ICDP正式啟動(dòng)到現(xiàn)在,已經(jīng)在多個(gè)科學(xué)研究領(lǐng)域取得了系列重要成果。簡(jiǎn)單介紹如下。

 

  氣候變化與全球環(huán)境

 

  氣候變化與全球環(huán)境是地學(xué)界的熱點(diǎn)之一,因而也是ICDP申報(bào)項(xiàng)目最多的主題。 最能反映全球或局部氣候變化與環(huán)境的高分辨率沉積記錄大多保存在大陸內(nèi)部的湖相沉積中,特別是具有較長(zhǎng)壽命的湖相沉積中。大陸上分布著大量的湖泊,系統(tǒng)地對(duì)全球大陸上廣泛分布的湖相沉積物進(jìn)行系統(tǒng)鉆探取樣分析,可以得到全球氣候動(dòng)態(tài)變化的模型,了解氣候變化對(duì)大陸地貌、生態(tài)以及人類環(huán)境的影響。湖泊沉積物中還保存有地球磁場(chǎng)變化的信息,沿大的斷裂分布的盆地湖泊沉積物中還保存有高分辨率地震的時(shí)空分布信息,對(duì)這些信息進(jìn)行分析研究可有助于預(yù)防自然災(zāi)害特別是地震災(zāi)害(Brigham2Gretteetal.,2007)。因此近年來(lái)湖泊鉆探成為科學(xué)鉆探中最熱的課題,與該主題相關(guān)的立項(xiàng)建議、WORKSHOP項(xiàng)目以及實(shí)施的鉆探項(xiàng)目已有20余項(xiàng)。

 

  此主題的主要項(xiàng)目有:?美國(guó)的ChesapeakeBay項(xiàng)目(2005年9月至2006年5月鉆探);?死海盆地鉆探項(xiàng)目(立項(xiàng)階段);?東非裂谷帶附近人類演化與古氣候(2010年立項(xiàng));?過(guò)去的氣候變化高分辨率地質(zhì)記錄(立項(xiàng)階段);?俄羅斯Imandra極地鉆探項(xiàng)目(2007年完成鉆探);?俄羅斯貝加爾湖高分辨率大陸古氣候記錄項(xiàng)目(1989年開始至1999年結(jié)束,ICDP于1998年至1999年提供了取芯及鉆探方面的支持);?加納的Bosumtwi湖鉆探項(xiàng)目(2004年7月至2004年10月);?俄羅斯極地凍土層及湖相鉆探(2008年10月至2009年5月);?關(guān)于中亞最近數(shù)百萬(wàn)年來(lái)氣候演化的LakeIssyk2Kul鉆探項(xiàng)目(立項(xiàng)階段);?東非裂谷地區(qū)Malawi湖泊鉆探(2005年2月至3月鉆探);??lv危地馬拉的PetenItza湖泊鉆探(2006年2月至2006年3月鉆探);??lw阿根廷PotrokAike湖相沉積鉆探項(xiàng)目(2008年9月至11月鉆探);lx南太平洋法屬波利尼西亞塔希提島海平面變化鉆探項(xiàng)目(2005年10

 

  月至

 

