地球深部探測專項

人類通過打鑽直接瞭解的地下深度僅有12公里，相比6378公里地球赤道半徑，科學家對地球深部的認識仍“很膚淺”。隨着中國工業化、城鎮化速度加快對資源需求急速增長，地表或淺層礦產發現的機會越來越小，資源勘查走向深部成為必然。

歐美等國均早已開展了“入地”計劃。20世紀80年代，美國、歐洲、加拿大先後發起了地殼探測計劃（COCORP）、歐洲探測計劃（EUROPROBE）和岩石圈探測計劃（LITHOPROBE）。美國從1970年開始實施，現已進入第二輪地殼探測。通過第一輪探測，美國製作出了美洲大陸6萬公里地殼的反射地震剖面。而中國通過該方法完成的剖面只有4500公里，是美國的1/15，英國的1/8，俄羅斯的1/5。

進入21世紀，地球科學的發展對地球深部數據的依賴程度越來越高，深部探測水平的落後是中國地學研究水平、資源探測技術、災害預報能力落後的重要原因。

開展地球深部探測工程的目的在於揭示中國大陸岩石圈結構、活動過程與動力學機制，把握地殼活動脈搏，開闢深層找礦新空間，為國家安全瞭解深部物性參數，為實現能源與重要礦產資源重大突破、提升地質災害監測預警能力提供全新科學背景和基礎信息，全面提升地球科學發展。

在2009年4月22日第四十個“世界地球日”當天，由國土資源部組織實施的《地球深部探測技術與實驗研究專項》（簡稱“地球深部探測專項”）正式啓動，標誌着我國地球深部探測的“入地”計劃拉開序幕。

中國地形上的三個台階是如何形成的，礦產資源的分佈規律如何，地震災害頻發的原因何在……集中了國內118個機構、1000多位科學家和技術專家的中國地學界“集結號”開始從大陸的深部尋找答案。 ^[1] 

地球深部探測專項設8個項目：

（1）大陸電磁參數標準網實驗研究，

（2）深部探測技術實驗與集成，

（3）深部礦產資源立體探測及實驗研究，

（4）地殼全元素探測技術與實驗示範，

（5）大陸科學鑽探選址與鑽探實驗，

（6）地應力測量與監測技術實驗研究，

（7）岩石圈三維結構與動力學數值模擬，

（8）深部探測綜合集成與數據管理。

該專項承擔單位包括中國地質科學院及地質研究所、礦產資源研究所、地球物理地球化學勘查研究所、地質力學研究所，中國地質大學（北京）、中國科學院研究生院、中國科學院地質與地球物理研究所、中國地震局地殼應力研究所、安徽省國土資源廳等單位。 ^[2] 

地球深部探測專項的核心任務和總體目標是：圍繞《地殼探測工程》的全面實施，解決關鍵探測技術難點與核心技術集成，形成對固體地球深部層圈立體探測的技術體系；在不同自然景觀、複雜礦集區、含油氣盆地深層、重大地質災害區等關鍵地帶進行試驗、示範，形成若干深部探測實驗基地；解決急迫的重大地質科學難題熱點，部署實驗任務；實現深部數據融合與共享，建立深部數據管理系統；積聚、培養優秀人才，形成若干技術體系的研究團隊；完善《地殼探測工程》設計方案，推動國家立項。

中國在深部探測方面與國外的差距明顯，為加快進度，專項經費中拿出30%用於核心技術裝備的研發，以期打破國外長期對高端設備的壟斷格局，促使中國深部探測儀器裝備通過自主研發部分佔據國際領先地位，也為後續地殼探測工程的全面實施提供支撐。

作為地殼探測工程先導計劃，地球深部探測專項於2012年結束。2011年下半年，專項將進入為兩年後的地殼探測工程立項申報和全面實施作前期準備階段。

深部探測專項第二項目即深部探測技術實驗與集成項目的負責人、中國地質科學院地質研究所研究員高鋭給深部探測打了一個通俗易懂的比喻：它可以形象地被比喻為給地球“做CT”，就是切開地球的地殼和上地幔，取得橫切片和縱切片。

可以切開地殼上地幔的技術目前國際上主要使用地球物理方法，包括人工源和天然源兩種場源。相對來説，人工源探測精度高一些，天然源探測深度大些。由於中國大陸發育是世界上最複雜的地質地貌條件，只有通過實地方法和技術實驗使技術取得突破，才能獲得適於中國大陸特點的技術組合，去切開地殼上地幔。因此，深部探測專項在培育階段重點試驗了這兩類手段。

