大洋钻探1

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1、宁伏龙2006.10DSDP ODPIODP71%DSDP ODPIODP中日相隔这“一水之间”，平均宽度仅为210多海里。日本主张的“中间线”，是以它的北部岛链和中国的钓鱼岛为划界基点，到中国大陆沿岸岛屿为范围，进行“等距离划分”，比中国按照联合国海洋公约规定的“自然延伸原则”划分法，要多出16万平方公里。 “双方划界的观点对立，主要集中在冲绳海槽的法律地位上。我国认为深达2700多米的冲绳海槽隔断了大陆架，因此冲绳海槽以西部分，应看作中国大陆板块的自然延伸。而日本则认为，冲绳海槽只是小的凸起，中日在海上是属于共架，而不是分开的大陆架。如何界定我国东海的陆架范围和专属经济区范围已是我国政府的

2、当务之急，尤其是近年来的中日东海油气纠纷，给我国政府敲响了警钟。而ODP的深钻资料对东海陆架的划分意义十分重大，因为它能提供国际上认可的最权威的科学依据。 联合国1992年公布的国际海洋法公约关于“主权国家以200海里内的海域为其经济专 属区”的条款，钓鱼岛的实际价值是以该岛屿为依托，半径为200海里的庞大海域以及周围海域内的海底石油、矿产、海洋渔业等海洋资源以及领海、领空的交 通、运输权和未来潜在的资源，这些资源均应属主权国DSDP ODPIODPl第一节第一节 从莫霍计划到从莫霍计划到DSDPl第二节第二节 从从DSDP到到ODPl第三节第三节 从从ODP到到IODPl第四节第四节 大洋钻

3、探技术装备大洋钻探技术装备DSDP ODPIODPl1957年Scripps Institution of Oceanography 的Munk率先提议打一口超深钻，穿透莫霍面，他美国科学院院士，长期研究波浪和地球自转等问题，为理论海洋物理学做出了杰出贡献 ；lPrinceton University的Hess教授受此启发，他对Munk的提议作了认真严肃的思考，并开始为之奔走游说，成为后来的海底扩张说创始人 ；l1957年4月20日一个非正式的组织美国多样性协会（American Miscellaneous Society, AMSOC）几位成员在Munk家中的早餐会上对这一设想进行了探讨。与

4、该协会正常松散操作的模式相反，AMSOC组成了一个委员会，其主席是Gordon Lill，随后AMSOC向国家科学基金会（NSF）提交了钻探莫霍面的建议，但被否定了。其原因并非是由于建议的价值，而是因为缺乏正式的组织机构。1958年4月，AMSOC将其自身改建为国家科学院的一个正式委员会，重新提出了建议，这次成功了，于是AMSOC莫霍面项目诞生了。 DSDP ODPIODPl地壳与上地幔间的不连续断面，是地壳和地幔的分界线，大约位于大洋底面l0km之下，或在大陆地壳顶部之下约3040km处，称为莫霍洛维奇不连续面，以纪念首先发现它的克罗地亚科学家莫霍洛维奇，一般均简称为莫霍面。l在莫霍面上，地

5、震波的传播速度急剧地改变，说明地壳和地幔之间密度不同。DSDP ODPIODPl1960年12月23日，美国国家科学基金会与洛杉矶的环球海洋勘探公司签订合同，由该公司的CUSS 1号船实施莫霍面钻探任务；lCUSS 1号船主要由一个钻井架和4个大型船外深水定位发动机组成，它配备的缓冲钻杆，使之能在上下颠簸的船体上顺利地向下钻进；l1961年3月份23日4月12日，CUSS 1号船在墨西哥瓜得鲁普岛近海3558m水深处钻了五口深海钻井，最大井深183m，穿透了2500万年的深海沉积层，其下发现了13m的玄武岩，这是有史以来第一次在深海大洋打钻成功。钻探首先为大洋地壳是由玄武岩组成提供了直接的证据

6、；l其他的因素使AMSOC在1961年末失掉了它在莫霍面计划中的有利领导地位，AMSOC被贬低到顾问的地位，莫霍面的管理职权转移到国家科学基金会，AMSOC也于1964年1月18日宣告解散 。DSDP ODPIODPl1962年2月，美国科学基金会选择了德克萨斯州休斯敦的布朗公司和鲁特公司作为主要合同方；l此后在钻探技术上并未很快取得重大进展，莫霍计划是否可行，美国地学界出现针锋相对的两大派 。年青的激进派热烈赞同，积极支持；地位较高的保守派则强调该计划技术上的难度和不现实性；l而在钻探策略上也分两派，都在普林斯顿大学。Hess教授力主一鼓作气直捣莫霍面。另一派则以石油地质学教授H. Hedb

7、erg为代表，以他为首的一个评价莫霍计划的委员会认为，孤注一掷，花巨资直取莫霍面是否明智？何况能否成功仍存有风险，这个委员会建议分阶段实现目标，第一阶段先钻探大洋地壳基底以上的沉积层，采集深海底沉积岩芯，并积累深海钻探的经验。DSDP ODPIODPl与此同时，莫霍计划的经费预算扶摇上升。早期AMSOC对钻抵莫霍面的费用估计为1500-2000万美元；主承包方布朗和鲁特公司拟采用半潜式钻探船方案，估计所需费用已上涨一倍以上；1964年，莫霍计划的经费预算上涨到6800万美元 ；l1965布朗和鲁特公司与圣迭戈的国家钢铁与造船公司就建造实施莫霍计划的大型钻探船签订了分包合同，总计高达11000多

