拓守廷，翦知湣

（1. 同濟(jì)大學(xué)海洋地質(zhì)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200092；2. 國際大洋發(fā)現(xiàn)計(jì)劃中國辦公室，上海 200092）

?

科學(xué)大洋鉆探船的回顧與展望

拓守廷1，2，翦知湣1

（1. 同濟(jì)大學(xué)海洋地質(zhì)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200092；2. 國際大洋發(fā)現(xiàn)計(jì)劃中國辦公室，上海 200092）

摘要:科學(xué)大洋鉆探是地球科學(xué)領(lǐng)域規(guī)模最大、最為成功的國際合作研究計(jì)劃，40余年來取得了令人矚目的科學(xué)成就，大洋鉆探船則是其中的關(guān)鍵。國際上先后有美國的“格羅瑪·挑戰(zhàn)者號(hào)”、“喬迪斯·決心號(hào)”和日本的“地球號(hào)”投入科學(xué)大洋鉆探。正在使用中的“喬迪斯·決心號(hào)”和“地球號(hào)”各有優(yōu)缺點(diǎn)，這兩艘船向地球更深處鉆探都有困難，因此，吸收美、日兩艘船的經(jīng)驗(yàn)，建造一艘能夠向地球深部鉆探的新一代科學(xué)大洋鉆探船十分必要。本文介紹了科學(xué)大洋鉆探船的歷史和現(xiàn)狀，討論了中國建造大洋鉆探船的重要意義和主要技術(shù)指標(biāo)。

關(guān)鍵詞:深海鉆探、“喬迪斯·決心號(hào)”、“地球號(hào)”、中國大洋鉆探船

1　大洋鉆探船的歷史回顧

1968年開始的深海鉆探計(jì)劃（DSDP，1968-1983）及其后續(xù)的國際大洋鉆探計(jì)劃（ODP，1985-2003）、綜合大洋鉆探計(jì)劃（IODP，2003-2013）和當(dāng)前的國際大洋發(fā)現(xiàn)計(jì)劃（IODP，2013-2023）是地球科學(xué)領(lǐng)域迄今規(guī)模最大、影響最深、歷時(shí)最久的大型國際合作研究計(jì)劃，也是引領(lǐng)當(dāng)代國際深海探索的科技平臺(tái)。40余年來，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(yàn)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”，取得了一次又一次的科學(xué)突破，引起了整個(gè)地球科學(xué)領(lǐng)域的革命。

科學(xué)大洋鉆探之所以能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(shí)施鉆探，是目前在海底深部取樣的唯一手段。大洋鉆探40余年來，共有3艘專用的深海鉆探船為其服務(wù)，即DSDP時(shí)期的“格羅瑪·挑戰(zhàn)者號(hào)”、ODP時(shí)期開始使用至今的“喬迪斯·決心號(hào)”和綜合大洋鉆探階段新加入的“地球號(hào)”，前兩艘船由美國提供，后者為日本貢獻(xiàn)。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(tái)”實(shí)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(shí)租用相應(yīng)的鉆探船或平臺(tái)。

1.1 “格羅瑪·挑戰(zhàn)者號(hào)”

“格羅瑪·挑戰(zhàn)者號(hào)”（Glomar Challenger）于1968年在美國德克薩斯州完成建造，該船長121米，寬19米，排水量10500噸，鉆塔高度為43米，隨船可攜帶近7000米長的鉆桿，最大工作水深約6100米（圖1）。1968年8月11日，“格羅瑪·挑戰(zhàn)者號(hào)”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。在16年的科學(xué)鉆探生涯里，“格羅瑪·挑戰(zhàn)者號(hào)”的足跡遍布世界各大洋，共完成96個(gè)航次，鉆井1092口，取芯97056米，創(chuàng)造了眾多深?？茖W(xué)鉆探的紀(jì)錄［1］?！案窳_瑪·挑戰(zhàn)者號(hào)”所獲得的寶貴巖芯取得了大量重要的科學(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，航次后研究結(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(shí)了海底擴(kuò)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(gè)干涸的湖泊，這一結(jié)果轟動(dòng)了當(dāng)時(shí)的科學(xué)界。DSDP在全球各大洋海底沉積物的鉆探研究成果更是直接創(chuàng)立了一門新的學(xué)科——古海洋學(xué)，為研究過去全球的變化發(fā)揮了重要作用［1］。

