0 引言

“上天、入地、下海、登极”，是人类探索大自然奥秘的四大壮举。科学钻探是“入地”的重要途径之一，被称为深入地球内部的“望远镜”^[1]，是解决基础地球科学及资源、环境和灾害等问题的重要方式。大洋和大陆都有国际知名的钻探计划。始于1968年的“深海钻探计划”(DSDP)，因为验证了板块构造理论而闻名于世，随后的“大洋钻探计划”(ODP)和“综合大洋钻探计划”(IODP)，接连取得科学突破，改变了整个地球科学发展的轨迹^[2]。自1996年开始实施的“国际大陆钻探计划”(ICDP)在全球钻探了近100口深浅不一的科学探井，其地学目标俱是地学前沿但又不尽相同^[3]。

20世纪90年代以来，由我国科学家主导实施了多个大洋和大陆钻探计划。在我国南海实施的ODP184航次^[4]、IODP349航次^[5]、IODP367/368航次^[6-7]等大洋钻探航次，分别聚焦东亚季风、海底扩张和大陆裂解等科学目标。在苏鲁造山带^[8]、青海湖^[9]、松辽盆地^[3]等开展了大陆科学钻探，分别聚焦超高压变质带形成和折返机制、高精度东亚古环境演化、白垩纪陆相环境演化，都获得了很多的新认识，取得了很多新突破。

大陆架是联系大陆和大洋之间的纽带，既记录着古老陆块陆核形成、基底固化、盖层形成等古全球构造阶段的历史，又受印支期以来现代板块运动影响发育大陆边缘从而记录了其沉积、构造和环境演化历史^[10-12]。在中国大陆架开展科学钻探，是中国海洋地质科学家们多年来的夙愿。

中国大陆架地处太平洋板块、欧亚板块和印度洋板块的转换交接地带，沉积地层蕴含着青藏高原隆升、大江大河入海^[13-14]、东亚大陆边缘洋陆转换、边缘海盆地基底归属等重要科学信息，是解决系列重大科学问题的天然实验室和宝库。实施大陆架科学钻探，则是打开这一天然宝库的钥匙。

“大陆架科学钻探”计划，聚焦中国大陆架以及东亚大陆边缘的形成演化，以中国大陆架的地层、构造、环境和资源等科学问题作为具体目标，以获取连续的大陆架海底岩心为手段，进行多学科多目标的综合研究。计划由中国地质调查局主持，青岛海洋地质研究所联合国内多家科研和生产单位实施，自2011年正式开展，2013年和2015—2016年在前期工作基础较好、科学目标较明确的南黄海分别钻探了CSDP-1井和CSDP-2井。

CSDP-1井钻探工程实施顺利，利用岩心的综合研究也达到了预设的科学目标。首次在中国陆架区实现钻穿第四纪底界的全取心钻探，勘407号钻探船创造了300.1 m的中国陆架区全取心钻深记录；首次建立了南黄海陆架区第四纪以来地层格架；多指标综合研究首次揭示晚上新世以来南黄海陆架的形成时间在1.66 Ma左右；创建了南黄海沉积物物源示踪体系，首次揭示了南黄海陆架区在0.85 Ma之前主要为长江物质，其后有黄河物质进入^[15]。

南黄海是我国大陆架的重要组成部分，是扬子块体在海区的延伸，北与苏鲁造山带相邻，西以郯庐断裂与华北块体分界，西南与下扬子块体陆区相连，南以江山—绍兴断裂在海区东延断裂与华南块体相邻，东与朝鲜半岛相邻，与朝鲜半岛的构造分界至今尚存争议。在前震旦纪变质岩基底之上，经历震旦纪—早古生代克拉通发育、晚古生代—中三叠世海相台地发育、晚三叠世—早白垩世剥蚀定型发育、晚白垩世—古近纪断陷发育和新近纪—第四纪坳陷发育多个阶段。依据其陆相断陷盆地的沉积展布范围及地层发育特征，自北而南可进一步划分出5个二级构造单元，即千里岩隆起、北部坳陷、中部隆起、南部坳陷及勿南沙隆起^[16-19](图 1，图 2)。

