大洋鉆探計劃與大洋鉆探船

CCS海洋工程技術(shù)中心 劉成名 李洛東 韋斯俊

大洋鉆探計劃(Ocean Drilling Program)是由美國國家科學(xué)基金會主持的，全球研究地球結(jié)構(gòu)和演化過程的科學(xué)家和研究機構(gòu)共同參與的一個國際性研究計劃。目前，該計劃每年投資約4500萬美元，資金由8個國家或國際組織提供，分別是德國、日本、英國、美國、中國、法國、澳大利亞/加拿大/中國臺北及韓國組成的海洋鉆探協(xié)會和歐洲海洋鉆探協(xié)會，這一伙伴關(guān)系的正式名稱是“地球深層采樣聯(lián)合海洋機構(gòu)” (Joint Oceanographic Institutions for Deep Earth Sampling，簡稱“JOIDES”)。其中，美國承擔(dān)60%的費用，其它正式成員每年承擔(dān)300萬美元，準會員每年承擔(dān)50萬美元。該計劃的主要目標與任務(wù)是通過研究海底巖石和沉淀物所包含的大量地質(zhì)和環(huán)境信息，獲得地球的演化過程和變化趨勢。該計劃的科學(xué)研究活動依賴于大洋鉆探船來開展和實施。截止目前，該計劃共開展了四個階段的科學(xué)研究活動：第一階段：深海鉆探計劃（DSDP，1968～1983年）；第二階段：大洋鉆探計劃（ODP，1985～2003年）；第三階段：綜合大洋鉆探計劃（IODP，2003～2013年）；第四階段：國際大洋發(fā)現(xiàn)計劃（IODP，2013～2023年）。50年來，科學(xué)大洋鉆探在全球各大洋鉆井三千余口、累積取芯超過40萬米，所取得的科學(xué)成果驗證了板塊構(gòu)造理論，創(chuàng)立了古海洋學(xué)，揭示了氣候演變的規(guī)律，發(fā)現(xiàn)了海底“深部生物圈”和“可燃冰”等，取得了一次又一次的科學(xué)突破，引起了整個地球科學(xué)領(lǐng)域的革命。

鉆探計劃實施50年

深海鉆探計劃（Deep Sea Drilling Program），是大洋鉆探計劃的第一階段，從1968開始實施，至1983年結(jié)束。

為了獲取地殼、地幔之間物質(zhì)交換的第一手資料，美國自然基金會從1966起開始籌備“深海鉆探計劃”。1968年8月，“挑戰(zhàn)者”號深海鉆探船第一次駛進墨西哥灣，開始了長達15年的深海鉆探。從1968年8月11日開始至1983年11月計劃結(jié)束，“格羅瑪·挑戰(zhàn)者”號船完成了96個航次，鉆探站位624個，實際鉆井逾千口，航程超過60萬公里，回收巖心9.5萬多米。除冰雪覆蓋的北冰洋以外，鉆井遍及世界各大洋。深海鉆探的原始資料與成果按每個航次一卷匯編成《深海鉆探計劃初步報告》(Initial Reports of the Deep Sea Drilling Project)，至1985年已出版80余卷。該階段研究所收集的大量資料已成為地球科學(xué)的寶庫，其研究成果驗證了海底擴張和板塊構(gòu)造說、創(chuàng)立了古海洋學(xué)、證實了俯沖增生和構(gòu)造侵蝕作用、獲取了邊緣盆地的資料、揭示了中生代以來的板塊運動史、闡明了洋底玄武巖的性質(zhì)和證實了地質(zhì)歷史上的偶然事件。除上述貢獻外，深海鉆探計劃在全球性地層對比、成巖作用、地震火山形成機理、深海鉆探技術(shù)以及海底礦產(chǎn)資源等方面也有新發(fā)現(xiàn)、新進展。綜合來說，深海鉆探計劃為地球科學(xué)帶來了一場革命。

