该图为深部探测三维展示图,展示了中国深部探测的三维立体探测方法技术,从上到下依次是空中的无人机航磁探测,地面的电、磁、震探测和地下的深部钻探取样探测。
与儒勒凡尔纳在19世纪科幻名著《地心游记》中对地心熔岩、火焰等新奇想象相比,人类对地球内部的真实了解还远不够丰富。我们现在可以上天、下海了,却还难以入地,董树文说,目前人类的直接钻探最深只有12公里,与6000多公里的半径相比,仅仅只是地球的表皮。董树文是中国地质科学院副院长,他现在一个更引人注意的身份,是我国深部探测技术与实验研究专项首席科学家。深部探测,这项中国地学史上最大的科学项目,代表着当前我国地球深部研究的最高水平。给地球深层做CT过去5年,我国完成了6160公里穿透地壳的深反射地震剖面,总长度达到11000公里地球内部的构造,由外而内分别是三个同心球层,即地壳、地幔和地核。大陆地壳平均厚度约3040公里,地幔则厚达近2700公里,地壳和地幔顶部组成固体的岩石圈平均约200公里厚,这就是飘移的板块。地幔之下,才是由铁、镍等物质组成的高温内核,《地心游记》中的地核就在这里。至于多深才能称之为深部,董树文说,地质学界并没有一个统一标准。从技术精度上讲,对地球深部的真正科学探测始于上世纪七八十年代,董树文说,美国当年应用石油勘探的反射地震探测技术探测全地壳的结构,引领了世界深部研究的方向,也使得探测深度和精度达到前所未有程度。这就像给地球深层做一个CT,国土资源部咨询中心专家黄宗理说,科学家在地上放人工炮,产生地震波就会沿地下传播,而当地震波碰到一个不同地质体的时候就会反射回来,仪器接收到反射信号,经过处理以后就会得到图像。因为不同深度和岩石性质反射的波是不同的,通过分析反射地震剖面图,科学家就能大体判断深部的构造了。黄宗理说。董树文介绍,继美国之后,加拿大、英国、德国、澳大利亚等国,也在上世纪实施了相应的大陆地壳的深地震反射探测计划。深部专项实施之前,我国深反射地震剖面总长约4800公里,仅相当美国的1/12,英国的1/4,意大利的1/2。董树文说,过去5年,我国完成了6160
公里穿透地壳的深反射地震剖面,总长度达到11000公里,超过了此前50年完成的总和。我国现在有了11000公里深反射地震剖面,意味着我国从此进入深部探测大国行列,深反射地震项目负责人高锐研究员说。地表发生的一切几乎都能在深部找到答案地震是地球内部应力作用的结果,了解地壳结构和地压力变化,有助于把握地震发生规律地表上发生的一切,几乎都能在深部找到答案,黄宗理认为,要认识地球,就不能不了解深部。这就像一个顶层设计。董树文说,深部探测是地球学科原始性创新的基础工作,是现代地球系统科学的基石,要实现从地质大国走向地质强国,就必须做好这一研究。董树文说,现代资源勘探是建立在地质学、地球化学和地球物理学基础上,而深部探测可以揭示地下精细的结构与组成,精确的深部勘测,不仅可以指导发现新资源,还能建立新的找矿理论。我国资源探测的平均深度只有500米,地下还有那么厚,如果了解深部的情况,地下可开采的资源可能大幅度增加,董树文认为,深部探测能够延伸国土资源的空间内涵,从而开辟第二找矿空间。董树文说,我国深部探测目标之一,是建立一套大型矿集区立体三维探测体系,完成地下3公里左右的资源分布三维图,达到透明化。如果我们完全清楚地下3公里的情况,资源发现的效率和数量肯定将大幅度增加。董树文说。深部探测另一大应用是监测环境。中国地质科学院的王学求研究员介绍,5年中,我国建成了一张世界领先的数字化学网,得出了76种元素在我国的分布和浓度值的示意图。王学求解释,因为地球本底的元素基本稳定,但地表的土壤化学含量可以被污染,这样科研人员利用现今的地表元素含量和上世纪80年代的测量数据比较,做个减法,就能得出人为因素的影响。了解这些情况,我们就可以提前做好预防工作。地震灾害是地球内部的应力作用的结果,了解地壳结构和地应力变化,有助于把握地震发生规律。