成果彙報中介紹了深部探測實驗取得的全國三維大地電磁（MT）參數標準網、標準點立體實驗與研究、大地電磁（MT）實測數據起伏地形三維反演技術等十大技術進步。其中，深部探測專項所實施的全國三維大地電磁（MT）“標準點”陣列觀測技術，考慮了所獲取的地下介質電性參數的“標準化”問題，而美國測網觀測沒考慮標準化問題。對此，國際著名電磁領域專家Alan G.Jones教授稱：“這是一個了不起的規劃！你們在數據採集、處理、分析以及建模等多方面處於世界前列。”同時，項目首次在華南花崗岩覆蓋區開展了大地電磁三維探測與反演實驗，自主開發了大地電磁三維反演技術，實現了三維反演系統的實用化，推動了大地電磁三維探測及三維數據反演技術的進步。

在取得的技術進展中，有一項尤其奪人目光：在2008年深部探測專項啓動前，我國深地震反射剖面總長僅約5000千米，相當於美國的1/12。而過去5年中，專項通過適用我國複雜地質地貌條件的深地震反射剖面採集技術，完成了6000千米“穿透地殼”的深地震反射剖面，超過了此前50年完成的總和，使我國深地震反射剖面總長達到11000千米，我國從此步入全球深地震反射探測超萬千米大國行列。該技術的優勢在於容易與石油地震剖面銜接，突破淺深分開探測的傳統，具有潛在經濟效益。專項首席科學家、中國地質科學院副院長董樹文説，獲取深地震反射剖面，有利於我們瞭解地球的結構與組成，在資源勘探、環境保護和防災減災方面具有重要的科學意義。 ^[3] 

熟悉地質工作的人都知道，過去野外地質工作者都會隨身挎一個揹包，裏面裝着他們必備的“三件寶”——地質錘、放大鏡、羅盤。但是隨着礦產資源勘探以及地球科學研究向深部邁進，這傳統的“老三樣”已經遠遠不能滿足需要。

如何讓探測實現更深、更遠的目標？從某種意義上説，自主裝備起着決定性作用。“我國在深部探測方面與國外的差距明顯，為了加快進度，在購置一大批國際領先設備的同時，我們不能放棄自主研發一些關鍵技術裝備。”董樹文説。為此，專項投入3億元用於設備研發，旨在為後續地殼探測工程的全面實施提供支撐。　深部探測技術與實驗研究專項中的第九項——深部探測關鍵儀器裝備研製與實驗項目負責人、吉林大學教授黃大年表示，作為專項的新增項目，裝備組在啓動以來的3年中，通過突破和掌握核心技術，研發出大功率、高效率、高精度和高性能的地震勘探系統、電磁勘探系統、無人機探測系統、超深鑽探裝備和深探軟件平台等大型探測儀器裝備，取得了優於預期的進展成果。

在無人機探測裝備技術方面，美國、英國和加拿大已經比較成熟並且成果顯著，但是，該技術對華嚴格封鎖。我國的無人機探測技術研究尚處於起步階段。深部探測專項研發的航空用氦光泵磁力儀和超導磁力儀樣機，掌握了核心傳感器研發技術，性能指標達到國際同類產品先進水平；研發的無人機自控飛行系統和低磁無人機探測集成系統，整機性能測試滿足實用要求，填補了國內空白；完成了高、低空無人機航磁探測系統性能測試和超導無人機裝配，性能指標均達到國際先進水平。

地面電磁探測裝備技術方面取得的進展包括感應式磁傳感器突破了極低頻微弱信號檢測電路、磁芯和線圈設計與加工工藝等關鍵技術，技術指標與國外同類產品相當；自主研製了雙交直變頻的大功率發射機，性能達到國際同類產品技術指標等。另外，無纜自定位地震勘探系統在數字存儲器、長時存儲器裝置、寬頻地震儀低頻檢波器和1萬牛頓的電磁可控震源等方面都取得了顯著進展。

在地下探測方面，最容易理解、也是最引人關注的恐怕要數“超級科學鑽”。

對於人們看不見也摸不着的地下深處，目前直接的手段是往深部鑽探。科學鑽探可通過鑽探和全程取芯，直接獲取地球深部信息，因此被形象地譽為“入地望遠鏡”。前蘇聯用了近20年的時間完成科拉超深科學鑽，達到1.2萬米的深度。深部探測專項中的科學家通過對全液壓頂驅動、仿生鑽頭等裝置的攻關獲得的我國首台自主研發和生產的萬米超深科學鑽探裝備已於2011年問世。據介紹，這台鑽機所有部件均實現國產化，整套裝備高達60米、重1000噸、佔地約1萬平方米。

“有了利器，我們才可以與世界同行，讓世界矚目中國。”董樹文表示，該鑽機在深部鑽探全液壓鑽機整機設計理論、裝備製造及配套鑽具研製、數字化設計、智能化與自動化鑽進裝備等領域實現了重大突破。

除了硬件外，深部探測專項在軟件研發方面也取得了不同程度的進展。據黃大年提供的資料顯示，項目正在研發的地球物理綜合分析軟件平台系統具備高端產品的功能和性能特徵，已經進入針對深探數據的測試和調試階段。

