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  • 亚洲最深钻探井都钻出了啥

        新闻背景

        日前,自然资源部中国地质调查局公布了“向地球深部进军”——松辽盆地大陆深部科学钻探工程(松科二井)的重大成果。“松科二井”于2014年4月13日开钻,历时4年多时间,完钻井深7018米,成为亚洲国家实施的最深大陆科学钻井,也是全球首个钻穿白垩纪陆相地层的科学钻探井。

        了解地球内部信息的“望远镜”

        曾几何时,“上九天揽月,下五洋捉鳖”一直是人类探索自然的梦想。

        如今,人类的航天探测器已在太空留下足迹,深潜器也一次次突破深海极限深度。然而,比起“上天下海”,人类的“入地”之旅却困难重重。地球深处到底什么样?一直吸引着科学家们孜孜不倦地探索。

        若想对地球内部结构和物质成分进行探测,最直接、最有效和最可靠的方法是向地球纵深打一口科学钻探井,将人类的“视距”向地球内部延伸数千米甚至上万米,进而一探究竟。

        通过科学钻探,在地球系统科学研究方面,可以研究地球深部构造及演化、地球深部流体及其作用,校验地球物理探测结果;在资源能源开发利用方面,可以研究成矿理论、油气成因,调查和开发深部热能;在环境和可持续发展方面,可以探究地震成因、火山喷发机理,追寻生命演化历史,探索地质灾害预警。因此,科学钻探被形象地誉为了解地球内部信息的“望远镜”。

        5月26日在黑龙江省安达市刚刚完井的“松科二井”就是这样一个深部“望远镜”,“松科二井”是亚洲国家实施的最深大陆科学钻井,也是国际大陆科学钻探计划成立22年来实施的最深钻井。

        地下清洁能源、古环境资料方面收获多

        “松科二井”工程攻克了超高温钻探和大口径取心等重大技术难题,推动了核心技术的自主创新,实现了大陆科学钻探技术上的多项突破,工程获取的海量深部实验数据,将成为打开地球深部奥秘的“金钥匙”。

        具体来说,这项工程的成果有三个方面。

        第一,发现了松辽盆地深部两种清洁能源具有良好的勘探开发前景。在松辽盆地深部凹陷带沙河子组和火石岭组(3350米以深)地层中发现页岩气气测异常43层,累计厚度102米,甲烷占全烃组分平均含量的86%,异常幅度与背景值的平均比值为 14.77,证实了松辽盆地深部存在有利的页岩气层系。

        新发现了盆地型干热岩地层。在井深4400米至7018米发现温度150℃至240℃高温干热岩体和2层含高放射性元素异常地层,热流值为84毫瓦/平方米,展示了松辽盆地具有良好的地热能开发应用潜力。

        第二,获得了白垩纪陆地古气候演变规律的三项重要证据。实现了对白垩纪最完整、最连续陆相地层厘米级高分辨率的精细刻画,建立了白垩纪地层演化的重要地质历史档案;重建了白垩纪陆相百万年至十万年尺度气候演化历史,发现了各个时间尺度陆相气候变化的主要控制因素,为研究地球气候系统在温室气候条件下演变机制找到了新证据;发现了白垩纪气候波动重大事件,捕捉到大规模火山爆发排放二氧化碳引发陆相气候剧烈波动的重要信息,证实了气候快速变化是导致恐龙灭绝的诱发因素。

        第三,取得了基础地质研究三项重大进展。创建了完整的松辽盆地陆相地层标准剖面,初步建立了地层对比的“金柱子”;发现了古大洋板块俯冲、聚合的深部证据,建立了松辽盆地演化新模式;首次发现了松辽盆地多次、短期海侵事件的新证据,丰富了白垩纪陆相生油理论,对松辽盆地深部油气勘探有重要的指导意义。

        技术创新成功克服“三高”等诸多难题

        科学钻探过程中会遭遇很多世界级难题,其中就包括地球的“三高”(高温、高压、高地应力)问题。在“三高”条件下,钻具的配件和电子元件能否正常工作?井壁岩石容易破碎,造成井壁垮塌、卡钻等井下事故怎么办?从地表打至数千米深处,井斜度不能超过18度,怎样有效地探知井斜的发生?这些成为制约科学钻探的世界级难题。

        所以,表面上看是打一口井,实际上却是在考验一个国家的科学技术水平。

        “松科二井”工程创新了超深井大口径取心技术体系,在世界上首次研发并成功应用311毫米大口径一次取心成井技术,中空井底动力绳索取心、机械辅助无损出心技术,研发出系列大口径长钻程取心钻具和系列国产涡轮钻具。创造了钻探取心技术多项世界纪录。“松科二井”工程还研发成功超高温的水基钻井液体系、固井、随钻测温等系列技术和全金属涡轮钻具,创造了国内最高温度(241℃)条件下钻进新纪录。“松科二井”工程的技术创新,成功克服了“三高”、井壁坍塌、卡钻等事故问题,有效监测井斜,确保深部顺利钻探和高效取心。