中国科学院大学石耀霖院士说,青藏高原东南缘,这个包括了汶川地震在内的范围,可谓是世界上地壳活动性最活跃的地带,深部探测专项在这个区域建立了现代地应力监测网,测量并实时监测地应力大小和变化,通过数字模拟的方式,把握地壳活动性脉络。他说,这对今后地震预报走数字化方向至关重要。自主装备可决定未来深部探测工程成败我国万米钻机近期将在大庆钻探实验,并将研制1.5万米科学钻机虽然深发射地震剖面突破万公里,步入探测大国行列,但董树文清楚,与发达国家相比,我国还有不少的差距。由于技术和资金不足,我国对陆地的了解大多还停留在表面,仅有非常有限的探测活动,对几十公里的地下情况并不清楚。深部专项所实验的,正是美国30多年前的工作。董树文说。我们缺乏深部探测原创性技术。董树文举例说,我国重力测量,测出的只是从地心到地表物质密度的总和,只了解横向的差异,几乎没有精确的垂直分辨的效果。但是,国外的重力梯度测量已经获得了高精度的垂向密度分辨能力,用于资源勘查和军事地质产生巨大的效益。这个技术对我国绝对封锁。没有重力梯度测量技术,就不能判断地球不同深度比重的差异。黄宗理说,我国当前几乎所有深部探测仪器都是进口的,而当我国要进行大规模的地球勘探工程,国外就会封锁某些技术和设备,影响了探测进展。某种意义上讲,自主装备决定着未来地壳探测工程的成败。黄宗理说。董树文介绍,实施深部专项,另一个目标是希望能自主研制一批深部探测设备,力图实现关键技术的重大突破。他介绍,深部探测专项已经在大功率地面电磁测量仪、无缆地震仪和无人机航磁系统等关键仪器的研发上取得突破。钻探的水平直接代表了探测地球资源深部的能力,专项成功研制了万米科学钻机。董树文透露,万米钻机准备近期在大庆进行钻探实验,而进一步的目标则是,研制1.5万米的科学钻机。这个深度可以用于直接采集大陆震中的岩石样本,了解地震发源的机理。董树文说,我国深部探测培育期已经完成,而完成第一轮地球探测计划还需要更多时间。

1864年,科幻小说作家凡尔纳发表科幻小说《地心游记》,描写了人类由地面到地下,经过一番探险最终回到地面的故事。如今,梦想照进现实。自上世纪七八十年代开始,前苏联、美国、德国等世界各国纷纷加入地球深部探测的行列。2008年,中国一项关于地球物理的重大的科技专项计划也正式拉开序幕深部探测技术与实验研究专项。这意味着,中国终于拥有了自己系统的对地探测计划。第一个五年过去了,这个与深空、深海并齐的深地项目,完成了6000多公里反射剖面的探测,超越了过去五十年中国深部探测剖面长度的总和。两者相加,数字超过1万,让中国这个地质大国,再次挺起腰杆,用实际行动向地质强国的目标迈进。而同一时刻,全球的地质科学家们也都翘首企盼,SinoProbe将为未来的地质研究带来怎样的震撼。叩响入地之门皇家88平台注册,2013年11月,在海拔4400米的西藏罗布莎,SinoProbe-03项目的首席研究员杨经绥等人为钻机更换了一个功率更大的马达。因为高原缺氧,钻机马达的功率折损了一半,原本能够打100~200米空洞的钻机,到了这里,只能打到三五十米。机械尚且如此,何况是人。研究人员们忍受着高原反应带来的身体不适,咬牙坚持工作。这份坚持得到的回报是巨大的。按照以往的认知,青藏高原的地壳厚度能够达到70~80公里,地壳下方才是地幔。但是,研究人员却在打穿板块缝合带1199米的地方发现了地幔物质。这一发现无疑是重量级的。而在青藏高原腹地羌塘草原,SinoProbe-02项目即深部探测技术实验与集成项目的负责人、中国地质科学院地质研究所研究员高锐所带领的团队,却遇到了技术瓶颈。为了收集最好效果的反射数据,高锐及其团队首次在生命禁区冬季施工。因为只有冬季才不会发生陷车,还可以使用大功率钻机,实现超深井大药量激发爆破。通过人工爆破激发地震波,然后用仪器按照激发的规律接收。这个方法属于地震方法的一种。其目的与罗布莎的打钻取样一样,都是要把地下结构搞清楚。但是它的适用范围有局限,一般只能到60公里。SinoProbe首席科学家董树文说,但是,我们希望了解到地下400~600公里的情况。因为地球的内部动力多起源在这里。