國際大洋鉆探計劃（Ocean Drilling Program），是大洋鉆探計劃的第二階段，從1985年開始實施，至2003年結(jié)束。

“國際大洋鉆探計劃”始于1985年墨西哥灣的第100航次，啟用“決心”號作為新的鉆探船。到2002年6月止，該船共接受來自40多個國家的近2700名科學(xué)家上船考察，鉆取的巖芯累計長達215公里，鉆探最深達海底以下2111米，鉆探作業(yè)的最大水深達到了5980米，共在全球各大洋鉆井近3000口。通過該計劃，科學(xué)家揭示了洋殼結(jié)構(gòu)和海底高原的形成，證實了氣候演變的軌道周期和地球環(huán)境的突變事件，分析了匯聚于大陸邊緣深部流體的作用，發(fā)現(xiàn)了海底深部生物圈和天然氣水合物，導(dǎo)致地球科學(xué)一次又一次重大突破。

綜合大洋鉆探計劃（Integrated Ocean Drilling Program），是大洋鉆探計劃的第三階段，從2003年開始實施，至2013年結(jié)束。綜合大洋鉆探計劃是一項旨在通過研究海底沉積物和巖石來探索地球歷史和結(jié)構(gòu)的宏大國際研究計劃。該計劃的規(guī)模目標最為雄心勃勃，以“地球系統(tǒng)科學(xué)”思想為指導(dǎo)，計劃打穿大洋殼，揭示地震機理，查明海洋深部生物圈和天然氣水合物，理解極端氣候和快速氣候變化的過程，為國際學(xué)術(shù)界構(gòu)筑起新世紀地球科學(xué)研究的平臺，同時為深海新資源勘探開發(fā)、環(huán)境預(yù)測和防震減災(zāi)等實際目標服務(wù)。鉆探船也由“大洋鉆探計劃”時的一艘增加到兩艘以上，其鉆探范圍擴大到全球所有海區(qū)（包括大陸架淺海和極地海域），領(lǐng)域從地球科學(xué)擴大到生命科學(xué)，手段從鉆探擴大到海底深部觀測網(wǎng)和井下實驗。綜合大洋勘探計劃在深部生物圈、地球殼幔結(jié)構(gòu)、俯沖工廠和地震活動、古環(huán)境記錄及海底資源探測等方面均取得了大量成果。

國際大洋發(fā)現(xiàn)計劃（International Ocean Discovery Plan），是大洋鉆探計劃的第四階段，計劃從2013年10月開始實施，預(yù)計至2023年結(jié)束。2011年6月，《2013～2023年國際海洋發(fā)現(xiàn)計劃》公布，該報告闡述了未來10年新的IODP重點發(fā)展的4大領(lǐng)域：氣候與海洋變化、生物圈前沿、地球表面環(huán)境的聯(lián)系和運動中的地球?？傮w科學(xué)目標是通過對海洋的研究認識地球生命起源，探索地質(zhì)演化歷史和過程，理解地球圈層之間的相互作用。報告同時闡述了新的IODP在這4個研究領(lǐng)域中未來發(fā)展面臨的14個挑戰(zhàn)：（1）地球氣候系統(tǒng)會對大氣CO2濃度升高做出怎樣的反應(yīng)；（2）氣候系統(tǒng)對化學(xué)擾動影響海洋的情況下的適應(yīng)性是怎樣的；（3）冰原和海平面如何對氣候變暖做出響應(yīng)；（4）什么因素控制區(qū)域降水，它與季風(fēng)或厄爾尼諾現(xiàn)象是否有聯(lián)系；（5）深海生物群落的組成、起源和生物化學(xué)機制是什么；（6）什么限制深海生物的生命；（7）生態(tài)系統(tǒng)和人類社會對環(huán)境變化的敏感程度如何；（8）地幔的組成、結(jié)構(gòu)及活動狀態(tài)情況是怎樣的；（9）地幔融化與控制洋中脊結(jié)構(gòu)的板塊構(gòu)造有何相互作用；（10）大洋地殼和海水之間化學(xué)交換的機制、程度和歷史；（11）俯沖帶如何產(chǎn)生周期性的不穩(wěn)定狀態(tài)及如何生成大陸地殼；（12）什么機制控制毀滅性地震、山崩及海嘯的發(fā)生；（13）什么特性和過程控制深海碳的儲存和流動？（14）洋流怎樣將深海構(gòu)造、熱學(xué)過程和地球生物化學(xué)過程聯(lián)系在一起。

