欢迎您登录科学中国人官方网站!!
新浪微博|网站地图|联系我们
入地,我们能走多远

来源:  发布时间:2022-06-27

文 王成善

 

1864年,法国作家儒勒·凡尔纳在其所著的科幻小说《地心游记》中,描写了一个有着大海、蘑菇森林和远古巨兽的地下世界,表露了人类对地球深部奥秘的揣测想象与强烈好奇。根据科学探测,地球深部蕴藏着丰富的油气和矿产,是支撑人类发展的重要资源库。20世纪70年代起,发达国家开始对地球深部展开探测,并将其视为前沿科技竞争的重要阵地。但是,地层深处遍布坚硬的岩石,还有高温高压的极端环境,让入地比登天、下海更难。2008年,我国启动“地球深部探测专项”,拉开了中国“入地计划”的序幕。历时十余年,相关研究已经取得了一系列重大突破。未来,向地球深部进军将成为我国保障国家安全和可持续发展的一项战略选择。那么,地球深部到底蕴藏着什么奥秘?

 

地球深处有“宝藏”

 

地球有着独特的构造和物质分布,然而人类对它还知之甚少。一直以来,我们都试图与地球“对话”,希望彻底解开这个有46亿年历史的蓝色星球的奥秘。事实上,迄今为止,人类发展所需的资源都来自于地球。现有的科学研究成果显示,地下深度2公里以内是地下水资源和人类可利用的空间;深度5000米到1万米左右则是能源和资源空间,这里有丰富的油气、矿产和地热资源,而1万米左右也是目前人类科技可以抵达的最深处;1万米再往下则是地震、火山爆发等自然灾害发生的空间。对地球深部的探索,有益于进一步解决人类发展的资源和能源需求,且从更长远看,如何预测地质灾害、应对全球气候变暖危机,也需要从尘封在地下的岩石中去寻找答案。

人类的发展强烈地依赖于我们对矿产资源和能源的利用。中华人民共和国成立初期,我国要快速地从一个农业国家向一个工业化国家迈进。可是那时候我们基本没有石油,怎么办?当时在北京大街小巷,汽车头顶上都带一个大气囊,烧的是煤气。缺油成了当时中国的“卡脖子”问题。但是中国科学家通过长期的研究,提出了陆相生油理论,成功地发现了大庆油田等一系列油田。这些发现对我国的工业化建设起到了关键作用。

今天,信息技术产业、航天航空、轨道交通、新材料,都需要众多的元素来支撑才能完成。从这个意义上来讲,人类已经进入元素周期表的全元素利用时代。到21世纪中叶,我国要进入中等发达国家行列,这就意味着需要更多的矿产资源来支撑我们的需求,而且会发生相当大的变化。以新能源汽车为例,以前传统汽车不需要的锂、钴、镍、石墨等,恰是新能源汽车需要的关键矿产。5年前全球只有50多万辆新能源汽车,可是今天数量已达几百万辆,10年之后有可能是几千万辆。这就意味着我们对这些新的矿产资源(有时候把它们称为战略性矿产资源或者关键性元素)的需求会呈几倍、几十倍的增长。我们的能源和资源利用对外依存度太高,就处于一种危险状态。但是有一个办法,就是向地球深部要资源,因为我们所需要的资源可能在地下深部1万米以内都有分布。中国过去只是在500米以内开采资源,国内有一部分矿山到了1000米,但是国际上先进水平已经到了2000米到4000米。

向地球深部要资源,如果我们开采深度能够达到地下2000米,那么我国的固体资源供给将能够在现存基础上再翻一番。最近我们在塔里木不断地发现一些超深的大气田,都是在地下9000米到1万米之间发现的。这里面更重要的就是对于地热的利用,如果把热能置换出来用于发电,这就是零碳的能源,就可以取代现在的化石能源。现在世界各国都在研发如何在地下开采热能转化成电能。

对地球深部的利用和使用,不仅仅包括我们刚才讲的矿产资源和能源资源,也包括地下空间的利用。1991年,东京召开了一次地下空间利用大会,会后发表了《东京宣言》。这个《东京宣言》指出,19世纪是人类的桥梁世纪,20世纪是高层建筑世纪,21世纪人类将进入到地下空间利用世纪。西方发达国家在大城市建设过程中,对地下空间利用已经发展得非常快。比如日本、新加坡已经达到了200米,而我国一些主要城市的地下空间利用还不足50米。所以说,向深部要空间是我国城市发展和深地应用的重要方向之一。

 

依靠前沿科技与地球对话

 

