深部資源探測核心技術研發(fā)與應用*

底青云 楊長春 朱日祥

（中國科學院地質與地球物理研究所 北京 100029）

1 引言

礦產資源作為人類社會賴以生存和發(fā)展的重要物質基礎，已成為制約我國經濟發(fā)展與國家安全保障的核心要素之一。隨著發(fā)展中人口大國工業(yè)化進程的加速，一些傳統的資源輸出國將轉為資源進口國，全球資源競爭將愈演愈烈，嚴重依賴進口將危及國家安全和經濟可持續(xù)發(fā)展。綜合考慮中國經濟運行與發(fā)展勢態(tài)以及發(fā)達國家所走過的工業(yè)化歷程，未來15—20年我國礦產資源消耗強度將會持續(xù)增加，這就要求我們尋求科學的應對措施。資源探測技術研發(fā)是解決這一問題最為重要的戰(zhàn)略部署之一，從新中國建立之初的向科學進軍到改革開放后的“863”計劃以及一系列科技攻關項目和國家專項的實施，極大地推動了資源探測技術的進步，支撐我國發(fā)現了許多新礦種，增大了已有礦種的儲量，使我國發(fā)現礦產171種,其中探明儲量的有159種。我國已探明的淺層礦儲量約占世界總量的12%，僅次于美國和俄羅斯,居世界第3位[1]。

已經探明的資源和儲量一直是我國經濟建設的重要保障。然而，隨著國民經濟的飛速發(fā)展，許多淺層礦已被開采殆盡，成為危機礦山。石油、鐵砂等資源對國際市場的依賴越來越強，對外依存度已高達50%—80%，超過了國家經濟安全警戒線（40%）。盡管如此，我國的潛在資源是巨大的，發(fā)現深部礦和未知礦的潛力很大。主要依據是：（1）全球3大主要成礦域（環(huán)太平洋成礦域、古亞洲成礦域、特提斯成礦域）在我國都有分布（圖1），且中國大陸疊加了多期次大規(guī)模成礦作用，說明我國有很好的成礦地質條件；（2）我國已發(fā)現礦床（點）20多萬處，但經過勘探評價的礦床只有2萬多個，因裝備和技術的原因，絕大多數礦床（點）尚未探明，眾多物化探異常還有待采用新裝備和新技術進一步查證[2]；（3）我國西部地區(qū)地質礦產工作程度低，不僅其深部礦產資源前景尚未摸清，其地表或近地表還有巨大找礦潛力尚待挖掘；（4）我國東部地區(qū)植被和紅土覆蓋區(qū)廣泛分布,還存在很多找礦盲區(qū)；（5）世界上一些礦業(yè)大國礦床勘探開采深度已達2500—4000m，而我國已有礦床的開采深度大都小于500m。采用新裝備新技術勘探開發(fā)深部（500—3000m）第二找礦空間已被國家列為資源探測新的戰(zhàn)略目標[2-10]。

圖1 全球三大主要成礦域在我國的分布示意圖

2 國內外資源勘查發(fā)展趨勢

實際上危機礦山不僅中國有，國外同樣有，淺層礦告罄是國際大趨勢，因此，深部礦的探測計劃被相繼提出。

板塊構造理論的建立被認為是地學的一次革命，這一理論改變了人類對成礦規(guī)律的認識和找礦方向。認識巖石圈演化的動力學過程被譽為創(chuàng)建地球科學新理論的突破口，利用各種地球物理場給地球內部作CT的嘗試可以說是地球科學的另一個重大變革。這一技術已被廣泛應用到資源能源的勘探與開發(fā)領域，這對人類認識地球資源稟賦具有劃時代意義。

上世紀末，發(fā)達國家相繼啟動了一系列研究計劃，比如澳大利亞的“玻璃地球計劃”（圖2[11]），其目標是使地下3000米變得“透明”，力圖建立新的成礦理論，并發(fā)現更多的礦產資源。

