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大洋钻探计划与大洋钻探船

新闻来源:中国船检    浏览量:353 中国船检 2018-09-25
        大洋钻探计划(Ocean Drilling Program)是由美国国家科学基金会主持的,全球研究地球结构和演化过程的科学家和研究机构共同参与的一个国际性研究计划。目前,该计划每年投资约4500万美元,资金由8个国家或国际组织提供,分别是德国、日本、英国、美国、中国、法国、澳大利亚/加拿大/中国台北及韩国组成的海洋钻探协会和欧洲海洋钻探协会,这一伙伴关系的正式名称是“地球深层采样联合海洋机构” (Joint Oceanographic Institutions for Deep Earth Sampling,简称“JOIDES”)。其中,美国承担60%的费用,其它正式成员每年承担300万美元,准会员每年承担50万美元。该计划的主要目标与任务是通过研究海底岩石和沉淀物所包含的大量地质和环境信息,获得地球的演化过程和变化趋势。该计划的科学研究活动依赖于大洋钻探船来开展和实施。截止目前,该计划共开展了四个阶段的科学研究活动:第一阶段:深海钻探计划(DSDP,1968~1983年);第二阶段:大洋钻探计划(ODP,1985~2003年);第三阶段:综合大洋钻探计划(IODP,2003~2013年);第四阶段:国际大洋发现计划(IODP,2013~2023年)。50年来,科学大洋钻探在全球各大洋钻井三千余口、累积取芯超过40万米,所取得的科学成果验证了板块构造理论,创立了古海洋学,揭示了气候演变的规律,发现了海底“深部生物圈”和“可燃冰”等,取得了一次又一次的科学突破,引起了整个地球科学领域的革命。
        钻探计划实施50年
        深海钻探计划(Deep Sea Drilling Program),是大洋钻探计划的第一阶段,从1968开始实施,至1983年结束。
        为了获取地壳、地幔之间物质交换的第一手资料,美国自然基金会从1966起开始筹备“深海钻探计划”。1968年8月,“挑战者”号深海钻探船第一次驶进墨西哥湾,开始了长达15年的深海钻探。从1968年8月11日开始至1983年11月计划结束,“格罗玛·挑战者”号船完成了96个航次,钻探站位624个,实际钻井逾千口,航程超过60万公里,回收岩心9.5万多米。除冰雪覆盖的北冰洋以外,钻井遍及世界各大洋。深海钻探的原始资料与成果按每个航次一卷汇编成《深海钻探计划初步报告》(Initial Reports of the Deep Sea Drilling Project),至1985年已出版80余卷。该阶段研究所收集的大量资料已成为地球科学的宝库,其研究成果验证了海底扩张和板块构造说、创立了古海洋学、证实了俯冲增生和构造侵蚀作用、获取了边缘盆地的资料、揭示了中生代以来的板块运动史、阐明了洋底玄武岩的性质和证实了地质历史上的偶然事件。除上述贡献外,深海钻探计划在全球性地层对比、成岩作用、地震火山形成机理、深海钻探技术以及海底矿产资源等方面也有新发现、新进展。综合来说,深海钻探计划为地球科学带来了一场革命。
        国际大洋钻探计划(Ocean Drilling Program),是大洋钻探计划的第二阶段,从1985年开始实施,至2003年结束。
       “国际大洋钻探计划”始于1985年墨西哥湾的第100航次,启用“决心”号作为新的钻探船。到2002年6月止,该船共接受来自40多个国家的近2700名科学家上船考察,钻取的岩芯累计长达215公里,钻探最深达海底以下2111米,钻探作业的最大水深达到了5980米,共在全球各大洋钻井近3000口。通过该计划,科学家揭示了洋壳结构和海底高原的形成,证实了气候演变的轨道周期和地球环境的突变事件,分析了汇聚于大陆边缘深部流体的作用,发现了海底深部生物圈和天然气水合物,导致地球科学一次又一次重大突破。
