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深部探测技术与实验研究专项管理办公室
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走进地学研究的新纪元
——深部探测技术与实验研究专项启动

在人类向太空发展,实施新一轮太空计划,中国“神舟7 号”载人航天飞船、“嫦娥”探月工程圆满成功之时,中国地球科学家不得不面对这样一个现实:对人类赖以生存的地球内部了解的太少,直接钻探深度只有12km,涉及的仅仅是地球的表皮。可谓上天不易,“入地”更难。地球是人类居住的唯一场所,为人类提供了生命必需的粮食、水,和生活必须能源和矿产资源;同时也常给人类带来诸如火山、地震、海啸等灾难。通过深部探测,了解地下的物质、结构和动力学过程,不仅是人类探求自然奥秘的追求,更是人类汲取资源、保障自身安全的基本需要。近百年来,各国的地球科学家一直不断地进行探索,我国科学家也意识到必须开展中国的地球深部探测计划,才能解决面临的重大资源环境问题,才能全面实现地球科学的创新和发展。最近,国家启动“深部探测技术与实验研究”专项(英文简写SinoProbe),标志了我国地球科学的深部探测计划拉开帷幕。该专项的总体任务是,为全面开展我国地壳探测工程做好关键技术准备,解决关键探测技术难点与核心技术集成,形成对固体地球层圈立体探测技术体系;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,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。

一、国内外现状

二十一世纪初,人类向太空发展更加速猛,以美国、俄罗斯为首的全球新一轮深空探测和月球探测计划正在全面实施,欧洲“伽俐略”计划的实施将打破美国全球导航的垄断地位,日本、中国和印度等国也跻身太空竞争的大家庭。我国的“北斗”卫星导航系统已经奠定基础,“神州5号”、“神州6号”载人飞船成功升空并安全返回地球,“嫦娥1号”绕月卫星成功发射开启了我国“探月工程”征程,中国正在走向航天大国。然而,在登天从月球到火星,再到金星,甚至更远的时代,人们不得不面对这样一个现实:我们对人类赖以生存的地球却了解太少,从认知角度看,远不及对太空的认识程度。迄今对地球深部的钻探最深只有12km,对地球深部探测的投入实在太少。但是,不了解地球岂能了解宇宙?解决人口、资源和环境的问题首先必须立足地球,这个道理几乎没有人怀疑!

2008年被联合国定为“行星地球年”,呼吁全世界从行星系统角度关爱惟一具有生命的地球,重新重视地球科学,保障资源供应,保护生态环境,支持脆弱的生命系统。为此,负责组织“行星地球年”的国际地质科学联合会(IUGS)、联合国科教文组织(UNESCO)从战略高度提出:进军我们最后的前沿——地下的物质与结构,呼吁强化对地球深部的探测和认识。地球深部成为地学前沿基于以下的认识:①了解地球深部,特别是地壳、岩石圈等固体地球圈层的结构与组成,是解决人类生存发展的适宜环境和资源充足供应等重大问题的前提和基础,对地球了解甚少,也难以深入了解月球和火星、金星等行星;②地质学家在地球表层找矿的面积仅占陆地的一半,而另一半是被松散沉积物和植被所覆盖的“新大陆”;即使在出露区目前勘探的深部也非常有限,突破深部“第二找矿空间”,加大深部勘查成为必然;③地质灾害的营力主要来自地球内部,人类现在往往面对火山、地震的肆虐束手无策,原因是掌握不了灾害发生的内在规律,对地壳的结构和动力学过程认识肤浅。从地面、到浅表、到地壳、再到地幔、甚至地核,这条地球科学认识的轨迹随着科学技术的发展不断地引向深部,近两百年来地质科学正是随着认识深部的加大不断地发展和完善。人类如向往太空一样,对地球的深部充满着探索的冲动,从来没有停止过对地球的探测脚步,尽管步履艰难。


