地球深部探測 減輕地質(zhì)災(zāi)害

■孫雨婷

2011年7月27日，江蘇東海縣“亞洲第一大井”中國大陸科學(xué)鉆探工程長期觀測站。

“深部探測技術(shù)與實驗研究專項（2008-2012）”是我國“地殼探測工程”的培育性研究計劃。目的在于揭示中國大陸巖石圈結(jié)構(gòu)、活動過程與動力學(xué)機(jī)制，把握地殼活動脈搏，開辟深層找礦新空間，為國家安全了解深部物性參數(shù)，為實現(xiàn)能源與重要礦產(chǎn)資源重大突破、提升地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警能力提供全新科學(xué)背景和基礎(chǔ)信息，全面提升我國地球科學(xué)發(fā)展。

計劃背景

迄今，人類通過打鉆直接了解的地下深度僅有12公里，相比6378公里地球赤道半徑，科學(xué)家對地球深部的認(rèn)識仍“很膚淺”。隨著中國工業(yè)化、城鎮(zhèn)化速度加快對資源需求急速增長，地表或淺層礦產(chǎn)發(fā)現(xiàn)的機(jī)會越來越小，資源勘查走向深部成為必然。

歐美等國均早已開展了“入地”計劃。上世紀(jì)80年代，美國、歐洲、加拿大先后發(fā)起了地殼探測計劃（COCORP）、歐洲探測計劃（EUROPROBE）和巖石圈探測計劃 （LITHOPROBE）。美國從1970年開始實施，現(xiàn)已進(jìn)入第二輪地殼探測。通過第一輪探測，美國制作出了美洲大陸6萬公里地殼的反射地震剖面。而中國現(xiàn)在通過該方法完成的剖面只有4500公里，是美國的1/15，英國的1/8，俄羅斯的1/5。

當(dāng)今地球科學(xué)的發(fā)展對地球深部數(shù)據(jù)的依賴程度越來越高，深部探測水平的落后是中國地學(xué)研究水平、資源探測技術(shù)、災(zāi)害預(yù)報能力落后的重要原因。

開展地殼探測工程的目的在于揭示中國大陸巖石圈結(jié)構(gòu)、活動過程與動力學(xué)機(jī)制，把握地殼活動脈搏，開辟深層找礦新空間，為國家安全了解深部物性參數(shù)，為實現(xiàn)能源與重要礦產(chǎn)資源重大突破、提升地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警能力提供全新科學(xué)背景和基礎(chǔ)信息，全面提升地球科學(xué)發(fā)展。

在2009年4月22日第四十個“世界地球日”當(dāng)天，由國土資源部組織實施的《地球深部探測技術(shù)與實驗研究專項》正式啟動，標(biāo)志著我國地球深部探測的“入地”計劃拉開序幕。

中國地形上的三個臺階是如何形成的，礦產(chǎn)資源的分布規(guī)律如何，地震災(zāi)害頻發(fā)的原因何在等問題，集中了國內(nèi)118個機(jī)構(gòu)、1000多位科學(xué)家和技術(shù)專家的中國地學(xué)界“集結(jié)號”開始從大陸的深部尋找答案。

總體目標(biāo)

“地殼探測工程”是我國科學(xué)家歷時6年構(gòu)思、策劃的重大科學(xué)計劃，而“深部探測技術(shù)與實驗研究專項（2008-2012）”是“地殼探測工程”的培育性研究計劃。

深部探測專項的核心任務(wù)和總體目標(biāo)是：圍繞《地殼探測工程》的全面實施，解決關(guān)鍵探測技術(shù)難點(diǎn)與核心技術(shù)集成，形成對固體地球深部層圈立體探測的技術(shù)體系；在不同自然景觀、復(fù)雜礦集區(qū)、含油氣盆地深層、重大地質(zhì)災(zāi)害區(qū)等關(guān)鍵地帶進(jìn)行試驗、示范，形成若干深部探測實驗基地；解決急迫的重大地質(zhì)科學(xué)難題熱點(diǎn)，部署實驗任務(wù)；實現(xiàn)深部數(shù)據(jù)融合與共享，建立深部數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)；積聚、培養(yǎng)優(yōu)秀人才，形成若干技術(shù)體系的研究團(tuán)隊；完善《地殼探測工程》設(shè)計方案，推動國家立項。

