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向地球深部進(jìn)軍的號角已經(jīng)吹響

深部探測示意圖

9月5日，全國國土資源系統(tǒng)科技創(chuàng)新大會在京隆重召開。此前，我國“十三五”科技創(chuàng)新的總體布局中已經(jīng)列入了“深地”探測的重要內(nèi)容，形成了挑戰(zhàn)自然極限的“深空”、“深地”和“深?！比髴?zhàn)略科技大布局，體現(xiàn)了建設(shè)創(chuàng)新型國家的大氣魄、大格局和大舉措，展示了我國將在“三深”領(lǐng)域從“跟蹤”到“并跑”，再到“引領(lǐng)”沖擊世界科技前沿的愿景。

2016年5月30日，習(xí)近平總書記在全國科技創(chuàng)新大會上指出：“當(dāng)前，國家對戰(zhàn)略科技支撐的需求比以往任何時期都更加迫切……從理論上講，地球內(nèi)部可利用的成礦空間分布在從地表到地下1萬米，目前，世界先進(jìn)水平勘探開采深度已達(dá)2500米至4000米，而我國大多小于500米，向地球深部進(jìn)軍是我們必須解決的戰(zhàn)略科技問題?！弊源?，向“地球深部進(jìn)軍”的號令已經(jīng)發(fā)出。

就在全國國土資源系統(tǒng)科技創(chuàng)新大會上，中國地質(zhì)調(diào)查局·中國地質(zhì)科學(xué)院·地球深部探測中心首席科學(xué)家董樹文對我國地球深部探測愿景進(jìn)行了解讀，本版特摘要刊出，以饗讀者。

1 需求：探索地球深部奧秘，是解決人類能源、資源和生存空間問題的必由之路

眾所周知，地球深部為人類生存發(fā)展提供了絕大部分的資源和能源，是維系萬物繁衍的物質(zhì)基礎(chǔ)，是重大自然災(zāi)害（地震、火山等）產(chǎn)生的根源。地球深部的物質(zhì)運(yùn)動和能量轉(zhuǎn)換與社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展、人類生存安全息息相關(guān)。然而，由于地球深部充斥著堅硬的巖石、處于高溫高壓極端環(huán)境，人類對地球深部的認(rèn)知還非常膚淺，遠(yuǎn)沒有達(dá)到對太空和深海的認(rèn)識程度。2010年，聯(lián)合國“國際行星地球年”將地球深部作為地球科學(xué)的最后前沿。因此，創(chuàng)新深地科學(xué)理論、發(fā)展深地探測技術(shù)，解釋地球深部奧秘，是解決人類面臨的能源資源和生存空間基本問題的必由之路。具體來看，當(dāng)前，探索地球深部奧秘的需求主要包括以下幾個方面——

需求1：地下空間的開發(fā)和安全利用是城鎮(zhèn)化發(fā)展新階段的必然要求。地下空間開發(fā)將改變城市發(fā)展方式，從地面擴(kuò)展到地下發(fā)展；將減少用地的硬性需求，提升城市功能需求的滿足度；向深度要空間，發(fā)展“地下城市”新模式；根除大城市詬病，科學(xué)利用地下空間；把地下建成最安全的屏障，保護(hù)人民生命和財產(chǎn)安全；建立地下空間資源、地下空間地籍管理的新概念。

需求2：我國地下含水層結(jié)構(gòu)探測仍然沒有完成，水資源短缺、地下水環(huán)境惡化，地下含水層評價迫在眉睫。目前，我國4000萬人嚴(yán)重缺飲用水；西北有1億多人口飲用苦咸水;或長期飲用“三高”水，健康嚴(yán)重受損。每年水災(zāi)造成人民生命財產(chǎn)損失上千億元。

需求3：向深部要資源能源，是提高資源儲備、緩解資源能源緊缺，保障國家資源安全和可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略選擇。目前，我國緊缺、戰(zhàn)略資源對外依存度普遍超過 50%，嚴(yán)重威脅國家經(jīng)濟(jì)安全；發(fā)明盾構(gòu)式采、選、運(yùn)、充一體化、智能化、無人化金屬礦產(chǎn)開采技術(shù)，實現(xiàn)深地金屬礦產(chǎn)無損、流態(tài)、綠色、低能耗輸運(yùn)，將固體金屬礦產(chǎn)開采轉(zhuǎn)變?yōu)槿碌牧飨噘Y源開發(fā)。