从技术精度上讲,对地球深部的真正科学探测起始于二十世纪70~80 年代,美国实施地壳探测计划(COCORP)开辟了深反射地震深部探测的新方法,使探测深度和精度达到前所未有程度,首次揭示出北美地壳的精细结构,确定了阿帕拉契亚造山带大规模推覆构造,在落基山等造山带之下发现一系列油田,成为深部探测最成功的范例(Oliver,1978;Oliveretal.,1983;COCORP,1992)。由此引发了全球的深部探测计划,20 世纪80 年代国际岩石圈委员会(ILP)发起全球地学断面计划(GGT),在全球重要大陆和造山带完成了数十条数万千米长的断面,但是由于经费问题,只部署了折射地震等低精度的探测方法。欧洲仿效美国先后实施了大陆地壳的深地震反射探测,法国(ECORP,3-D France)、德国(DECOPE)、英国(BIRPS)、瑞士(NRP20)、意大利(CROP)等国都制定了相应计划,长期实施(Cavazzaetal.,2004)。欧洲各国联合开展了“欧洲探测计划”(EGT,EUROPE,Eurobridge,2001),完成横穿欧洲的地学断面(Blundell,1992;Gee & Stephenson, 2006),通过横过阿尔卑斯造山带深地震反射剖面,建立了碰撞造山理论和薄皮构造理论(DEKORPResearchGroup,1990;Pfiffner et al.,1997;Schmidetal.,1997)。俄罗斯乌拉尔造山带实施的“URSEIS 95”反射地震探测计划,首次发现了保留山根的古生代造山带,丰富了山根动力学理论(Echtler et al.,1996;Knapp et al.,1996;Berzin et al.,1996;Carbonell et al., 1996)。俄罗斯近十年部署了跨越板块的洲际反射地震剖面,最长达到3040 km,创造了世界之最,其中2000年在西伯利亚东北成矿带反射地震剖面(2 DV)发现地幔流体上涌通道,为下一步资源开发指出了目标ROSNEDRA,2005)。加拿大1984~2003年岩石圈探测计划(LITHOPROBE)证实3 Ga前即发生与板块构造有关的作用,对古老岩石圈板块碰撞和新地壳形成过程进行了重大修正,揭示了若干大型矿集区的深部控矿构造的反射影像,使加拿大的地球科学研究走到世界的前列(Clowes,2005;Clowes & Li,2005;Wilson,2003)。澳大利亚实施国家四维地球动力学探测计划(AGCRC,1992~2000)和“玻璃地球”计划,在研究岩石圈结构的同时开展了成矿带地壳精细结构探测,为研究成矿理论和资源评价提供强大的技术支撑。2003年美国国会批准了新的更大规模的“地球探测计划”(EarthScope),预计投入超过200亿美元,再次站在全球深部探测的领跑线(David etal., 2002; David et al., 2008)上。


2008年在挪威奥斯陆召开的国际三十三届地质大会,从一个侧面反映了深部探测的国际发展最新趋势。北欧学者以深地震反射为先锋,折射地震与宽频地震为骨干,取得了大量的深部探测研究成果。研究领域不仅在基础地质,而且广泛应用到资源与环境效应,例如研究盐构造与盆地深部结构。他们突出新的目标:“LINKING TOP AND DEEP”,即通过深部探测连接地球深部和表面变形。特别是,俄罗斯学者运用深地震反射剖面方法进行深部探测的研究进展令人吃惊。近十年俄罗斯完成了10000 km 的反射地震探测,其中欧洲部分的剖面长3040 km,成为世界最长反射地震断面。研究水平已经与北美学者接近,研究领域包括了地球基础科学和资源环境。例如,使用上千公里的反射剖面编制地学断面,研究矿集区的成矿深部背景;提出使用深反射剖面,编制穿越欧洲到亚洲的地学断面。1992年在法国布雷斯特,国际经济合作发展组织(OECD)理事会举行了深部钻探讨论会,建立了国际大陆科学钻探计划(ICDP)的框架。1993 年9月,成立了国际大陆科学钻探计划(ICDP)的科学目标与组织机构,宣布执行全球大陆科学钻探的共同纲领。1997年1月,中国参加了国际大陆科学钻探计划,成为该组织的理事国之一。大陆科学钻探实施50年来,迄今为止已有13国家实施了22口大于4000 m 的科学深钻,目前完成的超深钻(大于8000 m)有前苏联的科拉(井深12261 m)和德国的KTB(井深9101 m)两口。我国在江苏省东海的超高压变质带内完成了科学钻探(CCSD)5156 m,是当前正在实施的20 项国际大陆科学钻探项目中最深科学井,也称亚洲第一井(许志琴等,2003,2004,2005)。

国际深部研究表明,要了解地球结构与组成,要建立地球动力学,实现成矿理论的创新,要查明油气藏与矿产资源的赋存规律和地质灾害发生机制,必须从深部地质着手,对整个岩石圈进行不同层次探测。美国第一轮深部探测(70~80 年代)已完成约60000 km的反射地震剖面,英国超过20000 km,意大利10000 km。近年俄罗斯完成了10000 km 的反射地震探测。据统计我国用于地壳深部探测的反射地震剖面总长仅为4565 km,相当美国的1/13,英国的1/5,俄罗斯的1/5,意大利的1/2。因而,运用当代高新技术,实施“中国深部探测计划”,揭示地壳的组成和结构,是一项有效缓解资源与灾害压力,惠及可持续发展的、推动中国地球科学腾飞的重大科学计划,具有巨大的经济价值、深远社会效益和特别重要的科学意义。