相比于綜合大洋鉆探計劃，國際大洋發(fā)現(xiàn)計劃更加強調(diào)科學(xué)新意、突出社會需求。新計劃以探索海洋深部了解整個地球系統(tǒng)為目標、以預(yù)測未來為己任，展示了海洋科學(xué)、乃至地球科學(xué)最前沿的誘人前景。在技術(shù)上發(fā)展新手段，不再以“鉆探”為限，將向海底井下觀測預(yù)警、海底微生物的檢測培育和鉆穿地殼探索上地幔等方向和領(lǐng)域發(fā)起新挑戰(zhàn)。

大洋鉆探船

大洋鉆探計劃之所以能順利實施并取得如此輝煌的成就，大洋鉆探船是關(guān)鍵。大洋鉆探船是全世界深海高技術(shù)的集成，能夠在水深數(shù)千米的海底實施鉆探，是目前在海底深部取樣的唯一手段。大洋鉆探計劃開展40余年來，共有3艘專用的大洋鉆探船為該計劃提供服務(wù)，即DSDP時期的“格羅瑪·挑戰(zhàn)者”號、ODP時期開始使用至今的“喬迪斯·決心”號和綜合大洋鉆探階段加入的“地球”號；前兩艘船由美國建造出資建造，后者為日本貢獻。此外，歐洲大洋鉆探聯(lián)盟（ECORD）自綜合大洋鉆探階段以來提供“特定任務(wù)平臺”實施IODP航次，不過并沒有固定的鉆探船，而是根據(jù)不同科學(xué)任務(wù)臨時租用相應(yīng)的鉆探船或平臺。

“格羅瑪·挑戰(zhàn)者”號

表1 部分大洋鉆探船數(shù)據(jù)統(tǒng)計

“格羅瑪·挑戰(zhàn)者”號鉆探船（Glomar Challenger）是1966年美國為深海鉆探計劃（DSDP）專門新建的一艘鉆探船，也是隨后15年深海鉆探計劃中唯一的專用鉆探船。該船于1968年在美國德克薩斯州完成建造，船長121米，寬19米，排水量10500噸，最大工作水深約6100米，是第一艘能在水深大于6000米的海底進行鉆探的船舶?！案窳_瑪·挑戰(zhàn)者”號中部的井架高43米，井架頂高出海面61米，鉆桿直徑為12.15厘米，隨船可攜帶近7000米的鉆桿?！案窳_瑪·挑戰(zhàn)者”號裝備有動力定位系統(tǒng)，能在9級風(fēng)速時進行正常作業(yè)；配置有縱橫搖與升沉補償系統(tǒng)，保證船的縱搖和橫搖不超過9°。

1968年8月11日，“格羅瑪·挑戰(zhàn)者”號首航墨西哥灣，拉開了深?？茖W(xué)鉆探的序幕，正式 為DSDP服 務(wù)， 直至1983年DSDP結(jié) 束。1968年至1983年間，“格羅瑪·挑戰(zhàn)者”號共完成96個航次，在除北冰洋之外的各大洋的624個站位上鉆井1112口，取得巖芯97000余米。該鉆探船目前已退役。

通過研究“格羅瑪·挑戰(zhàn)者號”所獲得的寶貴巖芯，科學(xué)家們?nèi)〉昧舜罅恐匾目茖W(xué)發(fā)現(xiàn)。其中，最引人注目的就是DSDP第3航次在南大西洋的鉆探。研究結(jié)果表明：南大西洋洋殼的年齡沿洋中脊兩側(cè)逐漸變老，這一重大發(fā)現(xiàn)有力地證實了海底擴張學(xué)說。此外，DSDP在地中海的鉆探發(fā)現(xiàn)：地中海曾經(jīng)是一個干涸的湖泊，這一結(jié)果轟動了當(dāng)時的科學(xué)界。