需求4：和諧社會發(fā)展對自然災(zāi)害預(yù)警和防治提出空前的需求。實現(xiàn)對地球靜態(tài)探測到對地球動態(tài)監(jiān)測的跨越；感知地球深部狀態(tài)變化，把握地球脈動；揭示成山、成盆、成災(zāi)的深部過程和機(jī)理；監(jiān)測大陸地震發(fā)震集中空間的應(yīng)力積累過程。

需求5：提高地球認(rèn)知，探索自然奧秘和解決資源環(huán)境重大問題的必然選擇。透視地球，增強(qiáng)對地球的認(rèn)知程度；揭示主要地質(zhì)單元、盆地、造山帶和活動帶的地殼結(jié)構(gòu)，了解大陸深部結(jié)構(gòu)與組成；研究地球深部作用對淺層資源能源的控制；探討巖石圈、水圈、生物圈和大氣圈相互作用與反饋；建立地球系統(tǒng)科學(xué)理論。

2 現(xiàn)狀：我國通過“地球深部探測計劃”項目的實施，有望達(dá)到國際先進(jìn)水準(zhǔn)

我國地球深部探測領(lǐng)域相對國際先進(jìn)水平存在“代差”（約30年左右），在探測技術(shù)、探測和利用深度、探測分辨率、探測程度上均存在明顯的差距。但是，我國正在奮起直追，有望通過”地球深部探測計劃“重大科技項目的實施，發(fā)揮后發(fā)優(yōu)勢和集成優(yōu)勢，到2030年達(dá)到國際先進(jìn)水準(zhǔn)，甚至領(lǐng)先水平。

地下空間探測與安全利用領(lǐng)域——地下空間利用在發(fā)達(dá)國家已有長足發(fā)展，新加坡、日本等的地下空間利用到了200米，我國總體上不足50米，國際上對地下空間的利用呈現(xiàn)多樣化趨勢。包括：地下交通、地下體育設(shè)施、地下排洪、地下軍事設(shè)施、地下實驗室等方面。國內(nèi)對地下空間的調(diào)查、開發(fā)利用整體上呈現(xiàn)地下地質(zhì)結(jié)構(gòu)不清、缺乏規(guī)劃、無統(tǒng)一規(guī)范、無嚴(yán)密論證的狀態(tài)。

歐洲和美國等上世紀(jì)80年代已經(jīng)完成地下水含水層評價，目前正在向地下水的監(jiān)測、綜合調(diào)控及信息化管理一體化方向發(fā)展。我國尚未系統(tǒng)開展全國地下含水層結(jié)構(gòu)探測，缺少國家應(yīng)急水源地規(guī)劃。

深部礦產(chǎn)資源探測與評價領(lǐng)域——國際資源勘查、開采先進(jìn)水平達(dá)到2000米，甚至4000米以深，我國固體礦產(chǎn)勘查和開采平均深度只有500米。目前，資源勘查走向深部全球在行動，許多國家紛紛成立機(jī)構(gòu)、設(shè)立重大探測項目、研發(fā)勘探技術(shù)、創(chuàng)新成礦理論。澳大利亞、加拿大等礦業(yè)大國完成了對重要成礦帶、礦集區(qū)的綜合探測、三維建模，取得了令人振奮的新認(rèn)識。我國在深部探測專項支持下，先后開展了長江中下游、南嶺等礦集區(qū)的綜合探測，但總體上仍存在較大差距。

目前，我國有30余座在產(chǎn)或擬建金屬礦山進(jìn)入800米以下深度開采，其中11座礦山達(dá)到1000米，最深不到1400米深度開采。國內(nèi)目前在建豎井深度1500米左右，“十三五“期間豎井建設(shè)深度即將達(dá)到1500~2000米。

我國在深部開采理論、技術(shù)、裝備方面與國際先進(jìn)水平尚較大差距。其中：國內(nèi)在1500米深度的開采技術(shù)不能滿足安全高效低耗開采需求；1500~2000米深度的開采技術(shù)存在瓶頸：大負(fù)荷高速提升裝備、深井災(zāi)害防控技術(shù)、卸荷開采技術(shù)、深井降溫技術(shù)等；國內(nèi)國外均缺乏1000萬噸/ 年級以上深井開采成套技術(shù)。

深部能源探測與利用（萬米以淺）領(lǐng)域——全球深層油氣勘探發(fā)現(xiàn)了一批大、中型油氣田（藏），深層油氣資源十分豐富，已成為全球油氣勘查的重要方向。我國塔里木、揚(yáng)子、華北是三大前寒武紀(jì)陸塊，中新元古界深層油氣系統(tǒng)具有類似的油氣地質(zhì)條件，潛力巨大，并已取得重要進(jìn)展，面臨理論和技術(shù)的挑戰(zhàn)。地?zé)豳Y源是未來的清潔能源，歐洲、美國在地?zé)岚l(fā)電技術(shù)和實用化方面領(lǐng)先于世界。

