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中国地球深部探测专项专场新闻发布会在美举行

深部探测辨思录:矿产并不缺,为何还要大力去找

香山科学会议聚焦地球深部过程与成矿作用 专家呼吁:用科研提高矿产资源保障能力

中国地球深部探测专项专场新闻发布会在美举行

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SinoProbe通过三维探测可以探明中国的矿藏,但是有人担忧,世界的矿产并不缺,为什么还要花大力气去找?

本报讯日前,以“地球深部过程与成矿作用”为主题的第483次香山科学会议在京举行,专家指出,立足国内、提高矿产资源保障程度已成为一项迫在眉睫的重大战略任务和重大的国家需求。

2013年12月9日11:30-12:30,美国地球物理年会新闻中心举行中国地球深部探测专项(SinoProbe)专场新闻发布会—“SinoProbe:一个前所未有的洞察地球最大大陆的科学计划”(SinoProbe:An Unprecedented View Insight Earth’s Largest Continent)。AGU公众新闻部主任Peter Weiss先生首先向美国科学新闻记者和有关杂志编辑介绍主持发布会的Sinoprobe首席、中国地质科学院副院长董树文研究员,Sinoprobe-03首席、矿产资源所吕庆田研究员,和美国斯坦福大学Simon Kelemperer教授和密苏里大学Mian Liu教授。美国地球物理学会是世界上最著名的地球科学学会之一,每年AGU秋季年会规模均达到2万人左右,成为世界上规模最大、层次最高的地学交流会。今年AHU年会注册人数达到24000人。据Peter Weiss介绍,在AGU年会上举行中国科研项目的新闻发布会,可能是第一次。董树文研究员首先发布了Sinoprobe专项研究背景和主要进展,特别是科学发现和技术进步。重点介绍了中国政府为“实施地壳探测工程,提升对地球认知、矿产资源勘查和地质灾害预警水平”为目的,从2008-2012年由国土资源部组织地壳探测工程的培育性专项“深部探测技术与实验研究”(SinoProbe-Ⅰ),中国地质科学院负责实施。由中国不同部门约1500多名科学家和工程师,以及研究生参加了深部探测专项的9个项目和49个课题。5年来探测并获得了海量地球深部高质量科学数据和一系列重要发现,包括:完成6156km长的深反射地震剖面,覆盖全国大陆的大地电磁阵列探测(华北和青藏高原1°×1°)、全国地球化学78种元素的基准网、重点矿集区立体探测、局域地应力深孔监测网、12口科学钻和地球物理验证孔2万米进尺、建立了数千万有限单元计算平台,自主研发万米科学钻机、无人机航磁系统、大功率电磁仪和移动数据综合处理系统等。首次获得青藏高原腹地的MOHO和下地壳反射,已经发表了600多篇科学论文、获得发明专利52个,国际合作进展顺利,先后在AGU(2009-2013)、国际地质大会和欧洲地学大会等国际会议上广泛交流,主持发起了“国际岩石圈结构探测研讨会”,均产生良好的反响。吕庆田研究员专门介绍了深部探测专项在矿产资源深部立体探测中新进展,强调了SinoProbe的重要目标之一就是缓解中国供应资源紧张的压力,开辟深部找矿的技术新途径。作为参与Sinoprobe专项合作的美国科学家代表斯坦福大学Simon Kelemberer教授和密苏里大学Mian Liu教授分别对中国深部探测专项进行科学评价和合作体会。Kelemberer教授认为Siboprobe已经取得了举世瞩目的进展,甚至超过了美国的COCORP计划,不仅在深反射地震剖面长度上,而且在探测技术和质量上。SinoProbe第二阶段的实施将使中国在深部地球探测方面整体超越欧洲和美国。Mian Liu教授评价道:SinoProbe 改变了中国在重大地学研究的国际合作关系。