次，“梦想”号最大完钻深度4929.17米，最大进尺864.77米，刷新我国自主实施最大作业水深钻探纪录，将我国深海钻探取心作业能力提升至5000米级。

团队使用自主研发的回转取心钻具成功钻获4.27米玄武岩岩心样品，使我国成为继美国、日本之后，全球第三个利用钻探船钻获深海洋盆硬岩样品的国家。

团队首次开展船载深海遥控潜水器（ROV）长时间、高强度连续协同作业，2台ROV在4000米水下累计作业超358小时，单次连续作业最长103小时，作业能力达国际先进水平。

首次按照国际大洋钻探（IODP）标准，现场完成岩心样品的采集、整理、编录、切剖、扫描、取样、测试、入库等全流程多参数处理分析，掌握了超深水大洋科学钻探全流程作业能力。

获取了一大批宝贵岩心样品及数据资料，初步研究证实，南海扩张脊跃迁后存在多期大规模火山喷发活动，为破解南海扩张等核心科学问题提供了关键实证，有望革新南海形成演化科学认知。同时，团队钻探发现大洋红层与绿-暗绿色沉积互层组合，并在海底以下813—864米处钻遇数十米厚的砂泥互层沉积构造，地层伴有明显的生物扰动，富含有机质，这是国内首次在南海超4000米水深、远离陆地的深部地层中发现该类特征，对研究南海古环境演化及超深水能源资源勘探开发等具有重要意义。

>>专访专家

在深海“挖岩石”，查清南海岩石“家谱”

华商报：很多读者好奇，大洋钻探到底是干什么，为何要在深海“挖岩石”？

张超：这次“梦想”号在南海的深海钻探，是把钻具放到4100米水深的海底，然后遥控钻具钻入坚硬的海底岩石，获得完整的岩心样品并且回收到船上。以往中国的科学家为了研究海底的岩石，除了加入美国或者日本的钻探科考船，我们通常只能把拖网放到海底来获得一些碎石块，但是没法确定它们最初的位置和深度。这次深海钻探的意义，在于我们今后可以自主的获取海底深部岩石，并且可以准确知道它们来自哪儿，这样我们就可以查清楚南海的岩石“家谱”，搞清楚南海是怎么出生和发育的。

科学家现场处理岩心样品

玄武岩藏着南海发展的“历史密码”

华商报：我们这次拿到的是玄武岩样品，海底玄武岩是怎么形成的？它为什么被称作记录南海身世的“石头日记”？

张超：我们的地球内部是分层的，就是我们经常听说的地核、地幔和地壳。除了陆地部分，海洋地壳的浅部通常覆盖着厚厚的玄武岩。地球早期没有地壳，在地球漫长的46亿年演化历史中，这些玄武岩地壳就逐渐从更深的地幔母体中产生出来，它们刚形成的时候是从火山喷发出来的火红熔岩流，遇到海水就快速固结成黑色的玄武岩了。

每一次形成新的玄武岩，就相当于不断地给这里的海洋大厦“添砖加瓦”。海洋底部产生玄武岩的火山通常会隆起，并且会排成链状排布，因此也就被称为“洋中脊”火山。伴随着越来越多的玄武岩形成，海洋的基底还会沿着垂直于洋中脊的方向同时发生横向扩展，这样一个小的海洋区域（我们称之为“洋盆”）就会逐渐变宽，越来越成熟和稳定。所以，我们通过钻探获得南海不同区域的玄武岩样品，就能通过各种科学方法研究它们是什么时候、在什么条件下、通过什么方式形成的，可以把这些不同时期的“石头日记”，归纳成一本南海发展的“历史书”。

4000多米深海钻探最难的是什么

华商报：这次作业水深4100米，最终钻探深度达到4929.17米，刷新了我国纪录。在4000多米深海往下钻硬岩，最难的地方是什么？想要取出完整的岩心，麻烦在哪？

张超：在南海这样4000多米水深的海底进行深钻，有很多工程技术上的难点。比如，洋底承受4000多米水压力，会让岩石变得更加难以钻开；从船上的控制中心到钻头之间，由4000多米的钻杆连接，它们会因为海浪和浪涌上下起伏，这样会使得钻孔的固定难度很大。另外，想要取出完整的岩心，也要突破很多难点：比如高速旋转的钻头产生的震动可能导致岩心破碎，钻孔工作时加入的快速流动冷却泥浆也可能打碎岩心，并且破碎的岩石碎屑可能堵塞岩心筒，阻碍进一步的钻孔取心。