图 1 南黄海构造区块简图 Fig. 1 Sketch structural map of the South Yellow Sea

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T1q.下三叠统青龙组；P3d.上二叠统大隆组；P2-3l.中—上二叠统龙潭组。 图 2 南黄海中部隆起过CSDP-2井地震剖面及构造解释结果(剖面位置见图 1) Fig. 2 Seismic profiles and structural interpretation of CSDP-2 Well in the central uplift of the South Yellow Sea (See Fig. 1 for the location of the profiles)

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自20世纪60年代以来，在南黄海以区域地质调查、环境地质调查和油气普查勘探为目的的地质调查工作一直持续，并且投入了巨大的工作量，重力、磁力基本实现1:50万比例尺测网全覆盖，长排列二维多道地震62 359 km，石油钻井29口。经过半个多世纪的调查和研究，对于重力、磁力等地球物理特征和沉积地层分布、盆地性质、构造演化等都有基本的认识，但也存在诸多问题，其中有些问题也是当今科学前沿和热点。

南黄海中—新生代陆相盆地一直未有有效油气突破，受刘光鼎院士^[20]中国油气资源“二次创业”观点的启示，20世纪末油气勘探逐渐转入中—古生界海相地层。2006年采用长排列+大容量气枪阵列震源的多道地震勘探新技术，首次在中部隆起上获得了T₂界面以下清晰的层状地震反射，证实了区内发育海相沉积地层，不是火成岩^[21]。但是，对发育中—古生界海相地层的时代还是有多种认识：或认为下三叠统青龙组和上二叠统大隆组及龙潭组几乎没有残余^[22-23]，甚至可能缺失石炭系以下地层^[24]；或认为中—古生代海相残余地层发育较齐全^[25-26]。这些不同认识，严重削弱了对南黄海中—古生界海相地层沉积、构造等演化历史的研究。

扬子块体和苏鲁造山带如何在海区东延，既是重大的区域构造问题，也是科学热点之一。南黄海位于下扬子区陆域部分以东，南部坳陷和陆区苏北盆地相连，中部隆起和陆区滨海隆起相连。虽然南黄海是下扬子块体一部分的观点得到广泛的认同，但南黄海是以朝鲜半岛西缘断裂带与朝鲜半岛为界，朝鲜半岛整体属于华北块体，还是南黄海与京畿地块同属扬子块体，临津江带和沃川带作为苏鲁造山带和江绍断裂的东延，一直有多种意见和模式^[27-33]。南黄海是否存在泥盆纪地层？古生代地层古生物能否与下扬子区和朝鲜半岛对比？如果能获取中—古生界海相地层的实物样品，无疑会在古地理、古气候、古环境，以及构造演化方面为该问题的解决提供重要线索。

针对南黄海中—古生代沉积环境变迁和各地质时代沉积相的研究，以往都通过地震剖面，结合少量钻井，以及与下扬子区对比来进行。虽然获得了框架性的认识^[34-36]，但其与下扬子陆区的沉积相带相对位置、物质来源等，在只有7口井钻遇中古生界、钻遇最古老地层为石炭纪高骊山组的情况下，不甚清晰。我们需要利用连续取心的科学钻井，进行环境恢复和古地理重建。并且，发生在奥陶纪末、泥盆纪晚期F/F(法门阶和弗拉阶)、二叠纪末的3次生物大灭绝事件，伴随剧烈的大气CO₂、温度(包括冰室效应和温室效应)、海洋酸化、海平面变化和海水缺氧等全球性的气候、环境剧变^[37-38]，相应的环境记录都有可能在南黄海科学钻探井的连续沉积岩心中找到，这些事件的成因是当今国际环境研究的前沿和热点。

