天津滨海新区超深分层标建设关键技术

天津滨海新区是我国地面沉降最严重的地区，最大沉降量已达3.448m（1959～2013年），地面已低于海平面1.108m；同时又是我国地面沉降条件最为复杂的地区。天津滨海新区新生界厚度达2800～5700m。下部古近系开采油气，中部新近系开采地热，上部第四系开采地下水，加之城市建设都要引发地面沉降。为了研究和控制地面沉降，自1980年开始，滨海新区建设分层标组，至本项目实施之前，已建成7座，大港城区最深的分层标为540m，其它都浅于300m。这些分层标用于监测地下水开采和城市建设引发的地面沉降。

1986年“引滦入津”通水至滨海新区。滨海新区逐渐压缩地下水开采量，地面沉降也逐渐减小。到2005年，滨海新区塘沽、汉沽、大港各城区，地下水开采量已经很小，但各城区地面沉降仍达20～30mm/a，地面沉降灾害继续影响着滨海新区的安全。2006年天津市国土资源和房屋管理局与天津地质调查中心达成一致意见，在滨海新区塘沽、汉沽建设超深分层标组，监测城市建设、地下水开采、地热开采等引发的地面沉降，区分其分量，为滨海新区地面沉降控制和地热、地下水开采布局调整提供依据。

天津市地质环境监测总站按照天津市国土资源和房屋管理局任务书要求，2008年9月至2009年5月，在汉沽城区南部建设了一座分层标组，包括7个分层标，最深标为804.56m。其它6个标深度分别为426m、326m、225m、62m、18m、2.6m。其中，326m、225m、62m、18m等4个分层标孔，还兼作水位观测孔。天津地质调查中心按照中国地质调查局《天津滨海新区海岸带环境地质调查评价》工作项目任务书要求，2008年12月至2009年12月，在塘沽城区北部建设了一座分层标组，建标9个，最深标为1218m。另外8个深度分别为890m、594m、417m、310、95m、60m、33m、2m。其中，除33m、2m浅标和最深1218m标外，其它6个分层标也兼作水位观测孔。同时，还建设了5个粘性土孔隙水压力监测孔，深度分别为315m 、215m 、70m 、35m、 13m。

经过总结30年多来天津地面沉降监测分层标、基岩标建设经验，积极探索，这项工作取得了多项开创性成果。

1. 将城市建设、地下水开采、地热开采引发的地面沉降纳入一个分层标组监测，可以明确地区分出各因素对地面沉降的影响分量。如塘沽分层标监测，2013年城市建设（含弱土固结）引发地面沉降为32.46mm，地下水开采引发地面沉降2.73mm，地热开采引发地面沉降6.38mm。

2.塘沽最深的分层标达1218m，是迄今为止世界上监测地面沉降深度最大的分层标组（附件25-附件28），在施工工艺中实现了一系列重大突破。

3.获得了一系列深层土力学试验数据，为深层地下水、地热水开采引发地面沉降机理研究和地面沉降预报提出了许多新认识等。 2100433B

主要介绍前苏联、美国、德国、中国等超深孔钻探的情况：

①前苏联。20世纪60年代初，地质学家Н.А.别利亚耶夫斯基等根据深部地球物理资料提出，为获得整个地壳剖面，至少要在6个地区打超深孔。苏联国家科委为统一协调超深孔钻探规划，组建了“地球地下资源研究与超深孔钻探部门科学委员会”。由Е.А.科兹洛夫斯基任主席。有95个生产和科研单位参加。设计施工超深孔约18口。其中СГ－1井设计深度12000米（在乌拉尔的马格尼托哥尔斯克复背斜）;СГ-2井设计深度15000米（阿塞拜疆的萨阿特雷）；СГ－3井设计深度15000米（科拉半岛）。其他15口为6000米左右的卫星井。СГ-3井到1986年3月已达12300米，居世界领先地位。