        近半个多世纪以来,科学钻探一次又一次带给人们惊叹,一次又一次推动地球科学取得重大突破,为人类了解地球内部、研究地球变化和勘探各种资源开辟了新的途径。

        中国在大陆科学钻探项目中所获得的高水平研究成果得到国际相关领域的普遍关注和高度评价。随着中国科技实力的增强,科学家们将继续“深钻”,按照国家目标做更多探索。

        延伸阅读

        去地下寻找恐龙灭绝原因

        获取完整白垩纪地层记录

        张来明 高远

        白垩纪末期恐龙灭绝的原因众说纷纭,目前影响力较大的是“小行星撞击假说”。也有科学家指出,白垩纪末期德干高原开始大规模的火山喷发,这次喷发造成了全球性升温以及大范围的酸雨。近年来,越来越多的研究开始关注这些地质事件之间的联系,并提出了小行星撞击很可能加剧了德干高原火山喷发,进而提出是多事件叠加共同导致灭绝的观点。

        通常,相对海洋环境而言,地质记录的不连续性和不完整性是制约精细研究陆地气候变化的“瓶颈”。为了突破这一“瓶颈”,中国地质大学(北京)王成善院士团队通过深入研究松辽盆地大陆科学钻探项目“松科二井”岩心,获取了连续完整的地质记录,并首次重建了相对连续的白垩纪-古近纪界线附近的陆相气候记录。

        从这次重建的白垩纪-古近纪界线附近的陆相气候记录可以看出来,在小行星撞击地球之前约三十万年,地球上的温度和大气中的二氧化碳浓度都明显升高,而这与德干高原火山喷发的时间高度一致。

        而根据陆相记录的研究还发现,在德干火山喷发之后,小行星撞击之前,松辽盆地约2/3的物种已经发生了绝灭。这说明德干火山喷发与小行星撞击的连续两次打击是造成恐龙等物种绝灭的原因。首先,德干火山喷发导致剧烈的升温和二氧化碳浓度上升,破坏了生态系统的稳定性,造成了部分物种的绝灭;之后,短时间内小行星的撞击使原本不稳定的生态系统发生崩溃,成了压垮骆驼的最后一根稻草。

        (策划组稿:中国地质调查局科普办公室)

  • 用微咸水滴灌庄稼怎样防止“心脏堵塞”

        ●获奖论文:北京市科协主办第十四届北京青年优秀科技论文二等奖 

        《微咸水滴灌下灌水器化学堵塞行为及适宜性评估研究》

        ●论文第一作者:国家农业信息化工程技术研究中心博士 张钟莉莉

        微咸水灌溉是解决水资源紧缺重要途径

        根据2014年中国水资源公报数据显示,全国水资源总量为27266.9亿立方米,按当年人口统计资料,人均水资源量仅为1993立方米,已达到国际上公认的2000立方米的中度缺水警戒线。全年水资源总用水量6095亿立方米,其中农业用水3870.3亿立方米,占总用水量的63.5%,作为用水大户,农业用水量较2010年增加了178.8亿立方米。

        目前我国耕地实际灌溉亩均用水量高达402立方米,农田灌溉水有效利用系数仅为0.530,远低于发达国家的0.70-0.80的农田灌溉水有效利用系数,农业节水效率亟待提高。随着水资源危机问题的日益加剧,在提高水资源利用效率的同时,开发利用劣质水资源是保障农业生产可持续性的重要措施。

        自1966年以色列科学家首次提出可以采用咸水灌溉作物后,世界各国已经把合理开发利用微咸水资源作为缓解水资源供需矛盾的一条重要途径。长期的实践应用表明,滴灌因为其精量、可控等特性被认为是微咸水灌溉最为有效的灌溉方式。微咸水滴灌相对于漫灌和沟灌具有明显的节水优势,相对于喷灌来说其可以完全避免叶面因咸水烧死的现象。

        找出微咸水滴灌系统“心脏堵塞”成因

        灌水器作为滴灌系统的“心脏”,其借助内部极狭窄而复杂的流道(尺寸在0.5-1.5毫米)对灌溉水流进行消能,保证水肥能够均匀精量滴入作物根区。但微咸水中含有大量的盐分,容易发生盐类的重新组合和沉淀,造成灌水器堵塞。

        灌水器堵塞与水质有关,可分为物理、生物和化学堵塞。物理堵塞由水中悬浮无机颗粒(砂、黏土颗粒等)和有机物质(动植物残渣等)引起;生物堵塞是由大量细菌、藻类以及微生物的分解物等聚集在滴头或管壁上造成;化学堵塞是由于水中较多的阳离子和阴离子发生化学反应形成不可溶性物质而诱发堵塞。