  11月鉆探);??l y南美秘魯與玻利維亞交界的Titicaca湖泊鉆探(2001年4月至5月鉆探);土耳其LakeVan湖泊鉆探(立項(xiàng)階段);??l {瑞典LomonosovRidge科學(xué)鉆探(2005年8月至9月鉆探);??l|加拿大Mallik氣水化合物鉆探項(xiàng)目(2001年12月至2002年3月);??l}美國(guó)新澤西州海岸平原鉆探項(xiàng)目(2009年鉆探,此項(xiàng)目也同屬于IODP資助項(xiàng)目);??l~流球群島珊瑚礁鉆探項(xiàng)目(選址階段,此項(xiàng)目也同屬于IODP資助項(xiàng)目);??mu美國(guó)大鹽湖(GreatSaltLake)和熊湖(BearLake)鉆探項(xiàng)目(2000年鉆探)。 中國(guó)的白堊紀(jì)松遼盆地大陸科學(xué)鉆探項(xiàng)目和青海湖環(huán)境鉆探項(xiàng)目也屬于該主題相關(guān)的項(xiàng)目(下文另述)。此外,2010年9月,ICDP還將資助近80名全球科學(xué)家參加吉爾吉斯坦伊塞克湖氣候演化研討會(huì)(ICDPWorkshoponLakeIssyk2Kul2010)。 其中,美國(guó)的大鹽湖(GreatSaltLake)和熊湖(BearLake)科學(xué)鉆探,獲取了近500m巖芯。其中在大鹽湖獲取了121m連續(xù)的巖芯,在熊湖獲取了120m連續(xù)巖芯,根據(jù)碳氧同位素研究結(jié)果,這些巖芯中包括了近280ka來(lái)的連續(xù)的古氣候紀(jì)錄和冰期/間冰期級(jí)別的古水文波動(dòng)(Schnurrenbergeretal.,2001;Brightetal.,2006)。 2001年進(jìn)行的塔希提島海平面變化鉆探項(xiàng)目獲取的巖芯發(fā)現(xiàn)了上一次大冰期前連續(xù)的熱帶冰期記錄,并可能包含500ka以來(lái)熱帶安弟斯和相鄰的亞馬遜盆地的氣候記錄。為確定南美地區(qū)千年級(jí)別和軌道級(jí)別的氣候變化規(guī)律提供了重要的證據(jù)。西非加納的Bosumtwi湖是由一顆1.07Ma前的小行星撞擊形成的,湖泊沉積物中保留了百萬(wàn)年來(lái)的氣候變化記錄。2004年,GLAD800鉆探船在湖中5個(gè)地點(diǎn)成功鉆井13口,獲取巖芯1800m。這些巖芯提供了非洲大陸1Ma來(lái)完整的高分辨率氣候變化記錄。 東非裂谷地區(qū)Malawi湖泊鉆探(LakeMalawiDrillingProject,簡(jiǎn)稱LMDP)采用了目前為止最大的湖泊鉆探設(shè)備于2005年2月至3月在Malawi湖進(jìn)行了兩口湖泊鉆探,獲取巖芯623m,這些巖芯可以精確獲得過(guò)去100ka來(lái)連續(xù)的氣候變化記錄。位于中美洲危地馬拉的PetenItza湖是一個(gè)構(gòu)造湖泊,經(jīng)歷了過(guò)去數(shù)個(gè)冰期。其湖相沉積是研究最近200ka以來(lái)(更新世至全新世)10a級(jí)氣候變化最好的場(chǎng)所,2006年進(jìn)行的鉆探共獲取巖芯1327m,目前已經(jīng)取得了初步成果(Anselmetti,2009)。

 

  隕石撞擊坑及撞擊過(guò)程研究

 

  越來(lái)越多的人相信,地球的地質(zhì)和生物演化過(guò)程不僅受地球內(nèi)部及地表作用過(guò)程的影響,還在很 大程度上受外來(lái)高能天體的影響。幾分鐘之內(nèi),外來(lái)的隕石可以給地殼甚至地幔留下直徑數(shù)千米甚至更大的/瘡疤0。隕石撞擊坑對(duì)地球的形成和后期改造起著重要的作用,并且也是生命演化的重要因素。隕石撞擊產(chǎn)生的大量熱能還有可能造成地球沉積物中有機(jī)質(zhì)燃燒、活化、轉(zhuǎn)移,對(duì)石油和天然氣的形成及保存起著促進(jìn)作用。有些隕石本身的成分極為特殊和集中,其撞擊后會(huì)形成特殊的礦產(chǎn)資源,隕石坑形成的特殊環(huán)形構(gòu)造還可形成天然的湖泊或水庫(kù),對(duì)地方水資源的影響意義重大。

 

  目前世界上已經(jīng)確認(rèn)的隕石撞擊坑大約有170個(gè),其中三分之一在地表可見。只有通過(guò)巖石學(xué)和地球化學(xué)研究才能判斷一個(gè)地質(zhì)構(gòu)造是否為撞擊成因,大部分裸露地表的隕石撞擊坑已經(jīng)被風(fēng)化破壞,通過(guò)科學(xué)鉆探獲取地下構(gòu)造的新鮮樣品顯得至關(guān)重要(Koeberletal.,2007)。

 

  ICDP資助了6項(xiàng)鉆探項(xiàng)目或國(guó)際研討會(huì)。第一項(xiàng)是對(duì)墨西哥Chicxulub隕石坑進(jìn)行的科學(xué)鉆探。該隕石坑直徑200km,撞擊時(shí)間為三疊紀(jì)與白堊紀(jì)的分界。Yaxcopoil21號(hào)孔鉆達(dá)1511m(2001年至2002年),貫穿了100余米厚的沖擊礫巖和沖擊凝灰角礫巖。 美國(guó)的Cheapeake灣隕石坑位于200m深的淺海中,直徑85km,是始新世期間(35Ma)隕石撞擊/濕0的環(huán)境形成的。隕石撞擊之后,立刻被海水覆蓋,海洋沉積物立刻將此隕石坑掩埋,因而該隕石坑是地球上保存最完整的隕石坑。2003年舉行了關(guān)于這個(gè)隕石坑的國(guó)際研討會(huì),2004年被ICDP批準(zhǔn)為科學(xué)鉆探項(xiàng)目,2005年9月到2006年5月,在Cheapeake灣進(jìn)行了科學(xué)鉆探,共鉆進(jìn)1.8km。科學(xué)家們希望通過(guò)科學(xué)鉆探了解撞擊過(guò)程、撞擊環(huán)境的急劇變化及生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)過(guò)程、撞擊對(duì)海平面變化、氣候及沉積環(huán)境的影響。對(duì)深部獲取的巖芯還可提供研究地殼深部微生物的機(jī)會(huì)。