在超深孔钻探中意外地发现：在7000～8000米深的岩层中，有矿化水和大量温度达 150℃的二氧化碳、氦、氢和碳氢化合物气体；在岩石中还有20亿年前的生物化石；火成岩比预估的要厚得多；预计在4500米左右遇到太古宙岩层，实际上在6800米才遇到；过去认为地震波传播速度突变处就是康拉德面（即地壳花岗岩与深部玄武岩的交界处），物探探测为7000米，而11000米还未遇到。这使水热矿床和油气形成的传统理论遇到挑战。苏联科学家认为，在4700米以下，用折射波识别地震波折射和多种岩石结构的单道地震速率来划分层位是错误的。

②美国。1961年，美国开始实施莫霍计划 （MoholeProject），在加利福尼亚湾外试钻，此后在墨西哥西海岸外钻到玄武岩，因多种原因而中途终止计划执行。1965年，美国组建了"海洋地球深部取样联合机构”（JOIDES），由苏、英、日、联邦德国等参加商定进行“深海钻探计划”。

1968～1983年正式执行“深海钻探计划”，用“格洛玛·挑战者”号钻探船航遍各大洋，在96个航次中共航行60万公里，在624个工作点上钻了1092个钻孔，取岩心近9.8万米，最大工作水深6247米，水下最大钻进深度1412米，钻入玄武岩最深583米，编成的《深海钻探计划初步报告》至1985年已达40多卷，对地球科学、海洋科学做出了巨大贡献。

1974年，美国在俄克拉何马州钻成了罗杰斯1号超深孔，深9583米。1984年 3月，在美国国家科学基金会领导下，由23所大学参加组建了地壳深部观测与取样组织（ECDOSO）。1985年一些科学家提出33份有关科学钻探的建议，分设“大洋钻探计划”（ODP）及“大陆科学钻探计划”（CSDP），这两个计划是相辅相成的，美国大陆共选定井位29处，1986年在索尔顿海的以研究地热为主第一口深孔于3月完工，井底温度高达365℃。

③德国。1985年，联邦德国成立了“大陆深孔钻探”（KTB）组织，在联邦德国科技部（BMFT）领导下，选定两个深孔孔位，代号分别为ENV和ZTT。ENV先导孔于1987年9月18日开钻，孔深达到4000.1米，于1988年4月完成。主孔设计深度为12000米已于1990年9月正式开钻。

④中国。中国开展深部地质学研究已取得一些成果，并参加了“国际岩石圈计划”。1978年为石油勘探钻成一口深7175米的超深井，1988年起已筹办超深孔地质钻探。2001年中国实施大陆科学钻探工程CCSD—l孔，该钻孔于2001年4月18日在江苏省东海县安峰镇毛北村北侧破土动工。2005年3月该井井深达到5158米，孔径256毫米，终孔。投资额1.5亿元，钻探工程将历时5年。2007年，中国成功实施了全球第一口陆相白垩纪科学钻探井松科一井（SK-1），连续获取岩心2485.89米，取心率达96.46%。 。2014年4月13日，松科二井顺利开钻，到2014年8月8日已钻进2826m。“松科二井”将是全球第一口钻穿白垩纪陆相地层的大陆科学钻探井，其设计井深为6400m，为ICDP迄今为止所资助项目之最深科学钻探井，也是我国第一深的科学钻探井。松辽盆地大陆科学钻探工程的实施，将获取大约4500米的关键岩心。它与2007年10月完成的松科一井，将实现“两井四孔、万米连续取心”， 构成全球首个近乎完整的白垩纪陆相沉积记录，从而获取白垩纪时期亚洲东部高分辨率气候环境变化记录 。

⑤其他国家。法国、意大利、捷克和斯洛伐克、罗马尼亚等分别钻了多口超深孔。日本、澳大利亚等国参加了“深海钻探计划”和“大洋钻探计划”。