中國在深部探測方面與國外的差距明顯，為加快進(jìn)度，專項經(jīng)費(fèi)中拿出30%用于核心技術(shù)裝備的研發(fā)，以期打破國外長期對高端設(shè)備的壟斷格局，促使中國深部探測儀器裝備通過自主研發(fā)部分占據(jù)國際領(lǐng)先地位，也為后續(xù)地殼探測工程的全面實施提供支撐。

作為先導(dǎo)計劃，專項將于2012年結(jié)束。2011年下半年，專項進(jìn)入為兩年后的地殼探測工程立項申報和全面實施作前期準(zhǔn)備階段。

研究內(nèi)容

深部探測專項設(shè)立了大區(qū)域地下物理性質(zhì)、化學(xué)組成的背景探測、深部探測技術(shù)實驗與集成、深部礦產(chǎn)資源立體探測及試驗研究、地殼全元素探測技術(shù)與試驗示范、大陸科學(xué)鉆探選址與鉆探試驗、地應(yīng)力測量與監(jiān)測技術(shù)實驗研究、巖石圈三維結(jié)構(gòu)與動力學(xué)數(shù)值模擬、深部探測綜合集成與數(shù)據(jù)管理8個子項目。

大區(qū)域地下物理性質(zhì)、化學(xué)組成的背景探測。（1）大陸電磁參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)實驗研究：擬建立我國大陸電磁場標(biāo)準(zhǔn)觀測網(wǎng)，創(chuàng)立大陸巖石圈地球物理參數(shù)三維結(jié)構(gòu)基準(zhǔn)模型的構(gòu)建方法、技術(shù)流程和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。（2）地殼全元素探測技術(shù)與實驗示范：建立我國79種自然元素分布的地球化學(xué)基準(zhǔn)網(wǎng)和穿透性地球化學(xué)技術(shù)體系，解決我國環(huán)境地球化學(xué)本底和區(qū)域背景值，探討深部找礦的元素深穿透機(jī)理。

深部探測技術(shù)實驗與集成。以建立深地震反射技術(shù)為先導(dǎo)，采用主動震源和被動震源探測技術(shù)體系，聯(lián)合采集不同結(jié)構(gòu)地殼和巖石圈深部界面和速度，整合適應(yīng)不同大地構(gòu)造背景的深部探測技術(shù)組合。

深部礦產(chǎn)資源立體探測技術(shù)及實驗研究。重點(diǎn)解決重要礦集區(qū)深部立體探測關(guān)鍵技術(shù)，建立礦集區(qū)3D地質(zhì)-地球物理模型，揭示深部控礦因素，追蹤控礦構(gòu)造的深部延伸，闡明成礦機(jī)理，最終突破深層找礦的理論和技術(shù)瓶頸。

大陸科學(xué)鉆探選址與鉆探實驗。通過科學(xué)鉆探選址與預(yù)導(dǎo)孔技術(shù)實驗，驗證地球物理探測結(jié)構(gòu)，建立深部探測解釋標(biāo)識；在關(guān)鍵地質(zhì)部位和礦區(qū)實施深部直接取樣，解決深部地質(zhì)結(jié)構(gòu)、組成和資源潛力等問題。

地應(yīng)力測量與監(jiān)測技術(shù)實驗研究。發(fā)展具有自主知識產(chǎn)權(quán)的地應(yīng)力測量及監(jiān)測技術(shù)和設(shè)備，以支持我國地表應(yīng)力變化的實時監(jiān)測系統(tǒng)的建立；對中國大陸范圍內(nèi)的關(guān)鍵構(gòu)造地域?qū)嵤┫到y(tǒng)的地應(yīng)力測量與實時監(jiān)測，查明地應(yīng)力的賦存狀態(tài)及其變化規(guī)律。

巖石圈三維結(jié)構(gòu)與動力學(xué)數(shù)值模擬。建立覆蓋我國重點(diǎn)區(qū)域的巖石物性參數(shù)數(shù)據(jù)庫；建立我國和重點(diǎn)地區(qū)的數(shù)百萬單元網(wǎng)格計算模型，開展數(shù)值模擬，對我國大陸和鄰區(qū)巖石圈動力學(xué)過程的時空特征與控制機(jī)理進(jìn)行大規(guī)模模擬。