國內(nèi)庫車天然氣勘探已突破7500米，初步形成了萬億方前景，但仍有挑戰(zhàn)，庫車7500~10000米勘探潛力如何評價？塔里木臺盆區(qū)、四川及華北超深層油氣勘探有利區(qū)在哪？急需開展深層油氣勘探理論與技術(shù)研發(fā)。

地?zé)崮苜Y源探測與評價方面——目前，我國地?zé)釤崃鲾?shù)據(jù)不足1000個，美國約為4300個；我國深部3~10千米地?zé)豳Y源基數(shù)折合標(biāo)準(zhǔn)煤860萬億噸，美國折合標(biāo)準(zhǔn)煤482萬億噸（不包括黃石地區(qū)）；我國地?zé)岚l(fā)電僅為26.6MW，美國為3595.5MW（相差135倍）。未來10~15年，EGS投入商業(yè)性運(yùn)營；至2050年EGS將提供美國10萬兆瓦的基本負(fù)荷發(fā)電量。

在地?zé)崮苜Y源探測技術(shù)方面，世界平均干熱巖探測與開發(fā)深度均超過5千米，我國剛剛起步。法國、德國、澳大利亞、美國等國家已實現(xiàn)干熱巖裝機(jī)，法國實現(xiàn)了干熱巖發(fā)電。國外在高溫深地鉆探、儲層壓裂、井下?lián)Q熱、換熱工質(zhì)等方面已進(jìn)行了研究，我國這方面工作很少。深地探測技術(shù)是未來地?zé)崮荛_發(fā)主要面臨的難題，地?zé)岚l(fā)電和利用效率與深地探測技術(shù)緊密相關(guān)。

地球深部觀測與活動性監(jiān)測領(lǐng)域——目前，全球有近百個對地觀測網(wǎng)絡(luò)，實施2D/3D觀測與探測，逐漸發(fā)展為4D觀測與監(jiān)測（地下物質(zhì)、流體、物理性質(zhì)隨時間的變化）；利用深井對深部過程的觀測將成為人類對地觀測的新手段，如：前蘇聯(lián)科拉超深鉆，12262米；德國KTB，9101米，形成了對地直接觀測的窗口；我國完成了東海、汶川科鉆，松科二井（6400米），但尚未覆蓋全國的觀測網(wǎng)絡(luò)，井中觀測目標(biāo)單一、技術(shù)裝備落后。

當(dāng)前，人類對地球深部的探索正在發(fā)生重大戰(zhàn)略轉(zhuǎn)移，具體來說就是向二維—三維—透鏡、探測—觀測到觀測—監(jiān)測、結(jié)構(gòu)—過程—地球系統(tǒng)轉(zhuǎn)移。未來對地球深部直接觀測和實驗將成為固體地球科學(xué)和技術(shù)的制高點。

深部探測前沿技術(shù)與裝備領(lǐng)域——我國當(dāng)前的探測裝備和核心軟件幾乎全部依賴進(jìn)口。航空、海洋裝備，國外對我國全面封鎖。我國亟待突破深部探測關(guān)鍵儀器與裝備的核心技術(shù)；構(gòu)建航空—地面—深部—海域立體探測裝備技術(shù)體系；集成形成地下空間探測技術(shù)系列。實現(xiàn)深部探測裝備國產(chǎn)化、工程化，逐步全面替代進(jìn)口使我國在該領(lǐng)域進(jìn)入世界前列。

地球深部探測與地球深部過程領(lǐng)域——上世紀(jì)70年代，主要發(fā)達(dá)國家拉開了地球深部探測的序幕，先后實施了COCORP、 LITHOPROBE 、EUROPROBE 等重大探測計劃，在地球深部認(rèn)知、深部資源能源取得重大發(fā)現(xiàn)；我國自2008年開展了深部探測專項，歷時8年，取得過去30年取得的成就。

綜上，目前我國地球深部探測與國際先進(jìn)水平的主要差距是我國重要構(gòu)造單元、含油氣盆地、成礦帶尚未開展深部探測。未來應(yīng)增加深部探測數(shù)據(jù)，發(fā)展地球系統(tǒng)科學(xué)。