 

  俄羅斯極地凍土層及湖相鉆探(LakeElgygytgynDrillingProject,2008年10月至2009年5月)涉及氣候變化和隕石撞擊坑兩個(gè)主題。Elgygytgyn湖是由3.6Ma年前的一顆隕石撞擊形成,撞擊構(gòu)造坑的直徑為14km,大部分被水體覆蓋,平均水深170m。Elgygytgyn是已知的唯一一個(gè)撞擊在硅質(zhì)火山巖環(huán)境的隕石坑,強(qiáng)烈撞擊后的火山巖及斑晶變成石英玻璃和部分熔融的長(zhǎng)石和微晶基質(zhì),廣泛分布在隕石坑中。隕石坑形成后,立刻被水充填形成湖泊,因此湖相沉積物中保存了近3.6Ma來(lái)完整的陸相極地氣候記錄,對(duì)全面了解全球氣候變化中極地的作用非常重要。本項(xiàng)目共打3口科學(xué)井,兩口在湖中,一口在湖邊的凍土層。鉆探工作始于2008年秋,2009年春結(jié)束,并已經(jīng)取得初步成果。在凍土層中鉆探142m,所取得的巖芯對(duì)研究?jī)鐾翆拥臍v史以及凍土層對(duì)湖相沉積的影響非常重要。湖中鉆探深度為315m,巖芯中發(fā)現(xiàn)了不同級(jí)別冷暖變化規(guī)律,在底部發(fā)現(xiàn)了撞擊形成的角礫巖。 Sudbury盆地是地球上已發(fā)現(xiàn)的最老、也是第二大的隕石坑,撞擊時(shí)間大約在1.8Ga。隕石撞擊形成了世界上最大的銅2鎳硫化物礦床。加拿大地質(zhì)學(xué)家還提出了在加拿大Sudbury盆地進(jìn)行科學(xué)鉆探的建議,以便了解深部地殼的地質(zhì)作用、巖石力學(xué)、流體的流動(dòng)和深部生物學(xué)方面的信息。挪威科學(xué)家提出在接近北極的Mj?lnir隕石坑進(jìn)行科學(xué)鉆探的建議,相關(guān)的國(guó)際研討會(huì)已于2005年舉行。

 

  地球生物圈

 

  生物圈存在于巖石圈、水圈和大氣圈中,地球表層的土壤或巖石內(nèi)部存在著微生物,這是不爭(zhēng)的事實(shí),但生物圈的底界有多深確是長(zhǎng)期爭(zhēng)論的話題之一。傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為,生物圈的底界不會(huì)超過(guò)巖石圈下部數(shù)十米。然而最近20年的研究表明,生物圈的底界已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)地球表面,地下生物圈的微生物種類和生物量甚至超過(guò)地表生物。

 

  地下微生物的分布受沉積物和巖石的孔隙度、溫度、壓力、能量和營(yíng)養(yǎng)供應(yīng)等多種因素控制。盡管目前人們對(duì)地表下微生物的群落構(gòu)成、生命活動(dòng)以及所參與的物質(zhì)轉(zhuǎn)化都知之甚少,根據(jù)這些微生物的多樣性以及巨大的生物量可以推測(cè),地表下微生物可能參與多種地球化學(xué)過(guò)程,對(duì)于元素循環(huán)、礦物質(zhì)形成及變遷以及地下水的演化起著重要作用。深部生物圈的研究是國(guó)際科學(xué)鉆探領(lǐng)域中的熱門課題,但是到目前為止,大部分課題均是在海洋鉆探項(xiàng)目中進(jìn)行的。然而海洋鉆探大多為淺孔,不足以確定深部生物圈的溫度、壓力、鹽度和孔隙度的界限。大洋鉆探的地質(zhì)環(huán)境單一、年代范圍有限。因此大陸科學(xué)鉆探極有可能在地下生物圈研究方面取得重大突破(Horsfieldetal.,2007)。

 

