《地质学报》：国际大陆科学钻探（ICDP）进展（苏德辰、杨经绥）

第84卷第6期地质学报 CTA GEOLOGICA SINICA Vo.84N0.6 国际大陆科学钻探(ICDP)进展 苏德辰,杨经绥 国土资源部大陆动力学重点实验室,中国地质科学院地质研究所,北京,10037 内容提要:直接进入地球内部观察研究地球的成分、结构构造和各种地质作用是人类的长期梦想,就目前人类 的科学技术条件,人们还不可能直接钻入地下进行实地取样与观察。科学钻探是获取地球深部物质、了解地球内 部信息的最直接、最有效、最可靠的方法。国际大陆科学钻探计划成立以来,已经在许多领域取得了重要成果,发 表了大量的文章。本文对科学钻探的发展过程、大陆科学钻探的意义、国际大陆科学钻探委员会成立的背景与建 立过程、组织结构、立项程序、立项准则以及研究领域做了简要概述。对国际大陆科学钻探近年来在气候变化与全 球环境、陨石撞击坑及撞击过程硏究、地球生物圈、火山系统和热流机制、地幔柱和大洋裂谷、活动断裂、汇聚板块 边界和碰撞带、自然资源等主要研究领域的重要进展做了综述,重点介绍了日本的云仙火山钻探项目、美国夏威夷 火山科学钻探和圣安德列斯断裂深部观测计划的主要进展。概括和总结了中国实施的3个国际大陆科学钻探项 所取得的成果进展和中国的大陆科学钻探事业近期的主要活动。 关键词:国际大陆科学钻探;气候变化;陨石撞击;地球生物圈;地幔柱;活动断裂 1科学钻探的发展 法,是地球科学发展的不可缺少的重要基础,对21 世纪地球科学和相关科学技术发展具有重要的推动 上天、人地、下海洋,是人类自古以来的三大梦和带动作用,同时也是解决人类社会发展面临的资 想。自1957年前苏联成功发射了第一颗人造地球源、灾害、环境等重大问题的重要途径之一。 卫星以来,人类已对太空进行了无数次成功探索。 通过数千米甚至上万米的大陆科学钻探,科学 人类已经不止一次在月球上留下了脚印,未来若干家可以揭示大陆地壳的物质组成与结构构造,校正 年,登上火星的梦想也即将实现。“上九天揽月,下地球物理方法对地球深部的遥测结果,探索地球深 五洋捉鳖”已经成为现实。然而比起上天下海,人们部流体系统、地热结构,监测地震活动,揭示地震发 对自己生活的地球内部所知甚少 生规律,研究全球气候变化及环境变迁,探索地下微 人们根据地表及近地表的地质研究成果以及地生物的分布及潜育条件,预防环境及地下水污染,有 球物理等间接方法提出了一系列学说,也一直幻想效处理核废料,长期观察地球变化等等,可以解决一 着各种可以直接入地进行观察观测的方法。由于坚系列重大基础科学问题。因此,大陆科学钻探工程 硬岩石的阻隔,人类对地球内部直接观察困难重重。被形象地誉为“伸入地球内部的望远镜”。对解决人 到日前为止,人们对地球内部的认识大多是通过地类社会发展所面临的资源、灾害和环境三大问题都 球物理等间接方法获得的,这种地表的地球物理遥有十分重要的意义,同时也是带动21世纪地球科学 测只能获得构造影像,对地球深部的推测则存在许和相关科学技术发展的大科学工程, 多不确定性与“多解性” 科学钻探的兴起,始于20世纪中叶(刘广志 对地球奥秘最直接的探索和对地球物理及实验2005)。1957年3月,美国国家基金地球科学部的 室取得的数据进行验证,必须深入到地球内部,获取成员 Walter munk提出倡议,利用深海钻探在地壳 样品及各种信息。科学钻探是获取地球深部物质、最薄的地方打穿莫霍面,以研究地球的年龄、地幔的 了解地球内部信息的最直接、最有效、最可靠的方物质组成和内部作用,这就是著名的“莫霍计划” 注:本文为国家专项“深部探测技术与实验研究”(编号 SinoProbe05-02)资助的成果 收稿日期:2010-04-14;改回日期:2010-05-07;责任编辑:周健 作者简介:苏德辰,男,1964年生。博士,研究员,矿床学与沉积学专业,主要从事中国的大陆科学钻探项目信息集成与共享研究。通讯地 址:100037,北京市百万庄大街26号,中国地质科学院地质研究所;Email:sudechen@gmail.com

书 第!"卷 第#期 $ % & % 年 # 月 地 质 学 报 '()'*+,-,*.('/.0.(' 1234!" 024# 5678 $%&% 注!本文为国家专项"深部探测技术与实验研究#$编号/972:;2=%$%资助的成果& 收稿日期!$%&%=%"=&"'改回日期!$%&%=%>=%?'责任编辑!周健& 作者简介!苏德辰(男(&@#"年生&博士(研究员(矿床学与沉积学专业(主要从事中国的大陆科学钻探项目信息集成与共享研究&通讯地 址!&%%%A?(北京市百万庄大街$#号(中国地质科学院地质研究所'+BC93!D6E8FG87!HBC934F2B& 国际大陆科学钻探!!"#$"进展 苏德辰!杨经绥 国土资源部大陆动力学重点实验室(中国地质科学院地质研究所(北京(&%%%A? 内容提要#直接进入地球内部观察研究地球的成分)结构构造和各种地质作用是人类的长期梦想(就目前人类 的科学技术条件(人们还不可能直接钻入地下进行实地取样与观察&科学钻探是获取地球深部物质)了解地球内 部信息的最直接)最有效)最可靠的方法&国际大陆科学钻探计划成立以来(已经在许多领域取得了重要成果(发 表了大量的文章&本文对科学钻探的发展过程)大陆科学钻探的意义)国际大陆科学钻探委员会成立的背景与建 立过程)组织结构)立项程序)立项准则以及研究领域做了简要概述&对国际大陆科学钻探近年来在气候变化与全 球环境)陨石撞击坑及撞击过程研究)地球生物圈)火山系统和热流机制)地幔柱和大洋裂谷)活动断裂)汇聚板块 边界和碰撞带)自然资源等主要研究领域的重要进展做了综述(重点介绍了日本的云仙火山钻探项目)美国夏威夷 火山科学钻探和圣安德列斯断裂深部观测计划的主要进展&概括和总结了中国实施的A个国际大陆科学钻探项 目所取得的成果进展和中国的大陆科学钻探事业近期的主要活动& 关键词#国际大陆科学钻探'气候变化'陨石撞击'地球生物圈'地幔柱'活动断裂 & 科学钻探的发展 上天)入地)下海洋(是人类自古以来的三大梦 想&自&@>?年前苏联成功发射了第一颗人造地球 卫星以来(人类已对太空进行了无数次成功探索& 人类已经不止一次在月球上留下了脚印(未来若干 年(登上火星的梦想也即将实现&"上九天揽月(下 五洋捉鳖#已经成为现实&然而比起上天下海(人们 对自己生活的地球内部所知甚少& 人们根据地表及近地表的地质研究成果以及地 球物理等间接方法提出了一系列学说(也一直幻想 着各种可以直接入地进行观察观测的方法&由于坚 硬岩石的阻隔(人类对地球内部直接观察困难重重& 到目前为止(人们对地球内部的认识大多是通过地 球物理等间接方法获得的(这种地表的地球物理遥 测只能获得构造影像(对地球深部的推测则存在许 多不确定性与"多解性#& 对地球奥秘最直接的探索和对地球物理及实验 室取得的数据进行验证(必须深入到地球内部(获取 样品及各种信息&科学钻探是获取地球深部物质) 了解地球内部信息的最直接)最有效)最可靠的方 法(是地球科学发展的不可缺少的重要基础(对$& 世纪地球科学和相关科学技术发展具有重要的推动 和带动作用(同时也是解决人类社会发展面临的资 源)灾害)环境等重大问题的重要途径之一& 通过数千米甚至上万米的大陆科学钻探(科学 家可以揭示大陆地壳的物质组成与结构构造(校正 地球物理方法对地球深部的遥测结果(探索地球深 部流体系统)地热结构(监测地震活动(揭示地震发 生规律(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(有 效处理核废料(长期观察地球变化等等(可以解决一 系列重大基础科学问题&因此(大陆科学钻探工程 被形象地誉为"伸入地球内部的望远镜#&对解决人 类社会发展所面临的资源)灾害和环境三大问题都 有十分重要的意义(同时也是带动$&世纪地球科学 和相关科学技术发展的大科学工程& 科学钻探的兴起(始于$%世纪中叶$刘广志( $%%>%&&@>?年A月(美国国家基金地球科学部的 成员 IC3J8;K67L提出倡议(利用深海钻探在地壳 最薄的地方打穿莫霍面(以研究地球的年龄)地幔的 物质组 成 和 内 部 作 用(这 就 是 著 名 的 "莫 霍 计 划#

