APP 在人類探索自然的偉大征程中，“上天入地”自古以來(lái)便是不懈追求的夢(mèng)想。如今，載人航天技術(shù)的飛速發(fā)展使得“上天”已成為現(xiàn)實(shí)，然而“入地”卻依然充滿重重困難，猶如一座難以逾越的科學(xué)高峰?？茖W(xué)鉆探作為人類“入地”的關(guān)鍵手段，被譽(yù)為“入地望遠(yuǎn)鏡”以及了解地球演化的“時(shí)光隧道”，它在獲取地球深部物質(zhì)、揭示地球內(nèi)部信息方面具有不可替代的重要性，是解決資源、能源、環(huán)境等諸多問(wèn)題的核心技術(shù)支撐，更是一個(gè)國(guó)家綜合國(guó)力與科學(xué)技術(shù)水平的顯著標(biāo)志，眾多發(fā)達(dá)國(guó)家均將其納入國(guó)家科技發(fā)展戰(zhàn)略的重要布局之中。
地球，這顆我們賴以生存的藍(lán)色星球，其半徑約為 6371 千米，廣袤無(wú)垠且深邃神秘。但令人驚嘆的是，人類迄今為止的入地最大深度僅為 12.2 千米，僅僅占據(jù)地球半徑的 0.19%。形象地說(shuō)，如果將地球比作一顆雞蛋，那么我們目前的探測(cè)程度不過(guò)是僅僅觸及了雞蛋殼的表面，對(duì)于雞蛋內(nèi)部那豐富而未知的世界，依舊知之甚少。
地球深部究竟隱藏著怎樣的奧秘？為何人類的入地之旅如此艱難？這背后的主要原因在于地球深處惡劣的環(huán)境條件。隨著地層深度的不斷增加，地層溫度呈現(xiàn)出平均每千米 30 攝氏度的梯度上升趨勢(shì)，與此同時(shí)，壓力也以每千米 8 - 12 兆帕的梯度持續(xù)增大。在這樣的極端環(huán)境下，深部的巖石變得異常堅(jiān)硬，高溫、高壓以及高地應(yīng)力相互交織，共同構(gòu)成了深部科學(xué)鉆探的巨大障礙。這些復(fù)雜而危險(xiǎn)的環(huán)境因素，無(wú)疑給大陸科學(xué)鉆探技術(shù)、裝備以及工程實(shí)施帶來(lái)了前所未有的巨大挑戰(zhàn)。
科學(xué)鉆探的意義深遠(yuǎn)而重大，其首要價(jià)值在于能夠獲取地球深部的實(shí)物樣本。這些來(lái)自地球深部的巖石、礦物等樣本，就如同歷史的見(jiàn)證者，它們攜帶著地球演化過(guò)程中的關(guān)鍵信息。通過(guò)對(duì)這些樣本的細(xì)致分析，科學(xué)家們可以深入了解地球內(nèi)部的物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)構(gòu)造以及地質(zhì)演化歷程。例如，在某些深部鉆探項(xiàng)目中獲取的巖石樣本中發(fā)現(xiàn)了特殊的礦物組合或同位素特征，這些發(fā)現(xiàn)為揭示地球早期的地質(zhì)活動(dòng)、板塊運(yùn)動(dòng)以及生命起源等重大科學(xué)問(wèn)題提供了極為珍貴的線索。
除了物質(zhì)樣本，科學(xué)鉆探還能夠?yàn)榈厍騼?nèi)部的物理性質(zhì)研究提供豐富的數(shù)據(jù)支持。通過(guò)在鉆孔中布置各類先進(jìn)的傳感器，科學(xué)家們可以精確測(cè)量地層的溫度、壓力、地震波速度等物理參數(shù)，進(jìn)而構(gòu)建起地球內(nèi)部的物理模型。這對(duì)于深入理解地球內(nèi)部的動(dòng)力學(xué)過(guò)程、地震發(fā)生機(jī)制以及地球磁場(chǎng)的起源等問(wèn)題具有極為重要的意義。以地震研究為例，科學(xué)鉆探能夠在地震活躍區(qū)域進(jìn)行深入探測(cè)，獲取震源附近的地質(zhì)信息和物理參數(shù)，有助于科學(xué)家們更加準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)地震的發(fā)生、評(píng)估地震的危害，并為地震災(zāi)害的預(yù)防和減輕提供科學(xué)依據(jù)。