圖1 “格羅瑪·挑戰(zhàn)者”號鉆探船

“喬迪思·決心”號

圖2 “喬迪思·決心”號鉆探船

“喬迪思·決心號”（JOIDES Resolution）鉆探船，原名“Sedco/BP 471”號，是一艘石油鉆井船，于1978年在加拿大的Halifax船廠建成，最初為美國Sedco公司和英國石油公司所有，用于墨西哥灣的海洋油氣勘探。1985年1月，該船在美國帕斯卡古拉完成用于科學(xué)考察工作的適應(yīng)性改造后，成為大洋鉆探計劃（ODP）的專屬鉆探船。在2007年至2008年間，“喬迪思·決心”號鉆探船在新加坡對生活樓和實驗室部分進行了升級改造?！皢痰纤肌Q心”號鉆探船目前仍是國際大洋發(fā)現(xiàn)計劃（IODP）實施的主力船型。

“喬迪思·決心”號鉆探船船長143米，船寬21米，滿載排水量18636噸（吃水約7米），月池直徑7米，井架高度61.5米，大鉤載荷590噸，具備操作9150米鉆桿的能力，采用非隔水管鉆探方式。它采用雙軸雙槳電力推進方式，每軸功率為3300千瓦。它具備動力定位能力，配置了10臺550千瓦的可伸縮式全回轉(zhuǎn)推力器，還配置了2臺550千瓦的側(cè)推裝置，可在7.5米波高、60節(jié)風(fēng)速、3節(jié)流速的環(huán)境條件下定位。該船配置了7臺柴油發(fā)電機，其中5臺2100千瓦，2臺1500千瓦。該船還配置了2臺550千瓦的泥漿泵，6個泥漿池共400立方米，8個散料罐共386立方米。該船的液艙儲量包括4000立方米柴油、1300立方米鉆井水、160立方米飲用水和800立方米壓載水。該船配置了4艘70人封閉式救生艇，5只25人氣脹式救生筏。該船定員130人，其中OPD官員和科學(xué)家60人，鉆井操作人員和船員70人?！皢痰纤肌Q心”號鉆探船采用無隔水管鉆探方式，無需下放防噴器組，對月池尺度需求較小，采用的是直徑7米的圓形月池，該船航速約為10節(jié)。

“喬迪思·決心”號鉆探船的主要功能是對海底土壤進行鉆探并取樣，同時對提取出來的巖芯進行實驗分析。“決心號”鉆探船采用單根操作，自動化程度低，鉆探作業(yè)十分耗時。在5500米水深作業(yè)時，下放鉆桿的時間需約12小時。當(dāng)鉆桿到達海底時，開始進行取芯作業(yè)。取芯器具通過鉆桿中心下放，隨鉆桿轉(zhuǎn)動鉆入地層，通過回收取芯器取出巖芯。一般來說，完成一次取芯器的下放和回收需要90分鐘。當(dāng)鉆深較深時，由于地層土壤的物理特性會有很大變化，需要更換適合該土壤切割的鉆頭，這就需要把鉆桿一節(jié)一節(jié)的提取出來。在更換鉆頭后，鉆柱再在聲納系統(tǒng)的導(dǎo)引下重新進入原來的鉆孔進行鉆探。鉆探船上配置有船載實驗室，可及時對提取出來的巖芯樣品進行巖石學(xué)、古生物學(xué)、地球物理學(xué)和地球化學(xué)等方面的分析研究，船上同時配有冷藏存儲區(qū)對巖芯進行低溫保存，以便運回陸地做進一步的研究。

1985年1月至2013年9月，“喬迪斯·決心”號先后為“大洋鉆探計劃”和“綜合大洋鉆探計劃”服務(wù)，共完成145個航次，鉆井2236口，獲取巖芯279993米。這些巖芯為固體地球旋回與地球動力學(xué)、地球過去氣候變化和深部生物圈等方面的研究提供了寶貴材料。