2010年 ( Mohole Project)。该计划首先于1961年3~4月( Integrated Ocean Drilling Progra,简称IODP)正 在墨西哥西岸瓜达卢佩海湾( Guadalupe, Mexico)式开始。IODP成立之初,即将目标定在地球系统 实施5口钻井,最深的一口从水深3566m的洋底向(地球、海洋与生命)的综合研究 下钻井183m,其中前170m为中新世的沉积物,向 下则为玄武岩,这是人类首次从洋底用钻探方法获 2国际大陆科学钻探委员会(ICDP) 取的玄武岩样品。尽管第一期工作取得了史无前例 的建立 的成果,但由于技术、经费及管理问题,整个计划于 与大洋钻探相比,大陆科学钻探起步较晚,始于 1966年终止(汪品先,1994) 20世纪70年代的前苏联。1970年,前苏联地质部 1968年,美国科学基金等机构资助实施了一项在科拉半岛等地先后施工了若干科学钻探,其中最 意义深远的深海钻探计划( Deep Sea Drilling深也是最著名的为SG-3井,终孔深度达到12261 Project,简称DSDP)。1968年8月,“格洛玛·挑战m。1984年,第27届国际地质大会在莫斯科召开之 者”号首航墨西哥,标志着DSDP正式开始。从际,SG-3井的成果陆续发表。德国于1987年至 1968年8月11日开始至1983年11月计划结束,1994年间,在德国中部的 Windischeschenbach镇进 格洛玛·挑战者”号船共完成了96个航次,钻探站行了科学钻探,即举世闻名的KTB钻探项目,原设 位624个,实际钻井逾千口,累计在海底之下钻进计孔深14000m,实际主孔的终孔孔深9101m。 320km,最深海底钻井1741m,共获取岩芯97056ICDP计划即是在KTB钻探项目结束后由德国、美 m。DSDP是地球科学史上最大规模的国际合作,国和中国等国家发起成立的 其结果证实了海底扩张,建立了板块学说,同时导致 1992年11月,在经济合作与发展组织(OECD) 古海洋学新学科的建立,为地球科学带来了一场革的大科学论坛上,鉴于当时地学领域大量的国际合 命(汪品先,1994)。 作项目的广泛成功,建议成立国际大陆科学钻探组 983年,DSDP计划之后,又开始新一轮的大织。当时,德国KTB钻探项目已经取得了令人鼓 洋钻探计划( Ocean Drilling Program,简称ODP)。舞的成果,所以建议德国负责组建这一组织。 ODP主要由美国科学基金资助,参加国家有澳大利 1993年8月30日至9月1日,德国地学研究 亚、加拿大、中国、中国台湾、韩国、比利时、丹麦、芬中心(简称GFZ)在波斯坦召开了关于科学钻探的 兰、希腊、冰岛、爱尔兰、意大利、挪威、葡萄牙、西班国际会议,来自28个国家的250余名代表出席会 牙、瑞典、瑞士、荷兰、土耳其、法国、德国、日本、英国议。会后,15个国家的科学家考察了德国KTB钻 和俄罗斯等( ODP Final technical Report,2007)。井现场,并正式讨论成立国际大陆科学钻探计划 历经20年的大洋科学钻探(ODP)在地球环境(ICDP)。代表们一致认为,大陆科学钻探对固体地 动力学和地球内部动力学等方面取得了一系列重要球科学起着至关重要的作用,需要进行综合性、国际 成果,例如:将深海沉积物中记录的气候变化与理论性的研究计划,成立ICDP组织的时机已经成熟 计算的地球轨道参数的变化联系起来,论证了轨道 1996年2月26日,在东京德国驻日本使馆,中 参数变化在驱动气候变化中的作用;以地球轨道周国地质矿产部、美国自然科学基金和德国联邦教育 期为基础的高分辨率地质年代表,开创了地质年代科技部的代表分别代表各国政府正式签署合作备忘 学的新阶段;证实了10年至千年际的洋流循环变录(MOU),ICDP宣告成立,中国、美国和德国亦成 化;建立并量化了100Ma来的全球环境变化,发现为ICDP的3个发起国。目前,ICDP已经有21个 了全球性瞬时气候事件、全球大洋缺氧事件;发现了成员,其中19个为国家成员,另外两个分别为联合 气候周期演变中热带碳循环的作用;对夏威夷皇帝国教科文组织和 Schlumberger公司(表1)。 海岭的钻探所钻取的沉积物和玄武岩样品的测年研 ICDP的最高决策机构是理事会( Assembly of 究表明,这些年龄沿着海底火山链或火山脊出现系 Governors,简称AOG),由每个成员国各派一位代表 统的变化,验证了板块构造关于火山链“热点”成因组成。理事会负责资金筹措、科学监督、重要决策和 的假说等等(柴育成等,2003)。1998年4月,我国新成员国的接纳。理事会下设执行委员会( Executive 作为“参与成员”正式加入大洋钻探计划 Committee,简称EC),负责ICDP的管理事务,由成员 2003年,建立在DSDP和ODP基础之上、规模国各指派一代表组成。EC负责组织科学委员会对项 更大、参与更加广泛的综合大洋钻探计划日进行年度评审,每年要向理事会报告上一年度的项

地 质 学 报 $%&% 年 $K2G238:;2M8FJ%&该计划首先于&@#&年A""月 在墨西哥西岸瓜达卢佩海湾$*6CEC36N8(K8O9F2% 实施>口钻井(最深的一口从水深A>##B 的洋底向 下钻井&!AB(其中前&?%B 为中新世的沉积物(向 下则为玄武岩(这是人类首次从洋底用钻探方法获 取的玄武岩样品&尽管第一期工作取得了史无前例 的成果(但由于技术)经费及管理问题(整个计划于 &@##年终止$汪品先(&@@"%& &@#!年(美国科学基金等机构资助实施了一项 意 义 深 远 的 深 海 钻 探 计 划 $P88N /8C P;93397H :;2M8FJ(简称 P/P:%&&@#!年!月("格洛玛*挑战 者#号 首 航 墨 西 哥(标 志 着 P/P: 正 式 开 始& 从 &@#!年!月&&日开始至&@!A年&&月计划结束( "格洛玛*挑战者#号船共完成了@#个航次(钻探站 位#$"个(实际钻井逾千口(累计在海底之下钻进 A$%LB(最深海底钻井&?"&B(共获取岩芯 @?%># B&P/P:是地球科学史上最大规模的国际合作( 其结果证实了海底扩张(建立了板块学说(同时导致 古海洋学新学科的建立(为地球科学带来了一场革 命$汪品先(&@@"%& &@!A年(P/P: 计划之后(又开始新一轮的大 洋钻探计划$,F8C7P;93397H:;2H;CB(简称 ,P:%& ,P:主要由美国科学基金资助(参加国家有澳大利 亚)加拿大)中国)中国台湾)韩国)比利时)丹麦)芬 兰)希腊)冰岛)爱尔兰)意大利)挪威)葡萄牙)西班 牙)瑞典)瑞士)荷兰)土耳其)法国)德国)日本)英国 和俄罗斯等$,P:Q97C3J8FG79FC3R8N2;J($%%?%& 历经$%年的大洋科学钻探$,P:%在地球环境 动力学和地球内部动力学等方面取得了一系列重要 成果(例如!将深海沉积物中记录的气候变化与理论 计算的地球轨道参数的变化联系起来(论证了轨道 参数变化在驱动气候变化中的作用'以地球轨道周 期为基础的高分辨率地质年代表(开创了地质年代 学的新阶段'证实了 &% 年至千年际的洋流循环变 化'建立并量化了&%%KC来的全球环境变化(发现 了全球性瞬时气候事件)全球大洋缺氧事件'发现了 气候周期演变中热带碳循环的作用'对夏威夷皇帝 海岭的钻探所钻取的沉积物和玄武岩样品的测年研 究表明(这些年龄沿着海底火山链或火山脊出现系 统的变化(验证了板块构造关于火山链"热点#成因 的假说等等$柴育成等($%%A%&&@@!年"月(我国 作为"参与成员#正式加入大洋钻探计划& $%%A年(建立在 P/P:和 ,P:基础之上)规模 更 大)参 与 更 加 广 泛 的 综 合 大 洋 钻 探 计 划 $.7J8H;CJ8E,F8C7P;93397H:;2H;CB(简称.,P:%正 式开始&.,P: 成立之初(即将目标定在地球系统 $地球)海洋与生命%的综合研究& $ 国际大陆科学钻探委员会$.(P:% 的建立 与大洋钻探相比(大陆科学钻探起步较晚(始于 $%世纪?%年代的前苏联&&@?%年(前苏联地质部 在科拉半岛等地先后施工了若干科学钻探(其中最 深也是最著名的 为 /*=A 井(终 孔 深 度 达 到 &$$#& B&&@!"年(第$?届国际地质大会在莫斯科召开之 际(/*=A井 的 成 果 陆 续 发 表&德 国 于 &@!? 年 至 &@@"年间(在德国中部的 I97E9DFG8DFG87%余名代表出席会 议&会后(&>个国家的科学家考察了德国 S)T 钻 井现场(并 正 式 讨 论 成 立 国 际 大 陆 科 学 钻 探 计 划 $.(P:%&代表们一致认为(大陆科学钻探对固体地 球科学起着至关重要的作用(需要进行综合性)国际 性的研究计划(成立.(P:组织的时机已经成熟& &@@#年$月$#日(在东京德国驻日本使馆(中 国地质矿产部)美国自然科学基金和德国联邦教育 科技部的代表分别代表各国政府正式签署合作备忘 录$K,V%(.(P:宣告成立(中国)美国和德国亦成 为.(P:的A个发起国&目前(.(P: 已经有$&个 成员(其中&@个为国家成员(另外两个分别为联合 国教科文组织和/FG36B<8;H8;公司$表&%& .(P:的 最 高 决 策 机 构 是 理 事 会$'DD8B<3W2X *2Y8;72;D(简称 ',*%(由每个成员国各派一位代表 组成&理事会负责资金筹措)科学监督)重要决策和 新成员国的接纳&理事会下设执行委员会$+O8F6J9Y8 (2BB9JJ88(简称+(%(负责.(P:的管理事务(由成员 国各指派一代表组成&+(负责组织科学委员会对项 目进行年度评审(每年要向理事会报告上一年度的项 !?

第6期 德辰等:国际大陆科学钻探(ICDP)进展 875 目运行情况,包括资金预算和科学进展 3.1大陆科学钻探的主要研究领域 表1ICDP成员名录 ICDP的主要目标是:通过独特的科学钻探方 Table 1 Members of ICDP 法,精确地了解地壳成分、结构构造和对地球资源与 中国,德国,美国,日本,加拿大,澳地利,挪威 国家成员(19 环境起着至关重要作用的各种地质过程。 波兰,捷克冰岛,芬兰,南非,意大利,西班牙, 个 瑞典,瑞士,新西兰,法国,以色列 国际大陆科学钻探计划的研究主题是:①与地 机构成员(2 联合国教科文组织,斯伦贝谢公司 震、火山爆发有关的物理、化学过程及相关的减灾措 施;②近期全球气候变化的方式与原因;③天体撞击 正在协商加入 韩国,俄罗斯 的国家 对全球气候变化及大规模生物灭绝的影响;④深部生 加入意向的 物圈及其与各种地质过程(碳氢化合物的成熟、矿床 国家 智利,荷兰,英国,土耳其,阿根廷,爱尔兰 的形成与地球的演化)的关系;⑤如何安全处理核废 注:根据ICDP网站内容整理(截至2009年) 料和其他有毒废料;⑥沉积盆地与能源资源的形成与 演化;⑦不同地质环境下矿床的形成;⑧板块构造的 执行委员会下设科学委员会(SAG)和运作支机理,地壳内部热、物质和流体的迁移规律;⑨如何更 持组(OSG)。科学委员会由国际知名的同行专家组好地利用地球物理资料了解地壳内部的结构与性质 成。科学委员会每年召开一次年会,对所有新申报3.2科学钻探的立项准则 的立项建议进行审查排序,然后向执行委员会推荐 波茨坦会议上确定,ICDP项目必须满足如下 项目运作支持组(OSG)为执行委员会的服务机构 要求 成员由德国地学中心从事科学钻探的有关专业的科 (1)全球性原则:项目应该是具有全球意义的世 技人员组成,负责为执行委员会提供管理服务,并为界级地质项目,即项目应致力于研究重要的具有全 ICDP资助的项目提供钻探、测井、信息技术等支持球性意义的地质和地球物理问题,在世界范围内选 服务如专业技术培训等(图1) 择地学界公认的钻探现场 3大陆科学钻探的主要研究领域和立 (2)国际性原则:项目应该具有广泛的国际合 项准则 作、最好的科学家团队以及可共享的资源,项目的实 施须有助于技术创新。 理事会(AOG) ssembly of Governors 执行委员会(EC) 项目排序 Executive committee 授权 家委员会 运作支持组(德国地学中心 Science Advisory Group(SAG) Operational Support Group(OSG) 自由申请 unsolicited Ventures 图1ICDP的组织结构(据 Harms等,2007) Fig. 1 Organizational structure of ICDP (after Harms et al., 2007)