南黄海中部隆起被认为是重要的油气远景区^[39]，中、上扬子区海相油气勘探目前已发现了威远、普光、龙岗等多个大型气田^[40-43]及五峰组、龙马溪组等多处工业油气流^[44]。然而勘探面积达10.15×10⁴ km²的南黄海盆地仅有7口井钻遇中—古生界，其中钻遇最古老地层的CZ12-1-1井揭露至石炭系高骊山组，且缺失地层较多；而最具勘探前景的中部隆起区尚无钻井，其烃源岩、储层和盖层特征的研究仍局限在定性认识和借鉴陆区苏北盆地甚至上扬子区，据此总结出的成藏理论和模式，其可靠性大打折扣。在南黄海中部隆起钻取中—古生界海相地层中的烃源岩、储层和盖层样品，获得一手资料，是最佳选择。

南黄海的地震勘探还存在许多难点：一是由于印支期至早燕山期的构造运动，南黄海普遍存在一个印支不整合面，其下为海相地层，其上为陆相沉积地层，地震波速度由其上的2 000 m/s左右直接增加至其下的5 000 m/s以上，造成地震波强折射和能量衰减，界面以下有效反射变弱，至深部甚至很难获得有效反射信号^[28]；二是由于没有钻至下古生界的钻井，岩石物性参数都借鉴南部坳陷或陆区，无法建立可靠的岩性和物性关系模型，也无法建立精确的时深转换标尺；三是逆冲推覆造成的构造样式存在多种解释，也给处理参数选取和模式解释提高了难度。如果在中部隆起实施科学钻探并进行VSP(vertical seismic profiling)测井，建立波速随物性和深度变化的标尺，将极大地促进地震处理和解释工作^{[39, 45]}。

钻探后的井孔可实施井中观测(地震、应力、温度)。虽然陆区地震观测台站密集，但是东部海区基本为空白，韩国共享的地震台站也只有3个，在井中进行地震观测不仅可将信噪比提高1~2个数量级，而且可构建井区周围的构造显微镜，精细研究其带来的构造信息。另外，利用地震数据，结合2条南黄海的OBS(ocean bottom seismograph)测线^[46-47]，可进行进一步的深部结构研究。

在海洋实施钻探，钻探平台无疑是最重要的载体，其必须具备抗击五十年一遇台风的能力，也必须能承载钻机等工程设备开展作业，以及作业人员的日常工作和生活。石油钻探平台，无论安全性还是作业能力都是上上之选，但其动辄数十万元日费的高昂成本，不是全取心科学钻探这种耗时耗力的科学工程的首选，需研发适应工区水深的轻型钻探平台来实施该项目^[48]。以往钻获未固结海洋沉积物和钻获固结岩石，有不同的钻井工艺，也是由不同的队伍来完成; 在南黄海中部隆起实施科学钻探，需两者兼顾取得高取心率，就需要针对可能钻遇地层进行钻具和钻井液配方等的创新和改进^[49]，以保障科学钻探工程的顺利实施。

