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地质学家揭开地球深处藏着哪些秘密

来源:科技日报时间:2013-05-09

地球内部构造

地球内部构造

  深部探测技术与实验研究专项2012年度成果汇报交流会近日在京举行。这个由来自118个科研机构的1500多名专家参与、历经5年的项目,是目前实施的规模最大的地球深部探测计划,也是一把叩开地球“神秘大门”的钥匙。地球深处到底藏着哪些秘密?深部探测这双“眼睛”又看到了哪些“风景”?

  人类对地球深部认识“很肤浅”

  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公里的地球赤道半径,科学家对地球深部的认识仍“很肤浅”。地球内部的构造,由外而内分别是3个同心球层,即地壳、地幔和地核。大陆地壳平均厚度约30—40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厚约200公里,这就是漂移的板块。地幔之下,才是由铁、镍等物质组成的高温地核。

  至于多深才能称之为“深部”,深部探测专项首席科学家、中国地质科学院副院长董树文说,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的程度。上世纪80年代,欧洲、加拿大也先后发起了欧洲探测计划和岩石圈探测计划。

  虽然经过建国后几十年的发展,但我国的地下研究几乎还是一片空白,地震、火山等地质灾害大多只能进行灾后救援,灾前束手无策。当然,这也是全世界共同的难题。资源缺口凸显、地质灾害频发与地球科学相对落后并存的局面,使开展深部探测工程的诉求日益强烈。

  2008年,在财政部、科技部支持下,国土资源部正式启动《深部探测技术与实验研究》专项,作为《地壳探测工程》的培育性计划,时限2008—2012年,专项总经费11.17亿元, 2013—2014年专项续作经费1.37亿元,总经费12.54亿元。

  “十八大报告提出我们要建设美丽中国,我想美丽中国应该是这样的: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。”深部探测专项技术负责人、83岁的中国科学院院士李廷栋在接受本报记者采访时如是说。

  深部探测专项给地球做全面“体检”

  地下深处人们看不见、摸不着,研究起来难度很大。虽然地球的造山运动会把深部物质带到地表,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。

  “深部探测专项”包括9个子项目,其中建立中国大陆电磁参数标准网,被中国地质科学院地质研究所研究员高锐形象地称为“给地球照CT”,即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,高锐说,切开地壳上地幔的技术目前国际上主要使用两种方法,包括人工源和天然源。相对来说,人工源探测精度高些,天然源探测深度大些。由于中国大陆拥有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。因此,深部探测专项在培育阶段重点试验了这两类手段。

  高锐介绍,深部探测实验取得全国三维大地电磁参数标准网、标准点立体实验与研究、大地电磁实测数据起伏地形三维反演技术等十大技术进步。该项目还研发了远程监控宽频地震观测新技术——切到地幔深部技术。

  他说,宽频地震观测好比医学的听诊器,是将地震计放入地下记录地球的活动信息,经过数据处理得到地下结构图像,特点是观测深度可达670公里上地幔深度,观测时间一般1—2年。

  通过一系列技术,科研人员成功穿透我国大陆岩石圈(100—200公里)、地壳(30—70公里)不同层次,获取多重物性参数。从数据采集、信号提取到成像技术流程、“地壳CT”探测结果被国际同行认可。

  “深部专项实施之前,我国深反射地震剖面总长约4800公里,仅相当于美国的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。”高锐说。

  “超级钻”等自主装备成探测“利器”

  目前最直接的探测地球深部的手段是科学钻探。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”。苏联用了近20年的时间完成科拉超深科学钻,达到1.2万米的钻探深度。

  在深部探测专项中,科研人员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60米、重1000吨、占地约1万平方米。

  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。

  深部探测专项安排了3亿元人民币用于装备研发。董树文认为,中国深部探测与国外差距明显,工作空白很多,“我们不能放弃自主研发一些关键设备”。

  地壳深部探测工程迫切需要重型探测装备技术,项目科研人员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。

  “科研人员将进一步完善和规范管理指标、技术配备、人员训练和工程管理协调,以稳健务实的科学态度,迅速提升我国重型深部探测装备研发的技术水平,为我国开展地球深部探测和深部找矿战略计划提供有效的技术支撑。” 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。

  成果将用于找矿、地质灾害预测等方面

  为找矿突破战略服务


  “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。深部探测专项为我国找矿工作提供了重要依据。中国地质科学院矿产资源研究所研究员吕庆田说,深部资源探测所取得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。

  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。

  为人为因素导致放射性污染注入量提供定量参照基准

  深部探测的另一重要内容是,将元素周期表“画”在地球上。据了解,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。

  中国地质科学院物化探研究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和技术进步,如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。该项目还建立了覆盖全国的地球化学基准网,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。

  同时,还提供了全国范围根据U(铀)、Th(钍)、K(钾)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。

  应力监测为地震预报服务

  减轻地质灾害是地质科学的一项重要任务。中国科学院研究生院院士石耀霖认为,通过借鉴气象预报的经验,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。

  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。初始应力必须来自观测,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。”

  历经5年,该项目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,积累了大量监测数据,为地震预测研究提供了宝贵的基础资料。

  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。(记者 操秀英)

  《科技日报》(2013-5-8 七版)