第 # 期 苏德辰等!国际大陆科学钻探$.(P:%进展 目运行情况(包括资金预算和科学进展& 表 % !"#$成员名录 &'()*% +*,(*-./0!"#$ 国 家 成 员 $&@ 个% 中国(德国(美国(日本(加拿大(澳地利(挪威( 波兰(捷克(冰岛(芬兰(南非(意大利(西班牙( 瑞典(瑞士(新西兰(法国(以色列 机 构 成 员 $$ 个% 联合国教科文组织(斯伦贝谢公司 正在协商加入 的国家 韩国(俄罗斯 有加入意向的 国家 智利(荷兰(英国(土耳其(阿根廷(爱尔兰 注!根据.(P:网站内容整理$截至$%%@年%& 图 & .(P:的组织结构$据 ZC;BD等($%%?% Q9H4& ,;HC79[CJ927C3DJ;6FJ6;82X.(P: $CXJ8;ZC;BD8JC34($%%?% 执行委员会下设科学委员会$/'*%和运作支 持组$,/*%&科学委员会由国际知名的同行专家组 成&科学委员会每年召开一次年会(对所有新申报 的立项建议进行审查排序(然后向执行委员会推荐& 项目运作支持组$,/*%为执行委员会的服务机构( 成员由德国地学中心从事科学钻探的有关专业的科 技人员组成(负责为执行委员会提供管理服务(并为 .(P:资助的项目提供钻探)测井)信息技术等支持 服务如专业技术培训等$图&%& A 大陆科学钻探的主要研究领域和立 项准则 14% 大陆科学钻探的主要研究领域 .(P:的主要目标是!通过独特的科学钻探方 法(精确地了解地壳成分)结构构造和对地球资源与 环境起着至关重要作用的各种地质过程& 国际大陆科学钻探计划的研究主题是!#与地 震)火山爆发有关的物理)化学过程及相关的减灾措 施'$近期全球气候变化的方式与原因'%天体撞击 对全球气候变化及大规模生物灭绝的影响'&深部生 物圈及其与各种地质过程$碳氢化合物的成熟)矿床 的形成与地球的演化%的关系''如何安全处理核废 料和其他有毒废料'(沉积盆地与能源资源的形成与 演化')不同地质环境下矿床的形成'*板块构造的 机理(地壳内部热)物质和流体的迁移规律'+如何更 好地利用地球物理资料了解地壳内部的结构与性质& 142 科学钻探的立项准则 波茨坦会议上确定(.(P: 项目必须满足如下 要求! $&%全球性原则!项目应该是具有全球意义的世 界级地质项目(即项目应致力于研究重要的具有全 球性意义的地质和地球物理问题(在世界范围内选 择地学界公认的钻探现场& $$%国际性原则!项目应该具有广泛的国际合 作)最好的科学家团队以及可共享的资源(项目的实 施须有助于技术创新& !?>

876 2010年 (3)钻探工作的必要性原则:所有项目必须通过 Committee)表决是否可以资助。如果获得资助,说 钻探方法才能顺利进行,钻探的深度根据实际需要明该项目的初步设计得到认可。申请人在ICDP的 可深可浅, 指导下,召开国际讨论会( Workshop),研讨会的目 (4)社会需求原则:项目应该具有适当的社会影的是帮助首席科学家完善项目设计。 响及工业界的合作 阶段二:项目申请人(首席科学家)根据出席研 (5)实行项目负责制,项目均需经过同行评议,讨会专家的意见,修改设计后,向ICDP再次提交一 项目的科学发现应该在全球具有广泛的影响 个完整设计( Full Proposal),该申请需要再次经过 (6)深度经费准则:所申请的项目必须做好钻科学委员会专家评议、排序和推荐,经执行委员会上 探深度与经费预算的平衡,在管理和技术上必须满表决通过,最终提交到理事会(AOG),在理事会上 足地学界的需求。 获得通过的项目才能正式列为ICDP支持的项目 国际大陆钻探计划的项目申请过程具有高度的 图2为ICDP项目从申报到批准执行全过程示 开放性和严肃性。其开放性体现在成员国或准成员意图:从立项到实施钻探,除去科学意义这一重要因 国的地球科学家均可在每年的1月15日前提出立素外,另外3个重要因素是资金来源、钻探相关的设 项建议。但从立项提交到批准执行的整个过程又是备以及管理。中国大陆科学钻探工程从立项到实施 非常严谨和严肃的。从立项建议到正式成为ICDP经过了近10年的时间。 项目规定需要经过两个阶段 大陆科学钻探研究领域正在不断拓展,得到 阶段一:由申请人向IDP递交召开研讨会建ICDP资助的钻探项目和研讨会已经扩大到全球各 议或初步立项建议申请书( workshop proposal或大洲。据不完全统计,自1996年ICDP成立至2008 preliminary proposal),该申请书其实就是一个内容年,ICDP共接收各种项目建议201项,研讨会立项 完整的设计申请,但还不是最终设计。该设计申请建议50项(包括不同年份重复提交的项目),已经资 经过科学委员会( Science Advisor Group)充分评议助科学钻探项目25个,另外资助召开了30多个研 与排序后提交到执行委员会( Executive讨会。绝大部分受资助的钻探项目涉及两个以上的 第一阶段:预立项 t Phase: Pre-Proposal 被拒绝 专冢委员会 执行委员会 Principal 德国地学研究 中心(GFZ Advisory grou Committe 页目研讨会: Workshop International Science Team 首席科学家 专家委员会 委员会 执行委员会 Science nvestigato prove 成为正式ICDP项目 Approved ICDP Project 图2ICDP的立项流程示意图(据 Harms等,2007) Fig 2 From proposal to project (after Harms et al.. 2007)

地 质 学 报 $%&% 年 $A%钻探工作的必要性原则!所有项目必须通过 钻探方法才能顺利进行(钻探的深度根据实际需要 可深可浅& $"%社会需求原则!项目应该具有适当的社会影 响及工业界的合作& $>%实行项目负责制(项目均需经过同行评议( 项目的科学发现应该在全球具有广泛的影响& $#%深度=经费准则!所申请的项目必须做好钻 探深度与经费预算的平衡(在管理和技术上必须满 足地学界的需求& 国际大陆钻探计划的项目申请过程具有高度的 开放性和严肃性&其开放性体现在成员国或准成员 国的地球科学家均可在每年的&月&>日前提出立 项建议&但从立项提交到批准执行的整个过程又是 非常严谨和严肃的&从立项建议到正式成为.(P: 项目规定需要经过两个阶段! 图 $ .(P:的立项流程示意图$据 ZC;BD等($%%?% Q9H4$ Q;2BN;2N2DC3J2N;2M8FJ$CXJ8;ZC;BD8JC34($%%?% 阶段一!由申请人向.(P: 递交召开研讨会建 议或初 步 立 项 建 议 申 请 书 $\2;LDG2NN;2N2DC3或 N;839B97C;WN;2N2DC3%(该申请书其实就是一个内容 完整的设计申请(但还不是最终设计&该设计申请 经过科学委员会$/F987F8'EY9D2;*;26N%充分评议 与 排 序 后 提 交 到 执 行 委 员 会 $+O8F6J9Y8 (2BB9JJ88%表决是否可以资助&如果获得资助(说 明该项目的初步设计得到认可&申请人在.(P:的 指导下(召开国际讨论会$I2;LDG2N%(研讨会的目 的是帮助首席科学家完善项目设计& 阶段二!项目申请人$首席科学家%根据出席研 讨会专家的意见(修改设计后(向.(P:再次提交一 个完整设计$Q633:;2N2DC3%(该申请需要再次经过 科学委员会专家评议)排序和推荐(经执行委员会上 表决通过(最终提交到理事会$',*%(在理事会上 获得通过的项目才能正式列为.(P:支持的项目& 图$为.(P:项目从申报到批准执行全过程示 意图!从立项到实施钻探(除去科学意义这一重要因 素外(另外A个重要因素是资金来源)钻探相关的设 备以及管理&中国大陆科学钻探工程从立项到实施 经过了近&%年的时间& 大陆科 学 钻 探 研 究 领 域 正 在 不 断 拓 展(得 到 .(P:资助的钻探项目和研讨会已经扩大到全球各 大洲&据不完全统计(自&@@#年.(P:成立至$%%! 年(.(P:共接收各种项目建议$%&项(研讨会立项 建议>%项$包括不同年份重复提交的项目%(已经资 助科学钻探项目$>个(另外资助召开了A%多个研 讨会&绝大部分受资助的钻探项目涉及两个以上的 !?#

