大洋钻探的“神兵利器”

《山海经》有言：“地之所载，六合之间，四海之内……神灵所生，其物异形，或夭或寿，唯圣人能通其道。”海洋，无论对古人还是今人而言，都是一片秘境。那你可知道，在深邃的洋底还蕴藏着丰富的宝藏？如何获取这些宝藏？钻探是最直接、最便捷的“法宝”。

何谓钻探？简单来说，钻探就是用一根特别长而硬的空心管往地下钻，钻出一个井洞来，这样就可以把地底下的土、石等物质取出来，有了这些样品，我们就可以了解地底下是何种状况了。通常而言，钻探可分为陆地钻探与海洋钻探。

大洋钻探之“路”

大洋钻探是为了研究洋壳结构以及大洋底部的矿产所进行的钻探工程，这项技术的发展大致经历了深海钻探计划、大洋钻探计划、综合大洋钻探计划和国际大洋发现计划四个阶段。

1961年，由美国学者推动的“莫霍计划”，使用“卡斯1号”钻井船，在墨西哥瓜德罗普岛近海3558米水深处开发了5口深海钻井。“卡斯1号”钻井船穿透了2500万年的深海沉积层，并钻取了厚度为13米的基底玄武岩。这是人类有史以来首次在深海海底打钻成功，验证了一系列海洋钻探技术的可行性，从此拉开了大洋钻探的帷幕。

1967年，“格罗玛·挑战者号”应运而生，成为深海钻探计划的专用深海钻探船，从此，它肩负着使命，开启了征程。当一艘大船孤独地漂泊在茫茫大海中时，它如何完成任务？“格罗玛·挑战者号”钻探船做到了，它装备了先进的动力定位系统，可以在深不见底的海洋中找到合适的位置，把长长的钻杆伸进海里，钻孔取芯。

“乔迪斯·决心号”大洋钻探船由石油钻探船改装而来。1985年，随着“乔迪斯·决心号”的试航，大洋钻探计划正式开始实施，我国也在1998年4月加入了该计划。大洋钻探计划不仅进一步验证了前期一些深海钻探计划中实现的科技突破，还解决了一些全新的科学问题。

到了2003年，带着更宏大的目标，大洋钻探计划正式转入综合大洋钻探计划。它就像一张大网，将全球更多的国家与科研团队联合起来，一起探索海洋世界的奥秘。在这个阶段中，由于美国财政预算的变化，“乔迪斯·决心号”重整行装，再度启程。2007年9月，新伙伴“地球号”也正式开始实施综合大洋钻探计划，与“乔迪斯·决心号”并肩作战。该计划第一阶段所完成的54个航次都取得了优异的成绩，甚至取得了突破性的进展。

2013年开始的国际大洋发现计划基本延续了前一个阶段的引领性研究轨迹，在科学研究上更注重地球内部和表层的连接，强调关注海底灾害和人类活动影响，继续引领着未知的大洋钻探事业向前发展，推动着我们对海洋的认识。

大洋钻探之“难”

大洋钻探，需要把一根根钻杆相互连接，钻杆末端连着钻头，从海面深入海底，依靠钻头旋转切削，最终将钻取的岩芯样本沿着钻杆通道提取到海面上来。俗话说“上天容易入地难”，下海更比入地难。相较于陆地钻井，海上钻井不仅要受洋流、潮汐、海浪、海水的腐蚀等因素的影响，还要顾及船体自身的稳定性，尤其是在更换钻头时，要重新对准原钻孔位置，这就好比是骑在飞驰的马背上射中远方的微小目标。要知道，海洋中水深每增加10米，压力就会增大约1个大气压。可想而知，在几千米深的海底，钻探设备是顶着如何大的压力了，任何一点小小的偏差，可能就会使钻探设备“粉身碎骨”。再加上受海洋天气的影响，或许前一秒还风平浪静，下一刻狂风就掀起巨浪，钻探平台的命运也在波涛汹涌的海浪中起起伏伏。如果说陆地钻探是舞台上的马戏，那么大洋钻探就是在钢丝上的独舞。除此以外，海洋环境复杂，信号的传输受外界影响较大，科学家操控钻探设备，指令却无法及时传达，钻探工作就无法正常进行。

