探索中国大陆动力学基础地质研究重大关键问题——SinoProbe-05“大陆科学钻探选址与钻探实验”项目成果

2015-10-21

地球深部蕴含着丰富的资源，也是重大地质灾害的策源地。对地球深部的探测与研究，是实现可持续发展的国家科技发展战略。我国于2008年启动了有史以来规模最大的地球深部探测计划——“深部探测技术与实验研究”专项（英文简写SinoProbe），下设9个项目共49个课题。中国地质科学院地质研究所等单位承担其中的第五项目“大陆科学钻探选址与钻探实验”（SinoProbe-05）。项目重点聚焦中国大陆的一些重大关键问题，包括板块会聚边界的深部动力学，重要的矿产资源聚集区的成矿地质构造背景，以及火山－地热资源等，开展地质地球物理和科学钻探选址预研究，为大陆科学超深钻探的选址提供依据。

“大陆科学钻探选址与钻探实验” 项目由中国地质科学院地质研究所杨经绥研究员和许志琴院士为负责人，该项目下设7个课题，分别是“金川铜镍硫化物矿集区科学钻探选址预研究”“西藏罗布莎铬铁矿区科学钻探选址预研究”“云南腾冲火山-地热-构造带科学钻探选址预研究”“山东莱阳盆地南/北板块边界科学钻探选址预研究”“东部矿集区科学钻探选址预研究”“科学超深井钻探技术方案预研究”“大陆科学钻探选址与钻探实验综合研究”。项目执行期2008～2012年,期间完成了甘肃金川、西藏罗布莎、云南腾冲、山东莱阳和西藏东波、泽当和普兰等地的可控源音频大地电磁法、重磁方法、激电测深和反射地震等地球物理测量。经过科学选址，在罗布莎、泽当、东波、腾冲、金川、庐枞、铜陵和南岭等地实施了8口1000～3000米预导孔科学钻探工程。项目获得国家发明专利 （一种金刚石钻头的制备方法及其烧结装置，ZL201310055467.1；一种钻孔护壁堵漏或导斜偏钻方法及其所用装置，ZL201110056874.5；回转限扭装置，ZL201110350315.5）等5项。实用新型专利（绳索取心绞车自动排绳称重测深一体化装置, ZL 201120527209.5）等8项。已发表论文245篇，其中SCI检索论文103篇，出版专著2部，培养博硕士研究生50余名。

　　一、金川铜镍硫化物矿集区科学钻探选址预研究

金川铜镍矿集区处于华北板块西南缘，成矿岩体来自于地幔。在该区开展科学钻探研究，不仅探讨地球演化的基础问题，并瞄准国家建设急需的紧缺铜镍矿产资源问题。金川铜镍矿集区科学钻探选址预研究课题由长安大学承担完成，负责人为汤中立院士和阎海卿教授。课题的顺利实施得益于中国地质科学院地质所、长安大学，金川集团有限公司等多家单位的通力合作。长安大学老师和他们的学生为矿区填图作出了重要贡献。

通过对金川铜镍硫化物矿床与世界同类岩浆矿床进行对比研究，确认金川矿床的单个镍矿体属目前世界最大，认为国内外具有经济意义的Ni-Cu矿床普遍寄生于小岩体，并自成一个成矿系统。科学钻探在金川铜镍矿区内首次发现三层具有一定规模的磁铁矿层，为金川深部找矿提供了重要线索。研究认为金川岩体与其附近茅草泉镁铁-超镁铁质岩体群在岩石学、同位素年代学和地球化学等方面具有同期同源岩浆演化特征，认为茅草泉小岩体群是金川岩体母岩浆先期侵入岩相，为金川矿床的形成贡献了亲铁元素与橄榄石成分。科学深钻岩心中大量富硫化物、磁铁矿地层的发现，证实金川铜镍硫化物矿床围岩中存在富硫的地层，也揭示矿床形成过程中地层硫的加入对硫化物饱和发挥了重要作用。

