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中国工程院院士康玉柱畅谈我国地质力学理论与实践

发表时间 :2016-04-13 09:04:02 来源:

  提要:“十三五”期间,新疆油气资源仍是我国能源勘探开发的重点之一。如今,《新疆“十三五”能源发展规划》及多个相关专项规划已编制完成,地质工作整装待发,诸多地质科学工作者也满怀激情,纷纷为石油地质科学与实践迈上新台阶而支招、发力。长期奋战在西部找油战线上的中国工程院院士、石油地质学家康玉柱等许多专家认为,“十三五”乃至更长时期,曾在我国油气勘探中发挥巨大作用的地质力学,应该在新疆乃至全国油气资源的勘探开发中产生更大的科学效应。
  地质力学为中国找油事业打开全新大门
  中国工程院院士康玉柱是地质力学坚定的支持者和实践者。日前,他从地质力学在新疆石油勘探中的重大实践意义出发,着重谈起了全新历史时期中地质力学的重要作用。
  他说,中国地质学的先驱之一、著名地质学家李四光先生创立了“地质力学”,这也是唯一由中国人自己提出的新学科。李四光高屋建瓴地归纳出“地质构造三重基本新概念”,为地壳构造和地壳运动研究开拓了新途径。上世纪六七十年代以后,地质力学的理论和方法在中国的地质工作和研究中得到较广泛的推广和应用,为发展我国的能源地质事业和地质科学作出了卓越贡献。
  关于地质力学,康玉柱有着40多年的深刻理解。
  1960年7月,康玉柱从长春地质学院毕业。他主动放弃留校机会,毅然选择了祖国最需要的地方,前往原地质部第一普查勘探大队工作。
  1970年初,李四光等原地质部领导从全国石油工业发展的战略需要出发,要提前5~10年为石油工业部门准备好油气开发后备基地,于是指令原地质部石油地质综合研究大队评价塔里木盆地。大队委派康玉柱带领西北分队前往塔里木盆地进行油气前评和选区研究,为原地质部组建石油普查勘探队伍作准备。
  从此,康玉柱开始了对地质力学的实践;塔里木盆地,也成为康玉柱等地质人“石油梦”腾飞的地方。
  1970年3月7日,在湖北荆州原地质部石油地质综合研究大队期间,康玉柱第一次听我国著名地质学家孙殿卿先生讲地质力学理论,从此对地质力学理论的系统性、逻辑性、先进性、科学性、实践性、指导性有了深刻的认识。
  长期以来,中国被认为是一个贫油的国家。而李四光在仔细分析了中国地质条件后,深信在中国辽阔的领域内,油气资源的蕴藏量是相当丰富的。
  康玉柱至今还记得李四光先生的论断,而更令他感兴趣的是,李四光认为,地壳在运动中存在,必然有一种力量在起作用,这种力就是地应力。显然,把力学和地质学密切结合起来,开辟了一条解决地壳构造和地壳运动问题的新途径。
  之后,康玉柱通读了李四光在地质力学的建立与发展过程中的几篇重要著作,如《东亚一些典型构造型式及其对大陆运动的意义》、《中国地质学》、《地质力学的基础与方法》、《旋卷构造及其他有关中国西北部大地构造体系复合问题》、《地质力学概论》。这些在地学界曾经产生了巨大深远影响的著作,也成为康玉柱科学思考中的一座座灯塔。
  当然,对他最具指导意义的还是《地质力学概论》。书中,李四光总结了自己40余年的地质力学理论研究与实践经验,扼要阐述了有关地质构造的若干传统概念、地质力学的方法、地质力学中存在的问题和地壳运动起源问题,把构造体系明确地归结为三大类型,即纬向构造体系、经向构造体系和各种型式的扭动构造体系。这也为康玉柱打开了一扇通向成功的理论之门。
  1970年5月3日,康玉柱在孙殿卿的带领下,来到李四光的办公室,作了《评价塔里木盆地设计方案》的汇报。听完汇报,李四光作了几项重要指示:第一,要搞清盆地有几套生油岩,古生界有无生油岩。第二,库车的油从哪里来的?第三,作好全盆地油气前景评价和分区评价,为组建普查队伍作好准备。
  1970年5月上旬,康玉柱等带着李四光的指示和期望,踏上了奔往塔里木的征途。
  应用地质力学,中国古生界海相油气首获重大突破
  在塔里木盆地,康玉柱等首先运用地质力学理论对塔里木盆地进行了构造体系研究。令人惊喜的是,他们首次发现寒武—奥陶系生油岩石炭—二叠系生油岩;具有多套成油组合,油气资源潜力大。据此,他们认为塔里木盆地是我国大型含油气盆地,其中,塔西南地区和塔东北地区油气前景最好,塔中地区较好。
