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yexuqing木蟲之王 (文學(xué)泰斗)
太陽系系主任
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深地探索為什么重要
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深地探索為什么重要 王成善 地球是浩渺宇宙中人類的唯一家園，其深部蘊藏著豐富的能源與礦產(chǎn)資源，構(gòu)成支撐經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的堅實基礎(chǔ)。同時，地球深部地質(zhì)活動是地震、火山噴發(fā)等自然災(zāi)害產(chǎn)生的根源。加強對地球深部的探測和研究，對于保障國家能源資源安全與人民群眾生命財產(chǎn)安全，具有重要的戰(zhàn)略意義。 一、深地探索經(jīng)歷了怎樣的歷程 19世紀(jì)60年代，法國作家儒勒·凡爾納的科幻小說《地心游記》中描繪了一個充滿熔巖、火焰與奇觀的地下世界，引領(lǐng)讀者踏上新奇的“地心之旅”。如今，人類對地球內(nèi)部的了解早已超越科幻的想象。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，人類憑借探測、鉆探、觀測、模擬實驗等一系列科學(xué)手段，逐步揭開地球深部的神秘面紗。 深地探測，透視地球。地球物理探測是人類“透視”地球的主要手段，主要通過地震波、電磁場、重力場和地磁場等探測對地球內(nèi)部進(jìn)行間接研究。20世紀(jì)初，通過記錄地震波在地球內(nèi)部的傳播路徑與速度變化，科學(xué)家們成功解析了地殼、地幔、地核的大致分層結(jié)構(gòu)。隨著技術(shù)的飛速發(fā)展，地球物理探測手段日益豐富和精確。通過計算機的處理分析，地球物理探測數(shù)據(jù)可以轉(zhuǎn)換成反映地球深部結(jié)構(gòu)的高分辨率圖像，例如地震層析成像技術(shù)，這一過程就如同給人體做CT（電子計算機斷層掃描）。 過去，我國在地球物理深部探測領(lǐng)域長期處于相對落后狀態(tài)。為解決這一問題，我國于2008年、2016年先后啟動地球深部探測專項、深地資源勘查開采國家重點研發(fā)計劃專項。在重大項目持續(xù)推動和無數(shù)科研工作者不懈努力下，我國迅速縮小了與國際先進(jìn)水平的差距，已成為擁有完備深部探測技術(shù)體系的國家。 深地鉆探，洞見地球�？茖W(xué)鉆探是人類獲取地球深部物質(zhì)和了解地球內(nèi)部信息最直接、最有效、最可靠的方法。20世紀(jì)五六十年代，人類率先在海洋開展科學(xué)鉆探，通過深度較淺的鉆孔廣泛獲取巖芯和沉積物樣品，為驗證大陸漂移與板塊構(gòu)造理論提供了科學(xué)依據(jù)，極大地拓寬了人類的認(rèn)知邊界。隨后，一系列影響深遠(yuǎn)的大陸科學(xué)鉆探計劃項目不斷實施。目前，人類鉆探地球的垂深極限由蘇聯(lián)在科拉半島實施的科拉超深鉆保持，其深度為12262米。然而，與地球平均半徑6371千米相比，這一深度僅觸及地球表層的0.2%，僅僅是地心之旅的“萬里長征第一步”。 在國際大洋鉆探計劃實施過程中，我國作為參與國積累了寶貴經(jīng)驗；而在國際大陸鉆探計劃中，我國已成為發(fā)起國之一。1996年，我國與美國、德國共同發(fā)起國際大陸科學(xué)鉆探計劃。該計劃啟動以來，我國已完成多項重大科學(xué)鉆探工程，包括位于江蘇東海的中國大陸科學(xué)鉆探、青海湖科學(xué)鉆探、松遼盆地科學(xué)鉆探等。這些工程不僅取得一系列科學(xué)研究的重大突破，而且推動國內(nèi)鉆探相關(guān)技術(shù)革新與裝備水平提升。 深地觀測，感知地球。深地觀測是利用地球物理方法和地球化學(xué)方法等直接觀測深部地下結(jié)構(gòu)、形態(tài)和物質(zhì)組成，從而“感知”地球深部變化的重要方法。鉆探開辟的深井為部署精密儀器提供了窗口，使其能夠接近地震和火山孕育的深部區(qū)域，對地球重力場、磁場、電場、地震波、應(yīng)力狀態(tài)及溫度，甚至深部地下生物圈等變化開展實時、連續(xù)且持久的觀測。 隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，人類憑借探測、鉆探、觀測、模擬實驗等一系列科學(xué)手段，逐步揭開地球深部的神秘面紗。圖為2024年4月21日，游客在南京地質(zhì)博物館內(nèi)的地球內(nèi)部構(gòu)造模型前參觀。 