大陆架科学钻探CSDP-2井的科学目标是多学科方向的，简明扼要的归纳为：地层、构造、资源、环境、地球物理与观测、钻探技术。

具体来讲就是：在南黄海中部隆起实施大陆架科学钻探CSDP-2井，全取心钻进2 800 m，获取中—古生界的连续海相地层岩心，进行常规测井、井温测井、井径测井和VSP测井等，进行岩屑、荧光和气测等录井。通过自主研发浅水区海洋钻探平台降低钻探成本；通过创新或改进钻探技术获取尽量高取心率的连续岩心样品。在对古生物地层系统厘定的基础上，结合其他必要的测年技术，系统确定岩心的地层时代。利用古温标、测井资料，结合岩性对比等，综合识别钻遇地层存在的不整合面、断层等构造记录，恢复热演化和构造演化历史。根据地层岩性组合、沉积间断，结合测井、物性、岩石物质组成等资料，系统分析沉积环境变迁，并对关键的环境或气候事件进行识别和高分辨率研究。充分利用连续岩心，系统评价烃源岩、储层和盖层特征，为油气勘探提供基础数据。系统测定孔隙度、渗透率、电阻率、磁化率、热导率等物性参数，建立南黄海地区标准的岩性-物性模型以及深度-速度模型，为地震资料采集、处理和解释提供基本参数。建立地震台站，实施井中观测，获取地震波、应变和井温随时间的基础数据，结合南黄海深部地震探测等基础资料，构建工区的构造放大镜，提高东部海区的减震防灾能力。利用地层、沉积、构造、地球物理、油气特征等资料，综合研究贯穿南黄海中—古生代的古地理格局、构造演化格架，并探索其地球动力学机制。

自主研发了“探海一号”浅水轻型的钻探平台^[50-51]，用于实施CSDP-2井的钻探工程。自2015年3月29日开钻，至2016年9月13日完成钻井和测井、录井作业，历时534 d，经受了数个14级台风考验，全井进尺2 843.18 m，取岩心2 744.71 m，全井取心率97.7%。前新近系钻进629.10 m，实际总进尺(自海底)595.80 m，获取岩心546.61 m，取心率91.7%；中、古生代地层总进尺2 214.08 m(629.10~2 843.18 m)，获取岩心长度2 198.10 m，取心率99.3%。先后钻遇第四系—新近系，下三叠统青龙组，二叠系大隆组、龙潭组、孤峰组和栖霞组，石炭系船山组、黄龙组和高骊山组，泥盆系五通组，志留系坟头组和高家边组^[52-54](图 3)。对全井进行了自然电位、自然伽马、电阻率、补偿中子、补偿密度、声波时差等常规测井和井径测井，在2 000和2 800 m深度分别进行了3次和2次测井，在2 720 m以上井段实施了VSP测井。对全井进行了钻进参数、岩屑、钻井液等常规录井，对629.10 m以下的岩石层进行了针对油气的气测录井和荧光录井。

GR.自然伽马；CNL.补偿中子；AC.声波时差；DEN.密度；RLLD.深侧向电阻率；RLLS.浅侧向电阻率。英尺(ft)为非法定计量单位，1 ft=0.304 8 m, 下同。 图 3 大陆架科学钻探CSDP-2井综合柱状图 Fig. 3 Comprehensive histogram of CSDP-2 Well, Continental Shelf Drilling Program

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在钻探过程中，发现油气显示共62处，其中富含油10处、油浸37处、气测高幅异常段5处，首次在南黄海中—古生界海相地层中发现油气显示。油气显示有多段：在大隆组和龙潭组，整个井段断断续续气测录井和荧光录井均显示异常；五通组部分井段显示荧光异常；而志留纪地层断断续续显示气测异常，其中以大隆组油气显示级别最高^[55-56]。例如：在866.00 m处大隆组的泥质灰岩裂隙中，发现油迹，对应的气测录井显示，全烃体积浓度最大超过0.30%，荧光分析显示为“油迹-油浸”，油气显示长度超过10.00 m；在885.00 m处大隆组的灰质粉砂岩，在放置数小时后，沿方解石脉有原油渗出，对应的气测录井，全烃体积浓度最大达到0.37%，荧光分析显示也为“油迹-油浸”，油气显示长度大约4.00 m^[57]。

在岩心用于地层和资源环境等具体的科学目标研究之前，我们对其进行了基础数据的测定并建立数据库。对中—古生代海相地层的岩心，建立了厘米级的岩性剖面，并对岩心进行扫描，建立数据岩心图像数据库。除了测井数据之外，对多个地球物理性质参数进行系统测定，并建立了剖面，包括地震波速度(v_P，v_S)、孔隙度、渗透率、密度、磁化率、热导率等。测定并建立了系统的地球化学剖面，包括O、Si、Al、Fe、Ca、Na、K、Mg、Ti和P共9种主量元素，38种微量元素。