万米钻探的技术门槛高在哪儿

华商报：“梦想”号号称全球唯一能钻11000米，这次试钻不到5000米，为什么说已经是重大突破？万米钻探的技术门槛高在哪儿？

张超：这次的南海深钻，是我国首次以“国际大洋发现计划（IODP）”的同等标准独立完成的首次科学钻探航次，设计的最大钻探深度是11000米，这次实战首秀已经实现了从零到一的突破。实现万米钻探需要跨过一个综合的技术门槛。首先是钻探船，需要在恶劣海况下保持船身稳定，位置稳定在很小的范围内，船身晃动或者位移太大就会拉断钻杆;万米钻探的钻杆很长，在海水中像个超长的软面条，需要使钻杆能够承受不同深度海水的拉伸和扭转；很深的海底，加上很深的钻探深度，那里的岩石承受巨大的应力导致塑性增强，这样钻头钻开岩石的难度也大大增强；最后，即使钻头把岩石成功钻开了，在把岩心分离和上提的过程中，也可能因为很大的应力释放效应，岩石破碎成渣。所以，这次“梦想”号能在4000多米海底获得8百多米的掘进深度和岩心，已经是突破了很多技术难关的突破性成功。

这次发现能改写以往哪些认知

华商报：深海钻探玄武岩硬岩能获取什么样的研究成果？这次研究发现南海扩张后期有多期大规模海底火山喷发，这个结论改写了以往哪些认知？相比之下，陆地岩石研究的侧重点又是什么呢？

张超：通过持续不断获得南海不同区域深钻的玄武岩样品，我们就可以知道南海的生长从什么地方开始的，在什么时期扩张得最快，那些产生玄武岩“洋中脊”是不是一直在同一个地方，还是突然在某个时期发生了“跳跃”。也可以通过研究玄武岩的化学成分，知道它们是从地幔的什么深度产生的，推断是什么样的地质背景下，南海获得了扩张的动力和物质来源。现在初步资料显示，南海扩张后期的洋中脊火山喷发剧烈，并且历史上可能发生过洋中脊的“跳跃”，从这个角度看，南海的深钻玄武岩样品可能让我们更加深入地认识和理解洋中脊——地幔到地壳的纽带——提供了难得的机会。相比之下，陆地上的大多数岩石主要是在大洋玄武岩地壳的基础上发展起来的，形成过程通常不直接与深部地幔有关，地质作用的深度相对较浅，虽然也会有岩浆参与其中，但是有比较复杂的变形、变质、风化、搬运等作用的叠加。

取得深海地质研究主动权意味着什么

华商报：现在全世界只有中美日三国可以从深海洋盆取出玄武岩硬岩样品，我国实现自主钻探，在深海地质研究上有哪些主动权？

张超：前面已经谈到，万米深钻对钻探船、钻头、岩心回收等各个方面都有非常高的技术要求，是一个国家工程材料技术和综合国力的体现，门槛的难度不亚于航空航天技术领域。事实上，对于人类“上天入地”的古老梦想，目前“入地”的难度还远高于“上天”。此次“梦想”号在南海首次深钻的成功，标志着我国从此可以独立自主开展深海地质研究。以往中国科学家只能搭乘外国钻探船，需缴纳巨额费用，并且打到的岩心必须存放在别国的岩心库，研究受制于人。现在，中国可以自主组织航次、自主选择钻探井位、自主决定研究选题，从源头掌握研究的主动权。

大洋钻探与海上石油钻井有何区别

华商报：大洋钻探和海上石油钻井是一回事吗？二者核心区别是什么？

张超：海上石油钻井是在“软岩”上打钻，也就是钻孔穿过泥岩、粉砂岩、砂岩等沉积岩构成的沉积盆地，将岩层空隙中蕴藏的油和气释放和抽取出来；大洋钻探虽然也会涉及沉积岩构成的岩层，但不可避免地要在“硬岩”——玄武岩或者辉长岩（比玄武岩更深的洋壳岩石）打钻。二者在钻头设计和材料上的难度明显不同。此外，石油钻井一般不需要获取岩心，而大洋钻探的目的是获取尽可能完整的岩心，因此需要特定的复杂钻孔工具和取样套管，工程技术的难度大大增加。