人民圖片 劉建華/攝 目前我國正積極籌備構(gòu)建覆蓋地下深部的四維觀測系統(tǒng)，旨在從根源上揭示災(zāi)害孕育與發(fā)生的深層次過程，有針對性地提升我國對自然災(zāi)害的監(jiān)測預(yù)警能力。 高溫高壓實驗，模擬地球深部。地心是目前人類向往卻難以到達(dá)的地方，但高溫高壓實驗如同一把打開地心之門的鑰匙，使人類在實驗室內(nèi)模擬地心環(huán)境成為可能。 1993年，科學(xué)家們成功模擬出核幔邊界的溫度，邁出了地心探索之旅里程碑式的一步。2010年，科學(xué)家們已能在實驗室模擬出與地心相近的溫壓條件。令人驕傲的是，中國科學(xué)家率先完成了地核溫壓條件的模擬實驗。未來，高溫高壓實驗有望給人們帶來更多的驚喜和顛覆性發(fā)現(xiàn)。 二、深地探索有哪些科學(xué)發(fā)現(xiàn) 近百年來，科學(xué)家們通過不斷解讀地球深部巖石中記錄的地球歷史檔案和解譯來自地球深部的地球物理圖像，在圈層結(jié)構(gòu)劃分、板塊運動及其作用、深地生命等領(lǐng)域取得突破性發(fā)現(xiàn)。 地球圈層結(jié)構(gòu)的劃分。地球由外部圈層和內(nèi)部圈層構(gòu)成。外部圈層包括水圈、生物圈和大氣圈；內(nèi)部圈層由地殼、地幔和地核組成。地殼是地球固體圈層的最外層，由巖石組成，是巖石圈的重要組成部分。地幔分為上地幔和下地幔，上地幔的頂部和地殼組成了巖石圈，巖石圈之下為軟流圈。這種圈層構(gòu)造使得地球的板塊能夠在軟流圈上漂浮并移動。地核是地球的“心臟”，是地磁場的發(fā)源地，也是驅(qū)動地球運行的引擎。地核分為液態(tài)的外核和固態(tài)的內(nèi)核，外核的流動使地球產(chǎn)生地磁場。這個地磁場能夠有效屏蔽太陽風(fēng)和宇宙射線，對地球生物起到重要保護(hù)作用。地球圈層結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)促進(jìn)了地質(zhì)學(xué)和地球物理學(xué)的深入發(fā)展，使人們能夠更準(zhǔn)確地理解地球內(nèi)部的物理狀態(tài)和化學(xué)組成，有助于科學(xué)家更好地預(yù)測和解釋自然災(zāi)害。 板塊運動及其作用。板塊構(gòu)造理論是20世紀(jì)自然科學(xué)重要成就之一。這一理論認(rèn)為，地球表面的巖石圈并不是“鐵板一塊”，而是由多個板塊組成，這些板塊在軟流圈之上漂移，導(dǎo)致地殼的俯沖和新生。板塊運動會自地殼而下影響核幔邊界，核幔圈層通過熱柱的上升也會影響地殼。熱柱上升形成地幔柱構(gòu)造，表現(xiàn)為地表大規(guī)模的火山活動。 地球的板塊運動還起著“地質(zhì)空調(diào)”的作用，這也是地球能夠產(chǎn)生生命的重要原因之一。大氣圈如同一層被子蓋到地球上，來保持地球的“體溫”。但是只有被子是不行的，起到關(guān)鍵作用的是大氣里的二氧化碳濃度。當(dāng)二氧化碳濃度過高時，地表溫度也會升高；若二氧化碳濃度降低，地表溫度也將隨之下降。大氣圈和水圈的二氧化碳會變成沉積物沉積到海底，之后變成巖石，這是“回收”大氣中二氧化碳的過程。這些巖石通過板塊運動俯沖到地下，然后通過火山作用回到大氣圈里，這是“支出”。一收一支，保持了大氣圈這層被子的二氧化碳濃度，使地球保持適宜的溫度。 深地生物的探索發(fā)現(xiàn)。20世紀(jì)70年代，人類通過對深海海底的觀測發(fā)現(xiàn)，在幽深莫測、達(dá)數(shù)千米之深的海底，存在著不依賴光合作用維持生命的奇特生物群。其中不僅有各種植物，還有螺類、螃蟹、蝦等豐富多樣的動物。在固體地下幾十米、幾百米甚至幾千米的環(huán)境中，存在著一個以微生物為主的深部地下生物圈，據(jù)估算，其生物總量可達(dá)到地球表面生物量的十分之一。然而，對于這個深藏于地下的生物圈，人類的了解程度還極為有限。按照地球的地溫梯度，以每向下100米增溫約3攝氏度計算，3000米深處的溫度已逼近100攝氏度，處于這樣的高溫加上高壓與缺氧環(huán)境中的地下微生物圈，近似地球早期生命形態(tài)的縮影。通過研究它們，我們仿佛能穿越時空，間接探索地球生命起源的秘密。 三、深地資源如何開發(fā)利用 深地資源的開發(fā)利用，對于滿足人類發(fā)展過程中日益增長的資源和能源需求，拓展人類生存空間等具有重大意義。 深地礦物資源的開采使用。從當(dāng)前的技術(shù)儲備和發(fā)展需求看，深地正成為尋找礦物資源新的戰(zhàn)略高地。例如，新能源汽車的興起使鋰、鈷、鎳、石墨、稀土、鉑等關(guān)鍵礦產(chǎn)資源的需求大幅增加，深地礦物資源的開采能夠有效滿足這一需求。