圖1　“格羅瑪·挑戰(zhàn)者號(hào)”鉆探船

1.2 “喬迪斯·決心號(hào)”

“喬迪斯·決心號(hào)”原是建造于1978年的石油鉆井船Sedco/BP 471號(hào)，后來被改造為科學(xué)鉆探船，命名為“喬迪斯·決心號(hào)”（JOIDES Resolution）。該船長143米，寬21米，排水量18636噸，隨船可攜帶9000米長的鉆桿，最大工作水深超過8000米（圖2）。相比“格羅瑪·挑戰(zhàn)者號(hào)”，“喬迪斯·決心號(hào)”鉆探能力更強(qiáng)、船上實(shí)驗(yàn)室裝備更加先進(jìn)。在完成ODP的使命后，“喬迪斯·決心號(hào)”繼續(xù)服務(wù)于IODP，并于2006—2009年進(jìn)行了全面的升級(jí)改造。此次改造包括更換鉆機(jī)樓層的結(jié)構(gòu)并翻新、升級(jí)或更換所有主要的鉆探和井下測井系統(tǒng)。大多數(shù)的科學(xué)系統(tǒng)都進(jìn)行了維修或更換，為巖芯處理、描述以及岸上和航次后研究提供最先進(jìn)的支持。船上的分析化學(xué)和微生物實(shí)驗(yàn)室為分子、元素和離子成分的量化提供最新一代的儀器。七個(gè)巖芯記錄儀提供了快速和非破壞性的物理性質(zhì)測量，其中包括一個(gè)照相系統(tǒng)和一個(gè)自然伽馬射線測量儀，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了早先的功能。這次改造全面提升了“喬迪斯·決心號(hào)”的作業(yè)能力，同時(shí)延長了船的使用期限，預(yù)計(jì)可以使用至2029年。

1985年1月至2013年9月，“喬迪斯·決心號(hào)”先后為“大洋鉆探計(jì)劃”和“綜合大洋鉆探計(jì)劃”服務(wù)，共完成145個(gè)航次，鉆井2236口，獲取巖芯279993米［2］。這些巖芯為固體地球旋回與地球動(dòng)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。過去的數(shù)十年間，科學(xué)大洋鉆探揭示了地球動(dòng)力學(xué)特征的許多方面。在數(shù)百萬年的時(shí)間內(nèi)，大陸發(fā)生張裂，洋盆形成、關(guān)閉，在大陸碰撞的地方形成新的山脈。大規(guī)模的板塊構(gòu)造活動(dòng)誘發(fā)一系列短期的地質(zhì)現(xiàn)象，如發(fā)生在俯沖帶的巨大的破壞性地震（如日本的南海海槽）、沿著大陸轉(zhuǎn)換斷層發(fā)生的巨大的破壞性地震（如加州的圣安得烈斯斷層）以及在島弧地區(qū)發(fā)生的火山活動(dòng)（如菲律賓的皮納圖博火山）。人類開始認(rèn)識(shí)到，上述構(gòu)造活動(dòng)及其伴隨的洋流循環(huán)和氣候的變化，曾經(jīng)深刻地影響著生物進(jìn)化和生物地球化學(xué)循環(huán)［3］。在中等時(shí)間尺度上，地球軌道參數(shù)的變化導(dǎo)致氣候的周期性變化，其中最具戲劇性的是過去34Ma（百萬年）以來全球冰的容積的消長。氣候的緩慢周期性變化被一些迄今為止未能很好解釋的急劇變化所擾亂。此外，地球氣候系統(tǒng)的極短期顫動(dòng)以及諸如大型地外物體撞擊這樣的災(zāi)變事件，也會(huì)影響氣候的周期性變化。不管地球系統(tǒng)目前觀測到的變化是人類因素引起的還是自然的變化，大洋鉆探所獲得的地質(zhì)紀(jì)錄表明，“變化”而不是“靜止”更能反映地球的歷史［3］。

