地球深部探测 减轻地质灾害

■孙雨婷

2011年7月27日，江苏东海县“亚洲第一大井”中国大陆科学钻探工程长期观测站。

“深部探测技术与实验研究专项（2008-2012）”是我国“地壳探测工程”的培育性研究计划。目的在于揭示中国大陆岩石圈结构、活动过程与动力学机制，把握地壳活动脉搏，开辟深层找矿新空间，为国家安全了解深部物性参数，为实现能源与重要矿产资源重大突破、提升地质灾害监测预警能力提供全新科学背景和基础信息，全面提升我国地球科学发展。

计划背景

迄今，人类通过打钻直接了解的地下深度仅有12公里，相比6378公里地球赤道半径，科学家对地球深部的认识仍“很肤浅”。随着中国工业化、城镇化速度加快对资源需求急速增长，地表或浅层矿产发现的机会越来越小，资源勘查走向深部成为必然。

欧美等国均早已开展了“入地”计划。上世纪80年代，美国、欧洲、加拿大先后发起了地壳探测计划（COCORP）、欧洲探测计划（EUROPROBE）和岩石圈探测计划 （LITHOPROBE）。美国从1970年开始实施，现已进入第二轮地壳探测。通过第一轮探测，美国制作出了美洲大陆6万公里地壳的反射地震剖面。而中国现在通过该方法完成的剖面只有4500公里，是美国的1/15，英国的1/8，俄罗斯的1/5。

当今地球科学的发展对地球深部数据的依赖程度越来越高，深部探测水平的落后是中国地学研究水平、资源探测技术、灾害预报能力落后的重要原因。

开展地壳探测工程的目的在于揭示中国大陆岩石圈结构、活动过程与动力学机制，把握地壳活动脉搏，开辟深层找矿新空间，为国家安全了解深部物性参数，为实现能源与重要矿产资源重大突破、提升地质灾害监测预警能力提供全新科学背景和基础信息，全面提升地球科学发展。

在2009年4月22日第四十个“世界地球日”当天，由国土资源部组织实施的《地球深部探测技术与实验研究专项》正式启动，标志着我国地球深部探测的“入地”计划拉开序幕。

中国地形上的三个台阶是如何形成的，矿产资源的分布规律如何，地震灾害频发的原因何在等问题，集中了国内118个机构、1000多位科学家和技术专家的中国地学界“集结号”开始从大陆的深部寻找答案。

总体目标

“地壳探测工程”是我国科学家历时6年构思、策划的重大科学计划，而“深部探测技术与实验研究专项（2008-2012）”是“地壳探测工程”的培育性研究计划。

深部探测专项的核心任务和总体目标是：围绕《地壳探测工程》的全面实施，解决关键探测技术难点与核心技术集成，形成对固体地球深部层圈立体探测的技术体系；在不同自然景观、复杂矿集区、含油气盆地深层、重大地质灾害区等关键地带进行试验、示范，形成若干深部探测实验基地；解决急迫的重大地质科学难题热点，部署实验任务；实现深部数据融合与共享，建立深部数据管理系统；积聚、培养优秀人才，形成若干技术体系的研究团队；完善《地壳探测工程》设计方案，推动国家立项。

中国在深部探测方面与国外的差距明显，为加快进度，专项经费中拿出30%用于核心技术装备的研发，以期打破国外长期对高端设备的垄断格局，促使中国深部探测仪器装备通过自主研发部分占据国际领先地位，也为后续地壳探测工程的全面实施提供支撑。

作为先导计划，专项将于2012年结束。2011年下半年，专项进入为两年后的地壳探测工程立项申报和全面实施作前期准备阶段。

研究内容

深部探测专项设立了大区域地下物理性质、化学组成的背景探测、深部探测技术实验与集成、深部矿产资源立体探测及试验研究、地壳全元素探测技术与试验示范、大陆科学钻探选址与钻探试验、地应力测量与监测技术实验研究、岩石圈三维结构与动力学数值模拟、深部探测综合集成与数据管理8个子项目。

大区域地下物理性质、化学组成的背景探测。（1）大陆电磁参数标准网实验研究：拟建立我国大陆电磁场标准观测网，创立大陆岩石圈地球物理参数三维结构基准模型的构建方法、技术流程和技术标准。（2）地壳全元素探测技术与实验示范：建立我国79种自然元素分布的地球化学基准网和穿透性地球化学技术体系，解决我国环境地球化学本底和区域背景值，探讨深部找矿的元素深穿透机理。