  限于目前的技術(shù)和經(jīng)費(fèi)水平,對(duì)地下微生物的研究?jī)H在數(shù)量很小的科學(xué)鉆探項(xiàng)目中進(jìn)行過(guò),許多關(guān)鍵問(wèn)題仍然懸而未決。上世紀(jì)90年代中期,科學(xué)家已經(jīng)在多處發(fā)現(xiàn)生物圈的下限達(dá)到1000m左右(

 

  Parkes

 

  etal.,1994),生物在自然界中的生存溫 度上限為113bC或121bC(Kashefietal.,2004)。 在ICDP立項(xiàng)建議或鉆探計(jì)劃的項(xiàng)目中,有11個(gè)項(xiàng)目明確將探索生物圈做為研究主題之一。這11個(gè)項(xiàng)目是:?北歐的CollisionalOrogenyintheScandinavianCaledonides(COSC)項(xiàng)目;?以色列的死海鉆探項(xiàng)目;?德國(guó)科學(xué)家提出的深部砂石圈綜合研究項(xiàng)目;?捷克的Eger裂谷鉆探項(xiàng)目;?芬蘭的冰期后斷裂鉆探項(xiàng)目;?美國(guó)的夏威夷鉆探項(xiàng)目;?俄羅斯的極地Fennoscandia鉆探項(xiàng)目;?俄羅斯的科拉超深鉆探項(xiàng)目;?加拿大Malik鉆探項(xiàng)目;?美國(guó)新澤西科學(xué)鉆探項(xiàng)目;??lv德國(guó)的KTB科學(xué)鉆探項(xiàng)目。

 

  中國(guó)大陸科學(xué)鉆探項(xiàng)目為探索深部地下微生物的垂直分布、生物量和生物多樣性等重大科學(xué)問(wèn)題提供了寶貴的機(jī)會(huì)。由于地溫梯度的存在,中國(guó)大陸科學(xué)鉆探主孔5000m處的溫度大約為140e,該溫度超越了目前的共識(shí))))微生物的生存溫度上限為121e,因此選取的主孔巖石作為微生物研究,不但可以探索地下生物的多樣性,更有可能探測(cè)到地下生物圈的下限(王遠(yuǎn)亮等,2006)。根據(jù)中國(guó)大陸科學(xué)鉆探工程主孔地下微生物研究獲得的微生物生物量變化剖面,發(fā)現(xiàn)主孔巖石中有多種微生物,用磷脂酸分析方法發(fā)現(xiàn)微生物的可檢測(cè)下限為4500m,采用DAPI染色方法可檢測(cè)到微生物的深部下限是4803.71m,而根據(jù)測(cè)溫結(jié)果,地下4500m至4800m井段的溫度約為130~140bC之間。

 

  2005年,Takano等(2005)報(bào)道了在西太平洋APSK05孔巖芯中發(fā)現(xiàn)了生物酶的活動(dòng)溫度上限為308bC。

 

  火山系統(tǒng)和熱流機(jī)制、地幔柱和大洋裂谷太陽(yáng)系中的所有行星均有火山活動(dòng)。但在地球中的火山活動(dòng)更加特殊,至今人們還不十分清楚地下巖漿的活動(dòng)規(guī)律。對(duì)活火山的科學(xué)鉆探可以通過(guò)原位的測(cè)量與取樣,幫助我們了解巖漿在地殼中的物理和化學(xué)活動(dòng)規(guī)律,探索地殼的結(jié)構(gòu)和巖漿運(yùn)移條件,幫助人們研究火山噴發(fā)規(guī)律,有效監(jiān)測(cè)和預(yù)防火山噴發(fā)導(dǎo)致的災(zāi)害,還可幫助人們開發(fā)利用火山能源和火山作用形成的礦產(chǎn)資源。 地幔柱火山活動(dòng)是影響地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)與成分變化的主要作用,很可能是地心熱量損耗的最主要機(jī)制和板塊運(yùn)動(dòng)的最重要驅(qū)動(dòng)因素。地幔柱的上部對(duì)板塊的形成的邊界變化起著重要作用,而地球巖石圈的主要特征則與地幔柱的尾部和地幔柱的表面運(yùn)動(dòng)路徑關(guān)系密切。地幔柱以及地幔柱引起的大規(guī)模巖漿聚集對(duì)大陸的形成與演化起著重要作用,是大陸動(dòng)力學(xué)的主要課題之一(Hilletal.,1992)。 將火山系統(tǒng)和熱流機(jī)制做為主要研究?jī)?nèi)容的項(xiàng)目有11個(gè),分別是:?意大利的Campiflegrel火山口鉆探(尚未實(shí)施);?美國(guó)的夏威夷火山鉆探項(xiàng)目;?冰島深部鉆探項(xiàng)目(第一階段鉆探已經(jīng)完成);?美國(guó)夏威夷Koolau火山鉆探項(xiàng)目(2000年鉆探);?法屬留尼汪島Fournaise火山深部地?zé)徙@探;?美國(guó)的長(zhǎng)谷火山鉆探(1998年鉆探);?俄羅斯Mutnovsky火山科學(xué)鉆探(尚未實(shí)施);?芬蘭Outokumpu深部鉆探(2004年鉆探);?美國(guó)蛇河科學(xué)鉆探(尚未實(shí)施);?日本云仙火山鉆探(2003~2004年鉆探);??lv德國(guó)KTB科學(xué)鉆探計(jì)劃。其中,夏威夷、Koolau、冰島和蛇河等4個(gè)鉆探項(xiàng)目的科學(xué)主題涉及地幔柱和裂谷。 Kilauea火山1959年曾噴發(fā),美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局分別于1967年,1975年,1976年和1979年對(duì)該火山進(jìn)行了科學(xué)鉆探,分別獲取巖芯26.5m、44.2m、46m和52.7m。這是最早對(duì)巖漿系統(tǒng)進(jìn)行的科學(xué)鉆探,這項(xiàng)工作還創(chuàng)下了迄今為止最高溫度(780e)的工作記錄(Hardeeetal.,1981)。 1984年,美國(guó)科學(xué)家對(duì)加利福尼亞州的LongValleyCaldera600年前噴發(fā)的InyoDomes火山丘進(jìn)行了科學(xué)鉆探,鉆探之前,人們?cè)茰y(cè)此地之下會(huì)發(fā)現(xiàn)大規(guī)模的巖漿房。出乎地質(zhì)學(xué)家的意料,地下巖石幾乎都是涼的,3km處的溫度僅為100e。火山噴發(fā)的通道直徑僅為30m左右(Soreyetal.,2000)。