8、万美元。这已经是最初估计费用的六倍，从而使莫霍计划处于更为不利的境地；l1966年5月5日，美国众议院拨款委员会撤消了国家科学基金会在下个财政年度对莫霍计划的拨款预算。此后参议院拨款委员会的一个小组委员会又恢复了这项拨款预算。但在1966年8月18日，全体众议院以108票对59票最终否决了对莫霍计划的拨款。至此，莫霍计划经历了近十年的风风雨雨，终于寿终正寝。“莫霍钻”（Mohole）变成了“乌有钻”（Nohole）。 总的说来，要钻穿莫霍面，技术上并非不可逾越，但费用之昂贵，却令人难以接收。尽管莫霍计划最终取消了，但由于莫霍计划在深海钻探成功，人们已经认识到，实施深海钻探，广泛采获深洋底沉积岩

9、芯和基岩样品，在技术上是可行的，它给地球科学的发展带来不可估量的影响。 DSDP ODPIODPl上世纪50年代，芝加哥大学的C. Emiliani创立了测定有孔虫壳体的氧同位素以确定海水古温度的方法。1962年2月，他形成了一个想法，即要把他的同位素曲线上溯到更为久远的地质时代，这意味着要有很长的岩芯，需要能连续取芯的钻探船。随后他提议组织一个工作小组以推进这项计划，目标是从深海底采获长岩芯，以研究气候变化的历史和原因 ；l1962年6月10日，美国迈阿密大学、普林斯顿大学、拉蒙特地质研究所，斯克利浦斯海洋研究所伍兹霍尔海洋研究所等研究单位的知名学者在迈阿密聚会。与会者对Emiliani提出

10、的计划表示赞同并作了扩充这一计划被命名为长岩芯（LOCO）计划，会上成立了长岩芯委员会负责指导长岩芯计划。Emiliani担任委员会主席 。DSDP ODPIODPl1964年5月迈阿密大学海洋科学研究所联合加利福尼亚大学的斯克利浦斯海洋研究所，哥伦比亚大学的拉蒙特地质研究所以及伍兹霍尔海洋研究所成立JOIDES（Joint Oceanographic Institution for Deep Earth Sampling，地球深部取样海洋研究机构联合体)；l1965年45月间，JOIDES租用CALDRILL号动力定位钻探船在佛罗里达东岸外钻了14口井，钻探取得令人鼓舞的成果。这使科学基金会

11、和越来越多的人感到，与耗资巨大，前途未卜的莫霍钻探计划相比，在世界大洋打数量较多不太深的钻井，广泛采集沉积岩芯，看来是更为稳妥而明智的选择。l1966年夏，莫霍计划行将夭折。6月24日，美国科学基金会指定斯克利浦斯海洋研究所为JOIDES的操作单位，并与之签订合同，由科学基金会提供1260万美元，资助一项以揭示洋底地壳上层为目标的长期钻探计划，这就是举世瞩目的深海钻探计划深海钻探计划（）。 DSDP ODPIODPl环球海洋勘探公司被委托建造一艘深海钻探计划的专用钻探船。为了纪念18721876年开创环球海洋考察新纪元的英国“H.M.S.挑战者”号调查船，这艘新建的钻探船被命名为“格罗玛挑战者

12、”号。它于1968年3月建成下水，是15年深海钻探计划唯一的专用钻探船； DSDP ODPIODPl1968年8月11日，格罗玛挑战者号船驶离德克萨斯州奥兰奇（Orange）港，开始了深海钻探计划的第一航次。深海钻探计划的顺利进行，不仅在美国接纳了更多的海洋研究机构入伙，而且还吸引了其它国家的海洋研究机构“下海”。70年代中期，英国、前苏联、日本、西德、法国等五国加入深海钻探计划，使该计划进入了“国际大洋钻探”阶段。自1968年8月至1983年11月，格罗玛挑战者号共完成96个航次，航程60万公里，遍及大西洋、太平洋和印度洋各海域。深海钻探计划实施的16年过程中，格罗玛挑战者号在各大洋的624

13、个钻位上打了1092个钻孔，钻进总进尺超过32万米，取得岩心近9.7万米，钻探最大水深7044m，钻探海底最深钻孔达1741m，单孔钻入坚硬玄武岩1080m，钻探船海上作业成功地完成了重返孔位钻探达16次以上。 DSDP ODPIODP DSDP ODPIODPl深海钻探计划最主要的科学成就是验证了海底扩张和板块构造学说。根据海底钻探所取得的岩心，对洋底磁异常条带的年龄测定，确切地重建了大西洋的海底扩张历史。提出距今约9000万年前，南极洲与澳洲、南美洲先后脱离，逐步形成了大西洋。证明了印度板块曾以超过l0cm年的速率迅速向北漂移，在近6500万年移动了4500km，最后与西藏相碰撞，并形成了

14、印度洋。DSDP在南极海域的钻探，对南极冰盖发生发展、环南极洋流的形成以及与板块运动的关系等作了调查研究，这对于古海洋学研究和诞生起了重要作用，等等。DSDP的实施对地球科学其它方面也做出了重要贡献。 DSDP ODPIODPl1966年制订深海钻探计划时，经费预算1160万美元，安排了大西洋和太平洋18个月（九个航次）的钻探工作。这是深海钻探计划的第一阶段（19航次）。不久以后，追加投资2270万美元，将计划延长了30个月，这就是深海钻探计划的第二阶段，它包括16个航次（1025航次），钻探范围扩大到印度洋。此后又再次延长，投资3300万美元，安排了为期三年的第三阶段（2644航次）。197