發(fā)展“入地”技術(shù)與裝備系統(tǒng)，形成“萬米透明”，“超深進(jìn)入”和“深地探測”體系。

從深部解決我國能源資源需求和城市發(fā)展空間等迫切問題，實現(xiàn)深度換空間，深部要資源。

揭示地球深部奧秘，到2030年，成為世界地球深部探測領(lǐng)域的“領(lǐng)跑者”。

3 使命：在世界地球深部認(rèn)知和深部探測領(lǐng)域從“跟蹤”走向“領(lǐng)跑”

中國深地研究團(tuán)隊認(rèn)為，中國的深地研究應(yīng)關(guān)注四大總目標(biāo)：

目標(biāo)1：到2030年，建立起我國復(fù)雜地球深部結(jié)構(gòu)高精度探測技術(shù)體系；實現(xiàn)以深度換空間，向深部要資源；完善地球系統(tǒng)科學(xué)理論體系。

目標(biāo)2：基本解決大中城市地下空間與安全利用問題，在新增建設(shè)用地年均負(fù)增長境況下，到2020年，城鎮(zhèn)化率達(dá)60%時，單位GDP建設(shè)用地下降20%；2030年，城鎮(zhèn)化率達(dá)70%時，單位GDP建設(shè)用地下降30%。

目標(biāo)3：礦產(chǎn)資源重點示范區(qū)勘查深度延伸到2000米和開采深度達(dá)到2000米，為我國重要礦產(chǎn)資源量翻一番提供支撐；深層油氣勘查深度達(dá)到10000米；開辟地?zé)嵝履茉础樾纬煞翘寄茉凑急?%能力提供技術(shù)支持。

目標(biāo)4：揭示深部結(jié)構(gòu)與物質(zhì)組成，大幅提升重大自然災(zāi)害預(yù)警能力；全面提升對地球深部的認(rèn)知，在地球深部探測能力和認(rèn)知水平領(lǐng)域領(lǐng)跑國際。

針對不同的任務(wù)和探測目標(biāo)，探測計劃分為四個深度層次：

層次1：近地表空間，聚焦地下空間利用問題，解決大中城市發(fā)展地下空間、特殊地下空間利用和含水層結(jié)構(gòu)等基礎(chǔ)問題。分批在京、津、滬、渝、穗、寧、漢等特大城市、30余省會城市和282個地級城市梯次開展地下空間三維調(diào)查、城市地下空間利用和全國含水層探測等示范，科學(xué)評估城市地下空間資源潛力和利用前景。

層次2：萬米能源資源，聚焦資源空間分布與勘查發(fā)現(xiàn)等問題，評價深層能源資源潛力，開辟地?zé)嵝履茉?。包括礦產(chǎn)資源第二找礦空間（-2000米）、深層頁巖油氣（大于3500米）；地下熱水系統(tǒng)（-2000米）；高溫地?zé)崽铮?000~6000米）和深層油氣（6000~10000米）。部署在主要成礦帶和含油氣盆地、國家級重點勘查區(qū)、特大油氣田和典型礦集區(qū)開展系統(tǒng)深部探測和“透明化”示范，開拓地?zé)崮茉匆?guī)?；门c發(fā)電示范。

層次3：透視地殼，指高分辨探測地殼的結(jié)構(gòu)與組成，解決成礦、成藏、成山、成盆、成災(zāi)的機(jī)制問題。完成國家級地殼結(jié)構(gòu)控制性的骨干剖面格架探測，區(qū)域性重磁探測等，揭示主要地質(zhì)單元、大型含油氣盆地、大型（跨境）成礦帶、造山帶和活動帶的地殼層次（30~40千米）的地質(zhì)結(jié)構(gòu)與組成。

層次4：地球深部探測，指完成覆蓋全國的天然地震測量陣列和天然大地電磁測深陣列布設(shè)與數(shù)據(jù)采集，探索地幔、地核結(jié)構(gòu)，該層次探測是解決地球淺層次各種地質(zhì)作用和過程響應(yīng)的深部動力學(xué)機(jī)理和形成規(guī)律問題，是實現(xiàn)巖石圈、水圈和生物圈各圈層相互作用、建立地球系統(tǒng)科學(xué)的關(guān)鍵。

向地球深部進(jìn)軍是人類挑戰(zhàn)自我極限的偉大壯舉，是建設(shè)創(chuàng)新型國家的重大舉措，更是國土資源事業(yè)重大的發(fā)展機(jī)遇。向地球深部進(jìn)軍是中國科技史，乃至世界科技史上的一件大事，必將推動世界地球科學(xué)發(fā)展，實現(xiàn)中國從世界地質(zhì)大國成為世界地質(zhì)強(qiáng)國的夢想。

（信息來源：中國地質(zhì)調(diào)查局，中林設(shè)計整理，轉(zhuǎn)載注明出處）