 

  1995年4月,美國(guó)科學(xué)家DonaldJ.DePaolo等人正式提交了項(xiàng)目建議書:5夏威夷科學(xué)鉆探:地幔柱的物理和化學(xué)6,該項(xiàng)目通常稱為HawaiiScientificDrillingProject,簡(jiǎn)稱HSDP。HSDB于1996年ICDP正式成立后被列為第一批資助的科學(xué)鉆探項(xiàng)目,得到了ICDP150萬(wàn)美元的資助。原始項(xiàng)目建議中計(jì)劃用5年時(shí)間,在夏威夷的MaunaKea火山實(shí)施一口4500m的鉆孔,對(duì)鉆孔進(jìn)行一系列的觀測(cè)與實(shí)驗(yàn),并對(duì)巖芯進(jìn)行多學(xué)科綜合研究。實(shí)際鉆探過(guò)程中,資金與時(shí)間均超出了預(yù)期,到1999年9月,鉆進(jìn)深度才達(dá)到3100m,由于經(jīng)費(fèi)和技術(shù)原因,鉆探工作不得不停止。2002年,再度申請(qǐng)ICDP資助,2003年4月開始了第二期鉆探。 在第一期鉆探中,最上247m為陸相MaunaLoa組熔巖,之下為832m陸相MaunaKea組熔巖,再往下為2019m的海相火山巖和沉積巖。根據(jù)前人的資料以及HSDP鉆探的結(jié)果,Donald等人 提出了夏威夷地幔柱的簡(jiǎn)化模型(圖3)。 夏威夷科學(xué)鉆探已經(jīng)獲得的科學(xué)結(jié)果表明,鉆探可以系統(tǒng)獲取巖漿演化過(guò)程、地幔結(jié)構(gòu)、巖石圈動(dòng)力學(xué)以及地下火山環(huán)境的熱、成巖、水文和微生物演化方面的信息,科學(xué)鉆探提供的這些信息對(duì)發(fā)展和驗(yàn)證地幔巖漿活動(dòng)模型至關(guān)重要。 用地幔柱理論解釋熱點(diǎn)火山活動(dòng)一直遭到反對(duì),但仍然是對(duì)于遠(yuǎn)離板塊邊緣的強(qiáng)烈的火山活動(dòng)的最好的解釋。未來(lái)的工作目標(biāo)是獲得更多的關(guān)于地幔深部的地球化學(xué)和巖石學(xué)方面的盡可能多的信息,對(duì)大洋島嶼熱點(diǎn)進(jìn)行系統(tǒng)鉆探是最好的也是唯一的方法。

 