15、5年11月，随着前苏联、原联邦德国等国加入，DSDP进入大洋钻探的国际协作阶段（Intemational Phase of Ocean Drilling，即IPOD）。l在IPOD开始之后不久的1976年，JOIDES的美国成员增加到了9个，组成了海洋研究机构联合公司（Joint Oceanographic Institutions Incorporated，即JOI）。大洋钻探国际协作阶段（IPOD）原计划到1979年结束。1977年，有关方面都认为需要有一个更长期的钻探计划，于是在伍兹霍尔召开了“科学海洋钻探未来”讨论会。伍兹霍尔会议与休斯顿会议（HUSOD）最终导致1980年制订了“大洋

16、边缘钻探计划（OMP）”。OMP一半由NSF出资，另一半由10个石油公司出资，由于石油公司与政府间协作上的矛盾，不久石油公司终止了对OMP的支持，OMP问世不到一年即行夭折。而IPOD却延续至1983年方才结束。 DSDP ODPIODPl1981年，深海钻探计划已进入最后阶段，为促进制订一个更长期的国际性大洋钻探计划，在德克萨斯大学召开了国际性的科学大洋钻探会议（COSOD），学者们普遍认为，深海大洋的钻探应当继续下去。这次会议讨论了如何进一步组织实施深海钻探计划，并以最有效的方式协调攻克最紧迫的科学问题。会议确定了下列优先研究的领域：大洋地壳的起源和演化；大陆边缘与大洋地壳的构造演化；海洋

17、沉积地层的成因和演化；大气圈、海洋、冰圈、生物圈和磁场的成因和长期变化；实现这些目标所需的工具、技术和有关的研究工作。1983年，德克萨斯农工大学提出使用“SEDCOBP 471”号船进行钻探的新的“大洋钻探计划”（Ocean Drilling Program，即ODP）。ODP于1985年1月正式实施。 DSDP ODPIODPl在新的大洋钻探计划中，JOIDES是该计划的学术领导机构，负责学术目标，钻探计划、设备、学术人选的确定。JOIDES分设执行委员会，预算委员会和计划委员会，后者所属的四个学术专题组为岩石圈专题组（LITHP）、大洋历史专题组（OHP）、沉积和地球化学过程专题组（SG

18、PP）以及大地构造专题组（TECP）。JOIDES的成员包括美国十家研究所其它国家英国、法国、联邦德国于1975年加入DSDP，并于1985年前后成为ODP正式成员国。日本于1985年加入ODP。以12个国家（丹麦、比利时、芬兰、希腊、冰岛、意大利、荷兰、挪威、西班牙、瑞典、瑞士、土耳其）联合体组成的欧洲科学基金会于1983年成为ODP成员。以上各成员分别承担总经费的6.3（295万美元）。加拿大和澳大利亚两国于1988年组成联合体，共承担6.3的费用。我国于1998年成为ODP的“参与成员”，即16成员国，每年缴纳会费50万美元（全额会费295万美元）。ODP每年的经费预算约4000万美元，

19、美国国家科学基金会是最大的出资机构，出资占总经费的62.6。各ODP成员根据出资多少按比例享受相应的权益（包括上船学者人数和在各委员会及专题组中占有的席位）。ODP已成为真正的国际性计划，总共有22个国家加入。 DSDP ODPIODPlJOI成为大洋钻探计划的日常管理机构，并由德克萨斯农工大学具体执行和实施。该大学还负责技术装备，船只管理，挑选上船学者，成果发表等日常工作，储存采自印度洋和太平洋的岩芯以及孔隙水等特殊样品。哥伦比亚大学的拉蒙特多尔蒂地质研究所则负责录井和井位调查数据库管理，并储存采自大西洋、地中海和加勒比海的岩芯。斯克利浦斯海洋研究所仍储存着DSDP阶段采自太平洋和印度洋的岩

20、芯。ODP还有一个岩芯库设在德国不莱梅大学。 DSDP ODPIODPl1994年2月34日在日本京都举行了“21世纪大洋钻探会议”，会上认为ODP1993年底以前的工作(100-151航次)为第一阶段，第二阶段为19941998年，第三阶段为19992003年，第四阶段为20042008年。京都会议提出了21世纪大洋钻探的学术目标是:(1)依靠不同海区、不同沉积速率和不同条件下获取的无扰动长岩芯，准确再造地球的古环境；(2)通过打穿大洋地壳，探查上地幔，实现“莫霍(Moho)钻”的夙愿，同时取得不同海区不同深度的岩石样品，并通过钻孔探测地球深部结构，建立全球性构造理论；(3)弄清板块俯冲动力

21、学机制，增强自然灾害的预测能力。为实现这些目标，日本准备建造的新世纪大洋钻探船拟采用“立管钻井系统”(Riser Drilling System)，德、法也分别造新的钻探船，预期出现三条不同的深海钻探船在全球进行钻探。因而，一场新的挑战和机遇，出现在当时各国地球科学界的面前。在此格局下，日本最先提出了“新世纪大洋钻探”的设想，随后日本科学技术厅(STA)与日本海洋科学技术中心(JAMSTEC)联合美国有关部门倡议提出了一项21世纪大洋钻探计划，简称OD21。OD21计划钻探水深初步为2500m，最终达到4000m，挑战性的海底以下钻孔深度7000m。DSDP ODPIODP21世纪大洋钻探（O