科学钻探的实施，整体提高了对镁铁-超镁铁岩浆硫化物矿床成矿理论的认识，全面厘定了“小岩体成矿”的理论体系与范畴。论证了金川铜镍矿床成矿的岩浆质量平衡，并且利用PGE在硅酸盐熔体与硫化物熔体之间分馏集聚的差异性，演示金川24#、1#矿体和Ⅳ矿区（含矿岩体）的形成过程，建立了金川成矿模式。

　　二、西藏罗布莎铬铁矿区科学钻探选址预研究

“西藏罗布莎铬铁矿区科学钻探选址预研究”课题承担单位为中国地质科学院地质研究所，课题负责人为杨经绥研究员和徐向珍博士。项目通过地表地质调查、地球物理探测和科学钻探实验，探测西藏罗布莎铬铁矿床的深部地质特征，为开展西藏雅鲁藏布江缝合带中超镁铁岩体的深部钻探和资源评价奠定基础。

课题在青藏高原首次完成深度分别为1478米和1854米的两个科学钻孔，穿透了罗布莎蛇绿岩体，证明其为一地幔橄榄岩为主的构造岩片，与上下地层围岩均为断层接触。蛇绿岩底部为辉长岩和纯橄岩等堆晶岩，上部为方辉橄榄岩和二辉橄榄岩等地幔橄榄岩，显示一个倒转的蛇绿岩层序。该成果得到了地球物理反射剖面的验证，提供了蛇绿岩成因和侵位机制的证据。雅鲁藏布江缝合带东段的罗布莎和泽当地幔橄榄岩体与西段的普兰和东波超镁铁岩体的特征明显不同，包括它们的产出规模、形态和深部地球物理特征，以及洋盆形成的时代，表明它们形成和演化经历不同。岩石学和矿物学研究表明，雅鲁藏布江蛇绿岩带的东部和西部的地幔橄榄岩体都经历了MOR→SSZ的构造背景的转换过程。在罗布莎蛇绿岩中识别出两类铬铁矿，方辉橄榄岩中的致密块状为主的铬铁矿形成于深部地幔（＞300千米），厚层纯橄岩中浸染状为主的铬铁矿形成于浅部条件下的岩石/熔体反应。进一步研究如果能够证实东西部的成矿作用具有可对比性，则可以推测普兰和东波超基性岩体之下就极有可能就存在像罗布莎一样的大型铬铁矿床。

该课题一个重要的创新性成果是在西藏罗布莎铬铁矿中找到了原位金刚石，其呈矿物包裹体产在铬铁矿中，说明它们是原生产出，提供了蛇绿岩中存在金刚石的一个最重要的证据。人们通常将地球上的金刚石分为金伯利岩型和超高压变质岩型两种产出，前者产在大陆克拉通内，后者产在板块俯冲带。但蛇绿岩中金刚石的C同位素和包裹体特征与地球上已知的两类金刚石十分不同，由此提出地球上存在一种新的金刚石产出类型，命名为蛇绿岩型金刚石。蛇绿岩型金刚石产在大洋地幔橄榄岩中，与此前已知的两种金刚石的产出背景也完全不同。

蛇绿岩铬铁矿中发现了深度达地幔过渡带（>400千米深度）的矿物，包括呈斯石英假象的柯石英和青松矿，后者是以中国学者命名的成分为BN的一种新矿物，形成压力为10～15GPa，温度为1300℃。在发现深部矿物青松矿和呈斯石英假象的柯石英的基础上，提出了一个蛇绿岩型金刚石和铬铁矿深部成因模式。认为在地幔过渡带约400千米深度，结晶出金刚石等超高压矿物和铬铁矿，它们随地幔对流或上涌的地幔柱带至浅部地幔就位。著名蛇绿岩专家、美国科学院院士、斯坦福大学Coleman教授撰文认为：“最近在西藏蛇绿岩豆荚状铬铁矿中发现具有壳源同位素特征的金刚石和其他超高压矿物包裹体，开启了研究岩石圈中蛇绿岩地幔岩演化的一个全新的研究领域。通过俯冲作用进入地幔的蛇绿岩橄榄岩经历的地壳物质再循环的证据给地球科学界提供了一个极具挑战性新的研究机遇！”（Robert Coleman， 2014， The Ophiolite Concept Evolves，Elements，v. 10,82-84）。

