地球深部探测的中国传奇

housex · 发表于 2013-4-23 09:12

地球深部探测的中国传奇
——深部探测技术与实验研究专项5年成果扫描
作者:张丽华申文静来源:中国矿业报发布时间:2013-04-22
　　一个地学新时代正在被我国一批怀揣地质强国梦的科研人员开启。

　　“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。”83岁高龄的深部探测技术与实验研究专项（简称“深部探测专项”，英文简写SinoProbe）技术负责人、中国科学院院士李廷栋在4月16日举行的深部探测技术与实验研究专项2012年度成果汇报交流会上接受本报记者采访时清晰地描绘了他的“中国梦”。

　　在财政部、科技部支持下，国土资源部于2008年启动的这项我国目前实施的规模最大的地球深部探测计划在默默运行近5年后，为我国在“嫦娥飞天”、“蛟龙下海”的同时奉上了一场“入地盛宴”。它是一把叩开地球“神秘大门”的钥匙，通过这把钥匙我们可以更深入地了解脚下这片土地。

　　地球深部既是重要的战略空间，又蕴含着丰富的资源，还是重大地质灾害的策源地。正是这种特殊的地位，使国外很多发达国家自上世纪70年代以来就开始了对地球深部的探测与研究，并把它作为实现可持续发展的国家科技发展战略。与国外相比，我国的深部探测起步比较晚，但5年来，我国深部探测专项成千上万的研究人员，通过在高原之巅、沙漠荒原、森林泥沼中的艰苦奋斗和积极探索为我们展现了这样一个现实：我国已跻身世界深部探测大国行列，深部探测能力达到国际先进水准，局部甚至处于国际领先地位。

　　给地球“做CT”

　　深部探测专项第二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给深部探测打了一个通俗易懂的比喻：它可以形象地被比喻为给地球“做CT”，就是切开地球的地壳和上地幔，取得横切片和纵切片。

　　作为技术领域的项目代表，高锐在成果汇报里这样表述，可以切开地壳上地幔的技术目前国际上主要使用地球物理方法，包括人工源和天然源两种场源。相对来说，人工源探测精度高一些，天然源探测深度大些。由于中国大陆发育是世界上最复杂的地质地貌条件，只有通过实地方法和技术实验使技术取得突破，才能获得适于中国大陆特点的技术组合，去切开地壳上地幔。因此，深部探测专项在培育阶段重点试验了这两类手段。他在成果汇报中介绍了深部探测实验取得的全国三维大地电磁（MT）参数标准网、标准点立体实验与研究、大地电磁（MT）实测数据起伏地形三维反演技术等十大技术进步。其中，深部探测专项所实施的全国三维大地电磁（MT）“标准点”阵列观测技术，考虑了所获取的地下介质电性参数的“标准化”问题，而美国测网观测没考虑标准化问题。对此，国际著名电磁领域专家Alan G.Jones教授称：“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。”同时，项目首次在华南花岗岩覆盖区开展了大地电磁三维探测与反演实验，自主开发了大地电磁三维反演技术，实现了三维反演系统的实用化，推动了大地电磁三维探测及三维数据反演技术的进步。

　　在取得的技术进展中，有一项尤其夺人目光：在2008年深部探测专项启动前，我国深地震反射剖面总长仅约5000千米，相当于美国的1/12。而过去5年中，专项通过适用我国复杂地质地貌条件的深地震反射剖面采集技术，完成了6000千米“穿透地壳”的深地震反射剖面，超过了此前50年完成的总和，使我国深地震反射剖面总长达到11000千米，我国从此步入全球深地震反射探测超万千米大国行列。该技术的优势在于容易与石油地震剖面衔接，突破浅深分开探测的传统，具有潜在经济效益。专项首席科学家、中国地质科学院副院长董树文说，获取深地震反射剖面，有利于我们了解地球的结构与组成，在资源勘探、环境保护和防灾减灾方面具有重要的科学意义。

　　创新替代“老三样”的宝贝

　　熟悉地质工作的人都知道，过去野外地质工作者都会随身挎一个背包，里面装着他们必备的“三件宝”——地质锤、放大镜、罗盘。但是随着矿产资源勘探以及地球科学研究向深部迈进，这传统的 “老三样”已经远远不能满足需要。