圖2　“喬迪斯·決心號(hào)”鉆探船

1.3 “地球號(hào)”

為了在新世紀(jì)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(hào)”鉆探船。“地球號(hào)”于2002年下水，當(dāng)時(shí)在日本全國范圍內(nèi)開展了聲勢浩大的宣傳工作以征集船的命名，下水時(shí)請(qǐng)皇室公主剪彩，可謂盛極一時(shí)。經(jīng)過幾年的設(shè)備安裝和調(diào)試，“地球號(hào)”于2007年正式為IODP服務(wù)，該船長210米，寬38米，排水量超過57000噸，理論上可在4000米水深的海域向海底鉆進(jìn)7000米（圖3）。

“地球號(hào)”是為特定目標(biāo)而建造的一艘立管鉆探船，為日本海洋研究開發(fā)機(jī)構(gòu)（JAMSTEC）所擁有，由其旗下的深部地球探測中心（CDEX）負(fù)責(zé)運(yùn)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。70米高、雙鉆桿的鉆塔能將鉆桿拉升1200米，目前的立管鉆探能在2500米的水深處作業(yè)，在新的鉆探項(xiàng)目里鉆探能力將擴(kuò)展到超過4000米深海區(qū)。船上6個(gè)強(qiáng)大的推進(jìn)器能保證船在流速超過3節(jié)以及風(fēng)速大于23m/s的海況下位置不變。“地球號(hào)”配置了380噸重的防井噴器，承壓能力達(dá)103MPa。立管系統(tǒng)能安裝稱為“整流裝置”的設(shè)備，用于減輕立管系統(tǒng)在強(qiáng)海流影響下作業(yè)時(shí)產(chǎn)生的渦旋振動(dòng)?！暗厍蛱?hào)”配備了一套先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，能進(jìn)行與“喬迪斯·決心號(hào)”相同的巖芯測量。在巖芯被剖開兩半分別供取樣和存檔之前，“地球號(hào)”能對(duì)巖芯進(jìn)行CT掃描，提供巖芯的三維影像?！暗厍蛱?hào)”還裝備了電感耦合等離子體質(zhì)譜儀（ICP-MS）進(jìn)行微量元素分析。此外，“地球號(hào)”配備了巖屑取樣和分析裝置，用以研究立管鉆探過程中通過鉆井泥漿循環(huán)被帶到表面的巖屑［4］。

從2007年9月開始，“地球號(hào)”正式實(shí)施IODP科學(xué)鉆探，在菲律賓海北部開展南海海槽發(fā)震帶試驗(yàn)（NanTroSEIZE）計(jì)劃的鉆探。整個(gè)綜合大洋鉆探階段，“地球號(hào)”主要在日本周邊海域?qū)嵤┿@探，除NanTroSEIZE計(jì)劃外，還針對(duì)2011年日本東北大地震實(shí)施了震后快速反應(yīng)鉆探等。但由于“地球號(hào)”運(yùn)行費(fèi)十分昂貴，每年只能有4個(gè)月時(shí)間用于科學(xué)鉆探，其他時(shí)間則尋找機(jī)會(huì)從事商業(yè)鉆探，獲得收入來補(bǔ)充運(yùn)行經(jīng)費(fèi)。