  根据构造体系控油思路,他们提出了具体勘探部署意见:扩大一块(库车坳陷);突破一块(西南坳陷区);准备一块(东部坳陷区);研究一块(巴楚隆起古生界)。建议石油部门在扩大库车的同时,把重点转到塔西南实现新突破。建议原地质部快上石油普查队伍,早日发现大油田。
  1971年,石油部门开始了塔西南的油气勘探工作。于1977年5月在塔西南坳陷区的叶城坳陷西河堡构造部署的柯1井于第三系中新统打出高产油气流实现新区重大突破,发现了柯克亚油气田。
  1977年8月,根据康玉柱等建议,国家地质总局决定成立塔里木筹备组,康玉柱任负责人。他编写的《塔里木盆地石油地质普查初步设计方案》被国家地质总局领导采纳,开始组建新疆石油普查勘探指挥部(后改为“西北石油局”),并决定将原地质部第一普查勘探大队整建到调入新疆。
  1978年,康玉柱等首先从塔里木盆地西南的喀什—麦盖地区进行初步油气勘探工作,部署了1:20万重力、航磁及二维地震大剖面,并在喀什坳陷地表背斜构造及麦盖提斜坡上倾部位的构造打了2口探井。然而,只在“麦参1井”石炭系见到油气显示。经初步勘探发现,该区目的层埋藏太深,当时钻机能力不可及;地表构造复杂,勘探工作难以进行。因此,亟待优选新的勘探靶区。
  那么,新的勘探靶区应选在哪里?1979年9月,康玉柱提出向塔北沙雅隆起转移的意见。建议提出后,一些人当即表示反对,理由是前人在该区开展油气勘探工作10多年,认为沙雅隆起(斜坡)新生界直接盖在古老变质岩之上、不是有利的含油远景区,为什么我们还要上?
  康玉柱坚持向塔北沙雅隆起转移的理由有4个:一是根据地质力学理论、方法研究认为,沙雅隆起在早古生代时,西起柯坪隆起、东到库鲁克塔格隆起,形成一个东西沉降带,预测沙雅隆起不但有古生界也应该有中生界,是有利的含油气远景区。二是沙雅隆起北邻库车生油坳陷,南接满加尔生油坳陷,成为油气运聚指向地区。三是航磁和重力资料表明沙雅隆起基底埋藏较浅,为4千米~5千米,是寻找古潜山油气藏的有利地区。四是地势和交通条件较好。
  康玉柱提出的向沙雅隆起转移的意见得到了上级的支持。1980年初,西北石油局的勘探重点从塔西南转移到塔北沙雅隆起。同时,为加快勘探速度,在塔里木河南跃进一号重力高上部署了“跃参1井”。1981年,该钻至井深4747米见到了古生界二叠系,并钻到了 700多米厚的三叠—侏罗系,其中有320米生油岩。
  据康玉柱介绍,“跃参1井”的地质成果意义重大,证实了沙雅隆起及其邻区不但有中生界而且也有古生界,中生界发育有较好的生油层,古生界埋藏较浅,打开了认识塔东北地区具良好油气前景的大门,也坚定了他们在沙雅隆起找大油气田的信心和决心。另外,地震大剖面302线证实原雅克拉重力高是一个古生界潜山构造,这更加增强了他们在沙雅寻找古潜山油气田的信念。
  1983年4月,康玉柱主持部署了“沙参2井”。1984年8月中旬,该井打到5363.50米,见到了古潜山风化面,并取得少量白云岩岩芯,但未见油气显示。当时,部分工程人员要求停钻完井。康玉柱果断提出决不能停钻,至少再打100米。他的意见得到西北石油地质局和上级领导的支持,决定加深。1984年9月22日,只加深了28米,到5391.18米就发生强烈井喷,喜获高产油气流,产油1000立方米,天然气200万立方米,实现我国古生代海相油气首次重大突破,成为我国油气勘探史上的重要里程碑,也拉开了中国油气勘探第二大跨越和塔里木盆地找油大会战的序幕。
  西北地区几大盆地找油实践丰富和发展了地质力学理论
  康玉柱率领团队先后转战中国的22个省区、45个盆地,进行石油地质勘查工作,经过46年应用实践,取得了重要进展。除了实现中国古生代海相油气首次重大突破,还发现2个特大油田及20个油气田,特别是在新疆塔里木盆地,他主持勘查、发现了塔北10个油气田和1个世界级塔河大油田,为中国石油工业的发展作出了开拓性的突出贡献。
  新世纪,地质力学在勘探大西北的实践中再创辉煌。
  2001年5月初,康玉柱受聘于中国石化西部新区勘探经理部,并任副经理兼总地质师,后改任指挥部专家组副组长。在工作中,他以地质力学构造体系、控油思路为指导,在新疆又发现了8个油气田,为我国石油工业发展作出了新贡献。