“地球”號

為了在新世紀的大洋鉆探中與美國、歐洲等國競爭領(lǐng)導(dǎo)權(quán)，日本政府斥巨資建造了“地球”號鉆探船。“地球”號鉆探船2002年初下水，2005年交船，總造價達到了驚人的5.4億美元，是世界上第一艘采用隔水管鉆探的大洋鉆探船。該船于2007年正式為IODP服務(wù)，但是由于“地球”號運行費用十分昂貴，每年只能有4個月時間用于科學(xué)鉆探，其他時間則需要尋找機會從事商業(yè)鉆探，從而獲得相應(yīng)的經(jīng)濟收入來補充科學(xué)研究的運行費用。

“地球”號是為特定目標而建造的一艘立管鉆探船，為日本海洋研究開發(fā)機構(gòu)（JAMSTEC）所擁有，由其旗下的深部地球探測中心（CDEX）負責(zé)運行。該船可容納200人（包括船員、鉆探工人、技術(shù)人員和科學(xué)家），續(xù)航力為20000海里。

“地球號”鉆探船船長210米，船寬38米，型深16.2米，滿載排水量57500噸（吃水約9.2米），月池長21.9米，寬12米，井架高度70.1米，大鉤載荷1250噸，具備操作10000米鉆桿的能力，采用隔水管鉆探方式，隔水管鉆探最大作業(yè)水深2500米（具備升級至4000米作業(yè)水深能力）。它配置了6臺4200千瓦的全回轉(zhuǎn)推力器，3臺位于尾部，3臺位于首部，同時配置了1臺2550千瓦的首側(cè)推裝置。尾部推力器實現(xiàn)航行功能，該船經(jīng)濟航速10節(jié)，最大航速12節(jié)，6臺全回轉(zhuǎn)推力器共同實現(xiàn)動力定位能力，可在4.5米波高、23米/秒風(fēng)速、1.5節(jié)流速的環(huán)境條件下定位。該船配置了6臺5000千瓦的主柴油發(fā)電機，還配置了2臺2500千瓦的輔機。

“地球”號鉆探船的主要功能是對海底土壤進行鉆探和取樣，并對提取出來的巖芯進行實驗分析。該船配置了先進的鉆探系統(tǒng)，采用隔水管鉆探方式，配置有海底防噴器，通過閉式泥漿循環(huán)將巖屑攜帶出來，隔水管鉆探最大作業(yè)水深2500米。該鉆探船上同樣配置有船載實驗室，可及時對提取出來的巖芯樣品進行巖石學(xué)、古生物學(xué)、地球物理學(xué)和地球化學(xué)等方面的分析研究。船上同時配有冷藏存儲區(qū)對巖芯進行低溫保存，以便運回陸地做進一步的研究。

圖4 “地球”號鉆探船

“DP Hunter”號

“DP Hunter”鉆探船于1978年由新加坡Far East Livingstone造船廠建造，2002年在波蘭進行了加裝鉆探系統(tǒng)改造，是一艘具備動力定位能力、能支持潛水作業(yè)的鉆探船。該船是IODP歐洲船舶平臺的主要用船；同時，多家礦產(chǎn)公司租用該船對海洋礦產(chǎn)資源進行了勘探和資源評價。

“DP Hunter”鉆探船總長104米，垂線間長95.2米，船寬18.8米，吃水5.2米，排水量8150噸，總載重量4500噸，月池長7.6米，寬6.1米，配置了SeaCore R100鉆塔，采用無隔水管鉆探方式。船尾配置了2臺2000馬力的全回轉(zhuǎn)推力器和1臺800馬力的管隧式推力器，船首配置了2臺800馬力以及1臺1000馬力的管隧式推力器。尾部2臺全回轉(zhuǎn)推力器實現(xiàn)航行功能，該船最大航速11.5節(jié)，經(jīng)濟航速為9節(jié)。6臺推力器共同實現(xiàn)動力定位能力，動力定位等級為DP-2。該船定員128人，12間單人間，24個雙人間，17個四人間。