我國是資源大國，礦產資源年開採量達60億噸，有力地支撐着經濟社會的發展。但是，隨着我國經濟的高速發展，在需求不斷增加的同時，礦產資源儲備也在急劇下降。能源安全成為制約我國經濟可持續發展的最大瓶頸。而一直以來我國對礦產資源勘探的平均深度只有400米，且這一水平的礦產資源幾乎已開發殆盡。尋找地下成礦位置的玄機，突破深部“第二找礦空間”，加大深部勘查成為必然。

有這樣兩個例子再次向我們證明了“向深部要資源”的必要性：在美蘇爭霸的年代，耗資上百億美元的地心競賽使美國人創造性地在山脈之下發現了油田，而前蘇聯人除了找到深部油氣資源外，還發現了深部生物和淡水；深部探測使加拿大和澳大利亞在最近20年來始終保持着世界資源勘探大國的地位。顯然，尋找深部資源已經成為全球礦產勘查的大趨勢。

“深部探測將揭示地下精細結構與組成，科學深井的實施將大大提高對深部地層、沉積、烴原巖的認識，有利於更全面、客觀地探索地球深層油氣勘探潛力，為開闢深層能源與重要礦產資源遠景提供科學依據。”董樹文和李廷棟2009年7月發表在《地質學報》上的一篇關於中國深部探測實驗的論文中明確指出了實施深部探測將會對開闢資源空間帶來的意義。如今看來，他們的預期已經達到了。

在成果彙報會上，地球深部探測專項第三項目即深部礦產資源立體探測技術及實驗項目負責人、中國地質科學院礦產資源研究所研究員呂慶田向與會人員彙報了項目在深部資源勘探方面的進展：使用現代岩石圈探測新技術“廊帶式”綜合探測方法，揭示了陸內成礦帶深部動力學過程與岩漿系統結構，詮釋了陸內成礦的深部過程；通過礦集區3D結構探測，揭示成礦地質體3D空間分佈；通過探測揭示了礦集區結構框架，初步實現三維“透明”探測；利用反射地震和鑽孔資料約束，初步獲得廬樅盆地3D地質結構，揭示了主要地質體空間分佈 ；在銅陵礦集區，通過3D探測與建模，解釋了主要控礦地層和巖體空間分佈，對尋找深部礦意義重大；通過深部找礦技術創新了廬樅盆地綜合成礦模式，豐富並證實了“五層樓+地下室”鎢礦綜合成礦模式；大面重磁測量，發現一批重磁找礦異常，為深部找礦提供了重要信息等。

“深部資源探測所取得的進展的應用前景在於，將極大深化對19個成礦帶深部成礦過程的認識，為建立大陸成礦體系提供重要深部信息，促進47個整裝勘查區的深部找礦突破。”呂慶田總結了上述進展對“找礦突破戰略行動”的重要現實意義。

此外，深部探測和科學鑽探發現了一批對找礦突破具有戰略性指導意義的線索：首次確認了含鉻鐵礦高壓蛇綠岩套新類型，為鉻鐵礦找礦突破提供了新方向；發現並圈出北方巨型的稀土元素地球化學異常塊體，指示了超大型礦牀的突破空間；穿透大慶盆地在含油的白堊紀盆地之下發現殘存的沉積盆地，為“大慶之下找大慶”提供了戰略依據；在廬樅火山岩鐵流礦集區，發現了深部正長巖上百米厚鈾元素富集帶，為深部找鈾、重新認識火山岩型成礦體系和建立成礦模式提供了重要依據。

地球物質成分包含元素週期表中的90個元素，它們被稱為地球的基因。礦產資源是由這些元素組成的，生態環境是受這些元素及其化合物影響的。對地殼全部元素進行探測，建立化學地球是解決資源與環境可持續發展的必然選擇。

“化學地球就是將元素週期表繪製在地球上。”地球深部探測專項第四項目即地殼全元素探測技術與試驗示範項目負責人、中國地質科學院物化探所研究員王學求介紹道，通過部署1個網、3條帶、10個礦區的地球化學探測項目，科研人員取得了多項技術創新或技術進步：創新性地發展了地殼全元素精確分析系統，首次實現對81個指標（含78個元素）的高精度分析，居於國際領先水平；隱伏礦深穿透地球化學探測理論與技術取得原創性成果；發展了針對中國大陸特點的中下地殼物質成分識別方法體系；應用平台研製了“化學地球”軟件，為全球海量地球化學數據與圖形顯示與管理提供了展示平台。 ^[3] 