  1792年,日本島原附近的云仙火山(VolcanoUnzen,Shimabara)噴發(fā)及火山引起的海嘯曾造成15000余人喪生。1990年至1995年,該火山又一次進(jìn)入了活動(dòng)期。1991年5月,火山再次噴發(fā),這是自1792年以來(lái)最大的噴發(fā),日本政府緊急疏散了12000名居民。1991年6月3日的劇烈噴發(fā)造成40余名科學(xué)家和新聞?dòng)浾咚劳龌蚴й櫋?991年到1995年的火山活動(dòng)造成的財(cái)產(chǎn)損失達(dá)20億美元。為了解該火山的結(jié)構(gòu)、成長(zhǎng)歷史和富SiO2巖漿的噴出機(jī)制,日本和美國(guó)的科學(xué)家申請(qǐng)了ICDP項(xiàng)目。項(xiàng)目始于1999年,2005年結(jié)束。期間于2003和2004年分別進(jìn)行了兩期科學(xué)鉆探。第一期鉆探(2003年)最深鉆達(dá)1800m設(shè)計(jì)深度時(shí),沒有鉆到預(yù)想的巖漿通道。第二期鉆探(2004年)在孔深1995m(從山頂垂直深度1500m)處遇到了巖漿通道。這是ICDP第一個(gè)鉆達(dá)活火山通道的科學(xué)鉆探項(xiàng)目。當(dāng)時(shí)的測(cè)溫結(jié)果只有155e,遠(yuǎn)低于科學(xué)家們的預(yù)料,科學(xué)家們估計(jì)這是由于地下流體的劇烈活動(dòng)使火山通道快速冷卻的結(jié)果。

 

  活動(dòng)斷裂科學(xué)鉆探目前絕大部分地震數(shù)據(jù)都是在地表或近地表環(huán)境下觀測(cè)獲得的。現(xiàn)在可以明確地知道地震帶的分布位置,可以準(zhǔn)確測(cè)量地震波的大小和震中的位置,可以模擬斷裂帶的破裂過(guò)程并預(yù)測(cè)地下的運(yùn)動(dòng)。然而對(duì)于與地震或斷裂發(fā)生時(shí)的直接數(shù)據(jù)(孔隙壓力,原位應(yīng)力,地震或破裂產(chǎn)生的熱量等)和力學(xué)機(jī)制卻知之甚少。科學(xué)家還無(wú)法完全區(qū)分產(chǎn)生地震的斷裂和緩慢釋放能量不產(chǎn)生地震的斷裂,不知道地震后斷裂的演化方式,不知道地震后斷裂帶如何積聚到足夠的能量以產(chǎn)生更多地震,不知道流體在斷裂帶中確切來(lái)源和作用,不知道斷裂帶的結(jié)構(gòu)、成分和變形隨深度變化的規(guī)律。

 

  有數(shù)據(jù)表明,80%的地震是由主震引發(fā)的,主震后的余震是最可能預(yù)測(cè)的地震,但現(xiàn)在還不知道余震的發(fā)生機(jī)制與過(guò)程。搞清余震的觸發(fā)機(jī)制是走向成功預(yù)報(bào)地震的重要一步。因此對(duì)地震發(fā)生后的活動(dòng)斷裂帶快速響應(yīng)的科學(xué)鉆探日益重要。

 

  在活動(dòng)斷裂帶進(jìn)行科學(xué)鉆探是最近十幾年來(lái)解決地震預(yù)報(bào)和研究斷裂過(guò)程的重要舉措。1995年1月日本神戶大地震后,日本科學(xué)家在同年11月對(duì)野島斷裂(NojimaFault)進(jìn)行了科學(xué)鉆探。此后,科學(xué)家先后在美國(guó)圣安地列斯走滑型板塊邊界(SanAndreasFault)、中國(guó)臺(tái)灣車籠埔的逆沖型斷裂(ChelungpuFault)、希臘的裂谷環(huán)境Aigion正斷裂、南非的太古宙活化斷裂(PretoriusFault)和日本的俯沖帶斷裂(NankaiThrust)進(jìn)行了一系列科學(xué)鉆探(Rechesetal.,2007)。 神戶地震后,野島斷裂帶科學(xué)鉆探項(xiàng)目迅速啟動(dòng),在地震后的14個(gè)月內(nèi)完成了7口500m至1800m的科學(xué)鉆孔并進(jìn)行了多項(xiàng)地球物理觀測(cè)。在穿過(guò)斷裂帶的花崗巖巖芯中,識(shí)別出了與斷裂活 動(dòng)密切相伴的強(qiáng)烈的熱水蝕變,發(fā)現(xiàn)了之前地震形成的超碎裂巖(Ultracataclasites)和假玄武玻璃(pseudotachylyte)(這兩種物質(zhì)通常形成于10km以下),測(cè)量了區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)方向。為研究破裂帶的愈合過(guò)程,分別于1997年,2000年和2003年對(duì)1800m深的鉆孔進(jìn)行了注水試驗(yàn),計(jì)算和觀測(cè)結(jié)果表明,野島斷裂正在進(jìn)入愈合期。