在資源勘探領(lǐng)域，科學(xué)鉆探更是發(fā)揮著不可或缺的重要作用。隨著地球上淺部資源的日益枯竭，深部資源的勘探與開(kāi)發(fā)已成為必然趨勢(shì)?？茖W(xué)鉆探能夠直接探測(cè)深部地層中的礦產(chǎn)資源、油氣資源等，為資源的發(fā)現(xiàn)和評(píng)估提供第一手資料。例如，在石油勘探中，通過(guò)科學(xué)鉆探可以深入了解地下油氣儲(chǔ)層的分布、厚度、孔隙度以及滲透率等關(guān)鍵參數(shù)，從而指導(dǎo)油氣的開(kāi)采工作，提高油氣資源的采收率。此外，對(duì)于一些新型資源，如深部地?zé)豳Y源、干熱巖資源等，科學(xué)鉆探也是評(píng)估其開(kāi)發(fā)潛力和可行性的重要手段。
面對(duì)地球深部的極端環(huán)境挑戰(zhàn)，科學(xué)鉆探技術(shù)在不斷創(chuàng)新與發(fā)展。鉆探裝備作為科學(xué)鉆探的核心工具，正朝著更高的性能指標(biāo)邁進(jìn)。現(xiàn)代的科學(xué)鉆探鉆機(jī)具備更強(qiáng)的扭矩、更大的提升能力以及更高的自動(dòng)化程度，能夠適應(yīng)深部地層的堅(jiān)硬巖石鉆進(jìn)需求。同時(shí)，鉆頭技術(shù)也在不斷革新，新型的耐高溫、高壓鉆頭材料和獨(dú)特的鉆頭設(shè)計(jì)能夠有效提高鉆進(jìn)效率，降低鉆頭磨損。例如，采用金剛石復(fù)合片鉆頭等先進(jìn)技術(shù)，大大提高了鉆頭在堅(jiān)硬巖石中的切削能力和使用壽命。
在鉆探工藝方面，一系列創(chuàng)新技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。如定向鉆探技術(shù)能夠精確控制鉆孔的軌跡和方向，實(shí)現(xiàn)對(duì)特定目標(biāo)地層的精準(zhǔn)探測(cè)；隨鉆測(cè)量技術(shù)則可以在鉆探過(guò)程中實(shí)時(shí)獲取地層的各種信息，為鉆探?jīng)Q策提供及時(shí)準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持；而欠平衡鉆探技術(shù)通過(guò)控制井內(nèi)壓力，減少對(duì)地層的損害，提高了鉆探的安全性和效率。這些先進(jìn)的鉆探工藝技術(shù)相互配合，使得科學(xué)鉆探能夠在復(fù)雜的深部地層環(huán)境中順利開(kāi)展。
科學(xué)鉆探工程的實(shí)施是一個(gè)復(fù)雜而系統(tǒng)的過(guò)程，需要多學(xué)科、多領(lǐng)域的協(xié)同合作。從項(xiàng)目的規(guī)劃設(shè)計(jì)到鉆探施工，再到后期的數(shù)據(jù)采集與分析，涉及地質(zhì)學(xué)、地球物理學(xué)、材料科學(xué)、機(jī)械工程、計(jì)算機(jī)科學(xué)等眾多學(xué)科。在項(xiàng)目規(guī)劃階段，地質(zhì)學(xué)家們需要根據(jù)研究目標(biāo)和地質(zhì)條件確定鉆探的位置、深度和鉆孔設(shè)計(jì)方案；地球物理學(xué)家則負(fù)責(zé)利用地球物理勘探手段對(duì)鉆探區(qū)域進(jìn)行前期勘查，為鉆探工程提供地質(zhì)背景信息和目標(biāo)層位的預(yù)測(cè)；材料科學(xué)家們致力于研發(fā)新型的鉆探材料，提高裝備的性能和可靠性；機(jī)械工程師們則專注于鉆探裝備的設(shè)計(jì)、制造和維護(hù)，確保鉆探施工的順利進(jìn)行；而計(jì)算機(jī)科學(xué)家們通過(guò)開(kāi)發(fā)數(shù)據(jù)處理與分析軟件，實(shí)現(xiàn)對(duì)鉆探過(guò)程中獲取的海量數(shù)據(jù)的高效管理和深入挖掘。