圖3　“地球號(hào)”鉆探船

2　國際大洋發(fā)現(xiàn)計(jì)劃現(xiàn)狀

2013年10月，科學(xué)大洋鉆探進(jìn)入全新的階段——國際大洋發(fā)現(xiàn)計(jì)劃（IODP）。與過去四十年大洋鉆探計(jì)劃相比，新IODP計(jì)劃的科學(xué)視野和目標(biāo)將大為擴(kuò)展，更加突出其社會(huì)需求，不再以“鉆探”為限，而以探索深部和了解整個(gè)地球系統(tǒng)為目標(biāo)，以預(yù)測未來、預(yù)警災(zāi)害為己任，實(shí)施后將繼續(xù)保持國際海洋界最為重要的國際科技合作計(jì)劃。新IODP的科學(xué)計(jì)劃以“照亮地球：過去、現(xiàn)在和未來”為主題，在科學(xué)目標(biāo)上，圍繞氣候與海洋環(huán)境、深部生物圈、地球內(nèi)部與表層連接、災(zāi)害與觀測等四大主題展開；在技術(shù)手段上，發(fā)展海底井下監(jiān)測預(yù)警、海底微生物檢測培育、鉆探地殼探索上地幔等。新IODP計(jì)劃的科學(xué)視野和目標(biāo)展示了海洋科學(xué)乃至地球科學(xué)最前沿的誘人前景。

為了克服當(dāng)前IODP計(jì)劃面臨國際經(jīng)濟(jì)形勢和科學(xué)技術(shù)變化帶來的不利影響，進(jìn)一步提高計(jì)劃執(zhí)行管理效率和節(jié)約管理成本，國際大洋發(fā)現(xiàn)計(jì)劃改變了綜合大洋鉆探階段統(tǒng)一組織實(shí)施的模式，建立科學(xué)目標(biāo)統(tǒng)一規(guī)劃、鉆探任務(wù)分頭實(shí)施的新機(jī)制，由美國、日本和歐洲聯(lián)合體現(xiàn)有的三個(gè)鉆探平臺(tái)各自組建“平臺(tái)管理委員會(huì)”進(jìn)行獨(dú)立管理，各成員國通過分別加入這三個(gè)平臺(tái)委員會(huì)方式來參與新IODP的科技活動(dòng)。

美國通過提供現(xiàn)有的“喬迪斯·決心號(hào)”鉆探船，每年執(zhí)行任務(wù)八個(gè)月，相當(dāng)于四個(gè)航次，組建“喬迪斯·決心號(hào)”平臺(tái)委員會(huì)，由資助機(jī)構(gòu)代表、國際學(xué)術(shù)界頂尖科學(xué)家、執(zhí)行機(jī)構(gòu)代表組成，主席由美國科學(xué)家擔(dān)任。日本通過提供現(xiàn)有的“地球號(hào)”鉆探船，每年執(zhí)行五個(gè)月航次，組建“地球號(hào)”平臺(tái)委員會(huì)，由資助機(jī)構(gòu)代表、國際學(xué)術(shù)界頂尖科學(xué)家、日本文部省和日本海洋研究開發(fā)機(jī)構(gòu)（JAMSTEC）等代表組成。歐洲大洋鉆探研究聯(lián)盟（ECORD）沒有固定的鉆探船，但通過現(xiàn)有機(jī)制提供“特定任務(wù)平臺(tái)”，每年執(zhí)行一個(gè)航次，組建相應(yīng)的平臺(tái)委員會(huì)，由國際頂尖科學(xué)家、科學(xué)實(shí)施機(jī)構(gòu)代表、管理機(jī)構(gòu)主席、資助機(jī)構(gòu)代表組成，主席由歐洲科學(xué)家擔(dān)任。