我國為透明化地球內部結構和認識大陸形成演化，從上世紀末相繼實施了大陸地學大斷面、大陸科學深鉆、華北克拉通破壞、SinoProbe、極低頻探地工程等研究計劃和國家重大專項，大大加深了我們對中國大陸深部結構的認識。但我國在地殼與深部探測方面，與歐美等發(fā)達國家相比仍有較大差距，特別是探測裝備嚴重依賴國外，遠遠不能滿足社會經濟發(fā)展和國土安全的需要。因此，亟待建立有自主知識產權的地殼深部探測裝備、技術方法和理論體系，為解決國家資源能源環(huán)境等重大問題提供科技支撐。

長期以來，我國大型地球物理探測裝備和核心軟件幾乎全部依賴進口。大型探測裝備的研發(fā)和生產處于國外少數公司掌控之中，形成市場壟斷，價格昂貴，并開始對我國實施高端產品技術封鎖。地球物理探測裝備與技術落后的現狀嚴重制約著我國礦產資源勘探的發(fā)展，也直接制約著我國參與國際資源競爭的能力。因而，迫切需要核心技術突破和自主研發(fā)深部資源探測裝備。鑒于此，中科院統一部署，集中院內和國內相關領域的優(yōu)勢隊伍，建設深部資源探測技術研發(fā)與應用示范基地，通過持續(xù)攻關研究，實現地球物理探測重大裝備技術的自主研制和產業(yè)化，推動我國礦產資源“攻深探盲”取得重大突破，為我國“地下3000米地球透明計劃”的實施提供探測核心技術支撐。

圖2 澳大利亞“玻璃地球”計劃的主要技術方法

3 支撐礦業(yè)發(fā)展的深部探測核心技術

放眼全球，包括中國在內“金磚四國”的復興和高速經濟增長，再加上傳統工業(yè)化國家既有的發(fā)展需要，全球未來50年對礦產資源的需求將是空前的，因而國際間礦產資源的爭奪與再分配將是必然趨勢。在此全球礦產資源需求背景下，中國必須依據國情和本土固有的礦產資源稟賦，制定較長時間尺度、可持續(xù)的礦產資源國家戰(zhàn)略，進而構筑可預見的國家礦產資源供應體系。我們認為，立足本土礦產勘查與資源發(fā)現，采用長遠、柔性和互惠互利的方式，構建一個國際化礦業(yè)產業(yè)鏈的風險對沖體系，應為我國礦產資源戰(zhàn)略的核心。

一個國家的自然資源稟賦條件，既是客觀存在，也會隨著社會經濟發(fā)展和需求的變化而變化。對于一個大國而言，中國的礦產資源稟賦盡管不算世界上最好的,但在資源總量、品種齊全度和資源潛力方面均占據重要地位。目前，我國一些大宗礦產資源對外依存度高于國家經濟的安全警戒線，這一現狀引起我國政府的高度關注。實際上，我國有很好的成礦地質條件，立足國內，找礦增儲潛力巨大；問題是茫茫大地,礦在哪里（圖3）？我們認為，出路就在研發(fā)適應中國地質條件的“攻深探盲”地球物理探測裝備。用這些裝備從空間、地面、海洋開展綜合的立體探測，給我們的地球作CT透視檢查。因為重、磁、電、震等地球物理場從不同側面反映了地下地質結構和目標地質體的物理性質，不同成礦構造、不同礦體會引起這些地球物理場各種顯著或微弱變化，只有通過多種裝備儀器，采集不同地球物理場信息并加以綜合分析，才能實現地下礦體分布的準確識別與描述。