　　三、云南腾冲火山-地热-构造带科学钻探选址预研究

“云南腾冲火山-地热-构造带科学钻探选址预研究”课题由中国科学院地质与地球物理研究所承担完成,课题负责人为刘嘉麒院士和戚学祥研究员。课题组通过对大盈江断裂带的追踪观察、地质剖面的测制，结合火山口和热泉沿断裂带状分布的特点，不仅确认该断裂带的存在，而且还是多期构造活动的产物。该断裂带东南部（盈江至缅甸边界）的地质剖面揭示其右行的韧性变形特征。岩石中并叠加顺糜棱面理分布的脆韧性或脆性变形构造，展示其左旋的运动性质。构造带北东段（盈江－腾冲）呈近南北走向，断层三角面和脆性断层发育，热泉和火山口呈线状分布，揭示其脆性变形和伸展构造性质。总体来看，该断裂带早期为由北至南西呈弧形的韧性变形带，以右旋走滑为主，后期中北部以拉张的脆性变形为主，控制了腾冲－梁河一带火山岩和热泉的空间分布，西南部以左行剪切变形为主，具有压扭性走滑运动的特点。

腾冲地块内的磁组构数据结果表明，高黎贡和那帮韧性剪切带属新生代印度板块向北俯冲，导致青藏高原东南缘腾冲地块向西南挤出形成的大型韧性构造变形带，主要由糜棱岩、片岩等高绿片岩相－角闪岩相构造变形变质岩组成，并在腾冲地块内厘定出4期岩浆活动。利用卫星红外遥感MODIS夜间月平均地表温度数据和方法，确定了腾冲地区地温异常的空间范围，推测出腾冲地区地下可能存在3个岩浆囊。

基于腾冲地块构造-岩浆演化特征、火山活动和卫星热红外遥感及环形影像，厘定大陆科学钻探选区位置，科学钻探于2012年5月至2013年9月完成，其后进行了测井。钻孔完整地反映了该区地层变化情况，从上部的新生代中基性火山岩、到中部发生严重蚀变的花岗岩至底部新鲜的花岗岩,为研究该区地层变化提供了依据。

该课题注重火山学、岩石学、矿物学、构造地质学、流体地球化学、地质年代学、地球物理学及遥感地质学等多学科交叉结合，系统地阐明了腾冲地区构造、花岗岩、火山岩、地热异常综合地质特征和成因特点，论证了腾冲地区构造、花岗岩、火山岩、地热异常对青藏高原隆升过程的相应，探讨在该区进行深孔科学钻探的必要性和可行性，为进一步进行超深科学钻探区选址提供了科学依据。

　　四、山东莱阳盆地南/北板块边界科学钻探选址预研究

“山东莱阳盆地南/北板块边界科学钻探选址预研究”由中国地质科学院地质研究所承担完成，课题负责人为张泽明研究员。课题的研究目标是通过基础地质调查、深部地球物理探测和综合地学研究，揭示胶北前寒武纪变质基底组成与构造热事件历史，莱阳盆地物质源区，中国南、北板块汇聚边界的位置与结合时限，分析大陆碰撞造山带的深部物质组成与造山动力学，论证在莱阳盆地开展深孔科学钻探的必要性和可行性。课题取得许多重要研究成果，特别是在大陆俯冲带超高压变质作用、极端条件下的流体-岩石相互作用、壳-幔物质交换等方面有创新性认识，为在扬子与华北板块边界开展超深孔科学钻探工程提供了重要的科学依据。