從國際大洋發(fā)現(xiàn)計(jì)劃近兩年的運(yùn)行情況來看，美國“喬迪斯·決心號(hào)”運(yùn)行管理最為成功，目前已順利完成2014—2015年度的航次計(jì)劃，2016—2018年的航次計(jì)劃也正在有序準(zhǔn)備中，甚至可能在2018年及2019年各增加1個(gè)航次。在經(jīng)費(fèi)削減的情況下能做到這一點(diǎn)是十分不容易的，這主要得益于新IODP三個(gè)鉆探平臺(tái)獨(dú)立尋找合作伙伴的新模式，通過這種方式，“喬迪斯·決心號(hào)”每年可多獲得1450萬美元的運(yùn)行費(fèi)。此外，通過引入“匹配性項(xiàng)目建議書”（Complementary Project Proposal，CPP）新機(jī)制，即由建議方承擔(dān)部分航次經(jīng)費(fèi)，“喬迪斯·決心號(hào)”獲得了額外的資金以補(bǔ)助其運(yùn)行費(fèi)的不足。此前已順利完成的IODP 349航次和IODP 355航次，分別由中國和印度各提供600萬美元的經(jīng)費(fèi)，資助方同時(shí)也獲得更多航次權(quán)益，成為一種雙贏的模式。預(yù)計(jì)在2017年還將有兩個(gè)航次采用CPP模式。

相比而言，日本“地球號(hào)”的運(yùn)行就顯得捉襟見肘了，發(fā)展國際合作伙伴的行動(dòng)不盡人意，目前只有ECORD和澳大利亞—新西蘭聯(lián)盟加入“地球號(hào)”伙伴，資助經(jīng)費(fèi)也僅有130萬美元，對(duì)于“地球號(hào)”每年7000萬美元的運(yùn)行費(fèi)來說是杯水車薪，只是具有國際合作計(jì)劃的名義而已。從航次執(zhí)行情況來看，盡管此前JAMSTEC宣稱“地球號(hào)”每年都將投入IODP鉆探5個(gè)月，但由于經(jīng)費(fèi)短缺的原因，2014年和2015年的航次都沒有實(shí)現(xiàn)。目前計(jì)劃在2016年執(zhí)行5個(gè)月的航次，仍然是繼續(xù)NanTroSEIZE計(jì)劃的鉆探，在可以預(yù)見的將來，這種困境不會(huì)改變。

歐洲的“特定任務(wù)平臺(tái)”總體運(yùn)行良好，按計(jì)劃可每年執(zhí)行一個(gè)航次，目前已計(jì)劃完成了在大西洋的IODP 357航次，2016年還將在墨西哥灣鉆探隕石坑的K/T界線。更值得一提的是，2018年計(jì)劃分別在南極和北極實(shí)施兩個(gè)極地航次，研究新生代南極冰蓋與北冰洋古海洋變化。歐洲的“特定任務(wù)平臺(tái)”瞄準(zhǔn)美國和日本船不能去的淺水和極地海域，取得了非常突出的科學(xué)成就。

3　建造中國大洋鉆探船的展望

科學(xué)大洋鉆探船是深海研究中的“航空母艦”，在過去40多年里，美國先后以“格羅瑪·挑戰(zhàn)者號(hào)”和“喬迪斯·決心號(hào)”投入其中，始終占據(jù)了科學(xué)大洋鉆探的領(lǐng)導(dǎo)地位。從綜合大洋鉆探階段開始，日本投入“地球號(hào)”鉆探船，大幅度增加對(duì)IODP的投入，十幾年來日本的深?？萍妓酱蠓岣撸瞬抨?duì)伍也快速成長，成為全球深海研究中的重要力量，與美國共享大洋鉆探的領(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(diǎn)。我國海洋事業(yè)目前還比較落后，只有采用超常規(guī)手段才能脫穎而出。從科學(xué)上來講，深海海底的一系列重大問題有待新型鉆探船探索，而其中最突出的是鉆穿地殼。地球體積84％屬于地幔，火山活動(dòng)、板塊漂移的根源都在地幔，而大洋地殼最薄只有5000—6000米，因此半個(gè)世紀(jì)前美國深海鉆探就想打穿地殼，日本造“地球號(hào)”的口號(hào)也是打穿地殼，但目前看來都還難以實(shí)現(xiàn)。如果我國能抓住機(jī)會(huì)，采用嶄新技術(shù)建造一艘新型大洋鉆探船，就有可能在國際海洋界脫穎而出，成為大洋鉆探一支新的生力軍。一旦擁有了自己的大洋鉆探船，在國內(nèi)必然會(huì)極大地促進(jìn)深?？萍迹拐麄€(gè)海洋事業(yè)升級(jí)，在國際則必然進(jìn)入深海研究的前沿與核心。