所以,要取得岩石圈的厚度,反射地震的能量就不够了,还需要用天然地震的方法作以补充。这种方法是由研究人员事先埋下接收器,然后等待天然地震的发生,通过深部传来的各种地震波形和到时记录的数据获得岩石圈内部的各式各样的速度结构,最终形成结构形态。阶段性胜利反射、折射、大地电磁等一系列测量手段的应用,终于汇集了海量数据。现在,五年的项目终于告一段落。与研究人员到处总结、汇报不同,国内十几家数据处理的专业机构,正忙碌地分析着SinoProbe五年来采集的数据,去除人为干扰信号的杂音,留下尽可能纯粹的来自地球内部的信号。这一过程复杂且最耗时,因为测量时任何风吹草动都会影响信号波动。董树文说。之后,地球物理学家会根据数据描绘出6100多公里深反射剖面下,给地球做一张张断层CT。同样忙碌着的还有自动化极高的设备。在距离北京3000多公里外的青藏高原上,前后左右间隔20公里的几十块太阳能电池板整齐的排列着。电池板的下方是一台台大地电磁接收器,不分昼夜地忠实记录下地球的电磁场波动。它们的学名叫做三维大地电磁参数标准网。中国地质大学教授魏文博是标准网的创新者。在项目初期,项目组遵循国际惯例,将这些接收器按照经纬度11进行码放,也就是每个点之间相距100公里。但是,研究人员很快发现,大地电磁值每分每秒都在变化,不同时间测量的数值都不能代表这个点。令人无奈的是,这些数据也不能通过长时间测量得出的平均数代替。怎么办?增加接收器的密度!研究人员将之前每台接收器四周,以十字形布置了另外8台接收器,每个间隔20公里,形成小阵列。这样,9个台站同时测量体电阻率,最后形成三维图后,不仅误差小,而且体数据柱的标准也会更准确,由此得出的电磁网数分辨率超过了世界其他国家。对此,国际著名电磁领域专家Alan
G.Jones教授曾在接受采访时表示:这是一个了不起的规划!你们在数据采集、处理、分析以及建模等多方面处于世界前列。而这项技术,正是SinoProbe众多自主创新技术之一。另外一个颇受赞誉的是由SinoProbe-04项目即地壳全元素探测技术与试验示范项目负责人、中国地质科学院物化探所研究员王学求带领团队实现的地球化学基准网。这张全国稀土元素地球化学基准图,为圈定盆地砂岩型铀矿、预警人为放射性污染起到了重要作用。不仅如此,王学求还获得地球了上全部76种元素在全国地表的分布情况,并利用类似于谷歌地球的软件技术,第一次建立了化学地球的数字表达。由此可见中国地质结构之复杂。但是研究人员们见招拆招,不断摸索前行,于是,更多的第一次和自主创新涌现出来:第一次系统建立适应中国大陆复杂岩石圈、地壳的深部立体探测技术体系;第一次创造了同缆共震源的放射地震与折射地震同时接受技术,实现速度结构和放射结构同步探测;第一次在中国建立了最大规模的数千万有限单元的地球动力学数值模拟平台;第一次建立了青藏高原东南缘现今深孔地应力监测区域网,为中国地壳活动性监测和地震预警提供了新的技术路线;第一次打破国外垄断,自主研制了一批深部探测地震、地面电磁、无人机航磁等关键仪器和万米科学钻机好事多磨大量的数据搜集、多学科的参与,人们眼中的SinoProbe朝气蓬勃。但在SinoProbe专家委员会主任、中国科学院院士李廷栋眼中,中国距离地质强国还差得很远。这些差距源于理论和技术的滞后,而这与历史密不可分。让我们将指针回拨,回到1958年。新中国刚刚成立,百废待兴。以中国科学院院士曾融生为首的地质工作队,首先在柴达木盆地进行了低频地震探测的试验工作,目的在于探测该盆地埋藏很深结晶基底和沉积建造的界面。之后,曾融生又陆续得出了地壳速度分层和中国不同地区的地壳厚度。正当深部探测工作渐入佳境时,一场文化浩劫打乱了一切。粉碎四人帮后,时任中国地质科学院院长的李廷栋以中方联系人的身份,参与了中法喜马拉雅地质构造合作研究项目的组织协调和领导工作。在参与合作的三年中,李廷栋意识到地球深部探测工作的开展刻不容缓,随即着手成立了岩石圈研究中心,并在上世纪80年代中期,完成了对14条地学断面的探测。但随之而来的不是深部探测工作地顺利发展,而是再一次陷入停滞状态。