22、D21)的目的OD21是由日本科学技术厅与日本海洋科学技术中心（JAMSTEC）提议的一项21世纪大洋钻探规划。其目的是：l现今大洋钻探深度有限， 将来钻孔要直入地球的地幔l对一些基础问题，诸如地球变暖、地震发生的机制、生命起源等等展开研究。DSDP ODPIODPl从1996年开始，ODP及其学术领导机构“JOIDES”开始制定“进入新世纪海洋钻探长远计划”，提出2004年以后的大洋钻探计划的实施除了现役的“JOIDES Resolution”号之外，还将建造另一艘具有深水钻井控制能力的立管式钻探平台。经过多次关于ODP第四阶段研究计划和OD21的各种专题讨论会、协调会和研究计划会议，尤其是

23、1997年在东京召开的协调大洋上升式钻探的研讨会(Conference on Cooperative Ocean Riser Drilling，缩写:CONCORD)和1999年在加拿大温哥华召开的复杂平台研究的讨论会(Conference on Multiple Platform Exploration，缩写:COMPLEX)，基于这些会议的成果，把OD21和ODP一系列计划综合起来，就形成了“21世纪综合海洋钻探项目”，即IODP(integrated ocean drilling program)初步的科学计划，标志着大洋钻探的新时代即将到来。DSDP ODPIODPlIODP计划于20

24、03年10月1日开始实施，并开展为期10年的初始研究阶段。由于日本的“地球”号巨型钻探船还没有完全建成，为了避免科学资料的严重空白，美国地球物理学家、地震学家和气候学家于2004年6月使用没有经过任何改装的“乔迪斯决心”号调查船恢复了考察工作，返回到太平洋东北部实施科学钻探，继续维持每2个月一个航次的计划，直到2005年秋季。l21世纪IODP大洋综合钻探计划进程初步方案。DSDP ODPIODPl格罗玛挑战者号钻探船长12lm，宽19m，最引人注目的是耸立于船中部的43m高的钻塔，塔顶高出海面6lm，钻塔限于这一高度是根据世界上主要海港的桥梁高度设定的。钻塔下即是井口，直通海里。该船排水量1

25、0500t，是第一艘能在水深大于6000m的深海底钻探的船只。钻探用的数百根钻杆为12.5cm口径的无缝钢管，用一套自动垒管装置来处理并堆放于钻台前面。钻探时，钻杆需一根一根接起来，通常要耗时十小时接上百余根钻杆，才能在数千米深的海底开钻。 l格罗玛挑战者号船装备了先进的动力定位系统，不用抛锚即能使船位保持在钻孔附近。船侧有四只侧向推进器，使船只可前后左右自如地移动。当声呐信标到达井位附近海底时、它所发回的信号由装在船底的4只水听器接收，据此计算机可随时确定钻探船相对于井位的位置，并指令船上推进器不断调整船位，从而使钻探船能在9级风速时保持船位，进行正常的钻探作业。船上还有滚摇稳定装置。钻探时

26、船的纵摇和横摇平均不超过9。 DSDP ODPIODPl在1970年发明了重返钻孔装置 。在起钻时，原先设置的重返钻孔漏斗仍留在海底钻孔上。漏斗上安装了数个声纳反射器。当钻杆试图再进钻孔时，其末端所设的高分辨率扫描声纳可接收漏斗上声纳反射器发出的回波，从而寻找到原钻孔的位置。钻杆末端的扫描声纳通过长达数千米的电缆与船上的控制中心相接，控制中心借助钻杆上的喷嘴喷射水流，使钻杆移向重返钻孔漏斗，最后进入原钻孔再次钻进。这套重返钻孔装置于1970年11月在加勒比海的深海钻探第15航次上首次使用，并获得成功。自此以后，在同一钻探点多次更换钻头重新钻进已成为深海钻探中的常规作业，这就极大地提高了深海钻探

27、的钻进能力，使深海钻探进入一个新时代。 l格罗玛挑战者号船备有充足的燃料、淡水和食物，足够海上连续作业三个月之需。但为保险起见，大多数航次都不超过两个月。由于钻探和取芯是昼夜不息连续作业的，每一航次均设有两位首席科学家24小时轮流值班。首席科学家有时是该航次钻探目标的倡议者，有权参与制定计划。他们在JOIDES指导下负责实施钻探的科学目标。在钻探作业中，他们要视实际情况确定具体井位和终孔深度，决定是连续取芯还是间断取芯。每一航次有地球物理学家、沉积学家及古生物学家等组成的船上科学小组。他们利用船上精良的实验设备，可就地在船上进行岩芯处理、涂片分析、摄影、各种物性测量和古生物研究等。岩芯从9m长

