为了找到真实的答案,科学家们把“望远镜”伸向了地球内部,伸向了白垩纪。2006年8月18日,在地处松辽盆地
科学钻探工程――“伸入地球内部的望远镜”
人类已经对太空进行了无数次成功探索,但对地球内部的勘察却因为那些坚硬岩石的阻隔而困难重重。对地球内部的认识大多通过地球物理等方法间接获得,但地表地球物理探测只能获得近地表的构造影像及对深部的推测,而且这种推测存在“多解性”。
大陆科学钻探是获得地球大陆内部信息的唯一直接途径,数千米的深部钻探能够提供保留在垂向层序中的地质记录,通过研究系统瞬态动力学,使多解性变得“真相大白”。因此,由深部钻探技术和地球物理探测技术构成的科学钻探工程被誉为“伸入地球内部的望远镜”。
通过大陆科学钻探对岩石圈进行直接观测,可以研究全球气候变化及环境变迁,探索地下微生物的分布及潜育条件,预防环境及地下水污染,处理核废料以及长期观察地球变化等,可以解决一系列重大基础科学问题。
科学钻探最早始于20世纪60年代美国提出的“深海钻探计划”。深海钻探与人类首次登月被誉为当时人类的两大壮举,板块构造理论就是“深海钻探”的成果之一。20世纪90年代,中、美、德三国又共同发起了“国际大陆科学钻探计划”。大陆科学钻探在世界上实施10年来,已经有13个国家打了近100口深浅不一的科学研究钻井,但针对白垩纪陆相沉积的科学钻探仍然是个空白。
1997年,中国大陆科学钻探工程被国家科技领导小组列为“九五”国家重大科学工程项目,并于1998年被国际大陆科学钻探组织列为国际大陆科学钻探项目。这次在大庆油田开钻的全球第一口陆相白垩纪科学钻探井,是继“东海科钻一井”、“青海湖环境科钻井”之后,在我国大陆上实施的第三个重大科学钻探工程。
白垩纪――洞察全球气候变迁的一面“镜子”
科学家将距今6500万年至1.4亿年的时期称为白垩纪。“这个时代非常特殊,对于现在尤其重要”,王成善介绍说。“地球历史上,温室气候和冰室气候曾交替出现。从地质历史上看,人类目前处在间冰期,就是在冰室气候的时期出现了气候变暖。这个时期可能最适宜人类生存,但是工业化的快速发展导致了地球提前向温室气候转变,也就是我们常说的温室效应问题。这样,问题就出现了:地球未来环境将发生怎样的变化?会出现温室气候吗?如果真是这样,什么样的生物种群会适应变化或者自我调整继续演化?什么样的生物种群会因为不能适应环境变化而消亡?人类如何适应这种变化?”
据王成善介绍,距离人类最近的最典型的温室气候时期是白垩纪,白垩纪因此成为我们借鉴历史、预测未来的重要对象。地质研究成果表明:白垩纪大部分时期都属于极端温室气候,当时全球气候非常温暖,平均温度比现在高10摄氏度左右;二氧化碳浓度远远高于现在,是现今含量的4到10倍;地球表面没有冰河、冰川,在极地附近没有寒冷地带;植被覆盖面积扩大,高纬度地区存在大片森林,恐龙成为地球的主宰,足迹遍布南北极;白垩纪时期地球上曾发生过海平面上升,海平面比现在高约300米。
白垩纪还发生了一些异常重大的地质事件,例如大洋缺氧、大洋红层与富氧、碳酸盐台地沉没、大规模生物更替等。对热河古生物群的研究证实:花的形成、被子植物的出现以及鸟类的起源,都出现在白垩纪。近年来的研究也证实这些重大地质事件的发生不是孤立的,而是地球系统各圈层相互耦合的产物,在时间和空间上具有非常紧密的联系。
按照科学家的推算,在白垩纪之前,地球应该有过多次从冷到热、再从热到冷的变化,但是真正能够证实这一变化的确切证据存在形成于白垩纪的地质岩石中。白垩纪在地球科学的研究中“热”了起来,因为它可以为人类研究温室气候提供实例。
“松科1井”――取芯率要达到98%以上
白垩纪是我国东部陆相生物群发生显著更替和剧变的时期,并由此形成了世界上最大的白垩纪陆相含油气盆地之一――松辽盆地。这里发育了完整白垩纪沉积,可能保留着白垩纪重大地质事件的记录,因此松辽盆地特别是大庆油田所在的区域成为寻找白垩纪重大地质事件在陆相记录的理想地区,成为科学家的攻关目标。
在科技部的支持下,国家重点基础研究发展计划(973计划)项目“白垩纪地球表层系统重大地质事件与温室气候变化”启动,科学家将在松辽盆地成千上万口钻井的基础上实施第一口连续取芯2000米以上的科学钻井工程。我国科学家将在松辽盆地“打造”一架“入地望远镜”――“松科1号”科学钻井,通过连续采集岩芯,探究距今6500万年至1亿4千万年间的地球温室气候变化。
这是国际上在陆地上实施的第一口陆相白垩纪科学钻探井。王成善说:“我们将采用世界上最先进的钻井、测井等技术获取连续岩芯、液气态样品及原位测量数据。通过厘米级样品的取样和分析,将传统地质学百万年的时间分辨率提高到万年尺度,从而建立包括古生物、沉积相、古地磁、有机地化、旋回地层和地微生物等十大剖面系列和在全球范围内可对比的、高分辨率的陆相白垩系剖面,解决白垩纪海陆相地层精确对比的世界性难题。”
科学家要通过这架“望远镜”研究陆地和海洋环境对同一事件的响应机制,重溯白垩纪地球表层系统重大地质事件的过程及成因,探究陆相烃源岩大规模形成、陆地生物群更替、温室气候状态下气候变化和碳循环之间的正、负反馈关系和机制等科学问题,为人类预测未来全球长时间尺度气候变化趋势提供科学依据。
“与大陆、大洋钻探不同,松辽盆地的岩芯有软有硬,对钻探技术提出了更高的要求”，王成善介绍说。松辽盆地岩层较软,在这样的地质条件下打钻难度相对小些,但是取芯的难度非常大,要求连续取芯是因为地质事件在岩芯中的记录是很细微的。“我们看到的每1厘米地层面貌都有可能代表当时一个大的时间段的演变,为了确保最大限度地完整再现白垩纪,实现科学研究的目标,要求在钻井过程中做到无污染、不破碎、连续取芯,取芯率要求达到98%以上。”
“只有尽可能深入地了解地球系统的历史,才有可能更正确地预测未来”，王成善说。据介绍,鉴于温室效应及全球气候变化是当今国际社会共同关注的一个重大而严峻的科学问题,美、德、加、日等10多个国家的科学家将与我国科学家合作,共同开展钻孔岩芯的研究工作。
井场
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