我国深部探测计划取得系列成果

2011-1-25 09:02 来源: 科学时报
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董树文在解读深部探测计划部署图

  “嫦娥”奔月见证中国航天科技自主创新重大突破;“蛟龙”入海见证海洋科技深度下潜;随着国力增强,中国“入地”计划也于两年前拉开序幕。曾经追踪欧美国家深部探测计划的中国地质学家,开始自主主持大陆深部探测专项计划,已有多项科学成果开始吸引世界的目光。

  站在深部探测技术与实验研究专项(简称专项)2010年会的会场入口处,一幅一人多高的中国地质图格外惹眼。

  大地电磁标准网和地球化学基准网“两网”覆盖,华北实验区和华南实验区“两区”相望,青藏高原等“四带”纵横,罗布莎铬铁矿钻探、金川镍矿钻探等“多点”密布……这幅被喻为给中国地壳做“CT”的深部探测部署图气象非凡。

  “这是国际上又一个宏大的地球探测计划。”美国著名地球物理学家Walter Mooney教授十分关注中国的进展。上世纪80年代,美国、欧洲、加拿大先后发起了地壳探测计划(COCORP)、欧洲探测计划(EUROPROBE)和岩石圈探测计划(LITHOPROBE)。30年后,中国科学家正在迎头赶上。

  深部探测专项集中了国内118个机构、1000多位科学家和技术专家,可以说是中国地学界的“集结号”。记者在1月22日举行的年会上了解到,在短短的两年间,中国地学界戮力同心,目前已经基本建成深部探测技术体系,同时取得了一系列重大发现,为下一步地壳探测工程的实施奠定了基础。

深部探测技术体系基本成熟

  已故著名地球物理学家赵九章曾用“上穷碧落下黄泉”生动概括地球和空间科学的研究对象,用“两处茫茫皆不见”形象比喻这一研究面临的艰难险阻。

  “‘嫦娥’两次奔月,中国科学家在‘上穷碧落’上已经有了重大进展,但是‘下黄泉’的难度更大,人们知之甚少。”中国科学院院士石耀霖告诉记者,了解固体地球的深部是各国都非常重视的一个重要课题。

  中国地形上的三个台阶是如何形成的,矿产资源的分布规律如何,地震灾害频发的原因何在……现今中国人生存的地质环境中大量科学问题都需要从大陆的深部寻找答案。

  石耀霖说,地下深处人们看不见、摸不着,研究起来难度很大。目前最直接的手段是往深部钻探,但世界上最深的一口钻井仅仅打入地下12千米的深处,相对于地球6400千米的半径,显得微不足道。地球的造山运动也会把深部物质带到地表上,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。

  深部探测技术与实验研究专项首席科学家、中国地质科学院副院长董树文研究员在接受《科学时报》记者采访时,详细解读了专项实施的技术逻辑。

  地球的基本物理性质包括磁性、导电性、密度、热导率等,探测天然大地电磁可以获知地下深部的电导率和磁性参数,人工地震技术探测岩石弹性波参数,高精度近垂直深反射地震技术可获取深部结构信息,深穿透地壳全元素探测技术则可进一步识别深部物质的成分,地应力测量技术则有助于了解现今地壳活动性规律。

  董树文说,专项计划实现覆盖大陆的大地电磁探测阵列网,目前中国大陆电磁标准网已经完成了全国4°×4°(经度×纬度)控制格架,华北实验区1°×1°观测网格,相关地球深部物性探测技术已经渐趋成熟。由于工作量巨大,实验项目中只做了基准化的工作。其具体思路是从4°×4°的密度逐步加密到2°×2°、1°×1°甚至0.5°×0.5°和0.2°×0.2°,探索不同的网格密度能解决什么样物质探测分辨率问题,根据实验结果来建设国家一级标准网、二级标准网,进行长期监测。

  与此同时,专项初步建立起适应中国大陆地质地貌条件的深部精细结构探测技术体系。如深地震反射与地震折射共震源同时接收的联合采集探测技术,巨厚地壳高分辨率地震探测技术,壳、幔物性探测技术有效组合。实验发现了100千米深度的岩石圈地幔反射界面,打破了长期以来认为地幔反射透明的传统认识。

  在专项实施的两年间,科学家们一口气完成了1960千米的深反射地震剖面,这一数字相当于此前60年完成的6538千米总长度的1/3,极大地加快了我国深部探测计划的进度。同时探测仪器装备研发也全面展开。

  中国在深部地下物质成分的探测和分析在国际上处于领先地位。专项首次按照国际标准建立了一个覆盖全国的地球化学基准网。在国际上首次建立了一套81个指标(含78种元素)的地壳全元素精确分析系统,物质成分分析测试指标达到国际领先水平,含矿信息精确分离提取技术得到显著提高。

  此外,针对地壳活动性规律研究的应力测量技术在专项实施以来也日益得到完善,这项技术有助于了解现今地震、地质灾害等发生的成因。

  基于对深部地壳的物性、结构、物质组成以及活动性的了解,科学家们最终将实现对地球三维精细结构和深部过程的模拟,研究其演化历史,揭示其动力学变化机制,开辟深部资源、能源勘察新空间,提升地震、地质灾害监测预警的能力与水平。