        综合大洋钻探计划(Integrated Ocean Drilling Program),是大洋钻探计划的第三阶段,从2003年开始实施,至2013年结束。综合大洋钻探计划是一项旨在通过研究海底沉积物和岩石来探索地球历史和结构的宏大国际研究计划。该计划的规模目标最为雄心勃勃,以“地球系统科学”思想为指导,计划打穿大洋壳,揭示地震机理,查明海洋深部生物圈和天然气水合物,理解极端气候和快速气候变化的过程,为国际学术界构筑起新世纪地球科学研究的平台,同时为深海新资源勘探开发、环境预测和防震减灾等实际目标服务。钻探船也由“大洋钻探计划”时的一艘增加到两艘以上,其钻探范围扩大到全球所有海区(包括大陆架浅海和极地海域),领域从地球科学扩大到生命科学,手段从钻探扩大到海底深部观测网和井下实验。综合大洋勘探计划在深部生物圈、地球壳幔结构、俯冲工厂和地震活动、古环境记录及海底资源探测等方面均取得了大量成果。
        国际大洋发现计划(International Ocean Discovery Plan),是大洋钻探计划的第四阶段,计划从2013年10月开始实施,预计至2023年结束。2011年6月,《2013~2023年国际海洋发现计划》公布,该报告阐述了未来10年新的IODP重点发展的4大领域:气候与海洋变化、生物圈前沿、地球表面环境的联系和运动中的地球。总体科学目标是通过对海洋的研究认识地球生命起源,探索地质演化历史和过程,理解地球圈层之间的相互作用。报告同时阐述了新的IODP在这4个研究领域中未来发展面临的14个挑战:1 地球气候系统会对大气CO2浓度升高做出怎样的反应;2 气候系统对化学扰动影响海洋的情况下的适应性是怎样的;3 冰原和海平面如何对气候变暖做出响应;4 什么因素控制区域降水,它与季风或厄尔尼诺现象是否有联系;5 深海生物群落的组成、起源和生物化学机制是什么;6 什么限制深海生物的生命;7 生态系统和人类社会对环境变化的敏感程度如何;8 地幔的组成、结构及活动状态情况是怎样的;9 地幔融化与控制洋中脊结构的板块构造有何相互作用;10 大洋地壳和海水之间化学交换的机制、程度和历史;11 俯冲带如何产生周期性的不稳定状态及如何生成大陆地壳;12 什么机制控制毁灭性地震、山崩及海啸的发生;13 什么特性和过程控制深海碳的储存和流动?14 洋流怎样将深海构造、热学过程和地球生物化学过程联系在一起。
        相比于综合大洋钻探计划,国际大洋发现计划更加强调科学新意、突出社会需求。新计划以探索海洋深部了解整个地球系统为目标、以预测未来为己任,展示了海洋科学、乃至地球科学最前沿的诱人前景。在技术上发展新手段,不再以“钻探”为限,将向海底井下观测预警、海底微生物的检测培育和钻穿地壳探索上地幔等方向和领域发起新挑战。
        大洋钻探船
        大洋钻探计划之所以能顺利实施并取得如此辉煌的成就,大洋钻探船是关键。大洋钻探船是全世界深海高技术的集成,能够在水深数千米的海底实施钻探,是目前在海底深部取样的唯一手段。大洋钻探计划开展40余年来,共有3艘专用的大洋钻探船为该计划提供服务,即DSDP时期的“格罗玛·挑战者”号、ODP时期开始使用至今的“乔迪斯·决心”号和综合大洋钻探阶段加入的“地球”号;前两艘船由美国建造出资建造,后者为日本贡献。此外,欧洲大洋钻探联盟(ECORD)自综合大洋钻探阶段以来提供“特定任务平台”实施IODP航次,不过并没有固定的钻探船,而是根据不同科学任务临时租用相应的钻探船或平台。
