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,特別是具有較長壽命的湖相沉積中。大陸上分布著大量的湖泊,系統(tǒng)地對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)百萬年來氣候演化的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美國大鹽湖(GreatSaltLake)和熊湖(BearLake)鉆探項(xiàng)目(2000年鉆探)。 中國的白堊紀(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年來的氣候變化記錄。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去100ka來連續(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)歷了過去數(shù)個(gè)冰期。其湖相沉積是研究最近200ka以來(更新世至全新世)10a級(jí)氣候變化最好的場所,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程研究

 

  越來越多的人相信,地球的地質(zhì)和生物演化過程不僅受地球內(nèi)部及地表作用過程的影響,還在很 大程度上受外來高能天體的影響。幾分鐘之內(nèi),外來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,對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)目或國際研討會(huì)。第一項(xiàng)是對墨西哥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?？茖W(xué)家們希望通過科學(xué)鉆探了解撞擊過程、撞擊環(huán)境的急劇變化及生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)過程、撞擊對海平面變化、氣候及沉積環(huán)境的影響。對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來完整的陸相極地氣候記錄,對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,所取得的巖芯對研究凍土層的歷史以及凍土層對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,這是不爭的事實(shí),但生物圈的底界有多深確是長期爭論的話題之一。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)超過地球表面,地下生物圈的微生物種類和生物量甚至超過地表生物。

 

  地下微生物的分布受沉積物和巖石的孔隙度、溫度、壓力、能量和營養(yǎng)供應(yīng)等多種因素控制。盡管目前人們對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,地表下微生物可能參與多種地球化學(xué)過程,對于元素循環(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,對地下微生物的研究僅在數(shù)量很小的科學(xué)鉆探項(xiàng)目中進(jìn)行過,許多關(guān)鍵問題仍然懸而未決。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;?美國新澤西科學(xué)鉆探項(xiàng)目;??lv德國的KTB科學(xué)鉆探項(xiàng)目。

 

  中國大陸科學(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)問題提供了寶貴的機(jī)會(huì)。由于地溫梯度的存在,中國大陸科學(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,更有可能探測到地下生物圈的下限(王遠(yuǎn)亮等,2006)。根據(jù)中國大陸科學(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)微生物的可檢測下限為4500m,采用DAPI染色方法可檢測到微生物的深部下限是4803.71m,而根據(jù)測溫結(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。對活火山的科學(xué)鉆探可以通過原位的測量與取樣,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)制做為主要研究內(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;?美國的長谷火山鉆探(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),美國地質(zhì)調(diào)查局分別于1967年,1975年,1976年和1979年對該火山進(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,美國科學(xué)家對加利福尼亞州的LongValleyCaldera600年前噴發(fā)的InyoDomes火山丘進(jìn)行了科學(xué)鉆探,鉆探之前,人們曾推測此地之下會(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?；鹕絿姲l(fā)的通道直徑僅為30m左右(Soreyetal.,2000)。

 

  1995年4月,美國科學(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,對鉆孔進(jìn)行一系列的觀測與實(shí)驗(yàn),并對巖芯進(jìn)行多學(xué)科綜合研究。實(shí)際鉆探過程中,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,但仍然是對于遠(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)、成長歷史和富SiO2巖漿的噴出機(jī)制,日本和美國的科學(xué)家申請了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)境下觀測獲得的?，F(xiàn)在可以明確地知道地震帶的分布位置,可以準(zhǔn)確測量地震波的大小和震中的位置,可以模擬斷裂帶的破裂過程并預(yù)測地下的運(yùn)動(dòng)。然而對于與地震或斷裂發(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)測的地震,但現(xiàn)在還不知道余震的發(fā)生機(jī)制與過程。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解決地震預(yù)報(bào)和研究斷裂過程的重要舉措。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)家先后在美國圣安地列斯走滑型板塊邊界(SanAndreasFault)、中國臺(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。在穿過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),測量了區(qū)域應(yīng)力場方向。為研究破裂帶的愈合過程,分別于1997年,2000年和2003年對1800m深的鉆孔進(jìn)行了注水試驗(yàn),計(jì)算和觀測結(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。

 

  美國加利福尼亞是圣安弟列斯斷裂經(jīng)過的地方,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1966年之后的地震將發(fā)生在1993年前。1985年,美國地質(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)劃對地震斷裂進(jìn)行鉆探。2002年由美國自然基金會(huì)和ICDP資助的圣安弟列斯斷裂深部觀測計(jì)劃(SanAndreasFaultObservatoryatDepth,簡稱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)家可以直接對來自活動(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)過程,它是大陸增長與侵蝕、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題需要通過研究現(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)行井下測量、實(shí)驗(yàn)及長期觀測,為研究地下原位的鮮活的各種地質(zhì)作用過程提供機(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。鑒于目前對世界能源形式的迫切需 求,許多針對非常規(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、德國地學(xué)研究中心、日本國立石油公司、美國地質(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。