李廷栋也很无奈:当时,全球的地矿工作都很萧条,矿产资源供大于求。这一次,地质工作持续低迷了十年,中国地质科学院甚至陷入了需要自己赚钱养活员工的境地,被迫停止了大部分科研工作。当时间迈过了千禧年,中国工业化加速发展,各行各业对于矿产资源需求持续上升,之前认为靠进口就能解决问题的决策者们,在国际矿产价格一天三变的情况下,开始意识到开发本国矿产的重要性。2006年,国务院做出了《加强地质工作的决定》。地球深部探测被再次提上日程。董树文等准备了六年的地壳探测工程的计划得到了李廷栋、孙枢等一批院士的鼎力支持。李廷栋四处奔走,希望尽快立项。我的意见是,这项工作很必要,需要开展,早做早主动,晚做就被动。而且我们已经比欧美国家落后几十年了。美国七八十年代就开始了,加拿大紧随其后,澳大利亚、欧洲也在二三十年前就开始做了。我们再不做就更被动了。一次次的呼吁、写信、说服,李廷栋用自己总结归纳的买不起、供不起、养不起,经不起,形象地描述了单一依靠进口矿产的劣势,希望国家重视深部探测工程,把家底搞清楚,做到家里有矿心里不慌。三年后,时任中共中央政治局常委、国务院副总理李克强强调,在我们这样一个有着十几亿人口的发展中大国里解决能源资源问题,需要充分利用国际国内两个市场、两种资源,但必须坚持立足国内,增强国内能源资源的保障能力。彼时,SinoProbe正在申请立项。但到底应该由谁牵头的问题,又引发了分歧。不少人写信,或毛遂自荐,或要求慎重考虑。当时主管部门找我谈话,我的意见就是,非董树文不可,其他人没有他的能力。而且他科学技术水平也不错。业务综合,知识面广。李廷栋说。几经波折,以中国地质科学院为牵头单位的项目组终于成立,这才有了如今的轰轰烈烈。地质梦,中国梦不过,过去的五年仅仅是SinoProbe正式开始前的热身。项目组的专家们都明白,真正的重头戏在下一个十五年甚至二十年。2013年4月16日,李廷栋曾在深部探测技术与实验研究专项2012年度成果汇报交流会上这样描绘了他的中国梦:十八大报告提出我们要建设美丽中国,我想这个美丽的中国应该是这样的:它是一个经济强盛的中国,这需要丰富的资源提供支撑;它是一个科学的中国,这需要我们不断发展科学技术;它是一个安全的中国,既包括国家安全也包括免受地质灾害等影响;它是一个生态的中国,要免受环境污染带来的困扰。从这个角度讲,深部探测与构建美丽中国紧密相连。李廷栋解释说,美丽的中国首先应该是富强的中国。SinoProbe要通过探测让民富国强。就像SinoProbe-03项目即深部矿产资源立体探测技术及实验项目负责人、中国地质科学院矿产资源研究所研究员吕庆田总结的那样,深部资源探测所取得的进展的应用前景在于,将极大深化对19个成矿带深部成矿过程的认识,为建立大陆成矿体系提供重要深部信息,促进47个整装勘查区的深部找矿突破。其次,美丽中国应该是绿色的、生态的。要解决生态问题,不能只看到地表问题,还应该追根溯源,寻找地质本身的问题。比如现在的生存环境如何衍生的;什么时候二氧化碳多,什么时候二氧化碳少;为什么有第四纪冰川等,这些问题通过深部探测都可以解决。人们可以了解地球本身的构造和发展规律,对今后的生态环境变化有很大帮助。第三是安全中国。地质灾害威胁着人们生命财产。通过深部探测,人类可以将地壳结构弄清楚,对预防灾害,甚至解决地方病都有好处。而现在,万里长征才开始第一步。我们计划用二十年的时间,将我国领土做一个详细扫描,把矿集区、地震带、地壳内部到莫霍面结构透明化,希望能够有比较准确的地震预警。在地球科学理论上有所创新,真正创造出符合中国地质特点又能使用全球的地质科学理论,把高新技术带起来。李廷栋说。年底,SinoProbe已经向主管部门做了总结。但是接下来十五年的项目是否能申请下来,大家心里都没底。唯一肯定的是,每一个人都希望SinoProbe可以继续前行。这个宏大的地质梦,终究能成为美丽的中国梦。■《科学新闻》
(科学新闻2013年第12期 封面)

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