第6期 德辰等:国际大陆科学钻探(ICDP)进展 877 研究主题(表2)。中国科学家提交到SAG讨论的 表2ICDP成立以来申报及实施的部分钻探项目 项目建议有16个,提交到EC讨论的有4项,其中 Table 2 List of ICDP proposals 中国大陆科学钻探工程、青海湖科学钻探项目和松 主题 项目 汇聚板块边中国大陆科学钻探工程 辽盆地科学钻探项目获得了批准 界及碰撞带 湾车籠埔断裂钻探工程 4国际大陆科学钻探的主要进展 芬诺斯坎底亚极地俄罗斯一早期地球钻探项 ICDP正式启动到现在,已经在多个科学研究 俄罗斯贝加尔湖高分辨率大陆古气候记录项 领域取得了系列重要成果。简单介绍如下 地球历史及加纳 bosumtwi i湖钻探项目 4.1气候变化与全球环境 气候沉积盆俄罗斯E' gygytgyn湖钻探项目 拉维湖科学钻探项目 气候变化与全球环境是地学界的热点之一,因 青海湖环境科学钻探项目 而也是ICDP申报项目最多的主题 最能反映全球或局部气候变化与环境的高分辨 阿根廷 Potrok Aike湖相沉积钻探项目 率沉积记录大多保存在大陆内部的湖相沉积中,特 加拿大 Mallik气水化合物科学钻探项目 美国 Chesapeake Bay项目 别是具有较长寿命的湖相沉积中。大陆上分布着大 墨西哥 Chicxulub陨石坑科学钻探项目 量的湖泊,系统地对全球大陆上广泛分布的湖相沉 中国大陆科学钻探工程 积物进行系统钻探取样分析,可以得到全球气候动 希腊科林斯湾裂谷实验室项目 地壳流体美国夏威夷科学钻探项目 态变化的模型,了解气候变化对大陆地貌、生态以及 冰岛深部钻探项目 人类环境的影响。湖泊沉积物中还保存有地球磁场 国圣安地列斯断裂带深部观测项目 变化的信息,沿大的断裂分布的盆地湖泊沉积物中 湾车籠埔断裂钻探 美国长谷钻探井项目 还保存有高分辨率地震的时空分布信息,对这些信 美国 Chesapeake Bay项目 息进行分析研究可有助于预防自然灾害特别是地震 中国大陆科学钻探工程 灾害( Brigham-Grette et al.,2007)。因此近年来 俄罗斯贝加尔湖高分辨率大陆古气候记录项 湖泊钻探成为科学钻探中最热的课题,与该主题相 地壳地球物日 马拉维湖科学钻探项目 关的立项建议、 WORKSHOP项目以及实施的钻探 加拿大 Mallik气水化合物科学钻探项目 项目已有20余项。 美国圣安地列斯断裂带深部观测项目 台湾车籠埔断裂钻探工程 此主题的主要项目有:①美国的 Chesapeake 日本云仙火山钻探项目 Bay项目(2005年9月至2006年5月钻探);②死海 国 Chesapeake Bay项目 盆地钻探项目(立项阶段);③东非裂谷带附近人类 墨西哥 Chicxulub陨石坑科学钻探项目 演化与古气候(2010年立项);④过去的气候变化高 加纳 Bosumtwi湖钻探项目 撞击构造及俄罗斯E' gygytgyn湖钻探项目 分辨率地质记录(立项阶段);⑤俄罗斯 Imandra极 大规模生物中国大陆科学钻探工程 地钻探项目(2007年完成钻探);⑥俄罗斯贝加尔湖 灭绝 南非矿山活动断裂科学钻探项目 高分辨率大陆古气候记录项目(1989年开始至1999 希腊科林斯湾裂谷实验室项目 美国圣安地列斯断裂带深部观测项目 年结束,ICDP于1998年至1999年提供了取芯及钻 台湾车籠埔断裂钻探工程 探方面的支持);⑦加纳的 Bosumtwi湖钻探项目 自然资源及冰岛深部钻探项目 (2004年7月至2004年10月);③俄罗斯极地冻土 矿床成因 加拿大 Mallik气水化合物科学钻探项目 美国 Chesapeake Bay项目 层及湖相钻探(2008年10月至2009年5月);⑨关 深部生物圈 西哥 Chicxulub陨石坑科学钻探项目 于中亚最近数百万年来气候演化的 Lake Issyk-Kul 中国大陆科学钻探工程 钻探项目(立项阶段);⑩东非裂谷地区 Malawi湖 加拿大 Mallik气水化合物科学钻探项目 美国夏威夷科学钻探项目 泊钻探(2005年2月至3月钻探);①危地马拉的 火山系统及冰岛深部探项目 Peten itza湖泊钻探(2006年2月至2006年3月钻 美国夏威夷 Koolau火山钻探项目 热机制 探);⑩阿根廷 Potrok aike湖相沉积钻探项目 美国长谷钻探井项目 日本云仙火山钻探项目 (2008年9月至11月钻探);③南太平洋法属波利 注:根据ICDP网站整理 尼西亚塔希提岛海平面变化钻探项目(2005年10 月至11月钻探);⑩南美秘鲁与玻利维亚交界的 Titicaca湖泊钻探(2001年4月至5月钻探);土耳

第 # 期 苏德辰等!国际大陆科学钻探$.(P:%进展 研究主题$表$%&中国科学家提交到 /'* 讨论的 项目建议有&#个(提交到 +( 讨论的有"项(其中 中国大陆科学钻探工程)青海湖科学钻探项目和松 辽盆地科学钻探项目获得了批准& " 国际大陆科学钻探的主要进展 .(P:正式启动到现在(已经在多个科学研究 领域取得了系列重要成果&简单介绍如下& 34% 气候变化与全球环境 气候变化与全球环境是地学界的热点之一(因 而也是.(P:申报项目最多的主题& 最能反映全球或局部气候变化与环境的高分辨 率沉积记录大多保存在大陆内部的湖相沉积中(特 别是具有较长寿命的湖相沉积中&大陆上分布着大 量的湖泊(系统地对全球大陆上广泛分布的湖相沉 积物进行系统钻探取样分析(可以得到全球气候动 态变化的模型(了解气候变化对大陆地貌)生态以及 人类环境的影响&湖泊沉积物中还保存有地球磁场 变化的信息(沿大的断裂分布的盆地湖泊沉积物中 还保存有高分辨率地震的时空分布信息(对这些信 息进行分析研究可有助于预防自然灾害特别是地震 灾害$T;9HGCB=*;8JJ88JC34($%%?%&因此近年来 湖泊钻探成为科学钻探中最热的课题(与该主题相 关的立项建议)I,RS/Z,:项目以及实施的钻探 项目已有$%余项& 此主题 的 主 要 项 目 有!# 美 国 的 (G8DCN8CL8 TCW项目$$%%>年@月至$%%#年>月钻探%'$死海 盆地钻探项目$立项阶段%'%东非裂谷带附近人类 演化与古气候$$%&%年立项%'&过去的气候变化高 分辨率地质记录$立项阶段%''俄罗斯.BC7E;C极 地钻探项目$$%%?年完成钻探%'(俄罗斯贝加尔湖 高分辨率大陆古气候记录项目$&@!@年开始至&@@@ 年结束(.(P:于&@@!年至&@@@年提供了取芯及钻 探方面的支持%') 加纳的 T2D6BJ\9湖 钻 探 项 目 $$%%"年?月至$%%"年&%月%'*俄罗斯极地冻土 层及湖相钻探$$%%!年&%月至$%%@年>月%'+关 于中亚最近数百万年来气候演化的 -CL8.DDWL=S63 钻探项目$立项阶段%',东非裂谷地区 KC3C\9湖 泊钻探$$%%> 年 $ 月至 A 月钻探%'-./ 危地马拉的 :8J87.J[C湖泊钻探$$%%#年$月至$%%#年A月钻 探%'-.0 阿 根 廷 :2J;2L '9L8 湖 相 沉 积 钻 探 项 目 $$%%!年@月至&&月钻探%'-.1南太平洋法属波利 尼西亚塔希提岛海平面变化钻探项目$$%%> 年 &% 月 至&&月 钻 探%'-.2 南 美 秘 鲁 与 玻 利 维 亚 交 界 的 表 2 !"#$成立以来申报及实施的部分钻探项目 &'()*2 56.7/0!"#$8-/8/.'). 主题 项目 汇 聚 板 块 边 界及碰撞带 中国大陆科学钻探工程 台湾车笼埔断裂钻探工程 地 球 历 史 及 气候)沉积盆 地演化 芬诺斯坎底亚极地俄罗斯+早期地球钻探项 目 俄罗斯贝加尔湖高分辨率大陆古气候记录项 目 加纳 T2D6BJ\9湖钻探项目 俄罗斯 +3,HWHWJHW7湖钻探项目 马拉维湖科学钻探项目 青海湖环境科学钻探项目 )9J9FCFC湖科学钻探项目 阿根廷 :2J;2L'9L8湖相沉积钻探项目 加拿大 KC339L气水化合物科学钻探项目 地壳流体 美国 (G8DCN8CL8TCW项目 墨西哥 (G9FO636月钻探%'-.3土耳 !??