二、在我国实施地壳深部探测的意义
    1、“深部探测”是新世纪我国科技赶超世界科技先进水平的重大计划,是实现我国“上天、入地、下海、登极”大国科学规划的战略布局。 “上天、入地、下海、登极”是任何一个大国都关注的极限性科学行动,是代表一个大国的综合实力和科技水平的标志。中国人“上天”的梦想正在成为现实,载人飞船发射成功,探月工程已经启动,火星探测也列入我国深空发展计划,中国正进入航天大国的行列。中国科学家足迹早已踏上南极、北极,南极科考今年已是25个年头,已经列为国家的年度例行计划,中国已经成为南极科考的重要国家之一。“下海”比较落后,但是我国远洋科考活动也持续了数十年,特别是大洋经济专属区的锰结核、钴结壳的研究取得了突出的成果,“十五”期间我国重点研制了6000 m 水深的科学潜艇,2007 年开始了大洋热流体的考察,标志了深海科考进入新的阶段。然而,“入地”是我国的软肋,与国际先进水平相比差距巨大,深部探测的反射地震剖面仅是美国的1/13,英国的1/5。而从国家对资源需求来看,深部信息的缺位导致地质科学理论创新、资源勘查和地质灾害预警能力的全面落后。世界发达国家在20世纪70~90年代已经完成了一轮深部探测与研究,全面占据地球科学前沿制高点,据统计近30年的地质科学理论的提出绝大多数依赖于深部认识的突破。以美国为首的新一轮深部研究和探测在新世纪初拉开了序幕。深部研究成为全球大国科技和实力的重要标志,也是我国急追赶上的核心科技计划,从国家科技发展战略布局高度上启动我国的深部研究计划刻不容缓。
    2、“深部探测”是实现我国从地质大国走向地质强国的决定性举措,是我国地球科学原始性创新的基础性工作,是建立地球系统科学的基石。
    我国大陆地质构造复杂、演化历史漫长,不仅记录了小洋盆关闭、微陆块碰撞演化的完整历史,也叠加了中、新生代太平洋板块俯冲和印度板块碰撞的大陆动力学过程;有地壳最厚的青藏高原,有沿滨太平洋带发育典型的沟-弧-盆体系,有稳定的前寒武纪克拉通,还有现代仍在活动的新生代造山带;矿产资源丰富,地质灾害频繁,地球动力学过程复杂,是世界地球动力学和大陆地质研究的热点领域。随着板块构造“登陆”遇到诸多科学难题,世界地球科学家已经把研究大陆形成、演化的地球动力学理论视为地球科学的前沿,竞相开展大陆动力学研究。我国具有先天的地域优势,因此,开展深部探测与科学群钻计划,创新大陆动力学理论,必将带动地球动力学、大地构造学、中国区域地质学等地学基础学科发展与进步,是我国占据国际地球科学前沿、使中国从地质大国走向地质强国的最好机遇。
    3、“深部探测”将成为能源、矿产资源成藏成矿理论创新的源泉,将为资源深层突破和开辟“第二找矿空间”提供坚实的技术支撑。 我国是资源大国,矿产资源开采量年达60亿吨(其中石油1.8亿吨、煤炭20 亿吨),有力支撑着国家的经济社会发展;同时又是人均资源小国,人均水、矿产、耕地资源都不足世界人均的1/2。近年,我国经济高速发展,资源储备急剧下降,现有能源和重要矿产资源对社会经济可持续发展的保证程度日见下滑,资源的供需矛盾日益突出。2006年我国原油和成品油进口达1.8亿吨(对外依存度46%),铁矿砂进口1.4亿吨(对外依存度达50%),铜矿进口360万吨(对外依存度达80%);全年消耗矿产资源总量超过60亿吨,成为世界第二矿产资源消费大国。然而,我国矿产资源勘探深度平均只有400m,油气开采深度平均也不足4500m,还有约1/3面积的陆地浅覆盖区和特殊景观地域没有进行勘查,深部能源、金属资源潜力十分巨大。目前石油可采资源探明程度为42%,有待发现可采资源87亿吨;天然气可采资源探明率仅为18%,有待发现可采资源量近10万亿立方米。油气资源探明程度较低,勘探潜力较大。深部探测将揭示地下精细结构与组成,科学超深井的实施将大大提高对深部地层、沉积、烃源岩、温度、压力场的认识,有利于更全面、客观地探索地球深层的油气勘探潜力,为开辟深层能源与重要矿产资源远景提供科学依据。
    4、“深部探测”将揭示地质灾害成灾机理和过程,重大地质灾害发生区域与深部背景,为地质灾害高精度的预警预报提供理论依据。
    我国是地质灾害频繁发生的国家,汶川、唐山、海城大地震曾给国家和人民带来巨大的灾难和损失;至今,仍时常有重大地质灾害威胁人民的生命和财产的安全。我们面对灾害肆虐往往显得束手无策,对灾害发生内在规律知之甚少。地质灾害的营力主要来自地球内部,对地壳结构和地应力作用的了解是认识灾害发生规律的基础。地壳表面和内部发生的各种构造现象及其伴生的物理化学现象都与地应力的作用密切相关。地表的各种褶皱、断裂是地应力作用的结果。各种地下流体(石油、天然气、含矿流体、地下水)也在地应力的作用下运动、聚集,形成可供开采的资源。同样,地应力作用也造成多种地质灾害,如地震、矿震、煤瓦斯突出、岩爆、坑道突水、巷道变形、油井套损等。因此,研究地壳应力状态,对于地球动力学问题和工程应用问题都具有十分重要的意义;减轻自然灾害,保障人类自身安全也迫切需要开展深部探测,提高对地球深部的认知水平(石耀霖,2000;陈群策等,1998,2004;李方全等,1986)。  
    5、“深部探测”实施将形成具有国际竞争力的深部地质、深部探测领域的研究群体与团体,为建立深部研究国家实验室奠定扎实基础。
    全球深部探测与研究不仅开拓了认识地球的新领域,而且造就了一大批从事深部探测和研究地球深部结构的世界级科研团队和人才群。这批著名的研究群体已经成为引领地球科学理论创新和发展走向的思想库和实践者,从20世纪80年代以来,在国际顶级科学杂志上登载的地球深部与探测方面的论文约占1/5 - 1/4,这对新型的研究领域而言,足以显示出强大的生命力和引领性。走向深部是地学发展的必然。我国“深部探测”的启动不仅将大大缩短与先进国家的研究差距,更重要的是将迅速造就一批国际水准的研究团队和人才,为建立我国深部研究国家实验室打下坚实基础,这无疑具有前瞻性和战略性的意义。
    因此,要全面提高对地球的认知程度,推动中国地球科学的整体进步,以及为资源形成及赋存规律、地质灾害发生机理,拓展资源发现空间提供科学依据,必须从深部研究与探测着手。运用和发展当代高新技术,在中国陆海实施深部探测和科学群钻行动,必将有效缓解资源与灾害的压力,惠及可持续发展,维护国家安全,具有特别重要的科学意义和现实意义。