“DP Hunter”鉆探船的主要功能是對海底礦物進行鉆探并取樣。從2006年開始，加拿大鸚鵡螺公司租用該船在巴布亞新幾內(nèi)亞專屬經(jīng)濟區(qū)俾斯麥海和所羅門海內(nèi)的勘探執(zhí)照區(qū)進行了多金屬硫化物礦藏的巖芯鉆探取樣。2011年，加拿大鸚鵡螺公司從巴布亞新幾內(nèi)亞獲得俾斯麥海20年的開采租賃權(quán)。其中，第一個站點被稱為Solwara1，探明的儲量約有21個足球場的大小，包含24萬噸銅、2.5萬磅黃金，還有銀和鋅，總價值可達到30億美元。日前，鸚鵡螺公司正在我國的馬尾船廠進行采礦船的建造。另一家澳大利亞礦業(yè)公司Neptune在其新西蘭的專屬經(jīng)濟區(qū)的多金屬硫化物勘探工作中，也是租用了“DP Hunter”進行海底鉆探取樣，對礦區(qū)進行資源評價。

中國的大洋鉆探船

我國于1996年初正式向該計劃的牽頭單位美國國家科學(xué)基金會提出加入申請并承諾繳納有關(guān)費用。1998年，中國作為“參與成員”加入該計劃，于1999年4月正式加入國際大洋鉆探計劃。通過競爭，我國贏得了1999年春在南海實施首次大洋鉆探的機會，并由中國科學(xué)院院士、同濟大學(xué)海洋與地球科學(xué)學(xué)院汪品先教授擔(dān)任首席科學(xué)家。國家自然科學(xué)基金委員會資助汪品先院士等進行的“東亞古季風(fēng)的海洋記錄”研究就是國際大洋鉆探計劃的一部分，汪院士作為首席科學(xué)家成功主持了南海大洋鉆探184（ODP-184）航次活動，取得了一系列科研成果，“ODP184航次報告”于2000年出版。

經(jīng)國務(wù)院批準，國家科技部于2004年2月6日成立中國IODP委員會并建立聯(lián)絡(luò)員制度，同時組建中國IODP專家委員會和中國IODP辦公室，標志著中國積極參與大洋鉆探科學(xué)研究的競爭，并成為國際群體中的重要成員。

從2013年底正式啟動的新十年“國際大洋發(fā)現(xiàn)計劃”是由中國科學(xué)家建議、設(shè)計并主導(dǎo)。中國也正式成為“新十年國際大洋發(fā)現(xiàn)計劃”的“全額成員”，并在該計劃科學(xué)咨詢機構(gòu)所有工作組享有代表權(quán)、在每個航次擁有兩個航行科學(xué)家的名額。

人類向深海進軍，恰值我國建設(shè)海洋強國、致力華夏振興的時期。就目前的國際形勢來看，發(fā)展深海科學(xué)，中國幾乎是世界上唯一既有實力、又有愿望的新推手，在國際合作中應(yīng)當(dāng)抓住時機挺身而出。

工欲善其事必先利其器?？茖W(xué)大洋鉆探船是深海研究中的“航空母艦”，中國如果想在深?？茖W(xué)研究領(lǐng)域迎頭趕上，具備國際競爭力，就必須籌劃建造自己的大洋鉆探船。在過去40多年的大洋鉆探計劃里，美國和日本因為擁有了先進的大洋鉆探船，其深?？萍妓酱蠓岣撸瞬抨犖榭焖俪砷L，成為全球深海研究中的重要力量，始終占據(jù)著大洋鉆探的領(lǐng)導(dǎo)權(quán)?？梢娬l擁有大洋鉆探船，誰就能站在深?？萍几偁幍闹聘唿c。我國一旦擁有了自己的大洋鉆探船，在國內(nèi)必然會極大地促進深?？萍嫉陌l(fā)展，使整個海洋事業(yè)升級，在國際則必然進入深海研究的前沿與核心。

我國已經(jīng)充分認識到了大洋鉆探船的重要性，所以正逐步加大這方面的投入和研究力度。為落實《中國制造2025》制造強國戰(zhàn)略目標，推進船舶工業(yè)供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革，加快提升海洋工程裝備研發(fā)創(chuàng)新能力，工信部于2016年7月下發(fā)的《高技術(shù)船舶科研計劃項目指南》(2016年版)中已經(jīng)把“大洋勘探船船型開發(fā)”列為重點研究內(nèi)容，以提升我國深海礦產(chǎn)資源勘探開發(fā)裝備的自主創(chuàng)新能力。