在获取岩心后，针对大陆架科学钻探CSDP-2井设定的科学目标，开展了系统细致的研究，并初步获得了几点重要认识。

1) 南黄海中部隆起的地层与下扬子地层大同小异，处于扬子地层大区之上。CSDP-2井的地层印支面之下钻遇三叠纪青龙组，底部为晚奥陶世—早志留世高家边组，除加里东面之外，无明显地层缺失和倒置。在CSDP-2井中发现了大量化石，可与下扬子区地层对比，包括三叠纪蛇菊石Ophiceratidae和二叠纪菊石Roadoceras cf. sinens^[58]，三叠纪牙形刺Clarkina planata和Hindeodus parvus生物带、二叠纪牙形刺Clarkina changxingensis-C. deflecta-C.yini和Clrkina wangi-C. subcarinata生物带，以及泥盆纪的植物化石Archaeopteris cf. halliana等^[59]。晚泥盆世晚期的古羊齿和亚鳞木等植物大化石和大量标志性孢子，更是证实了扬子块体的东北界限可东延至朝鲜半岛中部^[59]。

2) 南黄海中部隆起受印支—早燕山运动影响非常大，整体表现为多期次逆冲推覆构造，最大的地层倾角出现在龙潭组内部，大于80°；滑脱面不是在某一特定地层内部，而是多个软弱层都发生，在CSDP-2井中最大的滑脱层是孤峰组顶部/龙潭组底部，因为此处为泥岩夹煤线的软弱层。印支—早燕山运动造成的青龙组顶部的剥蚀量高达1 200~1 400 m^[59]。受加里东运动影响，中部隆起以垂向的抬升为主，表现为中上志留统和下中泥盆统的缺失，但在早二叠世栖霞组之下地层未发生大规模的逆冲推覆构造。

3) 针对CSDP-2井的烃源岩和储层进行了系统研究和评价。通过烃源岩地化指标的系统测定和分析，得出二叠系大隆组、龙潭组、孤峰组—栖霞组和志留系高家边组底部4套地层为主力烃源岩层，其生烃能力与下扬子区相当，并且栖霞组源岩品质高于陆区的结论^[54-55]。对储层的研究表明，南黄海中部隆起的储层并不理想，CSDP-2井海相地层的孔隙度都在2%以内，只能在寻找超低孔、超低渗致密储层方面寻求突破。

4) 通过声波测井资料合成地震记录处理和VSP测井标定，建立了地震反射波组与地层岩性界面的对应关系，得到T₁₀反射界面对应二叠系栖霞组底界，而不是传统认识的龙潭组底界的新认识。通过VSP走廊叠加剖面与多道地震剖面的对比标定，识别出海相残留盆地基底的地震反射特征，为地震资料解释与层位标定乃至后期的反演处理提供了重要依据^[60-62]。

1) 大陆架科学钻探计划是介于大洋钻探计划和大陆钻探计划之间的科学计划，是探索中国大陆架地区陆架形成演化及其资源环境效应的多学科多目标综合计划。CSDP-2井是这一计划在南黄海实施的第二口科学钻探井。

2) 大陆架科学钻探CSDP-2井设定了多学科的科学目标，既关注中—古生界海相地层的沉积和构造演化，也关注其资源环境效应，并对实现科学目标的地球物理与观测、钻探技术等进行研究和开发。

3) 通过对大陆架CSDP-2井的钻探，获得了一些初步的重要认识，包括：南黄海中部隆起的地层与下扬子地层大同小异，处于扬子地层大区之上；南黄海受加里东运动和印支—早燕山运动影响，前者主要为垂向运动，后者主要为逆冲推覆构造活动，而且对南黄海改造非常大；钻探的岩心中有4套地层为主力烃源岩层，储层条件不理想；得到了更加清晰的地震反射波组与地层岩性界面的对应关系，与之前认识相比有所进步。