专项负责人/首席科学家
董树文 副院长 研究员
中国地质科学院

现任中国地质科学院副院长,兼任国际地学计划(IGCP)科学执行局委员(2004-至今),IGCP中国全委会秘书长(1999—至今),国际岩石圈中国全委会副秘书长,联合国教科文组织(UNESCO)国际岩溶研究中心理事(2008-),美国地震科学探测联合体(IRIS)外籍委员(2006-),北京市学位委员会委员,《地球学报》主编(2002-)。
      ·1975年毕业于合肥工业大学地质学系。
        ·1988年毕业于中国地质科学院研究生部构造地质学(含地质力学)专业矿田构造研究方向,获理学博士学位。

专项专家委员会主任
李廷栋 院士
国土资源部

著名的区域地质及地质编图专家。李廷栋院士早年就读于北京大学地质系,1953年毕业于北京地质学院,先后任中国地质科学院院长,地质矿产部副总工程师、科技司司长、高级科技顾问,长春科技大学名誉校长,中国地质学会副理事长,国土资源部咨询研究中心咨询委员,中国科学院地学部副主任,吉林大学地学部名誉主任,中国青藏高原研究会副理事长等,并先后在多个国外科学组织担任学术职务。1993年,李廷栋先生当选为中国科学院院士(学部委员)。。
   李廷栋院士长期从事区域地质调查研究和地质编图工作,曾在大兴安岭北部、燕山、四川西部、喜马拉雅、青藏高原等地进行地质构造调查研究,并取得了重要的研究成果。
   李廷栋先生曾主持与参加10多项国家及部级重点科研项目,主持编制地质图件7种,地质专著7部,发表学术论文百余篇。曾获全国科学大会奖、国家自然科学一等奖、国家科技成果二等奖、地矿部科技成果一等奖、国家海洋局科技成果特等奖、李四光地质科学奖荣誉奖,1984年被授予国家有突出贡献中青年科技专家。近期,主持了国土资源部《中国岩石圈三维结构》专项及《中国西部及邻区地质编图》项目的研究工作。

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