能对深海资源勘探提供科学指引

华商报：南海下面的玄武岩，会不会藏着油气、矿产等资源？研究这些岩石，对未来深海资源勘探有指导作用吗？

张超：众所周知，南海的油气资源极其丰富，是全球四大海洋油气聚集中心之一，就蕴含在南海的多个沉积盆地之下。南海有超过30个新生代沉积盆地，沉积层厚度一般在1.5公里至16公里之间，它们的形成和南海洋底的扩张演化有着密切的联系。至于南海下面的玄武岩，它们本身不是直接的大规模油气储层（也有少部分气孔玄武岩和火山岩碎屑岩被证实能够作为油气储层），但是玄武岩记录的火山喷发活动和洋底地壳的扩张，能在很大程度上能影响沉积盆地的生油、储油能力和规模。玄武岩是洋中脊火山的产物，这些地方可能会伴生多金属结核、热液硫化物等矿产资源，这还需要非常详细的海底地质调查工作来证实。因此，研究洋底玄武岩，确实能对我们未来的深海资源勘探提供先导性的宝贵资料和科学指引。

将有可能探寻地球演化轨迹

华商报：“梦想”号接下来可能会有哪些钻探计划？未来我们最想从深海地下找到什么关键证据？

张超：“梦想”号今后的具体钻探计划还没有详细的信息，但是作为以科研为目的的科考钻探船，我觉得应该会首先考虑科学家长期比较关心的、悬而未决的重大科学问题。比如，打穿完整的洋底地壳剖面，直达地壳和地幔的界面（也就是著名的莫霍面），从而详细的了解在洋壳出生的洋中脊到底发生了什么样的深部地质过程，地幔能够从无到有的产生复杂的地壳结构和成分，也包括“梦想”号已经成功取到的地壳浅部玄武岩。此外，俯冲带是洋中脊之外地壳和地幔发生联系的重要部位，在这里，地壳会斜向俯冲进入地幔，从而导致物质是从浅部输送到深部地幔，科学家就非常想详细了解俯冲带的三维结构、化学组成和运动特征。了解了洋中脊和俯冲带这些关键部位如何产生岩浆和岩石变形等各种信息，我们就能够更加清晰地理解地球是如何从46亿年前的炽热火球演化到今天适合各种生命生存反繁衍的宜居星球。

科学家们努力实现“上天入地”梦想

华商报：在您看来，深海钻探除了科研，对普通人最大的意义是什么？

张超：深海钻探不仅能够产生大量的原创科研成果，指导油气等资源的勘探，也是我们探索人类唯一的生存家园——地球的必要手段，包括“梦想”号在内的深海钻探工程的巨大成功，让我们了解到科学家们一直在致力于实现人类“上天入地”的梦想。通过科学和技术的不断发展，我们能够更加熟练地运用深海钻探这把金钥匙，帮助我们逐渐打开地球内部黑箱的大门，更好地了解地球本身的运行机制，探索其中蕴藏的巨大科学和经济价值，不仅能够更好地为人类生存和发展提供更多的资源和能源。获得的各种地球深部各种数据，对于我们提高对于地震、火山等各种地质灾害的预警和预报能力也具有非常重要的作用。因此，对于我们普通人而言，能够更加理解和重视海洋对于国家发展的重要意义，通过自己的实际行动支持国家海洋战略的发展。

》》专家简介

张超教授

张超，西北大学地质学系教授，博士生导师，德国汉诺威大学博士，主要从事岩石学研究。中国矿物岩石地球化学学会火山与地球内部化学专业委员会委员，入选陕西省高层次人才引进计划青年项目和国家高层次人才青年拔尖计划。曾作为航次科学家参与国际大洋发现计划（IODP）376号深海钻探航次，先后主持国家自然科学基金和地球深部探测与矿产资源勘查国家科技重大专项课题。已在EPSL等地球科学专业学术期刊发表论文120余篇，论文总引用3000余次。

华商报大风新闻记者 任婷 编辑 李婧

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