地球深部探測(cè) 減輕地質(zhì)災(zāi)害

2011-06-17 04:59孫雨婷

科技視界 2011年12期

■孫雨婷

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

“深部探測(cè)技術(shù)與實(shí)驗(yàn)研究專項(xiàng)（2008-2012）”是我國(guó)“地殼探測(cè)工程”的培育性研究計(jì)劃。目的在于揭示中國(guó)大陸巖石圈結(jié)構(gòu)、活動(dòng)過程與動(dòng)力學(xué)機(jī)制，把握地殼活動(dòng)脈搏，開辟深層找礦新空間，為國(guó)家安全了解深部物性參數(shù)，為實(shí)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(cè)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(guó)地球科學(xué)發(fā)展。

計(jì)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(duì)地球深部的認(rèn)識(shí)仍“很膚淺”。隨著中國(guó)工業(yè)化、城鎮(zhèn)化速度加快對(duì)資源需求急速增長(zhǎng)，地表或淺層礦產(chǎn)發(fā)現(xiàn)的機(jī)會(huì)越來越小，資源勘查走向深部成為必然。

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

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

開展地殼探測(cè)工程的目的在于揭示中國(guó)大陸巖石圈結(jié)構(gòu)、活動(dòng)過程與動(dòng)力學(xué)機(jī)制，把握地殼活動(dòng)脈搏，開辟深層找礦新空間，為國(guó)家安全了解深部物性參數(shù)，為實(shí)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(cè)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(gè)“世界地球日”當(dāng)天，由國(guó)土資源部組織實(shí)施的《地球深部探測(cè)技術(shù)與實(shí)驗(yàn)研究專項(xiàng)》正式啟動(dòng)，標(biāo)志著我國(guó)地球深部探測(cè)的“入地”計(jì)劃拉開序幕。

中國(guó)地形上的三個(gè)臺(tái)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(guó)內(nèi)118個(gè)機(jī)構(gòu)、1000多位科學(xué)家和技術(shù)專家的中國(guó)地學(xué)界“集結(jié)號(hào)”開始從大陸的深部尋找答案。

總體目標(biāo)

“地殼探測(cè)工程”是我國(guó)科學(xué)家歷時(shí)6年構(gòu)思、策劃的重大科學(xué)計(jì)劃，而“深部探測(cè)技術(shù)與實(shí)驗(yàn)研究專項(xiàng)（2008-2012）”是“地殼探測(cè)工程”的培育性研究計(jì)劃。

深部探測(cè)專項(xiàng)的核心任務(wù)和總體目標(biāo)是：圍繞《地殼探測(cè)工程》的全面實(shí)施，解決關(guān)鍵探測(cè)技術(shù)難點(diǎn)與核心技術(shù)集成，形成對(duì)固體地球深部層圈立體探測(cè)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(yàn)、示范，形成若干深部探測(cè)實(shí)驗(yàn)基地；解決急迫的重大地質(zhì)科學(xué)難題熱點(diǎn)，部署實(shí)驗(yàn)任務(wù)；實(shí)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(duì)；完善《地殼探測(cè)工程》設(shè)計(jì)方案，推動(dòng)國(guó)家立項(xiàng)。

中國(guó)在深部探測(cè)方面與國(guó)外的差距明顯，為加快進(jìn)度，專項(xiàng)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(guó)外長(zhǎng)期對(duì)高端設(shè)備的壟斷格局，促使中國(guó)深部探測(cè)儀器裝備通過自主研發(fā)部分占據(jù)國(guó)際領(lǐng)先地位，也為后續(xù)地殼探測(cè)工程的全面實(shí)施提供支撐。

作為先導(dǎo)計(jì)劃，專項(xiàng)將于2012年結(jié)束。2011年下半年，專項(xiàng)進(jìn)入為兩年后的地殼探測(cè)工程立項(xiàng)申報(bào)和全面實(shí)施作前期準(zhǔn)備階段。

研究?jī)?nèi)容

深部探測(cè)專項(xiàng)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(cè)、深部探測(cè)技術(shù)實(shí)驗(yàn)與集成、深部礦產(chǎn)資源立體探測(cè)及試驗(yàn)研究、地殼全元素探測(cè)技術(shù)與試驗(yàn)示范、大陸科學(xué)鉆探選址與鉆探試驗(yàn)、地應(yīng)力測(cè)量與監(jiān)測(cè)技術(shù)實(shí)驗(yàn)研究、巖石圈三維結(jié)構(gòu)與動(dòng)力學(xué)數(shù)值模擬、深部探測(cè)綜合集成與數(shù)據(jù)管理8個(gè)子項(xiàng)目。