回顧科學(xué)鉆探的發(fā)展歷程，眾多標(biāo)志性的項(xiàng)目見(jiàn)證了人類在這一領(lǐng)域的不懈探索與偉大成就。其中，蘇聯(lián)的科拉超深鉆孔堪稱經(jīng)典之作。該項(xiàng)目始于 1970 年，歷經(jīng)多年的艱苦鉆探，最終達(dá)到了 12262 米的深度，這一深度記錄在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)占據(jù)著世界最深鉆孔的寶座?？评钽@孔的實(shí)施過(guò)程中，科學(xué)家們面臨著前所未有的技術(shù)挑戰(zhàn)，如高溫對(duì)鉆探設(shè)備的影響、深部巖石的高強(qiáng)度鉆進(jìn)難題等。然而，通過(guò)不斷的技術(shù)創(chuàng)新和頑強(qiáng)拼搏，他們成功克服了這些困難，并在地球深部物質(zhì)組成、地質(zhì)構(gòu)造等方面取得了一系列重要發(fā)現(xiàn)。例如，在鉆孔過(guò)程中發(fā)現(xiàn)了深部地層中富含金等貴重金屬的異?，F(xiàn)象，這一發(fā)現(xiàn)引發(fā)了科學(xué)界對(duì)于地球深部資源分布規(guī)律的深入思考。
除了科拉超深鉆孔，德國(guó)的 KTB 項(xiàng)目也是科學(xué)鉆探領(lǐng)域的重要里程碑。KTB 項(xiàng)目旨在深入研究大陸地殼的結(jié)構(gòu)與演化，其主鉆孔深度達(dá)到了 9101 米。在項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中，德國(guó)科學(xué)家們采用了一系列先進(jìn)的鉆探技術(shù)和裝備，如高精度的鉆探控制系統(tǒng)、先進(jìn)的隨鉆測(cè)量?jī)x器等，取得了豐碩的科研成果。通過(guò)對(duì) KTB 鉆孔獲取的巖芯樣本和物理數(shù)據(jù)的分析，科學(xué)家們對(duì)大陸地殼的分層結(jié)構(gòu)、巖石性質(zhì)以及地殼內(nèi)部的流體活動(dòng)等有了更為清晰的認(rèn)識(shí)，為大陸動(dòng)力學(xué)研究提供了極為寶貴的資料。
在我國(guó)，科學(xué)鉆探事業(yè)也取得了令人矚目的成績(jī)。中國(guó)大陸科學(xué)鉆探工程“科鉆一井”于 2001 年正式啟動(dòng)，經(jīng)過(guò)多年努力，成功在江蘇省東?？h鉆探至 5158 米深度。這一項(xiàng)目的實(shí)施，不僅填補(bǔ)了我國(guó)在深部大陸科學(xué)鉆探領(lǐng)域的空白，而且在超高壓變質(zhì)帶的研究方面取得了重大突破。通過(guò)對(duì)“科鉆一井”獲取的巖芯樣本進(jìn)行深入分析，科學(xué)家們揭示了超高壓變質(zhì)巖的形成機(jī)制、折返過(guò)程以及與板塊運(yùn)動(dòng)的關(guān)系，為全球板塊構(gòu)造理論的發(fā)展提供了有力的證據(jù)。此外，“科鉆一井”還在鉆探技術(shù)創(chuàng)新方面進(jìn)行了積極探索，如研發(fā)了適合我國(guó)地質(zhì)條件的新型鉆探工藝和裝備，培養(yǎng)了一批高素質(zhì)的科學(xué)鉆探人才隊(duì)伍，為我國(guó)科學(xué)鉆探事業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。