 

  1999年臺(tái)灣集集地震(Mw7.6級(jí))發(fā)生后,車籠埔斷裂的地表破裂長(zhǎng)度達(dá)100km,表面位移達(dá)1~12m。在地震發(fā)生65個(gè)月和73個(gè)月之后,科學(xué)家在車籠埔斷裂帶上相距40m的地方完成了兩口科學(xué)鉆探工程,這兩口深井分別在地下1111m和1136m處穿過(guò)車籠埔主斷裂面。另外在南北兩處還施工了兩個(gè)科學(xué)淺孔,孔深分別為330m和180m。在斷裂面發(fā)現(xiàn)了高破裂能量形成的黑色斷層泥,各孔進(jìn)行的溫度測(cè)量結(jié)果顯示了斷裂帶處的溫度均高于周圍的溫度,發(fā)現(xiàn)了摩擦生熱導(dǎo)致的斷層泥的液化。根據(jù)磁化率異常、粘土礦物學(xué)、全巖化學(xué)等方法確定集集地震主斷裂面和以前大地震的主斷裂面在地震發(fā)生時(shí)的溫度為900e。

 

  美國(guó)加利福尼亞是圣安弟列斯斷裂經(jīng)過(guò)的地方,歷史上地震頻發(fā)。在加州一個(gè)叫做Parkfield的偏僻小鎮(zhèn)附近,分別于1857年、1881年、1901年、1922年、1934年和1966年發(fā)生了6級(jí)左右的地震,6次地震的間隔周期大概是20~30a。因此有人預(yù)測(cè)1966年之后的地震將發(fā)生在1993年前。1985年,美國(guó)地質(zhì)調(diào)查所開始進(jìn)行地震預(yù)報(bào)試驗(yàn),他們進(jìn)行了廣泛的地球物理和地質(zhì)調(diào)查工作,并計(jì)劃對(duì)地震斷裂進(jìn)行鉆探。2002年由美國(guó)自然基金會(huì)和ICDP資助的圣安弟列斯斷裂深部觀測(cè)計(jì)劃(SanAndreasFaultObservatoryatDepth,簡(jiǎn)稱SAFOD)正式啟動(dòng),首先在Parkfield附近施工了一口2.2km的先導(dǎo)孔,2004年開始進(jìn)行主孔鉆探。SAFOD主孔從地表到地下1.5km深為直孔,1.5km向下,采用60b角定向鉆進(jìn)進(jìn)行斜孔施工,于垂深2.7km的地方穿越整個(gè)圣安弟列斯斷裂(圖5)。穿越斷裂帶的鉆探使科學(xué)家們可以對(duì)圣安弟列斯斷裂的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)進(jìn)行直接的地球物理測(cè)量,并在斷裂帶上安放了多種設(shè)備以記錄和研究這些地表不可能看見的與地震有關(guān)的現(xiàn)象。 2004年6月至10月實(shí)施第一期深孔鉆探,鉆孔到達(dá)圣安弟列斯主斷裂面。2005年6月至8月實(shí)施了第二期深孔鉆探,鉆穿圣安弟列斯主斷裂。SAFOD主孔鉆探確定的圣安弟斯主斷裂的寬度為250m,主斷裂中巖石極度破碎。在主斷裂帶內(nèi)還識(shí)別出多條細(xì)小的局部活動(dòng)的滑動(dòng)構(gòu)造。 2007年6月至9月對(duì)主孔進(jìn)行了第三期鉆探。這期工作的主要任務(wù)是沿第二期鉆探的鉆孔側(cè)壁進(jìn)行取芯鉆探,共獲取巖芯41m,重約1t。這些巖芯樣品靈敏地捕獲了深部斷層正在發(fā)生的變形痕跡,提供了圣安弟斯斷裂在深部震源點(diǎn)(地震生成的深度)激動(dòng)人心的構(gòu)造景觀,是地學(xué)界第一次在板塊邊界的活動(dòng)斷裂帶上產(chǎn)生地震的深度獲得的樣品,世界各地的地震科學(xué)家可以直接對(duì)來(lái)自活動(dòng)斷裂的樣品進(jìn)行分析與實(shí)驗(yàn)研究。第三期鉆探發(fā)現(xiàn)了兩條包含米級(jí)厚度的松散葉片狀斷層泥的層位。匯聚板塊邊界和碰撞帶大陸地殼是在匯聚板塊邊界地帶形成、改造和毀滅的,板塊俯沖和碰撞是地球上最為重要的地質(zhì)過(guò)程,它是大陸增長(zhǎng)與侵蝕、島弧附近巖漿增生的主要因素。地球系統(tǒng)及其演化史中的許多根本性問(wèn)題需要通過(guò)研究現(xiàn)在的和古老的俯沖帶及碰撞帶才能找到答案。科學(xué)鉆探不僅可以提供地下的新鮮樣品,還可以進(jìn)行井下測(cè)量、實(shí)驗(yàn)及長(zhǎng)期觀測(cè),為研究地下原位的鮮活的各種地質(zhì)作用過(guò)程提供機(jī)會(huì)(Behrmannetal.,2007)。 匯聚板塊邊界和碰撞帶周圍分布著許多現(xiàn)代化大都市和工業(yè)設(shè)施,同時(shí)也存在著大地震、海嘯、火山噴發(fā)等重大隱患。本世紀(jì)以來(lái)多起地震災(zāi)害發(fā)生于匯聚板塊邊界,例如:2010年2月智利8.8級(jí)地震、2010年1月12日、2004年12月蘇門答臘9.0級(jí)大地震及海嘯、1964年美國(guó)阿拉斯加9.2級(jí)地震、1960年智利南部9.5級(jí)大地震、1923年日本關(guān)東地震。這些大地震往往伴生海嘯、滑坡、火山噴發(fā)以及其他嚴(yán)重威脅人類與經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)設(shè)施的災(zāi)害。地球上60%以上的人口生活在距海岸線不足60km的地帶,因此科學(xué)鉆探對(duì)預(yù)防地質(zhì)災(zāi)害非常重要。與本主題相關(guān)的科學(xué)鉆探項(xiàng)目及建議有:挪威的加里東山系碰撞造山(尚未進(jìn)行)、中國(guó)臺(tái)灣的車籠埔鉆探項(xiàng)目、希臘的Hellenic俯沖帶科學(xué)鉆探(尚未進(jìn)行)、中國(guó)大陸科學(xué)鉆探項(xiàng)目(CCSD)、捷克的Eger裂谷鉆探項(xiàng)目(尚未進(jìn)行)、日本的NankaiTrough海槽鉆探項(xiàng)目、波蘭的Orava深部鉆探項(xiàng)目(尚未進(jìn)行)和德國(guó)的KTB項(xiàng)目。