大區(qū)域地下物理性質(zhì)、化學(xué)組成的背景探測(cè)。（1）大陸電磁參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)研究：擬建立我國(guó)大陸電磁場(chǎng)標(biāo)準(zhǔn)觀測(cè)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(cè)技術(shù)與實(shí)驗(yàn)示范：建立我國(guó)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(guó)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(cè)技術(shù)實(shí)驗(yàn)與集成。以建立深地震反射技術(shù)為先導(dǎo)，采用主動(dòng)震源和被動(dòng)震源探測(cè)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(cè)技術(shù)組合。

深部礦產(chǎn)資源立體探測(cè)技術(shù)及實(shí)驗(yàn)研究。重點(diǎn)解決重要礦集區(qū)深部立體探測(cè)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(shí)驗(yàn)。通過科學(xué)鉆探選址與預(yù)導(dǎo)孔技術(shù)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證地球物理探測(cè)結(jié)構(gòu)，建立深部探測(cè)解釋標(biāo)識(shí)；在關(guān)鍵地質(zhì)部位和礦區(qū)實(shí)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(cè)量與監(jiān)測(cè)技術(shù)實(shí)驗(yàn)研究。發(fā)展具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的地應(yīng)力測(cè)量及監(jiān)測(cè)技術(shù)和設(shè)備，以支持我國(guó)地表應(yīng)力變化的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的建立；對(duì)中國(guó)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(cè)量與實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，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(dòng)力學(xué)數(shù)值模擬。建立覆蓋我國(guó)重點(diǎn)區(qū)域的巖石物性參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)；建立我國(guó)和重點(diǎn)地區(qū)的數(shù)百萬單元網(wǎng)格計(jì)算模型，開展數(shù)值模擬，對(duì)我國(guó)大陸和鄰區(qū)巖石圈動(dòng)力學(xué)過程的時(shí)空特征與控制機(jī)理進(jìn)行大規(guī)模模擬。

深部探測(cè)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(cè)的多源信息和數(shù)據(jù)，從時(shí)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(kù)，解決深部探測(cè)海量數(shù)據(jù)的管理與共享問題；開展地殼探測(cè)系統(tǒng)工程研究，推動(dòng)“地殼探測(cè)工程”的國(guó)家立項(xiàng)。

探測(cè)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(duì)于地球6400千米的半徑，顯得微不足道。地球的造山運(yùn)動(dòng)也會(huì)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)技術(shù)則可進(jìn)一步識(shí)別深部物質(zhì)的成分，地應(yīng)力測(cè)量技術(shù)則有助于了解現(xiàn)今地殼活動(dòng)性規(guī)律。

應(yīng)用前景

地殼探測(cè)是一個(gè)系統(tǒng)工程，是對(duì)地球復(fù)雜系統(tǒng)的科學(xué)探測(cè)。深部探測(cè)專項(xiàng)的實(shí)施，標(biāo)志著我國(guó)地球科學(xué)已經(jīng)進(jìn)入到深部探測(cè)時(shí)代。

盡管深部探測(cè)專項(xiàng)最主要的科學(xué)目標(biāo)是如何獲取并加深我們對(duì)大陸的結(jié)構(gòu)、動(dòng)力學(xué)和演化的理解，但是通過專項(xiàng)采集的數(shù)據(jù)和集成的研究成果將帶來眾多實(shí)際應(yīng)用和社會(huì)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(cè)專項(xiàng)的工作將直接為減輕和評(píng)估災(zāi)害提供有力數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)將提高我們對(duì)火山噴發(fā)的動(dòng)力作用和對(duì)地震產(chǎn)生原因的分析與認(rèn)識(shí)，從而提高我們預(yù)測(cè)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(cè)專項(xiàng)的數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)覆蓋全國(guó)，為在不同地區(qū)、不同機(jī)構(gòu)工作的深部探測(cè)科學(xué)家們帶來了寶貴的合作與交流機(jī)會(huì)，是全國(guó)地質(zhì)、地球物理、環(huán)境、教育、公共政策和資源評(píng)價(jià)等多部門多領(lǐng)域合作的一個(gè)極好機(jī)會(huì)。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(duì)“透明”的礦集區(qū)圖像，為地質(zhì)勘查、地下水資源評(píng)價(jià)、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。