        目前已有研究主要集中于生物堵塞和物理堵塞问题,对于微咸水应用中化学堵塞问题研究还较少,且对化学堵塞控制还未取得较理想效果。这主要是由于针对灌水器化学堵塞的根本特性及机制还缺乏深入了解。

        确立了堵塞物精细化测试方法

        张钟莉莉博士所在课题组在我国微咸水资源极其丰富的内蒙古河套灌区,选取目前应用较为广泛的迷宫式灌水器进行微咸水滴灌现场试验,发现滴水168小时后,五种灌水器出流量降至初始流量的24.2%-70.5%,灌水均匀度降至23.5%-85.0%,灌水器发生了严重的堵塞,同时也大幅度降低了灌水均匀度。通过建立的微咸水灌水器内部堵塞物质精细化分析方法,明确了灌水器内部堵塞物质包括钙镁碳酸盐类、石英、硅酸盐类和氯化钠。同时,滴灌运行中较高的温度也促进了沉淀的析出,加剧了灌水器的化学堵塞。

        张钟莉莉的研究取得了很多技术层面上的创新,建立了灌水器内部化学堵塞物质的精细化测试方法,明确了堵塞物质的种类、含量与分布特征,筛选出了适宜于微咸水滴灌的灌水器类型。张钟莉莉介绍,下一步将继续完善其研究成果,深入分析化学沉淀生成、运移、附着和沉积的微观动力学过程。在水肥一体化技术快速发展背景下,开展采用酸性肥料降低微咸水的pH值,建立以控制沉淀形成为核心的微咸水堵塞控制方法,以期在施肥的同时,实现堵塞有效控制,推进其在产业化中的应用,真正为微咸水滴灌技术发展解决实际问题。

  • 给全球生物“过磅”

        地球生物总共有多重?分布在什么地方?以色列和美国研究人员最近报告说,他们综合数百项研究的数据,对全球生物量进行了迄今最全面的普查。

        生物量指活生物体内剔除水分之后有机物的重量,是反应生态系统状况的重要指标,通常用地球生命的核心元素——碳的重量来衡量。

        对数百项研究的数据进行综合分析后,研究人员估算出,目前地球全部生物量相当于5500亿吨碳,其中植物占了大头,约为4500亿吨;其次是细菌和古细菌,分别为700亿吨和70亿吨;蘑菇之类的真菌为120亿吨;海藻、变形虫等原生生物为40亿吨;包括人类在内的全部动物不足20亿吨,大部分来自昆虫、虾蟹等节肢动物及鱼类。

        不同类型生物的分布大不相同,植物生物量主要在陆地上,动物主要在海中,细菌和古细菌则大多隐藏在地下和水下深处。出人意料的是,占地球表面积71%的海洋,在全球生物量中所占的比例仅略高于1%。

        研究人员说,自文明诞生以来,毁林开荒、占用土地等因素导致陆地植物生物量减少了约一半,从而使地球总生物量减半。目前人类栽种的农作物约相当于100亿吨碳,占植物总量的2%。

  • 热带气旋移动减慢

        美国研究人员近来发现,随着全球气候变暖,全球范围内台风、飓风等热带气旋的移动速度正在减缓,这将使它们在受灾地区滞留更长时间,带来更严重的自然灾害,尤其是暴雨导致的洪涝灾害。

        美国国家海洋和大气管理局研究人员综合分析世界各地数据后发现,从1949年到2016年,全球热带气旋移动速度下降了约10%。通常气温上升1摄氏度会使热带气旋导致的降雨增加10%,气旋移动速度放慢10%将使这一增幅再扩大一倍。

        研究人员认为,全球气候变暖使夏季热带环流减弱,可能是造成热带气旋移动变慢的原因之一。移动变慢会使热带气旋在同一地区滞留时间延长,再加上空气温度越高,能携带的水蒸气就越多,这都会使受灾地区的降雨量显著增加。

  • 为何总是忘记梦境

        人们每天三分之一的时间都在睡觉,睡觉期间经常会做梦。但多数情况下,你醒来之后却不记得自己做过什么梦。幸运的时候,你会记住梦境中的部分情景,但通常在短短几分钟内又会忘得干干净净。

        澳大利亚莫纳什大学神经学家托马斯·安德里隆表示,当你入睡时,并不是所有大脑区域都同时进入睡眠状态。研究人员发现最后进入睡眠的大脑区域是海马体,这个弯曲大脑结构位于每个大脑半球的内部,对于短暂记忆转变为长期记忆至关重要。

        安德里隆称,如果海马体是最后一个进入睡眠的大脑区域,那么海马体可能是最后苏醒的。因此你拥有一个时间窗口,苏醒时保留着梦境的短期记忆,但是由于海马体未完全苏醒,你的大脑不能保持记忆。

        本版部分图片来源:视觉中国