878 2010年 其 Lake van湖泊钻探(立项阶段);⑩瑞典大程度上受外来高能天体的影响。几分钟之内,外 Lomonosov ridge科学钻探(2005年8月至9月钻来的陨石可以给地壳甚至地幔留下直径数千米甚至 探);⑩加拿大 Mallik气水化合物钻探项目(2001年更大的“疮疤”。陨石撞击坑对地球的形成和后期改 12月至2002年3月);◎美国新泽西州海岸平原钻探造起着重要的作用,并且也是生命演化的重要因素 项目(2009年钻探,此项目也同属于IODP资助项陨石撞击产生的大量热能还有可能造成地球沉积物 目);⑩流球群岛珊瑚礁钻探项目(选址阶段,此项目中有机质燃烧、活化、转移,对石油和天然气的形成 也同属于IODP资助项目);@美国大盐湖( Great salt及保存起着促进作用。有些陨石本身的成分极为特 Iake)和熊湖( Bear lake)钻探项目(2000年钻探)。 殊和集中,其撞击后会形成特殊的矿产资源,陨石坑 中国的白垩纪松辽盆地大陆科学钻探项目和青形成的特殊环形构造还可形成天然的湖泊或水库 海湖环境钻探项目也属于该主题相关的项目(下文对地方水资源的影响意义重大。 另述)。此外,2010年9月,ICDP还将资助近80名 目前世界上已经确认的陨石撞击坑大约有170 全球科学家参加吉尔吉斯坦伊塞克湖气候演化研讨个,其中三分之一在地表可见。只有通过岩石学和 A(ICDP Workshop on Lake Issyk-Kul 2010) 地球化学研究才能判断一个地质构造是否为撞击成 其中,美国的大盐湖( great salt lake)和熊湖因,大部分裸露地表的陨石撞击坑已经被风化破坏, ( Bear lake)科学钻探,获取了近500m岩芯。其中通过科学钻探获取地下构造的新鲜样品显得至关重 在大盐湖获取了121m连续的岩芯,在熊湖获取了要( Koeberl et al.,2007) 120m连续岩芯,根据碳氧同位素研究结果,这些岩 ICDP资助了6项钻探项目或国际研讨会。第 芯中包括了近280ka来的连续的古气候纪录和冰 项是对墨西哥 Chicxulub陨石坑进行的科学钻 期/间冰期级别的古水文波动( Schnurrenberger et探。该陨石坑直径200km,撞击时间为三叠纪与白 al., 2001: Bright et al., 2006) 垩纪的分界。 Yaxcopoil-1号孔钻达1511m(2001 2001年进行的塔希提岛海平面变化钻探项目年至2002年),贯穿了100余米厚的冲击砾岩和冲 获取的岩芯发现了上一次大冰期前连续的热带冰期击凝灰角砾岩。 记录,并可能包含500ka以来热带安弟斯和相邻的 美国的 Chesapeake湾陨石坑位于200m深的浅 亚马逊盆地的气候记录。为确定南美地区千年级别海中,直径85km,是始新世期间(35Ma)陨石撞击 和轨道级别的气候变化规律提供了重要的证据。 “湿”的环境形成的。陨石撞击之后,立刻被海水覆 西非加纳的 Bosumtwi湖是由一颗1.07Ma前盖,海洋沉积物立刻将此陨石坑掩埋,因而该陨石坑 的小行星撞击形成的,湖泊沉积物中保留了百万年是地球上保存最完整的陨石坑。2003年举行了关 来的气候变化记录。2004年,GLAD800钻探船在于这个陨石坑的国际研讨会,2004年被ICDP批准 湖中5个地点成功钻井13口,获取岩芯1800m。为科学钻探项目,2005年9月到2006年5月,在 这些岩芯提供了非洲大陆1Ma来完整的高分辨率 Chesapeake湾进行了科学钻探,共钻进1.8km。科 气候变化记录 学家们希望通过科学钻探了解撞击过程、撞击环境 东非裂谷地区 Malawi湖泊钻探( Lake malawi的急剧变化及生态系统的恢复过程、撞击对海平面 Drilling Project,简称LMDP)采用了目前为止最大变化、气候及沉积环境的影响。对深部获取的岩芯 的湖泊钻探设备于2005年2月至3月在 Malawi湖还可提供研究地壳深部微生物的机会。 进行了两口湖泊钻探,获取岩芯623m,这些岩芯可 俄罗斯极地冻土层及湖相钻探( Lake elgygytgyn 以精确获得过去100ka来连续的气候变化记录。 Drilling Project,2008年10月至2009年5月)涉及气 位于中美洲危地马拉的 Peten itza湖是一个构候变化和陨石撞击坑两个主题。 Elgygytgyn湖是由 造湖泊,经历了过去数个冰期。其湖相沉积是研究3.6Ma年前的一颗陨石撞击形成,撞击构造坑的直 最近200ka以来(更新世至全新世)10a级气候变径为14km,大部分被水体覆盖,平均水深170m。 化最好的场所,2006年进行的钻探共获取岩芯1327 Elgygytgyn是已知的唯一一个撞击在硅质火山岩环 m,目前已经取得了初步成果( Anselmetti,2009) 境的陨石坑,强烈撞击后的火山岩及斑晶变成石英玻 4.2陨石撞击坑及撞击过程研究 璃和部分熔融的长石和微晶基质,广泛分布在陨石坑 越来越多的人相信,地球的地质和生物演化过中。陨石坑形成后,立刻被水充填形成湖泊,因此湖 程不仅受地球内部及地表作用过程的影响,还在很相沉积物中保存了近3.6Ma来完整的陆相极地气候

地 质 学 报 $%&% 年 其 -CL8 1C7 湖 泊 钻 探 $立 项 阶 段 %'-.4 瑞 典 -2B272D2YR9EH8科 学 钻 探$$%%> 年 ! 月 至 @ 月 钻 探%'-.5加拿大 KC339L气水化合物钻探项目$$%%&年 &$月至$%%$年A月%'-.6美国新泽西州海岸平原钻探 项目$$%%@年钻探(此项目也同属于.,P: 资 助 项 目%'-.7流球群岛珊瑚礁钻探项目$选址阶段(此项目 也同属于.,P:资助项目%'-89美国大盐湖$*;8CJ/C3J -CL8%和熊湖$T8C;-CL8%钻探项目$$%%%年钻探%& 中国的白垩纪松辽盆地大陆科学钻探项目和青 海湖环境钻探项目也属于该主题相关的项目$下文 另述%&此外($%&%年@月(.(P:还将资助近!%名 全球科学家参加吉尔吉斯坦伊塞克湖气候演化研讨 会$.(P: I2;LDG2N27-CL8.DDWL=S63$%&%%& 其中(美国的大盐湖$*;8CJ/C3J-CL8%和熊湖 $T8C;-CL8%科学钻探(获取了近>%%B 岩芯&其中 在大盐湖获取了&$&B 连续的岩芯(在熊湖获取了 &$%B 连续岩芯(根据碳氧同位素研究结果(这些岩 芯中包括了近$!%LC来的连续的古气候纪录和冰 期-间冰期级别的古水文波动$/FG76;;87%%LC以来热带安弟斯和相邻的 亚马逊盆地的气候记录&为确定南美地区千年级别 和轨道级别的气候变化规律提供了重要的证据& 西非加纳的 T2D6BJ\9湖是由一颗&4%? KC前 的小行星撞击形成的(湖泊沉积物中保留了百万年 来的气候变化记录&$%%"年(*-'P!%%钻探船在 湖中> 个地点成功钻井 &A 口(获取岩芯 &!%% B& 这些岩芯提供了非洲大陆& KC来完整的高分辨率 气候变化记录& 东非裂谷地区 KC3C\9湖泊钻探$-CL8KC3C\9 P;93397H:;2M8FJ(简称 -KP:%采用了目前为止最大 的湖泊钻探设备于$%%>年$月至A月在 KC3C\9湖 进行了两口湖泊钻探(获取岩芯#$AB(这些岩芯可 以精确获得过去&%%LC来连续的气候变化记录& 位于中美洲危地马拉的 :8J87.J[C湖是一个构 造湖泊(经历了过去数个冰期&其湖相沉积是研究 最近$%%LC以来$更新世至全新世%&%C级气候变 化最好的场所($%%#年进行的钻探共获取岩芯&A$? B(目前已经取得了初步成果$'7D83B8JJ9($%%@%& 342 陨石撞击坑及撞击过程研究 越来越多的人相信(地球的地质和生物演化过 程不仅受地球内部及地表作用过程的影响(还在很 大程度上受外来高能天体的影响&几分钟之内(外 来的陨石可以给地壳甚至地幔留下直径数千米甚至 更大的"疮疤#&陨石撞击坑对地球的形成和后期改 造起着重要的作用(并且也是生命演化的重要因素& 陨石撞击产生的大量热能还有可能造成地球沉积物 中有机质燃烧)活化)转移(对石油和天然气的形成 及保存起着促进作用&有些陨石本身的成分极为特 殊和集中(其撞击后会形成特殊的矿产资源(陨石坑 形成的特殊环形构造还可形成天然的湖泊或水库( 对地方水资源的影响意义重大& 目前世界上已经确认的陨石撞击坑大约有&?% 个(其中三分之一在地表可见&只有通过岩石学和 地球化学研究才能判断一个地质构造是否为撞击成 因(大部分裸露地表的陨石撞击坑已经被风化破坏( 通过科学钻探获取地下构造的新鲜样品显得至关重 要$S28&& B$$%%& 年至$%%$年%(贯穿了&%%余米厚的冲击砾岩和冲 击凝灰角砾岩& 美国的(G8CN8CL8湾陨石坑位于$%%B 深的浅 海中(直径!>LB(是始新世期间$A> KC%陨石撞击 "湿#的环境形成的&陨石撞击之后(立刻被海水覆 盖(海洋沉积物立刻将此陨石坑掩埋(因而该陨石坑 是地球上保存最完整的陨石坑&$%%A年举行了关 于这个陨石坑的国际研讨会($%%"年被.(P:批准 为科学钻探项目($%%> 年 @ 月 到 $%%# 年 > 月(在 (G8CN8CL8湾进行了科学钻探(共钻进&4!LB&科 学家们希望通过科学钻探了解撞击过程)撞击环境 的急剧变化及生态系统的恢复过程)撞击对海平面 变化)气候及沉积环境的影响&对深部获取的岩芯 还可提供研究地壳深部微生物的机会& 俄罗斯极地冻土层及湖相钻探$-CL8+3HWHWJHW7 P;93397H:;2M8FJ($%%!年&%月至$%%@年>月%涉及气 候变化和陨石撞击坑两个主题&+3HWHWJHW7湖是由 A4#KC年前的一颗陨石撞击形成(撞击构造坑的直 径为&"LB(大部分被水体覆盖(平均水深&?% B& +3HWHWJHW7是已知的唯一一个撞击在硅质火山岩环 境的陨石坑(强烈撞击后的火山岩及斑晶变成石英玻 璃和部分熔融的长石和微晶基质(广泛分布在陨石坑 中&陨石坑形成后(立刻被水充填形成湖泊(因此湖 相沉积物中保存了近A4#KC来完整的陆相极地气候 !?!