  对于面临紧迫的资源需求以及环境、灾害巨大压力的中国而言,深部探测技术与实验研究专项的重要意义不言而喻。

技术实验与重大科学研究和国家需求相结合

  2010年12月,来自中国的深部探测专项计划首次在美国地球物理年会(AGU)上亮相,即吸引了国际同行的高度关注。美国斯坦福大学的Simon Klemperer教授在中国专题报告的总结中有一大段点评:中国深部探测计划如美国的EarthScope计划那样给地球物理探测新技术注入巨大的投资,这将给中国地球科学的发展注入动力,同时它吸取了加拿大LithoProbe计划的经验,构建了多学科科学计划,不只集中了研究学术的科学家,也包括了地震灾害和矿产勘察专家,不仅将地震作为探测核心技术,也使用势场和电磁方法,以及野外地质调查和数值模拟等技术方法。有理由期待未来中国的深部探测研究结出丰硕之果。

  将技术实验与科学发现、国家需求结合起来,是深部探测专项的一大特色。

  在科学发现上,专项实施两年来发现了鄂尔多斯岩石圈异常电磁结构,反映了鄂尔多斯地块北部岩石圈厚度由北向南变薄的趋势,这对研究岩石圈破坏过程具有特殊意义。

  青藏高原“下地壳隧道流”扩散模式在国际上十分流行。专项通过深反射地震技术证实青藏高原东北缘岩石圈大幅缩短变形,对这一模式提出了挑战,科学意义十分重大。

  专项还首次发现了华北地块东北缘的蛇绿岩带,为认识和恢复西太平洋活动大陆边缘演化提供了明确的岩石学和年代学证据。

  在三维地球模拟技术的发展上,专项还实现了全球、区域和局部三种尺度的跨越,具备上千万结构化和非结构化网格划分能力,可对关键部位实现任意加密网格;实现了对汶川地震孕育动力学背景、台湾复杂动力学环境的三维粘弹性变形和紫坪铺水库加载产生的应力变化等不同尺度三维及动力学模拟。

  在与国家对能源、资源的紧迫需求目标相结合方面,专项的表现同样可圈可点。

  专项在松辽盆地深部与大庆油田合作完成600千米的深反射地震剖面。围绕四川盆地所做的200千米的深反射地震数据在此次年会一亮相,中石化专家立刻表示希望马上接过去,围绕这些新数据部署下一步油气勘探工作。

  在中国东部长江中下游成矿带开辟深部第二找矿空间,是实现国家矿产资源战略接替的重点。专项在实施过程中分别与安徽、江西两地国土资源部门合作,在庐—枞矿集区、南岭矿集区开展探测技术实验研究。董树文表示,研究队伍与当地勘察队伍结合得非常紧密,“有了新发现立刻成为勘察企业下一步勘探部署的依据”。目前,庐—枞矿集区基本实现了3000~5000米深部的“透明化”,大型矿集区三维透明化技术日臻完善,为开辟第二找矿空间提供了有效技术支撑。

  杨经绥团队近年来在西藏罗布莎的研究进展不仅具有重大理论意义,同时还有望为对外依存度高达95%的铬铁矿的勘察突破提供有价值的线索,一直是地学界十分关注的一项工作。相关研究在罗布莎蛇绿岩型铬铁矿中发现金刚石等深地幔矿物之后,沿着雅鲁藏布江板块缝合带,相继发现含金刚石等特殊矿物的超基性岩体群,为在雅鲁藏布江缝合带西段寻找大型、特大型铬铁矿提供了重要信息。

  王学求研究团队在河南400米盖层覆盖的隐伏铜镍矿和新疆几十米盖层覆盖的隐伏金矿上方,观测到地气中和土壤颗粒中的纳米级金属微粒。这一重大发现表明,成矿元素纳米级微粒可以迁移至地表,并可被地表土壤地球化学障(土壤胶体、黏土等)所捕获。这为深穿透地球化学迁移机理和含矿信息精确分离提取提供了重要证据,对利用地表化探异常寻找深部隐伏矿产意义重大。

预热地壳探测工程国家专项

  深部探测专项的另外一大特色是,在财政部批复的专项经费中拿出30%用于核心技术装备的研发,以期打破国外长期对高端设备的垄断格局,促使中国深部探测仪器装备通过自主研发部分占据国际领先地位。

  这些装备包括超大深度大功率电磁仪,无人机航磁探测系统,深部大陆科学钻探装备,以及一大批自主知识产权的软件系统,最终目标是形成一大批技术专利,“在很大程度上实现关键装备的国产化”。

  “中国在深部探测方面与国外的差距明显,工作空白很多,专项为了加快进度,在购置了一大批国际领先的设备,获取高质量探测数据的同时,我们不能放弃自主研发一些关键设备。”董树文说。为此,专项投入3亿元用于设备研发,旨在为后续地壳探测工程的全面实施提供支撑。

  作为先导计划,专项将于2012年结束。董树文表示,2011年是专项实施的决战之年,进入到探测任务高峰时段,工作量极大,一大批实验数据将得到更新,同时更多技术上的突破也有望带来出色的科学发现和新的进展。

  同时,围绕中国深部探测计划的国际学术交流和科技合作正变得日益频繁。在上述AGU年会上,美国基金委大陆动力学计划主任L.Johnson与董树文约定,计划在2011年3月访问中国地质科学院商谈合作研究事宜。美国地震联盟(IRIS)主席也表示将专访中国。美国许多大学的地球物理学家和地质学家表达了希望参加中国深部探测合作研究的意愿。2011年10月,世界各国的深部探测计划将齐聚北京,一起亮相正在筹备的全球岩石圈深部探测国际研讨会。

  2011年下半年,专项将进入为两年后的地壳探测工程立项申报和全面实施作前期准备阶段。随着国家科技投入加大和深部探测专项等重要科研计划实施,一个地球科学研究的新时代即将来临。