28、取芯器内的塑料管中取出后，要切成6段，每段长1.5m，再分成两半。一半是工作岩芯，供研究取样用。另一半供描述、照相和储存。DSDP所取的大西洋岩芯，储存在拉蒙特地质研究所（位于美国东海岸）；太平洋和印度洋的岩芯则储存在西海岸的斯克利浦斯海洋研究所。DSDP ODPIODPl考虑到洋盆的巨大深度，深海钻探，包括动力定位和重返钻孔等先进技术，无疑是海洋勘探史上的一项奇迹。一位学者曾说过，本世纪60年代在科学技术上有两项震惊世界的业绩：l一项是人类首次登上月球；l另一项就是成功地钻进深海洋底。格罗玛挑战者号船于1983年11月退役后已被拆毁，对此许多学者均感到惋惜。这艘与地球科学革命息息相关的钻探船

29、，本应该保存下来，留作永久的展示和纪念。DSDP ODPIODPl1983年，“格罗玛挑战者”号退役，乔迪斯决心号（JOIDES Resolution)接替它执行大洋钻探计划。它原名为“SEDCOBP471号”，1978年造于加拿大Nova Scotia的Halifax，原是美国SEDCO公司和英国石油公司所属的商用钻探船，投入墨西哥湾石油勘探作业。后改装后供大洋钻探计划使用，更名为乔迪斯决心号。 DSDP ODPIODPl乔迪斯决心号钻探船长度143m，宽度21m；钻塔高61.5m，能操作9150m钻杆柱。其钻探能力为9150m，钻探最大水深8235m，可在狂风巨浪（风速50节，浪高8m）下

30、持续作业。它比格罗玛挑战者号钻探船功率更强，稳定性更好，钻探深度更深。除同样拥有重返孔口技术外，它还装置有12个用于动力定位的强力推进器，以及性能优越、提举能力达400t的世界上最大升沉补偿装置，使整套钻具不致随船体在海面波动升降起伏，造成钻头离开孔底或与孔底猛烈撞击，降低钻进效率或发生事故。配备有孔口防喷装置使钻探作业可在含油气区工作。高强度的船壳使其可以在高纬度冰山海域作业。该船拥有1400m2的7层实验室，可供沉积学、岩石学、古生物学、地球化学、地球物理、物性和古地磁等方面的分析研究；实验室配备电子扫描显微镜、最新的X射线荧光计、X射线衍射仪、气相色谱仪、热解分析仪等先进仪器等。船尾设置

31、地球物理实验室，可提供单道地震反射剖面研究。楼顶是监视钻孔的孔下测量实验室。 DSDP ODPIODPl大洋水深一般为2-5km，故ODP的船不可能用平台钻井，而是从船底本身开一圆形口，称为“月池”（moon pool），这是一个约7m（23ft）宽的孔，钻杆和钻具通过该孔放入。钻井架位于月池之上，工作人员通过带有钢索的卷扬机将钻杆吊起并下放到孔中，在5500m深的海洋中，下放钻头就需要12的小时的时间。ODP使用的钻杆不同于石油钻井用的、称之为缓冲钻杆。它由两层钢管组成，以便吸收由于风浪引起的颠簸而造成的上下运动，但一旦齿槽咬合后就能传递动力进行钻探。先进的设备使ODP船上装、卸一根钻杆仅需

32、一分钟左右的时间，从而保证了钻进的快速。 l海底钻探工艺与陆上大致相同。但是，根据沉积物(或岩石) 类型的不同， 钻探工艺和使用的钻具也不一样。现在，在每个孔的上部300m，采用改进的液压活塞取芯(hydraulic pistal core)，可获得连续的未受扰动破坏的弱固结沉积物的岩芯， 并由此获得可靠的地层、古地磁和其它成果。下部继续采用ODP的常规方法取芯，迄今已创连续取芯lkm以上及钻穿玄武岩洋壳深达500m的记录。 l由于该船没有安装孔口防喷器，因此不能在含石油和天然气的高压地层施工，在选择钻进地点时必须考虑这一点。另外，由于在钻探船与钻孔之间没有一个封闭的通道，无法实现泥浆循环，钻

33、井泥浆从孔口直接排入海洋中。 DSDP ODPIODPl在海洋钻井中，波浪导致的钻探船垂直上下运动也会给钻进和取芯带来麻烦。为此，就需要升降补偿装置来减少船体竖向运动对钻杆和取芯工具的影响。否则，就只能在风平浪静的时候进行钻进和成孔 。被动式升降补偿（Passive Heave Compensator）系统可以在海洋钻进时减低钻杆相对于船身移动距离24英尺，保证钻头尽量少的受到海浪的影响达到最好的工作状态。1999年又添加了主动升降（Active Heave Compensator）系统，可以减少钻杆的相对移动达4in（图），从而大大减少停机时间和提高岩芯采取率。 DSDP ODPIODPl当

34、在硬质岩石或很深钻孔中长时间钻进时，钻头多次进入钻孔，依靠一个特殊的钻柱重入钻孔系统（“重入锥”）来完成。该系统能借助船上的计算机和钻具末端的声波发射器自动控制钻具下放至已钻好的钻孔中。正是由于这个神奇的系统， 在太平洋东赤道海区的几个航次中， 钻成了海洋中最深的钻孔504B(当前它的深度为海底以下2105m )。 DSDP ODPIODPl海洋钻探一般深度较大，有时仅水深就有几千米。为了减少起下钻和钻头重入钻孔次数，DSDP和ODP都采用了绳索取芯方法，可明显节省施工时间。ODP钻进采用锥形绳索取芯钻柱，以减轻钻柱重量，其设计钻深能力为9150m。 图6 ODP绳索取芯钻杆 DSDP ODP