第6期 苏德辰等:国际大陆科学钻探(ICDP)进 879 记录,对全面了解全球气候变化中极地的作用非常重度上限为113°C或121°C( Kashefi et a.,2004)。 要。本项目共打3口科学井,两口在湖中,一口在湖 在ICDP立项建议或钻探计划的项目中,有11 边的冻土层。钻探工作始于2008年秋,2009年春结个项目明确将探索生物圈做为研究主题之一。这 束,并已经取得初步成果。在冻土层中钻探142m,11个项目是:①北欧的 Collisional Orogeny in the 所取得的岩芯对研究冻土层的历史以及冻土层对湖 Scandinavian caledonides(COSC)项目;②以色列 相沉积的影响非常重要。湖中钻探深度为315m,岩的死海钻探项目;③德国科学家提出的深部砂石圈 芯中发现了不同级别冷暖变化规律,在底部发现了撞综合硏究项目;④捷克的Eεer裂谷钻探项目;⑤芬 击形成的角砾岩 兰的冰期后断裂钻探项目;⑥美国的夏威夷钻探项 Sudbury盆地是地球上已发现的最老、也是第目;⑦俄罗斯的极地 Fennoscandia钻探项目;⑧俄 二大的陨石坑撞击时间大约在1.8Ga。陨石撞击罗斯的科拉超深钻探项目;⑨加拿大 Malik钻探项 形成了世界上最大的铜-镍硫化物矿床。加拿大地日;⑩美国新泽西科学钻探项目;①德国的KTB科 质学家还提出了在加拿大 Sudbury盆地进行科学学钻探项目。 钻探的建议,以便了解深部地壳的地质作用、岩石力 中国大陆科学钻探项目为探索深部地下微生物 学、流体的流动和深部生物学方面的信息。 的垂直分布、生物量和生物多样性等重大科学问题 挪威科学家提出在接近北极的 Mjolnir陨石坑提供了宝贵的机会。由于地温梯度的存在,中国大 进行科学钻探的建议,相关的国际研讨会已于2005陆科学钻探主孔5000m处的温度大约为140℃,该 年举行 温度超越了目前的共识——微生物的生存温度上限 4.3地球生物圈 为121℃,因此选取的主孔岩石作为微生物研究,不 生物圈存在于岩石圈、水圈和大气圈中,地球表但可以探索地下生物的多样性,更有可能探测到地 层的土壤或岩石内部存在着微生物,这是不争的事下生物圈的下限(王远亮等,2006)。根据中国大陆 实,但生物圈的底界有多深确是长期争论的话题之科学钻探工程主孔地下微生物研究获得的微生物生 传统观点认为,生物圈的底界不会超过岩石圈物量变化剖面,发现主孔岩石中有多种微生物,用磷 下部数十米。然而最近20年的研究表明,生物圈的脂酸分析方法发现微生物的可检测下限为4500m, 底界已远远超过地球表面,地下生物圈的微生物种采用DAPI染色方法可检测到微生物的深部下限是 类和生物量甚至超过地表生物 4803.71m,而根据测温结果,地下4500m至4800 地下微生物的分布受沉积物和岩石的孔隙度、m井段的温度约为130~140°C之间。 温度、压力、能量和营养供应等多种因素控制。尽管 2005年, Takano等(2005)报道了在西太平洋 目前人们对地表下微生物的群落构成、生命活动以PSK05孔岩芯中发现了生物酶的活动温度上限为 及所参与的物质转化都知之甚少,根据这些微生物308°C。 的多样性以及巨大的生物量可以推测,地表下微生4.↓火山系统和热流机制、地幔柱和大洋裂谷 物可能参与多种地球化学过程,对于元素循环、矿物 太阳系中的所有行星均有火山活动。但在地球 质形成及变迁以及地下水的演化起着重要作用。 中的火山活动更加特殊,至今人们还不十分清楚地 深部生物圈的研究是国际科学钻探领域中的热下岩浆的活动规律。对活火山的科学钻探可以通过 门课题,但是到目前为止,大部分课题均是在海洋钻原位的测量与取样,帮助我们了解岩浆在地壳中的 探项目中进行的。然而海洋钻探大多为浅孔,不足物理和化学活动规律,探索地壳的结构和岩浆运移 以确定深部生物圈的温度、压力、盐度和孔隙度的界条件,帮助人们研究火山喷发规律,有效监测和预防 限。大洋钻探的地质环境单一、年代范围有限。因火山喷发导致的灾害,还可帮助人们开发利用火山 此大陆科学钻探极有可能在地下生物圈研究方面取能源和火山作用形成的矿产资源。 得重大突破( Horsfield et al.,207)。 地幔柱火山活动是影响地球内部结构与成分变 限于目前的技术和经费水平,对地下微生物的化的主要作用,很可能是地心热量损耗的最主要机 研究仅在数量很小的科学钻探项目中进行过,许多制和板块运动的最重要驱动因素。地幔柱的上部对 关键问题仍然悬而未决。上世纪90年代中期,科学板块的形成的边界变化起着重要作用,而地球岩石 家已经在多处发现生物圈的下限达到1000m左右圈的主要特征则与地幔柱的尾部和地幔柱的表面运 ( Parkes et al.,1994),生物在自然界中的生存温动路径关系密切。地幔柱以及地幔柱引起的大规模

第 # 期 苏德辰等!国际大陆科学钻探$.(P:%进展 记录(对全面了解全球气候变化中极地的作用非常重 要&本项目共打A口科学井(两口在湖中(一口在湖 边的冻土层&钻探工作始于$%%!年秋($%%@年春结 束(并已经取得初步成果&在冻土层中钻探&"$B( 所取得的岩芯对研究冻土层的历史以及冻土层对湖 相沉积的影响非常重要&湖中钻探深度为A&>B(岩 芯中发现了不同级别冷暖变化规律(在底部发现了撞 击形成的角砾岩& /6E 年举行& 341 地球生物圈 生物圈存在于岩石圈)水圈和大气圈中(地球表 层的土壤或岩石内部存在着微生物(这是不争的事 实(但生物圈的底界有多深确是长期争论的话题之 一&传统观点认为(生物圈的底界不会超过岩石圈 下部数十米&然而最近$%年的研究表明(生物圈的 底界已远远超过地球表面(地下生物圈的微生物种 类和生物量甚至超过地表生物& 地下微生物的分布受沉积物和岩石的孔隙度) 温度)压力)能量和营养供应等多种因素控制&尽管 目前人们对地表下微生物的群落构成)生命活动以 及所参与的物质转化都知之甚少(根据这些微生物 的多样性以及巨大的生物量可以推测(地表下微生 物可能参与多种地球化学过程(对于元素循环)矿物 质形成及变迁以及地下水的演化起着重要作用& 深部生物圈的研究是国际科学钻探领域中的热 门课题(但是到目前为止(大部分课题均是在海洋钻 探项目中进行的&然而海洋钻探大多为浅孔(不足 以确定深部生物圈的温度)压力)盐度和孔隙度的界 限&大洋钻探的地质环境单一)年代范围有限&因 此大陆科学钻探极有可能在地下生物圈研究方面取 得重大突破$Z2;DX983E8JC34($%%?%& 限于目前的技术和经费水平(对地下微生物的 研究仅在数量很小的科学钻探项目中进行过(许多 关键问题仍然悬而未决&上世纪@%年代中期(科学 家已经在多处发现生物圈的下限达到&%%%B 左右 $:C;L8D8JC34(&@@"%(生物在自然界中的生存温 度上限为&&A_(或&$&_( $SCDG8X98JC34($%%"%& 在.(P:立项建议或钻探计划的项目中(有&& 个项目明确将探索生物圈做为研究主题之一&这 &&个项目是!#北欧的 (2339D927C3,;2H87W97JG8 /FC7E97CY9C7(C38E279E8D $(,/(%项目'$ 以色列 的死海钻探项目'%德国科学家提出的深部砂石圈 综合研究项目'&捷克的 +H8;裂谷钻探项目''芬 兰的冰期后断裂钻探项目'(美国的夏威夷钻探项 目')俄罗斯的极地 Q8772DFC7E9C钻探项目'*俄 罗斯的科拉超深钻探项目'+加拿大 KC39L钻探项 目',美国新泽西科学钻探项目'-./德国的 S)T科 学钻探项目& 中国大陆科学钻探项目为探索深部地下微生物 的垂直分布)生物量和生物多样性等重大科学问题 提供了宝贵的机会&由于地温梯度的存在(中国大 陆科学钻探主孔>%%%B 处的温度大约为&"%`(该 温度超越了目前的共识+++微生物的生存温度上限 为&$&`(因此选取的主孔岩石作为微生物研究(不 但可以探索地下生物的多样性(更有可能探测到地 下生物圈的下限$王远亮等($%%#%&根据中国大陆 科学钻探工程主孔地下微生物研究获得的微生物生 物量变化剖面(发现主孔岩石中有多种微生物(用磷 脂酸分析方法发现微生物的可检测下限为">%%B( 采用 P':.染色方法可检测到微生物的深部下限是 "!%A4?&B(而根据测温结果(地下">%%B 至"!%% B 井段的温度约为&A%"&"%_(之间& $%%>年()CLC72等$$%%>%报道了在西太平洋 ':/S%>孔岩芯中发现了生物酶的活动温度上限为 A%!_(& 343 火山系统和热流机制$地幔柱和大洋裂谷 太阳系中的所有行星均有火山活动&但在地球 中的火山活动更加特殊(至今人们还不十分清楚地 下岩浆的活动规律&对活火山的科学钻探可以通过 原位的测量与取样(帮助我们了解岩浆在地壳中的 物理和化学活动规律(探索地壳的结构和岩浆运移 条件(帮助人们研究火山喷发规律(有效监测和预防 火山喷发导致的灾害(还可帮助人们开发利用火山 能源和火山作用形成的矿产资源& 地幔柱火山活动是影响地球内部结构与成分变 化的主要作用(很可能是地心热量损耗的最主要机 制和板块运动的最重要驱动因素&地幔柱的上部对 板块的形成的边界变化起着重要作用(而地球岩石 圈的主要特征则与地幔柱的尾部和地幔柱的表面运 动路径关系密切&地幔柱以及地幔柱引起的大规模 !?@