       “格罗玛·挑战者”号
       “格罗玛·挑战者”号钻探船(Glomar Challenger)是1966年美国为深海钻探计划(DSDP)专门新建的一艘钻探船,也是随后15年深海钻探计划中唯一的专用钻探船。该船于1968年在美国德克萨斯州完成建造,船长121米,宽19米,排水量10500吨,最大工作水深约6100米,是第一艘能在水深大于6000米的海底进行钻探的船舶。“格罗玛·挑战者”号中部的井架高43米,井架顶高出海面61米,钻杆直径为12.15厘米,随船可携带近7000米的钻杆。“格罗玛·挑战者”号装备有动力定位系统,能在9级风速时进行正常作业;配置有纵横摇与升沉补偿系统,保证船的纵摇和横摇不超过9°。
        1968年8月11日,“格罗玛·挑战者”号首航墨西哥湾,拉开了深海科学钻探的序幕,正式为DSDP服务,直至1983年DSDP结束。1968年至1983年间,“格罗玛·挑战者”号共完成96个航次,在除北冰洋之外的各大洋的624个站位上钻井1112口,取得岩芯97000余米。该钻探船目前已退役。
        通过研究“格罗玛·挑战者号”所获得的宝贵岩芯,科学家们取得了大量重要的科学发现。其中,最引人注目的就是DSDP第3航次在南大西洋的钻探。研究结果表明:南大西洋洋壳的年龄沿洋中脊两侧逐渐变老,这一重大发现有力地证实了海底扩张学说。此外,DSDP在地中海的钻探发现:地中海曾经是一个干涸的湖泊,这一结果轰动了当时的科学界。
       “乔迪思·决心”号
       “乔迪思·决心号”(JOIDES Resolution)钻探船,原名“Sedco/BP 471”号,是一艘石油钻井船,于1978年在加拿大的Halifax船厂建成,最初为美国Sedco公司和英国石油公司所有,用于墨西哥湾的海洋油气勘探。1985年1月,该船在美国帕斯卡古拉完成用于科学考察工作的适应性改造后,成为大洋钻探计划(ODP)的专属钻探船。在2007年至2008年间,“乔迪思·决心”号钻探船在新加坡对生活楼和实验室部分进行了升级改造。“乔迪思·决心”号钻探船目前仍是国际大洋发现计划(IODP)实施的主力船型。
       “乔迪思·决心”号钻探船船长143米,船宽21米,满载排水量18636吨(吃水约7米),月池直径7米,井架高度61.5米,大钩载荷590吨,具备操作9150米钻杆的能力,采用非隔水管钻探方式。它采用双轴双桨电力推进方式,每轴功率为3300千瓦。它具备动力定位能力,配置了10台550千瓦的可伸缩式全回转推力器,还配置了2台550千瓦的侧推装置,可在7.5米波高、60节风速、3节流速的环境条件下定位。该船配置了7台柴油发电机,其中5台2100千瓦,2台1500千瓦。该船还配置了2台550千瓦的泥浆泵,6个泥浆池共400立方米,8个散料罐共386立方米。该船的液舱储量包括4000立方米柴油、1300立方米钻井水、160立方米饮用水和800立方米压载水。该船配置了4艘70人封闭式救生艇,5只25人气胀式救生筏。该船定员130人,其中OPD官员和科学家60人,钻井操作人员和船员70人。“乔迪思·决心”号钻探船采用无隔水管钻探方式,无需下放防喷器组,对月池尺度需求较小,采用的是直径7米的圆形月池,该船航速约为10节。