 

  自然資源不同地質(zhì)環(huán)境下形成的礦床是ICDP的主題之一,世界范圍內(nèi)對(duì)礦產(chǎn)資源的大規(guī)模開發(fā)也促進(jìn)了科學(xué)鉆探事業(yè)的發(fā)展,資源開發(fā)與科學(xué)鉆探之間的合作日漸增多。鑒于目前對(duì)世界能源形式的迫切需 求,許多針對(duì)非常規(guī)能源的鉆探工作量急劇增加,也增加了與科學(xué)鉆探的合作。加拿大Mallik天然氣水合物鉆探項(xiàng)目(2001年12月至2002年3月)和冰島深部鉆探項(xiàng)目就是這種合作的兩個(gè)典范(Eldersetal.,2007)。

 

  2002年,加拿大地質(zhì)調(diào)查局、德國(guó)地學(xué)研究中心、日本國(guó)立石油公司、美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局等多家單位100余位科學(xué)家在加拿大合作進(jìn)行了Mallik天然氣水合物鉆探,其中的主井既用于生產(chǎn)也用于科研,另外在附近打了兩口科學(xué)觀察井。 冰島科學(xué)鉆探項(xiàng)目(IDDP)由公司與政府出資,計(jì)劃鉆進(jìn)4~5km,2009年6月24日,IDDP21號(hào)井鉆井深度達(dá)到2104m時(shí),從巖屑中發(fā)現(xiàn)了明顯的玻璃質(zhì)物質(zhì)和深色的黑曜巖,估計(jì)這些玻璃質(zhì)物質(zhì)是由于鉆井液與1975年至1984年Krafla火山噴發(fā)的地下高溫巖漿急速淬滅所產(chǎn)生的。根據(jù)地球物理資料,下面的巖漿房深度超過(guò)4km,因此不能再向下鉆進(jìn)。IDDP于是計(jì)劃向井內(nèi)注入冷水,以從附近的巖漿獲取熱量,產(chǎn)生溫度極高的蒸汽。同時(shí)還要向井中注入示蹤物質(zhì)以試驗(yàn)此井與周圍其他地?zé)峋?/a>之間的連通性。

  根據(jù)IDDP21井的結(jié)果,冰島有可能在此地建成世界溫度最高的工程地?zé)嵯到y(tǒng),IDDP雖然沒有達(dá)到預(yù)期的鉆進(jìn)深度,但卻為研究活的巖漿提供了獨(dú)特的機(jī)遇。