880 2010年 岩浆聚集对大陆的形成与演化起着重要作用,是大提出了夏威夷地幔柱的简化模型(图3) 陆动力学的主要课题之一( Hill et al.,1992) 夏威夷科学钻探已经获得的科学结果表明,钻 将火山系统和热流机制做为主要研究内容的项探可以系统获取岩浆演化过程、地幔结构、岩石圈动 目有11个,分别是:①意大利的 Campi flegrel火山力学以及地下火山环境的热、成岩、水文和微生物演 口钻探(尚未实施);②美国的夏威夷火山钻探项目;化方面的信息,科学钻探提供的这些信息对发展和 ③冰岛深部钻探项目(第一阶段钻探已经完成);④验证地幔岩浆活动模型至关重要。 美国夏威夷 Koolau火山钻探项目(2000年钻探); 用地幔柱理论解释热点火山活动一直遭到 ⑤法属留尼汪岛 Fournaise火山深部地热钻探;⑥对,但仍然是对于远离板块边缘的强烈的火山活动 美国的长谷火山钻探(1998年钻探);⑦俄罗斯的最好的解释。未来的工作目标是获得更多的关于 Mutnovsky火山科学钻探(尚未实施);⑧芬兰地幔深部的地球化学和岩石学方面的尽可能多的信 Outokumpu深部钻探(2004年钻探);⑨美国蛇河息,对大洋岛屿热点进行系统钻探是最好的也是唯 科学钻探(尚未实施);⑩日本云仙火山钻探(2003 一的方法 2004年钻探);①德国KTB科学钻探计划。其中, 1792年,日本島原附近的云仙火山( Volcar 夏威夷、 Koolau、冰岛和蛇河等4个钻探项目的科学 Unzen, Shimabara)喷发及火山引起的海啸曾造成 主题涉及地幔柱和裂谷。 15000余人丧生。1990年至1995年,该火山又一次 Kilauea火山1959年曾喷发,美国地质调查局进入了活动期。1991年5月,火山再次喷发,这是 分别于1967年,1975年,1976年和1979年对该火自1792年以来最大的喷发,日本政府紧急疏散了 山进行了科学钻探,分别获取岩芯26.5m、44.2m、12000名居民。1991年6月3日的剧烈喷发造成 46m和52.7m。这是最早对岩浆系统进行的科学40余名科学家和新闻记者死亡或失踪。从1991年 钻探,这项工作还创下了迄今为止最高温度(780℃)到1995年的火山活动造成的财产损失达20亿美 的工作记录( Hardee et al.,1981)。 元。为了解该火山的结构、成长历史和富SiO2岩浆 1984年,美国科学家对加利福尼亚州的Iong的喷出机制,日本和美国的科学家申请了ICDP项 Valley Caldera600年前喷发的 Inyo Domes火山丘进目。项目始于199年,2005年结束。期间于2003 行了科学钻探,钻探之前,人们曾推测此地之下会发和2004年分别进行了两期科学钻探。第一期钻探 现大规模的岩浆房。出乎地质学家的意料,地下岩石(2003年)最深钻达1800m设计深度时,没有钻到 几乎都是凉的,3km处的温度仅为100℃。火山喷发预想的岩浆通道。第二期钻探(2004年)在孔深 的通道直径仅为30m左右( Sorey et al.,2000) 1995m(从山顶垂直深度1500m)处遇到了岩浆通 1995年4月,美国科学家 Donald J. Depaolo道(图4)。这是ICDP第一个钻达活火山通道的科 等人正式提交了项目建议书:《夏威夷科学钻探:地学钻探项目。当时的测温结果只有155℃,远低于 幔柱的物理和化学》,该项目通常称为 Hawail科学家们的预料,科学家们估计这是由于地下流体 Scientific Drilling Project,简称HSDP。HSDB于的剧烈活动使火山通道快速冷却的结果。 1996年ICDP正式成立后被列为第一批资助的科4.5活动断裂科学钻探 学钻探项目,得到了ICDP150万美元的资助。原 目前绝大部分地震数据都是在地表或近地表环 始项目建议中计划用5年时间,在夏威夷的 Mauna境下观测获得的。现在可以明确地知道地震带的分 Kea火山实施一口4500m的钻孔,对钻孔进行一系布位置,可以准确测量地震波的大小和震中的位置 列的观测与实验,并对岩芯进行多学科综合研究。可以模拟断裂带的破裂过程并预测地下的运动。然 实际钻探过程中,资金与时间均超出了预期,到而对于与地震或断裂发生时的直接数据(孔隙压力 1999年9月,钻进深度才达到3100m,由于经费和原位应力,地震或破裂产生的热量等)和力学机制却 技术原因,钻探工作不得不停止。2002年,再度申知之甚少。科学家还无法完全区分产生地震的断裂 请ICDP资助,2003年4月开始了第二期钻探 和缓慢释放能量不产生地震的断裂,不知道地震后 在第一期钻探中,最上247m为陆相Maur 断裂的演化方式,不知道地震后断裂带如何积聚到 Laa组熔岩,之下为832m陆相 Mauna kea组熔足够的能量以产生更多地震,不知道流体在断裂带 岩,再往下为2019m的海相火山岩和沉积岩。根中确切来源和作用,不知道断裂带的结构、成分和变 据前人的资料以及HSDP钻探的结果, Donald等人形随深度变化的规律

地 质 学 报 $%&% 年 岩浆聚集对大陆的形成与演化起着重要作用(是大 陆动力学的主要课题之一$Z9338JC34(&@@$%& 将火山系统和热流机制做为主要研究内容的项 目有&&个(分别是!#意大利的 (CBN9X38H;83火山 口钻探$尚未实施%'$美国的夏威夷火山钻探项目' %冰岛深部钻探项目$第一阶段钻探已经完成%'& 美国夏威夷 S223C6火山钻探项目$$%%%年钻探%' '法属留尼汪岛 Q26;7C9D8火山深部地热钻探'( 美国的 长 谷 火 山 钻 探 $&@@! 年 钻 探%') 俄 罗 斯 K6J72YDLW 火 山 科 学 钻 探 $尚 未 实 施 %'* 芬 兰 ,6J2L6BN6深部钻探$$%%" 年钻探%'+ 美国蛇河 科学钻探$尚未实施%',日本云仙火山钻探$$%%A" $%%"年钻探%'-./德国 S)T 科学钻探计划&其中( 夏威夷)S223C6)冰岛和蛇河等"个钻探项目的科学 主题涉及地幔柱和裂谷& S93C68C火山&@>@年曾喷发(美国地质调查局 分别于&@#?年(&@?>年(&@?#年和&@?@年对该火 山进行了科学钻探(分别获取岩芯$#4>B)""4$B) "#B 和>$4?B&这是最早对岩浆系统进行的科学 钻探(这项工作还创下了迄今为止最高温度$?!%`% 的工作记录$ZC;E888JC34(&@!&%& &@!"年(美国科学 家 对 加 利 福 尼 亚 州 的 -27H 1C338W(C3E8;C#%%年前喷发的.7W2P2B8D火山丘进 行了科学钻探(钻探之前(人们曾推测此地之下会发 现大规模的岩浆房&出乎地质学家的意料(地下岩石 几乎都是凉的(ALB处的温度仅为&%%`&火山喷发 的通道直径仅为A%B左右$/2;8W8JC34($%%%%& &@@>年 " 月(美国科学家 P27C3E54P8:C232 等人正式提交了项目建议书!.夏威夷科学钻探!地 幔 柱 的 物 理 和 化 学 /(该 项 目 通 常 称 为 ZC\C99 /F987J9X9FP;93397H:;2M8FJ(简 称 Z/P:&Z/PT 于 &@@#年.(P:正式成立后被列为第一批资助的科 学钻探项目(得到了.(P:&>% 万美元的资助&原 始项目建议中计划用>年时间(在夏威夷的 KC67C S8C火山实施一口">%%B 的钻孔(对钻孔进行一系 列的观测与实验(并对岩芯进行多学科综合研究& 实际 钻 探 过 程 中(资 金 与 时 间 均 超 出 了 预 期(到 &@@@年@月(钻进深度才达到A&%%B(由于经费和 技术原因(钻探工作不得不停止&$%%$年(再度申 请.(P:资助($%%A年"月开始了第二期钻探& 在第一 期 钻 探 中(最 上 $"? B 为 陆 相 KC67C -2C组熔岩(之 下 为 !A$ B 陆 相 KC67CS8C组 熔 岩(再往下为$%&@B 的海相火山岩和沉积岩&根 据前人的资料以及 Z/P:钻探的结果(P27C3E等人 提出了夏威夷地幔柱的简化模型$图A%& 夏威夷科学钻探已经获得的科学结果表明(钻 探可以系统获取岩浆演化过程)地幔结构)岩石圈动 力学以及地下火山环境的热)成岩)水文和微生物演 化方面的信息(科学钻探提供的这些信息对发展和 验证地幔岩浆活动模型至关重要& 用地幔柱理论解释热点火山活动一直遭到反 对(但仍然是对于远离板块边缘的强烈的火山活动 的最好的解释&未来的工作目标是获得更多的关于 地幔深部的地球化学和岩石学方面的尽可能多的信 息(对大洋岛屿热点进行系统钻探是最好的也是唯 一的方法& &?@$年(日 本 岛 原 附 近 的 云 仙 火 山 $123FC72 V7[87(/G9BC%%%余人丧生&&@@%年至&@@>年(该火山又一次 进入了活动期&&@@&年>月(火山再次喷发(这是 自&?@$年以来最大的喷发(日本政府紧急疏散了 &$%%%名居民&&@@& 年 # 月 A 日的剧烈喷发造成 "%余名科学家和新闻记者死亡或失踪&从&@@&年 到&@@>年的火山活动造成的财产损失达$%亿美 元&为了解该火山的结构)成长历史和富 /9,$岩浆 的喷出机制(日本和美国的科学家申请了.(P: 项 目&项目始于&@@@年($%%>年结束&期间于$%%A 和$%%"年分别进行了两期科学钻探&第一期钻探 $$%%A年%最深钻达&!%%B 设计深度时(没有钻到 预想的 岩 浆 通 道&第 二 期 钻 探 $$%%" 年%在 孔 深 &@@>B$从山顶垂直深度&>%%B%处遇到了岩浆通 道$图"%&这是.(P:第一个钻达活火山通道的科 学钻探项目&当时的测温结果只有&>>`(远低于 科学家们的预料(科学家们估计这是由于地下流体 的剧烈活动使火山通道快速冷却的结果& 349 活动断裂科学钻探 目前绝大部分地震数据都是在地表或近地表环 境下观测获得的&现在可以明确地知道地震带的分 布位置(可以准确测量地震波的大小和震中的位置( 可以模拟断裂带的破裂过程并预测地下的运动&然 而对于与地震或断裂发生时的直接数据$孔隙压力( 原位应力(地震或破裂产生的热量等%和力学机制却 知之甚少&科学家还无法完全区分产生地震的断裂 和缓慢释放能量不产生地震的断裂(不知道地震后 断裂的演化方式(不知道地震后断裂带如何积聚到 足够的能量以产生更多地震(不知道流体在断裂带 中确切来源和作用(不知道断裂带的结构)成分和变 形随深度变化的规律& !!%

第6期 德辰等:国际大陆科学钻探(ICDP)进展 881 单独的火山取样位置 料石圈 茶积的地幔柱岩浆 Accumulated plume 培融在母岩中向上扩散 Mell perex lalion 地幔柱中的温度分布 100 km 图3夏威夷地幔柱产生岩浆模型(据 DePaolo等,2007) Fig 3 Model for magma production by the Hawaiian plume (after DePaolo et al., 2007) North北 南souh决地震预报和研究断裂过程的重要举措。1995年1 月日本神户大地震后,日本科学家在同年11月对野 岛断裂( Nojima Fault)进行了科学钻探。此后,科 USDP-4 学家先后在美国圣安地列斯走滑型板块边界(San Andreas fault)、中国台湾车籠埔的逆冲型断裂 ( Chelungpu Fault)、希腊的裂谷环境 Aigion正断 通道带 裂、南非的太古宙活化断裂( Pretorius fault)和日本 Conduit zor 的俯冲带断裂( Nankai thrust)进行了一系列科学 钻探( Reches et al.,2007) 神户地震后,野岛断裂带科学钻探项目迅速启 动,在地震后的14个月内完成了7口500m至 1800m的科学钻孔并进行了多项地球物理观测 15002000在穿过断裂带的花岗岩岩芯中,识别出了与断裂活 距离(m) 动密切相伴的强烈的热水蚀变,发现了之前地震形 图4日本島原云仙火山科学钻探示意图 成的超碎裂岩( Ultracataclasites)和假玄武玻璃 (据 Nakada等,2005) ( pseudotachylyte)(这两种物质通常形成于10km Fig 4 The iCdP drilling at Mt, Unzen, Japan 以下),测量了区域应力场方向。为研究破裂带的愈 (after Nakada et al., 2005) 合过程,分别于1997年,2000年和2003年对1800 有数据表明,80%的地震是由主震引发的,主震m深的钻孔进行了注水试验,计算和观测结果表 后的余震是最可能预测的地震,但现在还不知道会明,野岛断裂正在进入愈合期 1999年台湾集集地震(M7.6级)发生后,车能 震的发生机制与过程。摘清余震的触发机制是走向埔断裂的地表破裂长度达100km,表面位移达1 成功预报地震的重要一步。因此对地震发生后的活12m。在地震发生65个月和73个月之后,科学家 动断裂带快速响应的科学钻探日益重要 在车籠埔断裂带上相距40m的地方完成了两口科 在活动断裂带进行科学钻探是最近十几年来解 学钻探工程,这两口深井分别在地下1111m和