深部探測綜合集成與數(shù)據(jù)管理。綜合集成不同層次地殼物質(zhì)與結(jié)構(gòu)探測的多源信息和數(shù)據(jù)，從時間深度上辨別地質(zhì)歷史的烙印，恢復(fù)地質(zhì)作用的歷史過程；建立主體數(shù)據(jù)庫，解決深部探測海量數(shù)據(jù)的管理與共享問題；開展地殼探測系統(tǒng)工程研究，推動“地殼探測工程”的國家立項。

探測過程

地下深處人們看不見、摸不著，研究起來難度很大。目前最直接的手段是往深部鉆探，但世界上最深的一口鉆井僅僅打入地下12千米的深處，相對于地球6400千米的半徑，顯得微不足道。地球的造山運(yùn)動也會把深部物質(zhì)帶到地表上，但這類證據(jù)畢竟非常稀少。隨著技術(shù)的發(fā)展，人們已經(jīng)可以利用地震、重力、電磁等現(xiàn)代地球物理的探測方法，了解地球深部的物理性質(zhì)。

地球的基本物理性質(zhì)包括磁性、導(dǎo)電性、密度、熱導(dǎo)率等，探測天然大地電磁可以獲知地下深部的電導(dǎo)率和磁性參數(shù)，人工地震技術(shù)探測巖石彈性波參數(shù)，高精度近垂直深反射地震技術(shù)可獲取深部結(jié)構(gòu)信息，深穿透地殼全元素探測技術(shù)則可進(jìn)一步識別深部物質(zhì)的成分，地應(yīng)力測量技術(shù)則有助于了解現(xiàn)今地殼活動性規(guī)律。

應(yīng)用前景

地殼探測是一個系統(tǒng)工程，是對地球復(fù)雜系統(tǒng)的科學(xué)探測。深部探測專項的實施，標(biāo)志著我國地球科學(xué)已經(jīng)進(jìn)入到深部探測時代。

盡管深部探測專項最主要的科學(xué)目標(biāo)是如何獲取并加深我們對大陸的結(jié)構(gòu)、動力學(xué)和演化的理解，但是通過專項采集的數(shù)據(jù)和集成的研究成果將帶來眾多實際應(yīng)用和社會效益。

減輕地質(zhì)災(zāi)害：西南三江地區(qū)和華北平原是地震、火山和滑坡災(zāi)害的多發(fā)地區(qū)。深部探測專項的工作將直接為減輕和評估災(zāi)害提供有力數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)將提高我們對火山噴發(fā)的動力作用和對地震產(chǎn)生原因的分析與認(rèn)識，從而提高我們預(yù)測地震減小地質(zhì)災(zāi)害鏈危害的能力。

資源開發(fā)與管理：深部探測專項的數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)覆蓋全國，為在不同地區(qū)、不同機(jī)構(gòu)工作的深部探測科學(xué)家們帶來了寶貴的合作與交流機(jī)會，是全國地質(zhì)、地球物理、環(huán)境、教育、公共政策和資源評價等多部門多領(lǐng)域合作的一個極好機(jī)會。高精度深地震反射技術(shù)將給出大陸地殼和沉積盆地的精細(xì)構(gòu)造，礦集區(qū)立體填圖將給出相對“透明”的礦集區(qū)圖像，為地質(zhì)勘查、地下水資源評價、礦產(chǎn)資源、能源等更廣泛的綜合研究領(lǐng)域提供難得的、寶貴的研究資源。

科普、教育和社會化推廣：隨著社會對地震、火山、資源和環(huán)境問題的關(guān)注，正在起步的、以科學(xué)探測為基礎(chǔ)的深部探測專項計劃，是全面加強(qiáng)地學(xué)教育的天然工具。深部探測專項鼓勵和推動學(xué)生參與地質(zhì)調(diào)查、使用真實的探測數(shù)據(jù)進(jìn)行科學(xué)研究和理論學(xué)習(xí)。此外，由于深部探測專項將在我國不同地區(qū)建立起科學(xué)探測的設(shè)施，科普教育與推廣活動將延伸至社區(qū)。通過讓公眾參與地學(xué)研究，深部探測專項將大大推進(jìn)他們對地學(xué)在提高人類生活環(huán)境和生活質(zhì)量方面所發(fā)揮的作用的認(rèn)識。