回顧國際上大洋科學(xué)鉆探技術(shù)的發(fā)展，粗略看可以分為三個(gè)階段，第一個(gè)階段為非立管鉆探技術(shù)，第二階段為立管鉆探技術(shù)，第三階段則為非立管泥漿泵鉆探技術(shù)。非立管鉆探和立管鉆探都具有明顯的優(yōu)缺點(diǎn)。相比立管鉆探而言，非立管鉆探的優(yōu)點(diǎn)是不需要攜帶大量立管，可有效控制鉆探船的規(guī)模，降低運(yùn)行成本。缺點(diǎn)是鉆探深度較淺，多數(shù)在海底以下1000多米，目前最深的紀(jì)錄是2111米，不能在有油氣顯示的海區(qū)鉆探，以免造成井噴，威脅鉆探船的安全。而立管鉆探技術(shù)正好克服了非立管鉆探的缺點(diǎn)，裝備了巨大的立管和防噴裝置，可以連接鉆探船至海底，這種鉆探技術(shù)的好處是可以在海底鉆探更深，還可以為石油和天然氣鉆探服務(wù)。缺點(diǎn)是由于要攜帶大量立管，使得鉆探船過于龐大，運(yùn)行費(fèi)用飆升。實(shí)際上，立管鉆探技術(shù)在石油鉆探中已經(jīng)使用得很廣泛了。最近，為了克服前面兩種鉆探技術(shù)各自的缺陷，國際上開始研發(fā)了泥漿返回系統(tǒng)用于非立管鉆探中，即將泥漿泵放在海底，通過泥漿泵將鉆探的碎屑返回到船上，避免堆在井口導(dǎo)致塌井和卡鉆。非立管泥漿泵鉆探技術(shù)的好處是顯而易見的，既控制了鉆探船的規(guī)模，又可以提升鉆探能力，并且可以為石油鉆探所用，這是海洋鉆探發(fā)展的新方向，實(shí)際上，這種技術(shù)已被嘗試在石油鉆探中使用［5］。

中國建造大洋鉆探船，可以考慮借鑒美、日兩家的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，采用非立管泥漿返回系統(tǒng)、雙口徑鉆具、新型升沉補(bǔ)償裝置、配套水下機(jī)器人等改進(jìn)措施，使得新一代大洋鉆探船具有最先進(jìn)的技術(shù)，能夠承擔(dān)將來打穿地殼的重任。工程目標(biāo)是建造一艘20000噸級(jí)、裝備高精度動(dòng)力定位系統(tǒng)、在不同海區(qū)和地質(zhì)環(huán)境實(shí)施鉆探的中國大洋鉆探船。建成后將為國家海洋科學(xué)研究和海洋石油等資源開發(fā)，特別是深海及大洋區(qū)的海洋科學(xué)研究提供海上鉆探取樣和試驗(yàn)平臺(tái)，成為我國大洋鉆探科學(xué)研究迄今唯一的科學(xué)鉆探船，并成為國際大洋鉆探計(jì)劃三個(gè)先進(jìn)的鉆探平臺(tái)之一。新一代大洋鉆探船主要的指標(biāo)如下。

3.1非立管泥漿返回系統(tǒng)