       “乔迪思·决心”号钻探船的主要功能是对海底土壤进行钻探并取样,同时对提取出来的岩芯进行实验分析。“决心号”钻探船采用单根操作,自动化程度低,钻探作业十分耗时。在5500米水深作业时,下放钻杆的时间需约12小时。当钻杆到达海底时,开始进行取芯作业。取芯器具通过钻杆中心下放,随钻杆转动钻入地层,通过回收取芯器取出岩芯。一般来说,完成一次取芯器的下放和回收需要90分钟。当钻深较深时,由于地层土壤的物理特性会有很大变化,需要更换适合该土壤切割的钻头,这就需要把钻杆一节一节的提取出来。在更换钻头后,钻柱再在声纳系统的导引下重新进入原来的钻孔进行钻探。钻探船上配置有船载实验室,可及时对提取出来的岩芯样品进行岩石学、古生物学、地球物理学和地球化学等方面的分析研究,船上同时配有冷藏存储区对岩芯进行低温保存,以便运回陆地做进一步的研究。
        1985年1月至2013年9月,“乔迪斯·决心”号先后为“大洋钻探计划”和“综合大洋钻探计划”服务,共完成145个航次,钻井2236口,获取岩芯279993米。这些岩芯为固体地球旋回与地球动力学、地球过去气候变化和深部生物圈等方面的研究提供了宝贵材料。
       “地球”号
        为了在新世纪的大洋钻探中与美国、欧洲等国竞争领导权,日本政府斥巨资建造了“地球”号钻探船。“地球”号钻探船2002年初下水,2005年交船,总造价达到了惊人的5.4亿美元,是世界上第一艘采用隔水管钻探的大洋钻探船。该船于2007年正式为IODP服务,但是由于“地球”号运行费用十分昂贵,每年只能有4个月时间用于科学钻探,其他时间则需要寻找机会从事商业钻探,从而获得相应的经济收入来补充科学研究的运行费用。
       “地球”号是为特定目标而建造的一艘立管钻探船,为日本海洋研究开发机构(JAMSTEC)所拥有,由其旗下的深部地球探测中心(CDEX)负责运行。该船可容纳200人(包括船员、钻探工人、技术人员和科学家),续航力为20000海里。
       “地球号”钻探船船长210米,船宽38米,型深16.2米,满载排水量57500吨(吃水约9.2米),月池长21.9米,宽12米,井架高度70.1米,大钩载荷1250吨,具备操作10000米钻杆的能力,采用隔水管钻探方式,隔水管钻探最大作业水深2500米(具备升级至4000米作业水深能力)。它配置了6台4200千瓦的全回转推力器,3台位于尾部,3台位于首部,同时配置了1台2550千瓦的首侧推装置。尾部推力器实现航行功能,该船经济航速10节,最大航速12节,6台全回转推力器共同实现动力定位能力,可在4.5米波高、23米/秒风速、1.5节流速的环境条件下定位。该船配置了6台5000千瓦的主柴油发电机,还配置了2台2500千瓦的辅机。
       “地球”号钻探船的主要功能是对海底土壤进行钻探和取样,并对提取出来的岩芯进行实验分析。该船配置了先进的钻探系统,采用隔水管钻探方式,配置有海底防喷器,通过闭式泥浆循环将岩屑携带出来,隔水管钻探最大作业水深2500米。该钻探船上同样配置有船载实验室,可及时对提取出来的岩芯样品进行岩石学、古生物学、地球物理学和地球化学等方面的分析研究。船上同时配有冷藏存储区对岩芯进行低温保存,以便运回陆地做进一步的研究。 
       “DP Hunter”号
       “DP Hunter”钻探船于1978年由新加坡Far East Livingstone造船厂建造,2002年在波兰进行了加装钻探系统改造,是一艘具备动力定位能力、能支持潜水作业的钻探船。该船是IODP欧洲船舶平台的主要用船;同时,多家矿产公司租用该船对海洋矿产资源进行了勘探和资源评价。
       “DP Hunter”钻探船总长104米,垂线间长95.2米,船宽18.8米,吃水5.2米,排水量8150吨,总载重量4500吨,月池长7.6米,宽6.1米,配置了SeaCore R100钻塔,采用无隔水管钻探方式。船尾配置了2台2000马力的全回转推力器和1台800马力的管隧式推力器,船首配置了2台800马力以及1台1000马力的管隧式推力器。尾部2台全回转推力器实现航行功能,该船最大航速11.5节,经济航速为9节。6台推力器共同实现动力定位能力,动力定位等级为DP-2。该船定员128人,12间单人间,24个双人间,17个四人间。