认为胶北地体的太古代岩浆作用分为2.9 Ga、2.7 Ga和2.5 Ga三期，胶北地体与华北板块更具亲缘性。苏鲁造山带南部榴辉岩和其中脉体的锆石U-Pb年代学、微量元素、Hf-O同位素的研究表明，榴辉岩与脉体是同时形成的，成脉流体出现在超高压变质峰期-早期折返阶段，脉体由榴辉岩的流体快速结晶形成。苏鲁造山带北部榴辉岩、片麻岩和相关长英质脉体的锆石U-Pb年龄、微量元素和Lu-Hf同位素研究表明，与长英质脉体形成有关的流体很可能起源于片麻岩的部分熔融。超高压片麻岩在折返过程中经历了部分熔融作用，产生的含水熔体引起了广泛的流体活动和榴辉岩的退变质作用。

课题提出胶北地体和苏鲁造山带是莱阳盆地重要的物质源区。在莱阳群中存在有三叠纪的变质锆石，指示超高压榴辉岩和片麻岩可能在早白垩世之前抬升剥蚀到地表。

提出苏鲁造山带南部高压和超高压蓝晶石石英岩的原岩为新元古代花岗岩；苏鲁超高压变质带南部蒋庄石榴石橄榄岩可分为含金云母和不含金云母两种不同类型，它们起源于亏损地幔楔，经历了多期变质交代作用；大别-苏鲁超高压变质带记录了6阶段流体-岩石相互作用；苏鲁超高压变质带北部威海地区的变质表壳岩经历了古元古代的超高温变质作用，峰期变质作用的温、压条件约为940℃和1.2 GPa，变质年龄为1845±9 Ma。

苏鲁造山带是研究中国南、北板块边界及其对接时空过程，板块汇聚边界的深部物质组成、结构、流变学与动力学的天然实验室，胶东地区有超大型金矿床，莱阳盆地及苏鲁造山带是超深孔科学钻探的最佳选区之一。课题还编制了胶东地区金属矿产分布图和苏鲁造山带胶北地区地质简图。

　　五、东部矿集区科学钻探选址预研究

课题“东部矿集区科学钻探选址预研究”由中国地质科学院地质研究所完成，课题负责人为吴才来研究员和薛怀民研究员。主要围绕矿产资源集聚区成矿地质背景及深部找矿前景这个主题，分别在铜陵和庐枞矿集区开展科学钻探预研究。其中铜陵矿集区科学钻探选址预研究，主要是通过铜陵矿集区的成矿背景、成矿条件和成矿前景，特别是区内岩浆作用的深部过程及其与成矿关系的研究，确定合适的钻孔位置，以期寻找深部可能存在的大型、超大型矿床的有利部位。庐枞矿集区科学钻探选址预研究，主要是通过对庐枞盆地的火山地质、火山-侵入杂岩、矿化蚀变分带、典型矿床成矿地质条件的剖析和成矿综合模型的建立，结合地球物理的研究成果和局部地区大比例尺的地质填图，确定深部找矿最有利的靶区。通过开展两个矿集区2500～3000米深钻岩心研究，建立系列剖面 (包括岩性剖面、构造剖面、地球化学剖面和同位素年代谱)；验证矿集区深部的地球物理探测成果，建立综合地球物理异常解释的“标尺”；探讨矿集区内金属矿床的垂向分布规律，完善两矿集区的成矿模式，开展深部及外围地区的成矿预测。

研究表明，铜陵矿集区的中酸性侵入岩可划分为高钾钙碱性系列和橄榄安粗岩系列，锆石U-Pb系统定年结果揭示出两个系列岩浆活动的序次。通过岩石学、地球化学及包体岩石学研究，确定了两个系列侵入岩的成因及深部地质作用过程。在岩浆岩研究基础上，结合区内构造与成矿规律研究，确定舒家店地区为2500～3000米科学钻的首选区。已完成2463m钻探进尺，发现1770米志留系下面存在年龄为127Ma的正长花岗岩。该类型岩石未在地表和其它钻孔中发现过，揭示了铜陵矿集区岩浆活动和深部结构的复杂性。