圖3 茫茫大地,礦在哪里？

依據礦產資源“攻深探盲”工作勘探流程中靶區(qū)優(yōu)選、靶區(qū)勘探、礦體精細勘查3個層面的技術需求（圖4），我們認為，航空超導全張量磁梯度測量系統、航空瞬變電磁勘探系統、多通道瞬變電磁勘探系統、金屬礦地震勘探系統、深部礦床測井系統、海底地球物理探測系統等是國內礦產資源勘探行業(yè)急需的裝備。同時，從構建國家資源安全保障體系出發(fā)，重力測量系統和衛(wèi)星磁測載荷系統的研發(fā)也需要前瞻布局。這幾大系統面向的核心技術問題主要為：（1）高靈敏度傳感器，包括結構設計、制備工藝、微弱信號讀出電路、ASIC芯片；（2）數據傳輸與系統集成，包括低功耗高效傳輸、數據無損高效壓縮、同步時鐘、快速數據存儲；（3）搭載平臺，包括飛機姿態(tài)測量、飛機姿態(tài)控制、飛行干擾消除、飛行效應補償；（4）地球物理觀測數據成像技術，包括礦體地球物理響應特征建模、礦體三維成像技術、軟件集成。

圖4 “攻深探盲”勘探流程示意圖

4 示范工程

圖5 地球物理探測揭示的目前開采的淺部礦體與深部隱伏礦體示意圖

礦產資源匱乏已經成為限制我國經濟發(fā)展的瓶頸，那么我國的礦產資源能否自給？要回答這個問題，必須首先解決礦產資源勘探的瓶頸問題。現已查明，我國重要資源探明程度僅為12.5%—35%，遠低于礦業(yè)發(fā)達國家60.5%—73%的平均值，表明我國資源找礦潛力巨大，而待探明礦產資源主體應該在深部。只要加強基礎地質研究和提高勘查裝備技術水平，在我國再發(fā)現一大批新礦床、再增加一大批新儲量是完全可能的（圖5）。為此，在加強裝備研發(fā)的同時，還必須注重基礎地質和成礦規(guī)律研究。深部探測裝備要求在復雜自然條件下具備穩(wěn)定性、可靠性和一致性，這就要求新研發(fā)的裝備必須在野外現場反復應用示范，才能達到上述“三性”而實現產業(yè)化，破解我國長期以來裝備“研而不發(fā)”的尷尬局面。因此，我們提出以新研制的地球物理探測裝備為依托，選擇我國典型的地質、地貌條件（覆蓋區(qū)、地形復雜區(qū)）和埋藏深度的代表性已知礦區(qū)，進行綜合地球物理勘探試驗，檢驗裝備的探測能力，反饋其在實際應用中出現的問題，以完善其性能。研究不同類型礦床成礦背景、過程和分布規(guī)律，明確控礦要素和找礦標志及其地球物理表征，建立礦床預測模型、優(yōu)選示范區(qū)，為研制裝備和技術的檢驗與應用奠定基礎。研究礦床形成的理論深度、成礦規(guī)律和礦床地質模型；不同控礦要素的地球物理場響應特征與分布預測；礦床三維模型的地質、地球物理表征。在所選示范區(qū)內開展綜合地球物理探測，對研制裝備進行檢驗和應用，推動裝備與技術的實用化和產業(yè)化。因此，選擇我國三大成礦域中的甘肅北山—阿拉善、長江中下游、三江地區(qū)中南段，特色成礦系統中的塔里木—天山等區(qū)塊為示范區(qū)，利用新研制裝備技術進行不同類型礦床的 “攻深探盲”示范性勘查研究工作。