  从2006年开始,康玉柱带领团队对我国西北地区及塔里木、准噶尔、柴达木、鄂尔多斯、四川几个大盆地进行构造体系控油研究,以构造体系控油思路进行油气前景评价和选区,优选的一级有利区经勘探实践发现了多个大中型油气田。
  40多年来,康玉柱在应用实践的基础上,丰富发展了地质力学理论。
  进一步划分了构造体系类型:全国构造体类型;中国东南地区及西北地区构造体系类型;塔里木、准噶尔—吐哈、柴达木、河西走廊、鄂尔多斯、四川、松辽华北等大型盆地构造体系类型。
  首次提出了构造体系5个演化特征,指出了构造体控制盆地形成和演化,建立了5种盆山耦和关系,发展了构造体多级次控制油气,提出了中国四大类型盆地油气分布规律。
  在李四光和孙殿卿先生等老一辈科学家的研究基础上,经过40多年实践—认识—理论总结,康玉柱等编著的《油气地质力学》首次将油气地质学与地质力学融为一体的创新理论,成为一门新的学科。1992年,他首次创立了“中国古生代海相成油理论”。后来,在实践的基础上,他又在实践的基础上不断地丰富了这一理论,建立了“中国前陆盆地成藏理论、叠合盆地成藏理论,非带规油气成藏理论以及全球油气地质特征分布规律”等理论。
  地质力学理论在广泛应用中取得显著的经济和社会效益
  如果说康玉柱院士为传承和发展李四光地质力学的楷模,由李四光创立的中国地质调查局中国地质科学院地质力学研究所,则是继承和发展地质力学理论的大本营。
  长期以来,地质力学所以地质构造体系为主线,致力于服务解决能源资源的油气、页岩气、铀矿、有色贵金属矿产等地质调查研究、服务重大工程和城镇建设的地壳稳定性评价、服务防灾减灾的内动力地质灾害调查研究、服务生态保护的第四纪与环境地质研究、服务破解重大地质问题的基础地质、极地地质调查研究,特别是在我国大规模的能源矿产勘查中,发挥了重要的指导作用——应用于石油、天然气地质、煤田地质、铀矿地质及地热地质勘查上,取得了一系列重要成果,实现了找矿勘探的重大突破,展现出我国能源地质的地质力学理论和应用研究的广阔前景。
  据地质力学研究所所长徐勇介绍,该所在50多年来的油气地质调查与研究工作中,积累了丰富的战略与战术找油经验,发展和完善了地质力学找油理论,先后提出“构造型式控油理论、体系多级分阶段控油理论、构造体系复合控油理论、断裂控油理论、油田构造应力场控油理论及应力驱动油气运移理论”等构造控油理论体系,形成了“含油盆地构造体系研究方法、大比例尺油田多维应力数值模拟技术与三维裂缝描述方法、油气资源综合预测评价方法”等系统的技术方法体系。
  50多年来,地质力学研究所科研人员对我国主要油气田进行过调查研究工作,组织承担国家科技攻关项目,开展了我国西部(塔里木、柴达木)石油地质调查和研究工作,为塔里木油气勘探工作作出了贡献,取得了显著的经济和社会效益;先后三代人对柴达木盆地的地质构造、石油地质、油区构造应力场、油气分布规律等进行了系统研究,取得了重要成果,并被生产部门及时应用于找矿勘探工作;开展了东海地区和辽河盆地的油气地质调查与研究,对构造演化与控油、油田地应力测量、构造应力场控油规律和油气运移的应力驱动等问题进行了详细的研究,为找油和老油田挖潜提供了许多新思路。
  自2000年地质大调查以来,地质力学研究所先后承担并完成石油地质方面的科研项目(课题、专题)50余项,研究地区涉及国内各主要含油气盆地及北极地区,研究领域涉及油气工业“上游”的各个方面,包括战略性油气资源调查评价及油气田的勘探和开采等,实践地质力学理论的脚步走得更远、更扎实。
  新时期呼唤地质力学“二次创业”
  2007年8月19日,时任国务院总理温家宝在新疆视察期间,专程到康玉柱院士家里看望了他。康玉柱向总理汇报了如何继承和发展李四光创立的地质力学理论时,总理频频点头,并说:“应该!应该!很有必要,地质力学很有生命力……你要注意身体……再干13年。”
  随后,根据温总理的指示,康玉柱给时任国土资源部部长徐绍史等领导写了继承发展地质力学理论与方法的建议方案。2007年9月28日,徐绍史部长在《关于发展李四光地质力学理论的建议》上批示:康玉柱同志的建议很重要……2007年10月26日,时任中国地质调查局常务副局长钟自然到地质力学研究所,专程落实温总理和徐部长的指示,召开了座谈会,并作了重要讲话:学习著名地质学家李四光的创新精神,发展地质力学理论,加强基础、创新、拓展、应用,实现二次创业,再创辉煌。