庐枞矿集区4个旋回的火山岩以橄榄安粗岩系列为主，锆石定年给出岩浆活动时限为133～127Ma，揭示岩浆作用持续的时间较短（约6Ma）。地球物理资料揭示出区内存在两条北东向的构造隆起带，且与成矿关系十分密切，结合火山岩研究，选择了科学钻的孔位，完成钻探进尺3008米。科学钻探揭示了庐枞火山盆地中的火山岩厚度小于2000米，盆地基底被大规模的二长岩侵入。钻孔岩心已强烈蚀变，显示自上而下由高岭石化→高岭石化+次生石英岩化→黄铁矿化+硬石膏化→黄铁矿化+次生石英岩化+硬石膏化+绿帘石化→碱性长石化+电气石化+黄铜矿化→绿帘石化+电气石化蚀变分带现象。钻孔中多个层位都有明显的黄铜矿矿化，矿化岩性包括砖桥组粗安岩、闪长玢岩、正长岩、二长岩以及辉绿岩等多种，铜矿化类型包括浸染状和细脉-微细脉两种，表明盆地深部或边部可能存在着（斑岩型）铜矿化的浓集中心。

　　六、科学超深井钻探技术方案预研究

课题 “科学超深井钻探技术方案预研究”由中国地质科学院勘探技术研究所主持，联合多家科研院所共同承担，课题负责人为张金昌研究员。课题目标是根据未来深部探测与科学研究的需求，提出一整套13000米以深科学超深井钻探技术方案及需要深入开展研究的主要关键技术问题；开发一套专用的科学钻探钻井设计软件；为实施地壳探测工程超深井做好必要的研究队伍和技术准备，奠定知识和智力基础。研发适用于复杂地形及各种破碎坚硬地层、钻深能力30～50米的地震探测爆破孔快速钻进及成孔成套设备和工艺技术。

课题组提出了一整套13000米科学超深井钻探技术总体方案，编写完成了《13000米科学超深井钻孔施工方案预研究》报告。总体方案确定采用“活动套管+自动垂钻系统”的超前孔裸眼钻进施工方案，钻井结构和套管程序设计为“7+1”模式（如图7）。同时，针对超深井的高温、高压和大应力环境开展了钻柱使用极限、井底动力机具、碎岩工具、取心工具与侧壁取样、钻井液、井底数据采集传输等关键技术的模拟试验和预研究。通过有限元分析和测试，拟定了超深井钻柱组合方案；成功研制了深孔低扰动长钻程取心钻具及隔液取心钻头；完成了国产涡轮钻具和钻进数据采集传输系统的技术方案设计；完成了高温钻井液体系试验研究，取得多组配伍方案；提出了超深井钻机选型及改造和钻井液连续循环冷却方案；确定井下数据采集与传输技术应用方案；对13000米特深科学钻井钻进施工进行经济性研究等。　　　　　　　　　　　　　　　　　　

开发了一套专用的科学钻探钻井设计软件（包括数据库系统、辅助设计系统和成果输出系统），编制完成软件报告1份，包括数据库系统、辅助设计系统和成果输出系统。软件系统对用户计算机硬件的要求低，有良好的可移植性，基于网络的数据库设置解决了数据库更新维护难的问题。软件在设计过程中所有的计算参数和公式均来源于相关的规程规范，能将用户当前设计井眼的所有数据收集整理为符合相关规范要求的设计报告。

研制成功钻深能力＞50米汽车装载地震探测爆破孔钻机一套，以及可与其配套应用的绳索打捞不提钻钻具及反循环连续“实时”取样双壁钻杆、钻具、钻头和辅助器具（图8）。

获得实用新型专利4项，分别是“一种用于微钻胎体PDC复合片钻头烧结模具（专利号：ZL 201220282480.1）”“钻机大钩位移检测装置（专利号：ZL201020133572.4）”“涡轮钻探工艺实验装置（专利号ZL201320778425.6）”“孔底动力钻具耐高温防失速节（专利号ZL201320245493.6）”。