位于古亞洲洋閉合形成的中亞造山帶中部的甘肅北山—阿拉善，大地構造上屬于華北地塊、塔里木地塊和西伯利亞地塊三者的交接部位，曾長期受板塊俯沖的影響和改造，導致北山—阿拉善地區(qū)構造非常復雜。從前寒武紀到燕山期都有巖漿侵位或火山噴發(fā)活動，與之有關的成礦作用形成了數量眾多的銅-鎳-鉑族礦床、銅-金礦床、銅-鉛-鋅-銀礦床。 其東有蒙古國超大型的歐玉陶勒蓋斑巖銅金礦床 （距中蒙邊界約50公里），銅儲量達到2000萬噸，金儲量達到1300噸，形成時代約為370 Ma，屬于古亞洲成礦域。西側烏茲別克斯坦的黑色巖系中穆龍?zhí)捉鸬V（金儲量5000噸）和阿克泰佩銀礦（銀儲量約2.5萬噸）所探明的儲量分別與我國保有金礦和獨立銀礦總儲量相當，哈薩克斯坦楚-薩雷蘇和錫爾達林鈾礦省探明可地浸砂巖鈾礦儲量達85.8萬噸，居世界首位。同屬古亞洲成礦域的中國境內甘肅北山—阿拉善等地段則沒有發(fā)現類似的礦床。難道超大型礦床真的不過國界嗎？從基礎研究的角度看，造山帶與主要成礦區(qū)帶的宏觀地質格架與地質演化歷史不明以及與成礦有關的深部作用不清是制約我們認識中亞型造山帶礦產資源潛力的關鍵科學問題。針對不同的地貌景觀條件和不同的礦床類型，如何研發(fā)并應用針對性的技術方法，實現面上快速縮小靶區(qū)和點上定位勘查突破則是關鍵技術手段問題，亟待新的深部探測裝備給以解答。

5 結論

主要以高靈敏度傳感器與系統集成、地球物理觀測數據成像技術、控礦要素的識別及其地球物理場表征和“攻深探盲”勘探流程構成的深部資源探測核心技術，是未來我國資源可持續(xù)供給和國家資源戰(zhàn)略安全的重要保障。只要我們堅持將這些探測裝備核心技術研發(fā)與區(qū)域地質、成礦理論和找礦實踐密切結合，我們自主研發(fā)的深部探測裝備一定會實現從技術研發(fā)、工程應用、產業(yè)化到實用化的目標。通過“攻深探盲”，實現找礦勘查4個轉變：即探測方式從二維向三維轉變；從以淺部礦、露頭礦勘探為主向深部礦、隱伏礦勘探轉變；從陸地礦產勘探向海域勘探拓展；從簡單地質條件向復雜地質條件的轉變。

通過優(yōu)化整合已有技術平臺和新研發(fā)的技術平臺，組建具有國際競爭力的深部探測裝備技術研發(fā)隊伍和實用化深部資源勘探儀器。同時聯合國內優(yōu)勢科研資源，建成具有國際影響力的“深部資源勘探裝備研發(fā)中心”，為未來我國實施“地下3000米地球透明計劃”提供理論和技術保障。

致謝衷心感謝劉建明、秦克章、李獻華、于連忠、王妙月研究員的大力支持和對本文的認真修改!

1 曾培炎.國務院關于礦產資源合理利用、保護和管理工作的報告.全國人民代表大會常務委員會公報，2007，（1）：104-110.

2 陳毓川.我國礦產資源形勢與對策.全國第三屆成礦理論和找礦方法學術討論會大會報告.海口,2007.

3 雷涯鄰.我國礦產資源安全現狀與對策.新浪財經，2008.7.17.

4 國土資源部.急需大宗礦產資源保障策略.2008.

5 汪民.在全國地質勘查行業(yè)管理座談會上的講話.呼和浩特,2008.

6 袁愛國,王慶飛,徐浩.國內金屬礦產資源供應力的現狀與對策分析.資源與產業(yè)，2007，9（2）：68-71.

7 中國商品網.2007年我國礦產品貿易形勢分析.2008.9.8.

8 新華網.2007年我國外貿進出口總值首次超過2萬億美元.2008.1.11.

9 劉玉強,喬繁盛.我國礦產資源及礦產品供需形勢與建議.礦產與地質，2007，21：1-7.

10 徐紹史.統籌規(guī)劃，加強調控，不斷提高礦產資源對經濟社會發(fā)展的保障能力.在全國礦產資源規(guī)劃編制工作座談會上的講話,2007.

11 劉樹臣.發(fā)展新一代礦產勘探技術——澳大利亞玻璃地球計劃的啟示.地質與勘探，2003,39（5）：53-56.