第 # 期 苏德辰等!国际大陆科学钻探$.(P:%进展 图 A 夏威夷地幔柱产生岩浆模型$据 P8:C232等($%%?% Q9H4A K2E83X2;BCHBCN;2E6FJ927% Q9H4" )G8.(P:E;93397HCJKJ4V7[87(5CNC7 $CXJ8;0CLCEC8JC34($%%>% 有数据表明(!%a的地震是由主震引发的(主震 后的余震是最可能预测的地震(但现在还不知道余 震的发生机制与过程&搞清余震的触发机制是走向 成功预报地震的重要一步&因此对地震发生后的活 动断裂带快速响应的科学钻探日益重要& 在活动断裂带进行科学钻探是最近十几年来解 决地震预报和研究断裂过程的重要举措&&@@>年& 月日本神户大地震后(日本科学家在同年&&月对野 岛断裂$02M9BCQC63J%进行了科学钻探&此后(科 学家先后在美国圣安地列斯走滑型板块边界$/C7 '7E;8CDQC63J%)中 国 台 湾 车 笼 埔 的 逆 冲 型 断 裂 $(G8367HN6QC63J%)希 腊 的 裂 谷 环 境 '9H927 正 断 裂)南非的太古宙活化断裂$:;8J2;96DQC63J%和日本 的俯冲带断裂$0C7LC9)G;6DJ%进行了一系列科学 钻探$R8FG8D8JC34($%%?%& 神户地震后(野岛断裂带科学钻探项目迅速启 动(在地 震 后 的 &" 个 月 内 完 成 了 ? 口 >%% B 至 &!%%B 的科学钻孔并进行了多项地球物理观测& 在穿过断裂带的花岗岩岩芯中(识别出了与断裂活 动密切相伴的强烈的热水蚀变(发现了之前地震形 成的 超 碎 裂 岩 $V3J;CFCJCF3CD9J8D%和 假 玄 武 玻 璃 $ND86E2JCFGW3WJ8%$这 两 种 物 质 通 常 形 成 于 &%LB 以下%(测量了区域应力场方向&为研究破裂带的愈 合过程(分别于&@@?年($%%%年和$%%A年对&!%% B 深的钻 孔 进 行 了 注 水 试 验(计 算 和 观 测 结 果 表 明(野岛断裂正在进入愈合期& &@@@年台湾集集地震$!\?4#级%发生后(车笼 埔断裂的地表破裂长度达&%%LB(表面位移达&" &$B&在地震发生#>个月和?A个月之后(科学家 在车笼埔断裂带上相距"%B 的地方完成了两口科 学钻探工 程(这 两 口 深 井 分 别 在 地 下 &&&& B 和 !!&

地质学报 2010年 1136m处穿过车能埔主断裂面。另外在南北两处 还施工了两个科学浅孔,孔深分别为330m和180 m。在断裂面发现了高破裂能量形成的黑色断层 泥,各孔进行的温度测量结果显示了断裂带处的温 度均高于周围的温度,发现了摩擦生热导致的断层 泥的液化。根据磁化率异常、粘土矿物学、全岩化学 等方法确定集集地震主断裂面和以前大地震的主断 裂面在地震发生时的温度为900℃。 Pilot hole 美国加利福尼亚是圣安弟列斯断裂经过的地 方,历史上地震频发。在加州一个叫做 Parkfield的 偏僻小镇附近,分别于1857年、1881年、1901年、 1922年、1934年和1966年发生了6级左右的地震 6次地震的间隔周期大概是20~30a。因此有人预 图5圣安弟列斯断裂与 SAFOD科学钴探示意图 测1966年之后的地震将发生在1993年前。1985 美国 Earth Scope网站 年,美国地质调查所开始进行地震预报试验,他们进 http://www.earthscope.org/observatories/safod) 行了广泛的地球物理和地质调查工作,并计划对地 Fig 5 Diagram showing the San Andreas Fault 震断裂进行钻探。2002年由美国自然基金会和 andSafoD(aftErhttp://www.earthscope.or ICDP资助的圣安弟列斯断裂深部观测计划(San observatories/safod) Andreas Fault Observatory at Depth,简称 SAFOD)正式启动,首先在 Parkfield附近施工了 中一层的岩芯照片及Ⅹ光3-D最大密度投影图。 口2.2km的先导孔,2004年开始进行主孔钻探 SAFOD主孔钻遇圣安弟列斯断裂时发现断裂 SAFOD主孔从地表到地下1.5km深为直孔,带宽250余米,内有多条明显的断裂活动痕迹。主 1.5km向下,采用60°角定向钻进进行斜孔施工,于断裂带的岩屑中还发现了滑石。研究表明,这些滑 垂深2.7km的地方穿越整个圣安弟列斯断裂(图石是由蛇纹石与含硅质的地下水反应所生成。圣安 5)。穿越断裂带的钻探使科学家们可以对圣安弟列 斯断裂的结构和性质进行直接的地球物理测量,并 在断裂带上安放了多种设备以记录和研究这些地表 pyroclasts 不可能看见的与地震有关的现象 2004年6月至10月实施第一期深孔钻探,钻 孔到达圣安弟列斯主断裂面。2005年6月至8月 实施了第二期深孔钻探,钻穿圣安弟列斯主断裂 角砾的断忌泥 含刻繁的蛇纹 SAFOD主孔钻探确定的圣安弟斯主断裂的宽度为 250m,主断裂中岩石极度破碎。在主断裂带内还 识别出多条细小的局部活动的滑动构造。 2007年6月至9月对主孔进行了第三期钻探 这期工作的主要任务是沿第二期钻探的钻孔侧壁进 行取芯钻探,共获取岩芯41m,重约1t。这些岩芯 图6圣安弟列斯断裂内剪切带岩芯及X光3-D密度 样品灵敏地捕获了深部断层正在发生的变形痕迹 投影图(据美国 Earth Scope网站: 提供了圣安弟斯断裂在深部震源点(地震生成的深 http://www.earthscope.org/observatories/safod) 度)激动人心的构造景观,是地学界第一次在板块边Fig.6 The photograph and3 D maximum intensity 界的活动断裂带上产生地震的深度获得的样品,世 projection of X-ray computed tomography image for a 界各地的地震科学家可以直接对来自活动断裂的样 portion of one of the gouge layers shows a sheared zone 品进行分析与实验研究。第三期钻探发现了两条包 of serpentinite at the contact with 含米级厚度的松散叶片状断层泥的层位。图6为其 http://www.earthscope,org/observatories/safod)

地 质 学 报 $%&% 年 &&A#B 处穿过车笼埔主断裂面&另外在南北两处 还施工了两个科学浅孔(孔深分别为AA%B 和&!% B&在断裂面发现了高破裂能量形成的黑色断层 泥(各孔进行的温度测量结果显示了断裂带处的温 度均高于周围的温度(发现了摩擦生热导致的断层 泥的液化&根据磁化率异常)粘土矿物学)全岩化学 等方法确定集集地震主断裂面和以前大地震的主断 裂面在地震发生时的温度为@%%`& 美国加利福尼亚是圣安弟列斯断裂经过的地 方(历史上地震频发&在加州一个叫做 :C;LX983E的 偏僻小镇附近(分别于 &!>? 年)&!!& 年)&@%& 年) &@$$年)&@A"年和&@##年发生了#级左右的地震( #次地震的间隔周期大概是$%"A%C&因此有人预 测&@## 年之后的地震将发生在 &@@A 年前&&@!> 年(美国地质调查所开始进行地震预报试验(他们进 行了广泛的地球物理和地质调查工作(并计划对地 震断 裂 进 行 钻 探&$%%$ 年 由 美 国 自 然 基 金 会 和 .(P:资助 的 圣 安 弟 列 斯 断 裂 深 部 观 测 计 划 $/C7 '7E;8CD QC63J ,LB 深为直孔( &4>LB 向下(采用#%_角定向钻进进行斜孔施工(于 垂深$4?LB 的地方穿越整个圣安弟列斯断裂$图 >%&穿越断裂带的钻探使科学家们可以对圣安弟列 斯断裂的结构和性质进行直接的地球物理测量(并 在断裂带上安放了多种设备以记录和研究这些地表 不可能看见的与地震有关的现象& $%%"年#月至&%月实施第一期深孔钻探(钻 孔到达圣安弟列斯主断裂面&$%%>年#月至!月 实施了第二期深孔钻探(钻穿圣安弟列斯主断裂& /'Q,P主孔钻探确定的圣安弟斯主断裂的宽度为 $>%B(主断裂中岩石极度破碎&在主断裂带内还 识别出多条细小的局部活动的滑动构造& $%%?年#月至@月对主孔进行了第三期钻探& 这期工作的主要任务是沿第二期钻探的钻孔侧壁进 行取芯钻探(共获取岩芯"&B(重约&J&这些岩芯 样品灵敏地捕获了深部断层正在发生的变形痕迹( 提供了圣安弟斯断裂在深部震源点$地震生成的深 度%激动人心的构造景观(是地学界第一次在板块边 界的活动断裂带上产生地震的深度获得的样品(世 界各地的地震科学家可以直接对来自活动断裂的样 品进行分析与实验研究&第三期钻探发现了两条包 含米级厚度的松散叶片状断层泥的层位&图#为其 图 > 圣安弟列斯断裂与/'Q,P科学钻探示意图 $据美国 +C;JG/F2N8网站! GJJN!--\\\48C;JGDF2N842;H-2 P9CH;CBDG2\97HJG8/C7'7E;8CDQC63J C7E/'Q,P $CXJ8;GJJN!--\\\48C;JGDF2N842;H- 2%余米(内有多条明显的断裂活动痕迹&主 断裂带的岩屑中还发现了滑石&研究表明(这些滑 石是由蛇纹石与含硅质的地下水反应所生成&圣安 !!$