       “DP Hunter”钻探船的主要功能是对海底矿物进行钻探并取样。从2006年开始,加拿大鹦鹉螺公司租用该船在巴布亚新几内亚专属经济区俾斯麦海和所罗门海内的勘探执照区进行了多金属硫化物矿藏的岩芯钻探取样。2011年,加拿大鹦鹉螺公司从巴布亚新几内亚获得俾斯麦海20年的开采租赁权。其中,第一个站点被称为Solwara1,探明的储量约有21个足球场的大小,包含24万吨铜、2.5万磅黄金,还有银和锌,总价值可达到30亿美元。日前,鹦鹉螺公司正在我国的马尾船厂进行采矿船的建造。另一家澳大利亚矿业公司Neptune在其新西兰的专属经济区的多金属硫化物勘探工作中,也是租用了“DP Hunter”进行海底钻探取样,对矿区进行资源评价。
        中国的大洋钻探船
        我国于1996年初正式向该计划的牵头单位美国国家科学基金会提出加入申请并承诺缴纳有关费用。1998年,中国作为“参与成员”加入该计划,于1999年4月正式加入国际大洋钻探计划。通过竞争,我国赢得了1999年春在南海实施首次大洋钻探的机会,并由中国科学院院士、同济大学海洋与地球科学学院汪品先教授担任首席科学家。国家自然科学基金委员会资助汪品先院士等进行的“东亚古季风的海洋记录”研究就是国际大洋钻探计划的一部分,汪院士作为首席科学家成功主持了南海大洋钻探184(ODP-184)航次活动,取得了一系列科研成果,“ODP184航次报告”于2000年出版。
        经国务院批准,国家科技部于2004年2月6日成立中国IODP委员会并建立联络员制度,同时组建中国IODP专家委员会和中国IODP办公室,标志着中国积极参与大洋钻探科学研究的竞争,并成为国际群体中的重要成员。
        从2013年底正式启动的新十年“国际大洋发现计划”是由中国科学家建议、设计并主导。中国也正式成为“新十年国际大洋发现计划”的“全额成员”,并在该计划科学咨询机构所有工作组享有代表权、在每个航次拥有两个航行科学家的名额。
        人类向深海进军,恰值我国建设海洋强国、致力华夏振兴的时期。就目前的国际形势来看,发展深海科学,中国几乎是世界上唯一既有实力、又有愿望的新推手,在国际合作中应当抓住时机挺身而出。
        工欲善其事必先利其器。科学大洋钻探船是深海研究中的“航空母舰”,中国如果想在深海科学研究领域迎头赶上,具备国际竞争力,就必须筹划建造自己的大洋钻探船。在过去40多年的大洋钻探计划里,美国和日本因为拥有了先进的大洋钻探船,其深海科技水平大幅提高,人才队伍快速成长,成为全球深海研究中的重要力量,始终占据着大洋钻探的领导权。可见谁拥有大洋钻探船,谁就能站在深海科技竞争的制高点。我国一旦拥有了自己的大洋钻探船,在国内必然会极大地促进深海科技的发展,使整个海洋事业升级,在国际则必然进入深海研究的前沿与核心。
        我国已经充分认识到了大洋钻探船的重要性,所以正逐步加大这方面的投入和研究力度。为落实《中国制造2025》制造强国战略目标,推进船舶工业供给侧结构性改革,加快提升海洋工程装备研发创新能力,工信部于2016年7月下发的《高技术船舶科研计划项目指南》(2016年版)中已经把“大洋勘探船船型开发”列为重点研究内容,以提升我国深海矿产资源勘探开发装备的自主创新能力。
(作者:CCS海洋工程技术中心 刘成名 李洛东 韦斯俊)
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