泥漿循環(huán)是深鉆的基本要求，通過泥漿循環(huán)可以將巖屑帶走，還可以保護(hù)井壁避免坍塌。另外，只有泥漿鉆井才有防噴裝置。然而，“格羅瑪·挑戰(zhàn)者號(hào)”和“喬迪斯·決心號(hào)”都是裸眼鉆，不用泥漿、不能防噴，即所謂的“非立管型”（圖4），因此進(jìn)尺一般在1500米以內(nèi)，更不能在有油氣顯示的海區(qū)鉆探以防井噴。而日本“地球號(hào)”與“喬迪斯·決心號(hào)”最大的不同在于“地球號(hào)”裝備了隔水套管，具備立管鉆探的能力。在立管鉆探中，使用一根大直徑的鋼管，即立管，來連接鉆探平臺(tái)和海底，鉆桿在立管里面轉(zhuǎn)動(dòng)。泥漿被泵入鉆桿底部并返回到被套管包著的鉆桿外面，通過控制泥漿的密度來保持鉆孔內(nèi)的壓力平衡，防止坍塌。但因?yàn)閿y帶了巨大的立管，使得“地球號(hào)”船體十分龐大，比“喬迪斯·決心號(hào)”大3倍，從而使得運(yùn)行經(jīng)費(fèi)倍增。目前“地球號(hào)”也只能在水深2500米的海域?qū)嵤┝⒐茔@探，遠(yuǎn)期計(jì)劃擴(kuò)展到4000米的海域，但仍有很大困難。最近的新趨勢是發(fā)展“非立管泥漿返回系統(tǒng)（Riserless Mud Recovery）”，把泥漿泵放到海底去（圖4），這不僅可以避免建造過大的船只，而且會(huì)大大改進(jìn)鉆井效果和費(fèi)用［5］。

圖4　三種不同鉆探技術(shù)比較［5］

3.2總重20000噸規(guī)模、鉆探總深度達(dá)10000米

美國“喬迪斯·決心號(hào)”排水量18000多噸，鉆探的最大水深為8000米，鉆探總深度（即鉆桿長度，為海水深度和海底以下深度之和）為9000米，但由于沒有裝備“防噴器”，使得“喬迪斯·決心號(hào)”在較厚地層特別是在大陸架鉆探時(shí)的風(fēng)險(xiǎn)性增大，在小于73米的水深不能開展鉆探。日本“地球號(hào)”為57000噸，鉆探總深度為11000米，理論上可以在水深2500米的海域?qū)嵤┝⒐茔@探，向海底以下鉆進(jìn)7000米。雖然“地球號(hào)”具有各種水深的非立管鉆探能力，但由于船體龐大，鉆探費(fèi)用是“喬迪斯·決心號(hào)”的好幾倍。新建造的中國大洋鉆探船的規(guī)模宜介于“喬迪斯·決心號(hào)”和“地球號(hào)”之間，在不成倍增加建造和鉆探成本的情況下，能夠在各種海域?qū)嵤┿@探，特別是在中國廣泛分布沉積層的邊緣海區(qū)的鉆探總深度達(dá)10000 米，如在水深4000米處，設(shè)計(jì)自海底以下鉆探地層最大深度6000米。

3.3具備海底井下觀測、海底觀測網(wǎng)建設(shè)等多種功能

目前的“喬迪斯·決心號(hào)”和“地球號(hào)”都具有一定的先進(jìn)的海底井下觀測技術(shù)（CORK）和海底觀測網(wǎng)建設(shè)的功能，中國大洋鉆探船將進(jìn)一步優(yōu)化這些功能，特別是采用具備國際最新水平的鉆探和高精度實(shí)時(shí)監(jiān)控設(shè)備，提高巖芯的采收率，并具備各類深潛器施放等新的功能。