從地表往深處挖掘，地球演變的歷史就記錄在層層疊疊的巖石之中。打一口科學(xué)鉆探井，獲取一段段圓柱形的巖心，如同為神秘的地球深部做一次“微創(chuàng)切片”。科學(xué)鉆探是獲取地球深部實(shí)物信息的唯一手段，取得連續(xù)完整的巖心，是“地殼一號(hào)”重要的科研使命之一。
為滿足地球深部探測(cè)工程的重大需求，中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局啟動(dòng)了“深部探測(cè)技術(shù)與實(shí)驗(yàn)研究專項(xiàng)”，其中一個(gè)項(xiàng)目便是“深部探測(cè)關(guān)鍵儀器裝備研制與實(shí)驗(yàn)”，由“時(shí)代楷?！?、吉林大學(xué)已故教授、博士生導(dǎo)師黃大年擔(dān)任負(fù)責(zé)人。項(xiàng)目中的課題之一，就是研制“地殼一號(hào)”萬(wàn)米科學(xué)鉆機(jī)。
2018年，在“松科2井”現(xiàn)場(chǎng)，“地殼一號(hào)”鉆至地殼7018米深處，成功取出總長(zhǎng)度4014米的連續(xù)完整巖心。至此，我國(guó)重大鉆探裝備研發(fā)支撐創(chuàng)造了亞洲國(guó)家實(shí)施的大陸科學(xué)鉆井新紀(jì)錄，成為世界上第三個(gè)掌握地下萬(wàn)米科學(xué)超深井鉆探能力的國(guó)家。
展望未來(lái)，科學(xué)鉆探面臨著更為廣闊的發(fā)展前景和諸多機(jī)遇。隨著科技的不斷進(jìn)步，新的鉆探技術(shù)和裝備將不斷涌現(xiàn)，有望進(jìn)一步突破深部鉆探的技術(shù)瓶頸。例如，新型的納米材料技術(shù)可能為鉆頭的研發(fā)帶來(lái)革命性的突破，提高鉆頭在極端環(huán)境下的性能；而人工智能技術(shù)在鉆探過(guò)程中的應(yīng)用，則有望實(shí)現(xiàn)鉆探參數(shù)的智能優(yōu)化和故障的自動(dòng)診斷與預(yù)測(cè)，提高鉆探工程的效率和安全性。
在科學(xué)研究方面，科學(xué)鉆探將繼續(xù)深入探索地球深部的奧秘，為解決一系列重大科學(xué)問(wèn)題提供關(guān)鍵支撐。例如，通過(guò)對(duì)地球深部地幔柱的研究，有望揭示地球內(nèi)部的熱對(duì)流機(jī)制以及板塊運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力；而對(duì)深部生命的探索則可能為生命起源和外星生命研究帶來(lái)全新的視角。此外，科學(xué)鉆探在資源勘探與開(kāi)發(fā)領(lǐng)域的應(yīng)用前景也十分廣闊。隨著全球?qū)η鍧嵞茉春蛻?zhàn)略性礦產(chǎn)資源的需求不斷增長(zhǎng)，深部資源的勘探與開(kāi)發(fā)將成為未來(lái)資源領(lǐng)域的重要發(fā)展方向?？茖W(xué)鉆探將在深部油氣資源、地?zé)豳Y源、可燃冰資源以及關(guān)鍵金屬礦產(chǎn)資源等的勘探與開(kāi)發(fā)中發(fā)揮更為重要的作用，為保障全球能源和資源安全做出貢獻(xiàn)。
科學(xué)鉆探作為人類探索地球深部的重要手段，雖然面臨著諸多挑戰(zhàn)，但在揭示地球演化奧秘、解決資源能源環(huán)境問(wèn)題以及推動(dòng)科學(xué)技術(shù)進(jìn)步等方面具有不可替代的重要意義。隨著技術(shù)的不斷創(chuàng)新和發(fā)展，科學(xué)鉆探必將在未來(lái)的科學(xué)探索和人類社會(huì)發(fā)展進(jìn)程中發(fā)揮更為重要的作用，引領(lǐng)我們逐步揭開(kāi)地球深部那神秘而壯麗的面紗，為人類認(rèn)識(shí)自然、利用自然開(kāi)辟更為廣闊的道路。