深部探测技术实验与集成。以建立深地震反射技术为先导，采用主动震源和被动震源探测技术体系，联合采集不同结构地壳和岩石圈深部界面和速度，整合适应不同大地构造背景的深部探测技术组合。

深部矿产资源立体探测技术及实验研究。重点解决重要矿集区深部立体探测关键技术，建立矿集区3D地质-地球物理模型，揭示深部控矿因素，追踪控矿构造的深部延伸，阐明成矿机理，最终突破深层找矿的理论和技术瓶颈。

大陆科学钻探选址与钻探实验。通过科学钻探选址与预导孔技术实验，验证地球物理探测结构，建立深部探测解释标识；在关键地质部位和矿区实施深部直接取样，解决深部地质结构、组成和资源潜力等问题。

地应力测量与监测技术实验研究。发展具有自主知识产权的地应力测量及监测技术和设备，以支持我国地表应力变化的实时监测系统的建立；对中国大陆范围内的关键构造地域实施系统的地应力测量与实时监测，查明地应力的赋存状态及其变化规律。

岩石圈三维结构与动力学数值模拟。建立覆盖我国重点区域的岩石物性参数数据库；建立我国和重点地区的数百万单元网格计算模型，开展数值模拟，对我国大陆和邻区岩石圈动力学过程的时空特征与控制机理进行大规模模拟。

深部探测综合集成与数据管理。综合集成不同层次地壳物质与结构探测的多源信息和数据，从时间深度上辨别地质历史的烙印，恢复地质作用的历史过程；建立主体数据库，解决深部探测海量数据的管理与共享问题；开展地壳探测系统工程研究，推动“地壳探测工程”的国家立项。

探测过程

地下深处人们看不见、摸不着，研究起来难度很大。目前最直接的手段是往深部钻探，但世界上最深的一口钻井仅仅打入地下12千米的深处，相对于地球6400千米的半径，显得微不足道。地球的造山运动也会把深部物质带到地表上，但这类证据毕竟非常稀少。随着技术的发展，人们已经可以利用地震、重力、电磁等现代地球物理的探测方法，了解地球深部的物理性质。

地球的基本物理性质包括磁性、导电性、密度、热导率等，探测天然大地电磁可以获知地下深部的电导率和磁性参数，人工地震技术探测岩石弹性波参数，高精度近垂直深反射地震技术可获取深部结构信息，深穿透地壳全元素探测技术则可进一步识别深部物质的成分，地应力测量技术则有助于了解现今地壳活动性规律。

应用前景

地壳探测是一个系统工程，是对地球复杂系统的科学探测。深部探测专项的实施，标志着我国地球科学已经进入到深部探测时代。

尽管深部探测专项最主要的科学目标是如何获取并加深我们对大陆的结构、动力学和演化的理解，但是通过专项采集的数据和集成的研究成果将带来众多实际应用和社会效益。

减轻地质灾害：西南三江地区和华北平原是地震、火山和滑坡灾害的多发地区。深部探测专项的工作将直接为减轻和评估灾害提供有力数据。这些数据将提高我们对火山喷发的动力作用和对地震产生原因的分析与认识，从而提高我们预测地震减小地质灾害链危害的能力。

资源开发与管理：深部探测专项的数据采集网络覆盖全国，为在不同地区、不同机构工作的深部探测科学家们带来了宝贵的合作与交流机会，是全国地质、地球物理、环境、教育、公共政策和资源评价等多部门多领域合作的一个极好机会。高精度深地震反射技术将给出大陆地壳和沉积盆地的精细构造，矿集区立体填图将给出相对“透明”的矿集区图像，为地质勘查、地下水资源评价、矿产资源、能源等更广泛的综合研究领域提供难得的、宝贵的研究资源。

科普、教育和社会化推广：随着社会对地震、火山、资源和环境问题的关注，正在起步的、以科学探测为基础的深部探测专项计划，是全面加强地学教育的天然工具。深部探测专项鼓励和推动学生参与地质调查、使用真实的探测数据进行科学研究和理论学习。此外，由于深部探测专项将在我国不同地区建立起科学探测的设施，科普教育与推广活动将延伸至社区。通过让公众参与地学研究，深部探测专项将大大推进他们对地学在提高人类生活环境和生活质量方面所发挥的作用的认识。