地质钻探：揭开地球深处的神秘面纱

在我们的地球上，有着无数的奥秘等待着人类去探索。而地质钻探就像是一把神奇的钥匙，开启了通往地球深处的大门。

 

一、什么是地质钻探？

 

地质钻探就是采用专门的钻探设备，从地表向地下钻进，以获取地下岩石、土壤、矿物等样本的技术手段。它就像是一位深入地球内部的探险家，为我们揭示地球的构造、组成和演化历史。

 

图1 钻探获取的地下岩（矿）石样本

 

地质钻探通常使用的设备就是钻机。钻机可以分为多种类型，根据钻进方式可分为回转钻机、冲击钻机、回转冲击钻机等，根据动力传动方式可分为机械传动钻机、全液压钻机和变频直驱钻机等，不同类型的钻机适用于不同地质条件与钻进深度。

 

 

图2 不同类型的钻机

 

在钻探过程中，钻杆会不断地向地下推进，同时钻头会切削岩石和土壤。为了防止钻孔坍塌和保持孔壁的稳定性，通常会在钻孔中注入泥浆或采用其他支护措施。当钻头到达预定深度后，就可以通过钻杆或专用打捞工具将地下的岩（矿）心或土壤样本提取到地表，以供地质人员分析和研究。

 

图3 钻探取心工具和取出的岩（矿）心

 

二、地质钻探的重要性

 

1. 矿产资源勘探

地质钻探在矿产资源勘探中起着至关重要的作用。通过钻探可以获取地下矿石样本，确定矿产的储量、品位和分布情况，这为矿产资源的开发利用提供了重要的依据。例如，在石油和天然气勘探中，地质钻探可以帮助确定地下油气藏的位置和规模。通过对钻探样本的分析，可以了解油气藏的地质特征和储层性质，为油气开采提供技术支持。

 

 

图4 油气钻探（图片来源：https://www.163.com/dy/article/ICRPT1VV0530QRMB.html）

 

2. 地质科学研究

地质钻探也是地质科学研究的重要手段之一。通过对不同深度的地层样本进行分析，可以了解地球的内部构造、岩石圈的演化历史以及地质灾害的形成机制等。例如，科学家通过对钻探湖泊沉积物样本的研究，可揭示地球古气候与生态演化的奥秘。

 

图5 纳木错湖泊科学钻探（图片来源：https://www.thepaper.cn/newsDetail_forward_28049042）

 

3. 基建工程建设

在基建工程建设中，地质钻探可以为建筑物、桥梁、隧道等基础设施的设计与施工提供重要的地质信息。通过钻探可以了解地下的地质条件，如土层的性质、岩石的强度、地下水的分布等，从而为工程设计与施工提供科学依据。例如，在高速公路和铁路建设中，地质钻探可以帮助确定线路的最佳走向和隧道的位置。

 

图6 岩土工程钻探（图片来源：https://mvyan.com/productinfo/850624.html）

 

三、地质钻探技术面临的挑战

 

1. 钻探深度

随着钻探深度的增加，地质钻探面临着越来越多的技术挑战。在深部地层中，岩石的硬度和强度增加，钻进难度增大。同时，深部地层的温度和压力也会对钻探工具和钻孔安全造成威胁。至今，人类已经能够钻探到地球表面以下数千米甚至万米以上的深度，全球陆地最深科学钻井SG-3 深度为12262米，最深油气钻井Sakhalin-1深度达到了15000米。地球的地壳平均厚度约17千米，如果把地球比喻成一颗鸡蛋，地壳就相当于鸡蛋壳，世界上最深的钻井还没有完全穿透鸡蛋壳。因此，要进一步深入探索地球内部，还需要克服诸多钻探技术难题。

 

图7 地球内部结构（图片来源：https://new.qq.com/rain/a/20240404A05TCY00）

 

2. 复杂地质

不同地区的地质条件差异很大，有些地区的地质构造复杂，岩石破碎、断层发育、高温高压，给地质钻探带来了很大的困难。在复杂地质条件下，钻孔内的钻探仪器设备易出现故障，钻孔容易坍塌，地质样本的获取也更加困难。因此，在钻探之前需要对工作区的地质条件进行详细地搜集和分析，选择合适的钻探仪器设备和技术。

 

图8 复杂地层示意图（图片来源：刘志强）

 

3. 绿色勘探

地质钻探过程中会扰动周围自然生态环境，产生大量的废弃物和污染物，如泥浆、岩屑、废水等。如果这些废弃物和污染物得不到妥善处理，就会对环境造成污染。因此，在地质钻探过程中要因地制宜采用绿色勘查新装备、新工艺和新方法，并实施有效的环境保护措施，钻探结束后对场地进行复垦复绿，以降低生态环境影响。

 

图9 绿色勘探

 

四、地质钻探技术未来发展趋势

 

1. 智能化钻探技术

随着科技的不断进步，智能化钻探技术将成为未来地质钻探的发展方向。智能化钻探设备可以实现自动化操作、远程监控和故障诊断，提高危险环境下钻探作业的安全性，可以根据岩石的硬度和强度自动调整钻进参数，提高钻探效率。

 

2. 绿色钻探技术

绿色钻探技术将得到越来越广泛的应用，绿色钻探技术包括先进的钻探工艺、环保型泥浆、废弃物处理、节能减排等技术，可以减少钻探过程中的环境污染和能源消耗。例如，使用环保型泥浆可以减少对地下水的污染。

 

3. 深部钻探技术

随着人类对地球内部奥秘的深入探索和认知，深部钻探技术将成为未来地质钻探的重点发展方向。深部钻探技术需要克服地层高温高压等技术难题。例如，采用新型钻杆、钻头材料和先进钻进技术可以提高钻井深度，开发出耐高温高压的钻井仪器设备可以在深部地层中长寿命地工作。

总之，地质钻探为我们揭示了地球内部的奥秘，为资源勘探、地质科学研究和基建工程建设等提供了重要的技术支撑。随着科技的不断进步，地质钻探技术也将不断创新和发展，为人类探索地球、保护地球做出更大的贡献。

 

（2024年地球科学科普作品大赛获奖作品）

 

---

 

编辑：张希阳

校对：张     凡

审核：陈   萍