　　如何让探测实现更深、更远的目标？从某种意义上说，自主装备起着决定性作用。“我国在深部探测方面与国外的差距明显，为了加快进度，在购置一大批国际领先设备的同时，我们不能放弃自主研发一些关键技术装备。”董树文说。为此，专项投入3亿元用于设备研发，旨在为后续地壳探测工程的全面实施提供支撑。

　　深部探测技术与实验研究专项中的第九项——深部探测关键仪器装备研制与实验项目负责人、吉林大学教授黄大年表示，作为专项的新增项目，装备组在启动以来的3年中，通过突破和掌握核心技术，研发出大功率、高效率、高精度和高性能的地震勘探系统、电磁勘探系统、无人机探测系统、超深钻探装备和深探软件平台等大型探测仪器装备，取得了优于预期的进展成果。

　　在无人机探测装备技术方面，美国、英国和加拿大已经比较成熟并且成果显著，但是，该技术对华严格封锁。我国的无人机探测技术研究尚处于起步阶段。深部探测专项研发的航空用氦光泵磁力仪和超导磁力仪样机，掌握了核心传感器研发技术，性能指标达到国际同类产品先进水平；研发的无人机自控飞行系统和低磁无人机探测集成系统，整机性能测试满足实用要求，填补了国内空白；完成了高、低空无人机航磁探测系统性能测试和超导无人机装配，性能指标均达到国际先进水平。

　　地面电磁探测装备技术方面取得的进展包括感应式磁传感器突破了极低频微弱信号检测电路、磁芯和线圈设计与加工工艺等关键技术，技术指标与国外同类产品相当；自主研制了双交直变频的大功率发射机，性能达到国际同类产品技术指标等。另外，无缆自定位地震勘探系统在数字存储器、长时存储器装置、宽频地震仪低频检波器和1万牛顿的电磁可控震源等方面都取得了显著进展。

　　在地下探测方面，最容易理解、也是最引人关注的恐怕要数“超级科学钻”。

　　对于人们看不见也摸不着的地下深处，目前直接的手段是往深部钻探。科学钻探可通过钻探和全程取芯，直接获取地球深部信息，因此被形象地誉为“入地望远镜”。前苏联用了近20年的时间完成科拉超深科学钻，达到1.2万米的深度。深部探测专项中的科学家通过对全液压顶驱动、仿生钻头等装置的攻关获得的我国首台自主研发和生产的万米超深科学钻探装备已于2011年问世。据介绍，这台钻机所有部件均实现国产化，整套装备高达60米、重1000吨、占地约1万平方米。

　　“有了利器，我们才可以与世界同行，让世界瞩目中国。”董树文表示，该钻机在深部钻探全液压钻机整机设计理论、装备制造及配套钻具研制、数字化设计、智能化与自动化钻进装备等领域实现了重大突破。

　　除了硬件外，深部探测专项在软件研发方面也取得了不同程度的进展。据黄大年提供的资料显示，项目正在研发的地球物理综合分析软件平台系统具备高端产品的功能和性能特征，已经进入针对深探数据的测试和调试阶段。

　　开辟“第二找矿空间”

　　“我国所面临的资源挑战是立项的第一出发点。”董树文曾在很多场合强调这一点。

　　我国是资源大国，矿产资源年开采量达60亿吨，有力地支撑着经济社会的发展。但是，随着我国经济的高速发展，在需求不断增加的同时，矿产资源储备也在急剧下降。能源安全成为制约我国经济可持续发展的最大瓶颈。而一直以来我国对矿产资源勘探的平均深度只有400米，且这一水平的矿产资源几乎已开发殆尽。寻找地下成矿位置的玄机，突破深部“第二找矿空间”，加大深部勘查成为必然。