　　七、大陆科学钻探选址与钻探实验综合研究

课题“大陆科学钻探选址与钻探实验综合研究”由中国地质科学院地质研究所承担完成，课题负责人为许志琴院士。课题围绕《大陆科学钻探选址与科学钻探实验》项目设置的7个科学钻探选址和科学技术示范实验，开展地质地球物理研究、大比例尺地质调查填图和科学钻探选址预研究，在条件成熟的选区实施科学钻探实验，为大陆科学超深钻探的选址提供依据。

首次使用地震层析方法获取了复杂地形和复杂地下结构地区的三维速度图像，并指出主矿体具有高速度异常特征。可控源音频大地电磁法低电阻率异常和地震层析高速度异常吻合，利用地面磁测对金川铜镍矿岩体航磁异常进行了定位、对航磁化极△ T异常作反演计算给出了本区深部铜镍硫化矿体中磁性体分布范围，由此认为含矿岩体是低阻体、高速、高密度和具有较强磁性的地质体。这为进一步找矿提供了依据。

课题组提出雅鲁藏布江蛇绿岩带新的侵位机制和构造模型，即雅鲁藏布江蛇绿岩具有两类侵位方式：南带的直接推覆体和北带的俯冲-折返-反冲模式，为罗布莎及整个雅鲁藏布江科学钻探的实施和找矿提供科学依据。发现雅鲁藏布江东段大反冲断裂（GCT）中的大规模假熔岩，为中新世大型化石地震的重要证据。

罗布莎地幔岩流变学研究表明，地幔柱与洋中脊岩石圈地幔交互作用的特殊地幔环境中可能形成橄榄石的(100)[010]组构，反映特殊的地幔流变状态。铬铁矿颗粒的应变分析表明，原始变形的铬铁矿形成于平面应力状态，反映低应力下的高温地幔流变特征。

确立大盈江断裂带是多期构造活动的产物，其中北部的后期拉张脆性变形，控制了腾冲-梁河一带火山岩和热泉的空间分布；揭示腾冲地体经历早印支期、早白垩世、晚白垩世-中新世和晚更新世4期岩浆-火山事件，并查明新生代火山区温泉的形成主要受深部岩浆囊、断裂分布、地下水循环和围岩成分等多方面因素的控制。

南岭的科学钻探（3000米）揭露了36层花岗质岩浆岩，主要成矿期母岩花岗闪长岩年龄为160Ma，花岗斑岩的成岩时代为151Ma，揭示各类矿化132层，达工业品位的铅锌和金银矿化带3段，判断了各类岩浆岩与矿化和推覆构造的关系。

配合山东胶莱盆地进行北中国与南中国板块之间缝合带的科钻预研究，通过莱阳群碎屑锆石U-Pb年代学和REE地球化学研究，表明碎屑锆石主要的年龄组：2500～2400 Ma，2000～ 1700 Ma，850～700 Ma，320～130 Ma，分布来自胶北地块和苏鲁超高压变质带，并指示超高压变质岩可能在早白垩世之前抬升剥蚀到地表。提出印支期间南-北板块之间超高压变质带的深俯冲-剥蚀的新模式。

　　八、结语

世界各国近百年地球科学观测实践表明，要想揭开大陆地壳演化奥秘，更加有效地寻找资源、保护环境、减轻灾害，必须进行深部探测。随着社会经济长期快速发展，我国面临的资源、能源、环境等问题也日益凸显。通过科学钻探直接观察地球内部，是开展深部矿产资源评价、有效地保护资源和减轻地质灾害的一条重要和极为有效的科学途径。我国的科学钻探事业方兴未艾。