水压、海洋天气、定位与通信等都是阻碍钻探科研人员通关的“关卡”，海洋中的资源分布不均，钻探科研人员如何能在高压、低温、高盐度而又多变，甚至出现极端天气的海洋环境下精确而高效地完成任务呢？

大洋钻探之“术”

大洋钻探所取得的科学成就，与各种各样的技术应用密不可分，主要包括钻探船、钻探和取芯技术、动力定位技术以及测井技术等。

大洋钻探，首先需要解决的就是如何准确找到钻探位置。为了实现精准定位，现代大洋钻探技术运用了卫星定位系统，通过多颗卫星对钻探船的位置进行实时监测和定位。

钻探船之所以能在海上的钻探作业点上不抛锚而保持静止，且自始至终使船体保持在钻孔的位置，是运用了动力定位技术。目前采用的钻探技术通常可分为无隔水管钻探与隔水管钻探，前者只是单纯地采用钻杆、钻头等设备实施钻探作业，后者则配备了隔水管系统进行钻探。钻探的过程中会产生大量的热量，也会有岩屑在钻井内堆积，钻井液可以吸收并带走热量，同样也能将岩屑带走。采用隔水管钻探，钻井液能够携带岩屑经过隔水管与钻杆的环形空间返回钻探船。而无隔水管钻探产生的岩屑则是随着海水或钻井液在周围环境中扩散，或被特定装置回收。值得一提的是，日本的“地球号”曾经是世界上唯一的隔水钻探船，如今我国的“梦想号”后来居上，成为世界上唯一的“双型”大洋钻探船——既具备隔水管钻探功能，又具有无水管钻探功能。

此外，在钻探技术中，还有一项重要的取芯技术。钻得进去，还得取得出来，靠的就是这项技术。取芯系统由取芯钻头、内取芯管和外取芯管三部分组成。为了更好地“抱住”岩芯样本，取芯钻头内部是空心的，当钻头切削岩石时，随着钻头在岩层中的钻进，岩芯样本就从取芯钻头中“压”入到内取芯管中。根据使用条件的不同，取芯工具也有很多，如超前式活塞取芯器、伸缩式取芯管和旋转式取芯管等。

大洋钻探之“梦”

大洋钻探船涉及定位与通信技术、钻探技术、取芯技术等多项科技。定位与通信技术是科学家解决大洋钻探中的定位与通信问题的利器，它是连通陆地与海洋的信息桥梁，让大洋钻探船在茫茫大海中不再孤独。如果说海洋资源是宝藏，那么定位系统是寻宝罗盘，钻探系统是打开宝藏的钥匙，取芯系统就是伸向海底深处的长臂。从美国的“格罗玛·挑战者号”和“乔迪斯·决心号”钻探船，到日本的“地球号”钻探船，再到我国的“梦想号”钻探船，大洋钻探船确确实实是大洋钻探的“神兵利器”啊！

2023年11月17日，“梦想号”钻探船在广州南沙正式建成入列，这是我国第一艘自主设计、制造的大洋钻探船，也是目前我国最大吨位的科考船。“梦想号”长179.8米，宽32.8米，排水量为42600吨，在满载180名船员的情况下可以连续在海上工作120天，具有全球海域无限航区的作业能力。

钻深领域流传着这样一句话：“一万米钻深的难度堪比登月。”但“梦想号”钻探船的最大钻深可达1.1万米，可直探地球内部的奥秘。“梦想号”钻探船的钻采系统居国际领先地位，是全球首台兼具油气钻探勘探和岩芯钻取功能的液压举升钻机，集成了4种钻探模式和3种取芯方式，配备了先进的定位系统，拥有多项“全球之最”的称号。“梦想号”钻探船的“终极梦想”就是要打穿地壳与地幔之间的莫霍面。

如今，“上九天揽月，下五洋捉鳖”已不再是遥不可及的梦想。虽然我国大洋钻探事业起步虽晚，但是我们勇立潮头、齐心奋楫，“梦想号”钻探船的正式建成入列标志着我国深海建设迈出了重要的一步，也标志着我国的大洋钻探进入了新阶段。在不久的将来，我国的大洋钻探事业必将探索更深的洋底，将人类的梦想延伸到远方与深处！

致谢

感谢国家自然科学基金项目（42177123、42042054）、中国矿业大学教学研究项目（2023ZDKT03-102、2022ZX01）、全国煤炭行业高等教育教学改革研究课题项目（2021MXJG179）的支持。