35、IODPl对钻进过程中的数据和钻进参数进行实时的数据采集，采集的数据结果用数字和图形显示出来。决心号上的钻探平台检测系统（Rig Instrumentation System） DSDP ODPIODPDSDP ODPIODPl大洋钻探计划（ODP）特别重视工程技术上的创新。在取心技术上研发了高级活塞取心器（APC）和超前式取心管（XCB）。APC可采获未扰动沉积岩心，还能测量孔内温度，为岩心标出磁北参照方位。研制成重18t的硬岩导引底盘（HRB），用大量水泥将其固定于海底孔位，用来支持钻具，从而成功地钻进了大西洋中脊裸露的新洋壳。这项技术对于年轻的洋壳及其热液作用和热液矿床的研究有重要意义。

36、l大洋钻探计划还十分重视在钻探和采集岩心的同时进行系统的孔内测量，还包括孔下电视，在孔内放置长期性传感器，以实时记录当地的微地震、流体温度、压力和化学变化等，从而将钻孔变成观测站和天然实验室。lODP还研制新的钻进技术系统，如金刚石钻探取心系统（DCS），用于破碎坚硬岩石并取心，以及在软硬相间的地层中（如燧石与白垩）的取心。许多新技术起初是从石油公司和工业系统移植过来的，而ODP所研制和革新的若干高新技术又反过来为石油公司和工业部门所采纳，使科学界和工业界相互促进、共同发展。 DSDP ODPIODP取芯技术对科学大洋钻探来说尤其重要。因为各种钻探目标的实现与岩芯的质量息息相关。自1986年开

37、始执行“深海钻探计划”以来，海洋地壳的取芯钻探技术得到了持续的发展。针对不同的使用条件，研究和开发了一系列取芯方法和工具，包括：l超前式活塞取芯器（APC）：应用于淤泥软质沉淀层；l旋转式取芯器（RCB）：应用于中等到偏硬的均质沉积层；l伸缩式取芯管（XCB）：应用于坚硬的沉积层；l超前式金刚石取芯管（ADCB）：应用于较硬的沉积层和火成岩层中；l孔底马达驱动式岩芯管（MDCB）：应用于异质交互层和较硬的断裂层；l保压取样器（PCS）：应用于需要维持原位压力时的取芯操作。 DSDP ODPIODPl对于沉积地层的钻进来说，DSDP阶段发明的“液压活塞取芯”设备(HPC)是保证无搅动取样的重大进

38、步，ODP阶段发明的“超前式活塞取芯”设备(APC)又是更大的改进。超前式活塞取芯器（图12）专用在海洋沉积软层中取样，是一种液压制动活塞取芯器。其设计目的是从非常松软的到比较硬的沉积物中获取相对不受钻探扰动的、连续长达9.5m的岩芯，是现有的取芯工具中能够最大程度获取岩芯样品的工具。 旋转钻进取芯和活塞式取芯的样品质量对比 活塞式取芯管伸到了APC/XCB钻头的外面DSDP ODPIODP伸缩式取芯管(XCB) （图13）是依靠钻具组合的旋转来切割岩芯的取芯器。这种取芯工具能从软到中等硬度的地层中获取9。5m长的岩芯样品。当地层对APC来说硬度太大的情况下使用这种取芯工具。XCB切割鞋可以伸

39、长并超出主钻头，伸入到松软的沉积岩中，并在碰到硬的沉积岩的时候自动缩回。一般这种工具的使用深度是海底下的500600m之间。XCB用于软硬交变的地层，在软层中，岩芯管在弹簧力作用下向前伸出，超前钻头一段距离（178mm），可避免钻头水口处喷出的高速液流冲蚀岩芯。遇到硬岩后，岩芯管受到的阻力加大，弹簧被压缩，内管退缩至常规岩芯管的取芯钻进状态。 167APC/XCB钻头和伸到钻头外面的XCB切削头DSDP ODPIODP回转取芯管(RCB) （图14）是一种旋转取芯工具，能在坚硬的沉积岩中或火成岩基底中进行取芯。该取芯筒能够获得9.5m长的岩芯，并通过金属缆线回收岩芯。该系统由钻机动力驱动，采用

40、四牙轮取芯钻头，取芯直径为58.7mm。采用单动双管，岩芯管有效长度为9.5m。岩芯管下端的卡簧接头内装有一个或两个岩芯卡簧，可根据地层具体情况选用。这种取芯管是大洋钻探取芯系统中最结实的。其机械钻速一般为4-9.8m/h, 岩芯采取率一般为20-55%。不需要取芯钻进时，可下入一个端部带切削具的中芯塞，将取芯牙轮钻头变成全面钻进钻头。 167DSDP ODPIODP改进的金刚石取芯筒(ADCB)，是矿山工业技术在科学大洋钻探中的应用。这种工具用来在成岩好的沉积岩或火成岩地层中获取岩芯样品，特别是在活塞取样器、伸缩式取芯管和回转取芯管使用效果不好的硬地层应用。 167金 刚石 钻头内 管扶 正