“可上九天揽月,可下五洋捉鳖”一直是人类自古以来的梦想。然而,比起“上天”“下海”,“入地”之旅却困难重重。地球深处坚硬的岩石和高温高压的极端环境,成为我们的巨大障碍。目前人类直接钻探深度只有12公里,而地球半径长达6000多公里,如果把地球比作一个鸡蛋,我们的探测目前还仅仅停留在鸡蛋壳上。为了了解地球深处的奥秘,许多国家的科学家进行了各种尝试,并获得了不少意想不到的发现。经过10余年的艰苦努力和探索,我国深部探测在地质科学研究、深部资源勘察、自然灾害预测等方面也取得了重大进展,技术水平进入国际前列。

20世纪,美国率先发起了一个国际大科学计划,叫作大洋钻探计划。这个大洋钻探计划,为验证大陆漂移和板块学说立下了汗马功劳,使人们意识到我们在实施大洋钻探计划的同时,可以实施大陆科学钻探计划。1996年,中国与美国、德国3个国家共同发起了国际大陆科学钻探计划。我们是大洋钻探计划的参与国,而到了大陆科学钻探计划的时候,我们是发起国,这是一个很了不起的进步。大陆科学钻探计划实施以来,中国大陆一共实施了3个在大陆科学钻探计划框架下的钻探工程,一个是江苏的东海钻,一个是青海湖的环境深钻,还有一个是松辽盆地的科学钻探。这些钻探工程不仅取得了大量的科学突破,也促进了我国钻探设备和技术的创新与发展。

松辽盆地大陆科学钻探工程由松科一井、二井、三井共三井四孔组成,获得连续完整的岩心8187米。其中松科二井是我国松辽盆地大陆科学钻探工程的核心科学井,完井深度达到7018米,成为亚洲国家最深的大陆科学钻井和国际大陆科学钻探计划成立以来的最深钻井,代表了中国的“入地”能力。科学钻探虽然表面上看是打一口井,实际却是在考验一个国家的综合实力和科技发展水平。松科二井工程创造了深部钻探技术4项世界纪录,引领了全球白垩纪陆相古气候研究,使我国在地球深部钻探技术领域达到国际领先水平。深地探测是利用地球物理手段来间接地探测深部地下的结构、形态和物质组成。这个事情对我们特别重要,因为中国是大陆灾害发生最多的国家,全球大陆地震有1/3就发生在中国,有1/2死亡人数在中国。我们正计划创建中国的大陆深部四维观测系统,通过长期观察手段对地球活动现象进行观测和研究,掌握灾害发生的深部过程和孕育机理,提高灾害监测预警的能力,向深部要安全。

中国在2008年启动了地球深部探测专项,后来在2016年又启动了深地资源勘察与开采的国家重点研发专项。通过这些项目的实施,使我国与国外的差距快速地拉近,使我们深部探测的整个技术系列,无论是在国产化、系统化,还是在工程方面,都可以跟发达国家相媲美。我们可以骄傲地说,具有完善的深部探测技术体系的国家,只有美国、加拿大、俄罗斯和中国这4个国家。

地心可能是我们永远想到又到不了的,那我们的地心之旅怎么完成呢?我们能不能把地心搬到实验室来?1993年,“把地心搬到实验室”取得重大进展,我们可以模拟实验核幔边界的温度。到了2010年,我们可以实验出相当于地心的温压,地心的压力有多大?大约是363万大气压,很难用数字来描述大气压力有多大。但是人们计算了一下,3只大象踩1个草莓,还不到1万大气压。我们可以想象363万大气压要能够实现出来,需要什么样的技术、什么样的装备。非常令人骄傲的是,2010年首先进入到地核这种温压条件的实验,是由中国科学家来完成的。

60年前,我们老一代科学家对21世纪的梦想是要“上天”,要“入地”,要“下海”。向地球深部进军是我们必须要解决的战略科技问题,而“十四五”规划又专门提出来,要在深地、深海等前沿领域实施一批具有前瞻性、战略性的国家重大科技项目。这实际上吹响了中国科学界向深地进军的集结号,我们要将入地梦融入到强国梦。

(本文转载自《学习时报》。责编:杨思玄)

 

专家简介

 

王成善,中国科学院院士,著名地质学家。他深入青藏高原30余年,从事地质科考和研究。他提出青藏高原从中部率先隆起的新论断,受到国际地学界的广泛关注,被列为“中国地理百年大发现”之一。作为较早关注全球气候变暖的地质学家,他主持的国际大陆钻探项目“松辽盆地大陆科学钻探”成功获取连续完整的8187米岩心,被誉为通往白垩纪的“金柱子”,为预测未来全球气候变化提供了科学依据。近年来,作为中方首席科学家,他主导发起了“深时数字地球国际大科学计划”,旨在为国际地学界构建数字化科研基础设施,实现地球演化数据的全球整合和共享。


分享到:

杂志
本期封面

2022年7月

上一期 下一期