在項目實施過程中，王學求研究團隊在河南400米蓋層覆蓋的隱伏銅鎳礦和新疆幾十米蓋層覆蓋的隱伏金礦上方，觀測到地氣中和土壤顆粒中的納米級金屬微粒。這一重大發現表明，成礦元素納米級微粒可以遷移至地表，並可被地表土壤地球化學障所捕獲。這為深穿透地球化學遷移機理和含礦信息精確分離提取提供了重要證據，對利用地表化探異常尋找深部隱伏礦產意義重大。該成果在第25屆國際應用地球化學學術會議上受到高度評價，“納米金屬微粒的發現是一項創新性成果，對覆蓋區礦產勘查具有深刻影響，為其他人的研究和全世界的應用提供了實證。”

此外，項目還建立了覆蓋全國的地球化學基準網，在實現首次製作出全國稀土元素地球化學基準圖，圈定盆地砂岩型鈾礦找礦遠景區等重大新發現、新進展的同時，提供了全國範圍根據U、Th、K含量計算的地面1米高度大氣放射性劑量率，為監測未來人為因素導致放射性污染注入量提供了定量參照基準。在環境污染以及預測未來變化方面，項目還發現了全國重金屬元素污染持續加劇以及CaO與酸雨分佈密切相關的事實。

“無論是從手標本到顯微再到納米，還是從礦牀到區域再到全球，該項目的實施將人類認識地球化學元素分佈的進程向前推進了一大步。”王學求在報告中對深部探測與地球化學工作做出如上總結。

地震、滑坡、火山、泥石流……地球不時地以各種形式向人們展示着它令人難以捉摸的“脾氣”。

我國是地災頻發的國家，汶川大地震、唐山大地震等給人們帶來重大災難和損失。當面對突如其來的災難時，我們才發現對腳下這片大地的“脾氣”還知之甚少。“地質災害頻發要求深部探測解釋成災機理和過程，為高精度的預警預報提供理論依據。”李廷棟説。

減輕地質災害是地質科學的一項重要任務。地球深部探測專項第七項目即岩石圈三維結構與動力學數值模擬項目負責人、中國科學院研究生院院士石耀霖以地震為例，在成果彙報會上為與會人員介紹了項目的進展情況。　通過借鑑氣象預報的經驗，他認為，地震預報也應該是從基於前兆的經驗預報到基於物理機制的數值預報再到關鍵物理量——應力預報。石耀霖曾在接受媒體採訪時表示，“數值預報可以吹響‘起牀號’了，但是吹響‘進軍號’還不到時候。”他分析説，地震預報要搞數值預報，從技術上有5個關鍵環節：對物理規律的認識、解方程的能力、建立結構物性模型、初始條件和邊界條件。“我們不知道初始應力狀態，也無法計算絕對值。”石耀霖説，初始應力必須來自觀測，“因此，應力觀測系統必須有國家級的部署，地殼深部探測計劃應該發揮獨特的作用。”

據成果彙報顯示，歷經5年，通過項目的實施，研究人員在青藏高原東南緣共建立了28個應力應變監測台站，初步構建了該地區局域地應力監測網絡。監測數據通過網絡實時傳輸至位於北京的地應力監測數據中心，積累的大量監測數據為地震預測研究提供了寶貴的基礎資料。項目利用新型壓磁應力監測技術和儀器設備，在北京平谷地應力監測台站記錄到日本“3.11特大地震”前後應力和水位的變化，為從地應力角度研究地震的孕育和發生提供了重要資料。在演示實驗方面，項目研製的650℃、100MPa流動反應實驗系統，達到目前國際最新實驗水平。在計算模擬平台方面，項目建設的超大規模四維體數據並行可視化平台系統，具有大規模運算、複雜難題計算速度快的特點。

在地球深部探測專項中，首次建立了青藏高原東南緣現今深孔地應力監測區域網，自主研發的新型檢測裝備，取得了高質量深井地應力測試數據，探索了原地應力隨深度變化規律；建立了亞洲最大規模的地球動力學數值模擬平台，實現了全球、區域、局部尺度的三維地球模擬，為我國地殼活動監測和地震預警提供了新的技術路線。

技術創新、裝備研發、資源發現、化學地球、地質災害，深部探測專項用5年的實際行動向國人呈現了一幅氣象非凡的圖景，為我國從地質大國走向地質強國奠定了堅實基礎。自此，“上天、下海、入地”，人類挑戰自然的三大壯舉，被我們一一寫在了歷史的畫卷上。

地球深部探測專項是地殼探測工程的培育性項目，地殼探測工程才是終極目標。李廷棟對本報記者説：目前，我國地學界專家寄希望於我們，國外地學界的專家帶着羨慕的眼光關注着我們。憑藉我國特殊的地質條件和區位優勢，在我國已獲得的技術經驗和裝備水平的基礎上消化吸收國外成功經驗，經過5年、8年或者10年的時間，我國地球深部探測一定能夠後來居上，走在世界的前列。 ^[3]