　　有这样两个例子再次向我们证明了“向深部要资源”的必要性：在美苏争霸的年代，耗资上百亿美元的地心竞赛使美国人创造性地在山脉之下发现了油田，而前苏联人除了找到深部油气资源外，还发现了深部生物和淡水；深部探测使加拿大和澳大利亚在最近20年来始终保持着世界资源勘探大国的地位。显然，寻找深部资源已经成为全球矿产勘查的大趋势。

　　“深部探测将揭示地下精细结构与组成，科学深井的实施将大大提高对深部地层、沉积、烃原岩的认识，有利于更全面、客观地探索地球深层油气勘探潜力，为开辟深层能源与重要矿产资源远景提供科学依据。”董树文和李廷栋2009年7月发表在《地质学报》上的一篇关于中国深部探测实验的论文中明确指出了实施深部探测将会对开辟资源空间带来的意义。如今看来，他们的预期已经达到了。

　　在成果汇报会上，深部探测专项第三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向与会人员汇报了项目在深部资源勘探方面的进展：使用现代岩石圈探测新技术“廊带式”综合探测方法，揭示了陆内成矿带深部动力学过程与岩浆系统结构，诠释了陆内成矿的深部过程；通过矿集区3D结构探测，揭示成矿地质体3D空间分布；通过探测揭示了矿集区结构框架，初步实现三维“透明”探测；利用反射地震和钻孔资料约束，初步获得庐枞盆地3D地质结构，揭示了主要地质体空间分布；在铜陵矿集区，通过3D探测与建模，解释了主要控矿地层和岩体空间分布，对寻找深部矿意义重大；通过深部找矿技术创新了庐枞盆地综合成矿模式，丰富并证实了“五层楼+地下室”钨矿综合成矿模式；大面重磁测量，发现一批重磁找矿异常，为深部找矿提供了重要信息等。

　　“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。”吕庆田总结了上述进展对“找矿突破战略行动”的重要现实意义。

　　此外，深部探测和科学钻探发现了一批对找矿突破具有战略性指导意义的线索：首次确认了含铬铁矿高压蛇绿岩套新类型，为铬铁矿找矿突破提供了新方向；发现并圈出北方巨型的稀土元素地球化学异常块体，指示了超大型矿床的突破空间；穿透大庆盆地在含油的白垩纪盆地之下发现残存的沉积盆地，为“大庆之下找大庆”提供了战略依据；在庐枞火山岩铁流矿集区，发现了深部正长岩上百米厚铀元素富集带，为深部找铀、重新认识火山岩型成矿体系和建立成矿模式提供了重要依据。

　　将元素周期表“画”在地球上

　　地球物质成分包含元素周期表中的90个元素，它们被称为地球的基因。矿产资源是由这些元素组成的，生态环境是受这些元素及其化合物影响的。对地壳全部元素进行探测，建立化学地球是解决资源与环境可持续发展的必然选择。

　　“化学地球就是将元素周期表绘制在地球上。”深部探测专项第四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介绍道，通过部署1个网、3条带、10个矿区的地球化学探测项目，科研人员取得了多项技术创新或技术进步：创新性地发展了地壳全元素精确分析系统，首次实现对81个指标（含78个元素）的高精度分析，居于国际领先水平；隐伏矿深穿透地球化学探测理论与技术取得原创性成果；发展了针对中国大陆特点的中下地壳物质成分识别方法体系；应用平台研制了“化学地球”软件，为全球海量地球化学数据与图形显示与管理提供了展示平台。

　　在项目实施过程中，王学求研究团队在河南400米盖层覆盖的隐伏铜镍矿和新疆几十米盖层覆盖的隐伏金矿上方，观测到地气中和土壤颗粒中的纳米级金属微粒。这一重大发现表明，成矿元素纳米级微粒可以迁移至地表，并可被地表土壤地球化学障所捕获。这为深穿透地球化学迁移机理和含矿信息精确分离提取提供了重要证据，对利用地表化探异常寻找深部隐伏矿产意义重大。该成果在第25届国际应用地球化学学术会议上受到高度评价，“纳米金属微粒的发现是一项创新性成果，对覆盖区矿产勘查具有深刻影响，为其他人的研究和全世界的应用提供了实证。”