再如，以前制造“大哥大”手機只需用到約30種化學(xué)元素，現(xiàn)今的智能手機卻使用了70多種化學(xué)元素。信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)、航天航空、軌道交通、新材料等領(lǐng)域?qū)υ氐男枨笕找鎻V泛，從這個意義上來講，人類已經(jīng)進(jìn)入元素周期表的“全元素使用”時代，對深地礦物資源的開發(fā)利用更為必要。人類所需要的資源在地下深部1萬米以內(nèi)都有可能分布。如果開采深度能夠達(dá)到地下2000米，我國的固體資源供給量將在現(xiàn)有基礎(chǔ)上翻倍。 此外，深地中的地?zé)豳Y源正日益成為未來能源研究的重點方向。地?zé)崮苁且环N儲量豐富、分布較廣、穩(wěn)定可靠的可再生能源，如果把地?zé)崮苤脫Q出來用于發(fā)電，這就是零碳的能源，可以替代甚至取代現(xiàn)在的化石能源。除了用來發(fā)電，地?zé)徇�可用于溫泉療養(yǎng)、供暖制冷、農(nóng)業(yè)養(yǎng)殖等領(lǐng)域。 深部空間的建設(shè)與探索。向深部拓展空間是城市發(fā)展和深地應(yīng)用的重要方向之一。不少發(fā)達(dá)國家在大都市的建設(shè)過程中，對地下空間的開發(fā)利用已取得顯著進(jìn)展。以日本、新加坡為例，其地下空間利用深度已達(dá)到200米。 地下空間不僅能夠為城市建設(shè)所用，同樣也能助力科學(xué)研究。例如，江門中微子實驗探測器主體在地下700米深處建成，在一系列前沿技術(shù)領(lǐng)域取得突破；中國錦屏地下實驗室位于地下2000多米，自2010年建成投用以來，已有來自清華大學(xué)、上海交通大學(xué)等高校和科研院所的10余個實驗項目組入駐，取得了近50項國際領(lǐng)先的科研成果，目前已有暗物質(zhì)、中微子、核天體物理、巖石力學(xué)、引力波、深地醫(yī)學(xué)、量子計算等前沿基礎(chǔ)科學(xué)研究在此進(jìn)行。 此外，地下巖石遍布著微小的孔隙，捕獲的大氣二氧化碳可以輸入到地下的孔隙中，實現(xiàn)長期的封存。二氧化碳地質(zhì)封存是通過工程技術(shù)手段將捕集的二氧化碳注入地下的深部咸水層、枯竭油氣藏等地質(zhì)體中，通過構(gòu)造地層封存等方式實現(xiàn)二氧化碳與大氣長期隔絕的過程。這是降低溫室氣體含量、緩解溫室效應(yīng)的重要手段之一，也是實現(xiàn)碳中和目標(biāo)的一個重要途徑。 四、深地探索為何前景廣闊 挺進(jìn)地球深部，每一米都是對未知的挑戰(zhàn)，每一寸都是向極限的突破。2010年，聯(lián)合國“國際行星地球年”將地球深部列為地球科學(xué)的最后前沿。許多發(fā)達(dá)國家已將深地科學(xué)與探測技術(shù)作為優(yōu)先部署的國家戰(zhàn)略。 黨的十八大以來，我國在深地領(lǐng)域取得一系列令人矚目的成就。在關(guān)鍵核心技術(shù)攻關(guān)與重大裝備研制方面，具備1.1萬米最大鉆深能力的“夢想”號大洋鉆探船正式入列。深地鉆探不斷刷新紀(jì)錄：2018年5月，松科二井順利完鉆，井深達(dá)7018米，成為當(dāng)時亞洲國家實施的最深大陸科學(xué)鉆井，也是國際大陸科學(xué)鉆探計劃項目實施20多年完成的最深鉆井；2025年2月，我國首口超萬米科探井——深地塔科1井成功鉆至地下10910米，成為亞洲第一、世界第二垂深井，并創(chuàng)造了全球陸上鉆井突破萬米“最快”、亞洲陸上取巖芯“最深”等多項工程紀(jì)錄。新一輪找礦突破戰(zhàn)略行動也取得顯著成效，新發(fā)現(xiàn)10個億噸級油田、19個千億方級氣田，探獲10個大型鈾礦床。 近年來，“十四五”深地國家重大科技專項順利實施，“深時數(shù)字地球”國際大科學(xué)計劃啟動實施，“戰(zhàn)略性礦產(chǎn)資源開發(fā)利用”重點研發(fā)專項完成任務(wù)部署，能源和礦產(chǎn)資源有關(guān)全國重點實驗室獲批建設(shè)，地質(zhì)礦產(chǎn)領(lǐng)域戰(zhàn)略科技力量布局顯著優(yōu)化。我國深地科學(xué)探索與資源開發(fā)利用前景廣闊，將為保障國家能源資源安全、推動科技進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展作出更大貢獻(xiàn)。 作者：中國科學(xué)院院士，中國地質(zhì)大學(xué)（北京）教授 |
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