41、器扶正器钻 铤 接头内管扶正器内管支承环顶 部公 接头长 的母 接头DSDP ODPIODP该系统（图17）用于软硬交替层、硬岩和破碎岩层。位于牙轮钻头内部的取芯系统由孔底马达驱动，采用薄壁金刚石钻头，可在坚硬难钻的地层中获得高的钻进效率和好的取芯效果。金刚石取芯系统超前于牙轮钻头钻进一段距离后，用牙轮钻头再扩孔，内外钻进系统彼此独立。内部金刚石取芯钻进系统的钻压靠一个基于水压原理工作的给进器来提供，可通过更换喷嘴来实现不同流量时钻压的控制。 167MDCB在钻台上的水力流动测试牙轮钻头金刚石钻头岩心卡簧单动双管螺杆马达反扭矩弹卡捞矛头给进器活塞给进管六方杆给进器喷嘴扶正衬垫内管轴承机械式夹簧

42、卡压水腔DSDP ODPIODP为了获得深海天然气水合物原位实物样品，DSDP、ODP从20世纪70年代开始研制开发专用取芯工具，前后经历十余年的时间。1979年，Hunt提出该类取芯工具的技术研制思路；1983年，Kvenvolden等的研制工作失败；1995年，Jerald Dickinson等研制成功该型取芯器，并首次成功应用于在美国东南部大西洋海域“布莱克海脊”ODP164航次的钻探取样工作。这就是现在已经被广为认可的天然气水合物保压取芯器(PCS)及其后来开发成功的保压保温取芯器(PTCS) 。 167不转动的内管保压岩心长度34-in直径1.65in压力10000PSI球阀超前钻头

43、球夹卡簧DSDP ODPIODPl水合物高压取芯设备(HYACE)是由欧盟海洋科学与技术计划倡导开发的项目。该项目开始于1995年，1997年开始得到欧洲科学基金的资助。参与开发该项目的有6个欧洲国家及2个工业伙伴。ODP是HYACE项目上的合作伙伴，提供航次和模型测试过程中工程技术方面的支持。HYACE是研究天然气水合物和深部生物圈的理想工具，这个装置是一种由缆线控制的岩芯采集系统，它能使样品在采集后依然能保持其原始的温压状态。它可以采集到的岩性范围很广(从软的沉积物到硬的岩石)，取芯长度1m，岩芯直径可以超过50mm。HYACE的附加系统可以在一定的压力和人工控制的温度下对样品进行无损的物

44、化分析，并容易将岩芯转至实验室的压力仓内。HYACE在2001年的ODP193航次进行了比较成功的使用。 167英国Geotek公司制造的高压岩芯转移测试装置 DSDP ODPIODPl海底之下的地层中的流体循环深深地影响着大量的地质作用，如海底热液循环控制着热和化学平衡，还可能控制海底之下年轻的大洋地壳中的微生物群落；俯冲环境下的脱水作用与地震旋回紧密相联，与碳循环也密切相关。因此需要在钻孔完钻、测井以及完井之后，对裸孔进行长期的观测，尤其在裸孔恢复到原始状态下进行。目前ODP已经开发并比较成功应用的有循环扰动去除工具箱(CORKs)及一系列水文地质观测仪。l为了有效地利用裸孔作为水文地质实

45、验室，通过直接取样和裸孔实验，去了解这些水文地质系统，就需要把钻孔密封，以使之从钻探扰动状态恢复到原始状态，CORKs的作用就在于此。CORKs代表了ODP在90年代的一个重要革新。CORKs的开发始于1990年，开发的目的是为了有利于进行海底下的热液及其物理特征研究。19911997年13个CORKs已经在很多DSDP/ODP钻孔安装，在许多水文背景下得到应用。 167DSDP ODPIODP新一代的ACORKs在原来的基础上，将一个钻孔封隔出多个密封区，这样与自然状态下的水文地质结构更相一致，为海底之下的水文地质观测开创新的途径3。通过在CORKs和ACORKs内安装各种仪器以进行长期的实

46、地物理、化学及生物特性的观测。这些观测结果在我们对地球系统的研究中作用巨大，因为它们往往与地球动力学的研究直接相关。同时应用其他由CORKs和ACORKs隔离于裸孔中的地球物理设备，进行水文学的监测和测试，以及对海底下的流体和微生物实施取样，将在天然气水合物、深海生物圈研究中，提供了重要的技术保障。 167DSDP ODPIODPlIODP是一个多平台的海洋研究项目，包括一个不反浆式钻探船Riserless Vessel（a）、一个反浆式的钻探船Rise Vessel（b）和一个适用于特殊任务的钻井平台（c）。 167 （a）决心号 （b）地球号 （c）特殊任务处理船DSDP ODPIODP

47、167DSDP ODPIODPl竣工庆典：2001年4月25日 起名： 2002年1月18日 下水庆典： 2002年1月18日 提交： 2005年6月29日l“The Chikyu”在日本的意思是“地球行星”。该船的最大的特点就是使用了先进的钻探设备可以提高IODP项目的科研的能力，能深入到地壳中的新的领域l返浆式系统使用了一种位于钻杆外层的外套管，其作用是提供钻井液的循环并且维持钻孔内部的压力平衡。此外地球号钻探船还带有一个特殊的防止气体和油井喷的保护装置。 这个两个先进的钻探技术对于深海中数千米的钻进施工是必不可少的。 船只分类NK航行区域海洋（范围宽广）长210m约8节新干线列车的长度宽