　　此外，项目还建立了覆盖全国的地球化学基准网，在实现首次制作出全国稀土元素地球化学基准图，圈定盆地砂岩型铀矿找矿远景区等重大新发现、新进展的同时，提供了全国范围根据U、Th、K含量计算的地面1米高度大气放射性剂量率，为监测未来人为因素导致放射性污染注入量提供了定量参照基准。在环境污染以及预测未来变化方面，项目还发现了全国重金属元素污染持续加剧以及CaO与酸雨分布密切相关的事实。

　　“无论是从手标本到显微再到纳米，还是从矿床到区域再到全球，该项目的实施将人类认识地球化学元素分布的进程向前推进了一大步。”王学求在报告中对深部探测与地球化学工作做出如上总结。

　　摸准地球“发脾气”的规律

　　地震、滑坡、火山、泥石流……地球不时地以各种形式向人们展示着它令人难以捉摸的“脾气”。

　　我国是地灾频发的国家，汶川大地震、唐山大地震等给人们带来重大灾难和损失。当面对突如其来的灾难时，我们才发现对脚下这片大地的“脾气”还知之甚少。“地质灾害频发要求深部探测解释成灾机理和过程，为高精度的预警预报提供理论依据。”李廷栋说。

　　减轻地质灾害是地质科学的一项重要任务。深部探测专项第七项目即岩石圈三维结构与动力学数值模拟项目负责人、中国科学院研究生院院士石耀霖以地震为例，在成果汇报会上为与会人员介绍了项目的进展情况。

　　通过借鉴气象预报的经验，他认为，地震预报也应该是从基于前兆的经验预报到基于物理机制的数值预报再到关键物理量——应力预报。石耀霖曾在接受媒体采访时表示，“数值预报可以吹响‘起床号’了，但是吹响‘进军号’还不到时候。”他分析说，地震预报要搞数值预报，从技术上有5个关键环节：对物理规律的认识、解方程的能力、建立结构物性模型、初始条件和边界条件。“我们不知道初始应力状态，也无法计算绝对值。”石耀霖说，初始应力必须来自观测，“因此，应力观测系统必须有国家级的部署，地壳深部探测计划应该发挥独特的作用。”

　　据他的成果汇报显示，历经5年，通过项目的实施，研究人员在青藏高原东南缘共建立了28个应力应变监测台站，初步构建了该地区局域地应力监测网络。监测数据通过网络实时传输至位于北京的地应力监测数据中心，积累的大量监测数据为地震预测研究提供了宝贵的基础资料。项目利用新型压磁应力监测技术和仪器设备，在北京平谷地应力监测台站记录到日本“3.11特大地震”前后应力和水位的变化，为从地应力角度研究地震的孕育和发生提供了重要资料。在演示实验方面，项目研制的650℃、100MPa流动反应实验系统，达到目前国际最新实验水平。在计算模拟平台方面，项目建设的超大规模四维体数据并行可视化平台系统，具有大规模运算、复杂难题计算速度快的特点。

　　在深部探测专项中，首次建立了青藏高原东南缘现今深孔地应力监测区域网，自主研发的新型检测装备，取得了高质量深井地应力测试数据，探索了原地应力随深度变化规律；建立了亚洲最大规模的地球动力学数值模拟平台，实现了全球、区域、局部尺度的三维地球模拟，为我国地壳活动监测和地震预警提供了新的技术路线。

　　技术创新、装备研发、资源发现、化学地球、地质灾害，深部探测专项用5年的实际行动向国人呈现了一幅气象非凡的图景，为我国从地质大国走向地质强国奠定了坚实基础。自此，“上天、下海、入地”，人类挑战自然的三大壮举，被我们一一写在了历史的画卷上。

　　深部探测专项是地壳探测工程的培育性项目，地壳探测工程才是终极目标。李廷栋对本报记者说：“目前，我国地学界专家寄希望于我们，国外地学界的专家带着羡慕的眼光关注着我们。我相信，凭借我国特殊的地质条件和区位优势，在我国已获得的技术经验和装备水平的基础上消化吸收国外成功经验，经过5年、8年或者10年的时间，我国地球深部探测一定能够后来居上，走在世界的前列！”