  地质力学所所长徐勇表示,要继承和发扬李四光等老一辈科学家地质力学理论,将在油气地质、矿产地质、预防地质灾害、第四系地质等方面深入实践,创新发展地质力学理论。
  近年来,以李四光先生创建的地质力学理论为指导,在中国地质调查局地质调查项目的支持下,康玉柱带领地质力学研究所的能源地质团队系统开展了中国西北、中东部地区主要构造体系特征及其复合关系研究,获得多项创新成果:探讨主要构造体系控制含油气盆地成生发展的机理,揭示构造体系控制油气分布的规律,重新预测和评价了油气聚集的有利区带,取得了创新性认识和重大发现;系统划分了中国西北、中东部地区发育的主要构造体系,详细论述了各构造体系组成、形态、分布范围、规模、发展演化史及其六大基本特征,进一步总结了构造体系复合、联合的六种关系;首次恢复了古构造体系控制下的古生代盆地原型,探讨了西北、中东部地区主要盆地构造应力场特点,论述了构造体系控盆、控油气源区、控含油气体系、控油气聚集带规律;查证中国西北地区古生界未发生区域变质,并获得柴达木盆地石炭系液体油苗的新发现,估算油气资源量为320亿吨油当量,油气资源潜力巨大,是今后油气勘探的重要领域;建立了八种低序次扭动构造控油气田模式;全面评价了西北、中东部地区主要盆地油气资源前景并划分优选了有利区带;在塔里木盆地、准噶尔盆地、柴达木盆地、鄂尔多斯盆地、四川盆地评价优选的有利区带内,近年来相继获得13个油气勘探重大突破和发现。
  历时7年,在柴达木盆地油气基础地质调查获得重要进展:奥陶系发现碳沥青,下古生界首获非常规油气,初步评价滩间山地区碳沥青资源量为2.25亿吨;石炭系钻遇天然气,上古生界首获天然气;古生界发现多套海相烃源岩,具有良好的生烃潜力;石炭系发现生物礁与古岩溶,可提供充足的油气储集空间;构造、沉积与油气地质条件有效配置,柴达木盆地海相油气资源前景广阔,评价柴达木盆地石炭系油气地质资源量为6亿~7亿吨。
  依据构造体系控油作用理论,进行了西北塔里木、柴达木、准噶尔—吐哈和走廊地区石炭—二叠系油气有利区带分布与预测,并被近年来的油气勘探成果所证实。先后出版专著10余部,发表论文100余篇;获国家科技进步奖二等奖1项,原地矿部科技成果二、三等奖各3项。
  地质力学还应加强基础理论创新研究
  几十年来,地质力学理论在矿产和水文地质、工程地质勘查、地震地质、地热地质以及地区稳定性研究方面,特别是对中国石油、煤田和若干金属矿产的预测以及解决重大工程建设和大型矿山开发中遇到的地质问题,都起了重要作用。但同时也存在不少问题:中新生代研究多,古生代研究少;造山带研究多,盆地内研究少;大区域研究多,区带研究少;构造体系研究多,构造体系控矿研究少;一二级构造体系研究多,三四级构造研究少……
  为此,康玉柱表示,地质力学基础理论发展的主要内容需要从以下几方面着手:
  一是加强地质力学理论研究,从动力学入手,深入研究构造形成机理,特别是破裂机制问题,力求在破裂机理研究上有所突破,为解决构造地震成因机制和地震预报问题奠定基础。二是扩大构造体系的内涵和外延,发展构造体系理论;进一步解决构造体系形成时期、古构造型式的鉴定、不同级别构造体系控矿作用、各类构造型式形成的力学机理问题。三是以古生代为重点详细研究中国中生代区域构造体系成生发展和演化,建立中国古构造体系新格架。四是以大型沉积盆地为重点,研究覆盖区构造体系形成演化,我国盆地基本特点、演化规律和形成机制。五是以中国不同时代造山带为重点,研究典型造山带形成演化规律,探讨我国造山带形成机制。六是深入研究构造体系的控矿作用,力求有重大发现。七是加强活动构造体系和地震预报研究、地质灾害研究、地热地质研究,为国计民生作出新贡献。八是深入开展岩石力学实验、地应力测量和构造应力场模拟工作。九是加强各种技术方法创新。
  康玉柱表示,要继承和发展李四光地质力学理论,实现“二次创业、再建辉煌”,需要“从大区域→盆地,从中新生代→古生代,从陆地→海洋,从一二级构造体系→三四级构造体系,从矿产勘探→矿产开采,从国内→全球”。为保障研究工作取得成效,要“选择几个重点课题,解剖几个典型地区,建立几个科研基地,再统一筹划下开展工作。同时,大力开展国际合作和国际学术交流,加快与国际接轨的步伐,让地质力学走向世界!”

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