48、38.0mFutsal庭院的宽度高（船底部）130m共建30层吃水深度16.2m草图9.2m总顿数57.087t航行范围约14800海里（满负载情况下航速10节）27410公里船员数目150人船员100，科学家50动力系统侧向推动器：2550KW（3470PS）1主推动器：4100KW（5710PS）3（船尾）螺旋桨的直径为3.8m数据处理站（DPS）NK DPS-B风速：23m/秒表面流量：3-4节浪高：4.5m最大航速12节约22Km/h，和脚踏车速度相当发电机35000KW主力发电机：5000KW6辅助发电机：2500KW2直升机平台提供大型直升飞机的起飞和着陆钻进设备方面的参数钻进系统

49、反浆式钻进系统，不反浆式钻进系统系统最大水深（反浆式钻进）2500m钻杆的长度10000m约富士山山峰的3倍高钻井口封闭盖重：380吨高：14.5m压力：103MPa反浆套管（Riser pipe）长度：27m直径：约50cm钻杆长：9.5m直径：13-14cm钻塔高：70.1m宽：18.3m长：21.9m悬挂能力：1250顿月池（Moon pool）12m22m卷扬机起吊能力：1250顿5000马力（3728KW）DSDP ODPIODP 167DSDP ODPIODP 167DSDP ODPIODPl在油气工业中使用过的工艺，这里是第一次将这种钻探工艺应用在油气工业中使用过的工艺，这里是第

50、一次将这种钻探工艺应用于科学研究；于科学研究；l套管的作用是方便钻杆的重新下放、方便在孔内下放测量设备和套管的作用是方便钻杆的重新下放、方便在孔内下放测量设备和保持水压平衡；保持水压平衡；l泥浆由船载的泥浆泵提供的压力通过钻杆输入到孔底，然后在通泥浆由船载的泥浆泵提供的压力通过钻杆输入到孔底，然后在通过钻杆和钻孔的环状空隙（海底岩石区域）或钻杆和反浆套管的过钻杆和钻孔的环状空隙（海底岩石区域）或钻杆和反浆套管的环状孔隙（海水区域）返回到钻探船完成其循环；环状孔隙（海水区域）返回到钻探船完成其循环；l防井喷井口封闭盖（防井喷井口封闭盖（Blow Out Preventer ）也是深海钻）也是深海

51、钻探中不可缺少的设备，其作用是有效的阻止海底蕴藏的高压天然探中不可缺少的设备，其作用是有效的阻止海底蕴藏的高压天然气混合物从海底深埋的地层中喷射出来。气混合物从海底深埋的地层中喷射出来。 167DSDP ODPIODP 167DSDP ODPIODP 167入口入口 起居室起居室 DSDP ODPIODP 167定位推进器定位推进器 DSDP ODPIODP 167DSDP ODPIODP 167钻塔钻塔 “地球号”钻探船的钻塔高度达水平面上121，钻塔的左边是一个挂物架，用来起吊救生艇和四周的钻杆。在钻塔的中心位置安装有一个起重机，可以起吊的最大荷载是1200吨，如：钻杆、钻杆柱。 DSDP

52、 ODPIODP 167钻进操作室钻进操作室 钻进操作室是提供给钻进操作人员对整个钻进工作过程进行监控和操作的，这里面装备了所有钻探活动和所有机器的控制系统和仪表盘。 DSDP ODPIODP 167钻杆运输系统钻杆运输系统 钻杆运输系统用来将钻杆从存放点运输到钻杆悬挂架和起重机的位置。同时，该系统也完成从悬挂架和起重机上接收钻杆并且将其传送到存放库中。 DSDP ODPIODP 167液压卡盘液压卡盘液压卡盘是液压卡盘是钻探台上的钻探台上的设备，用来设备，用来安装和卸载安装和卸载钻杆。钻杆。 DSDP ODPIODP 167岩心传送带岩心传送带岩心传送带岩心传送带用来传送从用来传送从海底取出

53、的海底取出的岩心到岩心岩心到岩心切割部门。切割部门。 DSDP ODPIODP 167岩心切割室岩心切割室 取心钻探中通过绳索取心工具得到的岩心长度为取心钻探中通过绳索取心工具得到的岩心长度为9.0m。岩心切割室是用来将。岩心切割室是用来将9m长的岩心段切割成长的岩心段切割成1.5m的等分岩心段便于后期的研究。由于海底所的等分岩心段便于后期的研究。由于海底所取得的岩心可能含有一些高压的气体，所以在岩心取得的岩心可能含有一些高压的气体，所以在岩心切割室还需要安装有其他一些特殊的装置如：固定切割室还需要安装有其他一些特殊的装置如：固定的岩心台、通风系统、气体监测器和特殊事件后的的岩心台、通风系统、

54、气体监测器和特殊事件后的眼睛或身体清洁器。眼睛或身体清洁器。 DSDP ODPIODP 167X X光光CTCT扫描实验室扫描实验室 X光CT扫描仪是一种使用X光扫描并且不损坏岩样而对其进行测量的仪器。在医疗领域该仪器应用的非常广泛。在岩心的物理特性发生变化或岩心的被切割成两份前，使用该仪器可以测量整个岩心的CT值和内部结构构造。该仪器还可以测量岩心内部的异质，这为对岩心的研究提供了更加有效的信息。 DSDP ODPIODP 167微生物实验室微生物实验室质量分析和控制实验室DSDP ODPIODP 167岩心实验室岩心实验室磁屏蔽实验室DSDP ODPIODP 167钻井液循环系统钻井液循环系统 DSDP ODPIODP 167月池（月池（moon pool） DSDP ODPIODP 167月池（月池（moon pool） DSDP ODPIODP 167DSDP ODPIODP 167