3.4建造中國大洋鉆探船的政策建議

建造第三條國際大洋鉆探船，必須能夠承擔(dān)探索地球深部的新任務(wù)，因此只能是國際先進(jìn)技術(shù)的結(jié)晶。由中國主辦、通過國際合作建造新一代大洋鉆探船，將會(huì)極大地推進(jìn)中國深海科學(xué)和技術(shù)的發(fā)展，也會(huì)理所當(dāng)然地使中國進(jìn)入國際深海研究的領(lǐng)導(dǎo)層。然而有了“地球號(hào)”的前車之鑒，中國必須在國際層面上展開認(rèn)真的調(diào)查研究，通過現(xiàn)有技術(shù)和技術(shù)創(chuàng)新的結(jié)合，并充分考慮建成后如何合理運(yùn)行，才能成功。為此，建議設(shè)立項(xiàng)目，進(jìn)行“新一代大洋鉆探船”的國際、國內(nèi)深入調(diào)研。同時(shí)，鑒于現(xiàn)有技術(shù)下大洋鉆探的巨大需求，還可以考慮結(jié)合我國大洋礦產(chǎn)資源、天然氣水合物、極地調(diào)查等方面的需求，精心策劃建造鉆探船，參加國際大洋鉆探。

為了避免建成后巨額運(yùn)行經(jīng)費(fèi)的困擾，中國的大洋鉆探船在運(yùn)行管理上必須要有重大創(chuàng)新，在造船伊始就應(yīng)與產(chǎn)業(yè)界合作，將來的運(yùn)行管理采用基礎(chǔ)研究與產(chǎn)業(yè)部門相結(jié)合的模式，一部分時(shí)間用于國內(nèi)和國際的基礎(chǔ)研究，一部分時(shí)間用于石油和礦產(chǎn)等部門的深海油氣、“可燃冰”及其他深海資源的勘探，以發(fā)揮最大的效益。

參考文獻(xiàn)

［1］ http://iodp.tamu.edu/publicinfo/glomar_challenger.html

［2］ http://iodp.tamu.edu/publicinfo/drillship.html

［3］ Joint Oceanographic Institutions （ed.）. ODP Highlights. Washington D C: Joint Oceanographic Institutions， 2003.

［4］ 中國綜合大洋鉆探計(jì)劃辦公室 等譯. 國際大洋發(fā)現(xiàn)計(jì)劃2013—2023科學(xué)計(jì)劃書， 照亮地球-過去、現(xiàn)在與未來［R］. 同濟(jì)大學(xué)出版社， 1-84.

［5］ Myers， G.. Ultra-deepwater riserless mud circulation with dual gradient drilling［J］. Scientific Drilling， 2008， （6）: 48-51.

Scientific Ocean Drilling Vessels： Review and Prospect

Tuo Shouting1，2， Jian Zhimin1
（1. State Key Laboratory of Marine Geology， Shanghai 200092， China； 2. Tongji University， Shanghai 200092， China）

Abstract:Scientific ocean drilling represents one of Earth sciences' longest running and most successful international collaborations， which has made remarkable achievements in past 40 years. Such brilliant achievements were made mainly by the scientific ocean drilling vessels. There are three ocean drilling vessels serve for scientific ocean drilling: Glomar Challenger and JOIDES Resolution contributed by United States and Chikyu contributed by Japan， respectively. JOIDES Resolution and Chikyu are currently working for IODP， but both of them have their own advantages and disadvantages， and they both can’t drill deeper to the Earth. It is very necessary to build a new generation drilling vessel in order to drill to deeper part of the Earth. This paper reviews the history and current status of the scientific ocean drilling vessels， and discusses the important significance and technical indicators of Chinese ocean drilling vessel.

Keywords:deep-sea drilling， JOIDES Resolution， Chikyu， Chinese Ocean Drilling Vessel

中圖分類號(hào)：P71

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1674-4969（2016）02-0155-07

DOI：10.3724/SP.J.1224.2016.00155

收稿日期：2015-12-18； 修回日期： 2016-03-03

作者簡介：拓守廷（1979-），男，博士，講師，主要從事國際大洋發(fā)現(xiàn)計(jì)劃的科學(xué)管理工作。E-mail: shouting@#edu.cn