以前是西方国家出主意出设备,中国出劳力。SinoProbe 的国际合作,是以中国为主导。科学方面的平等合作,使中外科学家都发挥了最大潜力。中国Sinoprobe 的进展引起了美国记者的热切关注,《今日物理》(Physics Today)记者首先提问,SinoProbe在哪些方面超过美国?Simon答:是规模及方法的集成。董答:超过美国是美国科学家的褒奖和鼓励。中国的深部探测专项仍然在学习美国等先进国家的经验,而且进口美国的探测仪器,这是实情,但是,中国组织了多学科联合探测的模式,这与美国是不同的,具有集成优势和后发优势。AGU快讯《EOS》记者问:中国大地电磁网是怎样探测地球深部电性?和美国的地球透镜计划(EarthScope) 有何不同?Simon答:MT是利用大地电流场,探测地球不同深处的电性,对流体和岩石部分熔融尤为敏感。SinoProbe 的MT 标准网,使得这种观测更为全面准确。美国的EarthScope 只有局部的MT观测。《今日物理》记者再问,中国深部探测数据能否共享,如何共享?Mian答:SinoProbe 明确数据共享,并正在建立数据库。我们的美国团队在与SinoProbe 的合作中,已经共享了数据。董答:SinoProbe是一个开放的项目,从一开始中国国土资源部就制定了管理办法,要求专项结束2年后数据公开。其实在过去5年的实施过程中数据已经不断地实现了共享,通过不同项目和不同部门之间的年度交流,国际合作的联合探测等。美国地质研究所 撰稿人问道:深部探测第二阶段计划如何?何时启动?董树文回答:第二阶段的计划正在准备和论证之中,何时能否实施主要在于:一是取决对第一阶段目标、成果的总结和国家评价;二是取决于国家科技投入强度,科学家的愿望要和国家经济实力相协调。目前正在组织总结和验收,2014年争取通过国家验收和评价。深部探测专项有关项目负责人高锐、魏文博、底青云、张贵宾等20多位中国专家参新闻发布会。10日中午,应约董树文、吕庆田在SinoProbe的展台再次接待了《EOS》记者S.Randy和AGI撰稿人Oleson的联合采访,回答了为什么中国要开展深部探测,其动力何来?目标何在?下一阶段的计划?数据共享的政策和开发程度?中国未来矿产资源的需求和消费及其对全球的影响?中国稀土资源和中国自然灾害问题。董和吕详细地回答了记者的问题,并以供了他们所需要的资料。会谈进行了一个多小时,轻松、融洽。Randy说这是一次甜蜜的采访。最后问及董树文和吕庆田出自哪种原因愿意组织这种大科学计划?对个人的益处是什么?中国专家愉快地回答了提问。SinoPrbe这是连续第五年参加AGU会议,今年由SinoProbe牵头主持了“岩石圈结构深部探测”主题有3个展板专场,并在会展中心设立了专项的展台,集中展示专项5年来的成果,受到热情关注。相关专题:聚焦中国入地计划

该图为深部探测三维展示图,展示了中国深部探测的三维立体探测方法技术,从上到下依次是空中的无人机航磁探测,地面的电、磁、震探测和地下的深部钻探取样探测。 中国地质科学院供图

SinoProbe:目前,深部探测项目的重点目标之一是深部找矿。将地下矿产资源探明对于中国未来的发展有着战略意义,因为中国是资源需求大国,如果纯粹依靠进口,那么很容易被人“扼住脖子”。比如,如果中国大批量购买某种矿产资源,势必造成该资源紧缺,导致价格上涨;再比如,中国的购买的资源运输往往需要通过马六甲海峡,一旦海峡被人控制,中国就会很被动。

近年来,科学家们已经越来越清楚地认识到,只有阐明地球深部过程的本质,才能回答在哪里能够找到大型、超大型矿床这样的重大资源战略问题。为此,多个国家启动了相应的研究计划,如美国的“地球透镜计划”、澳大利亚的“地球深部探测计划”,我国也实施了“中国地下明灯”计划、中国深部地壳探测计划等。但迄今我国对矿产的利用和勘查主要还在500米以上的地球浅部,直接影响了为国家建设和社会可持续发展提供矿产资源保障的能力。

与儒勒·凡尔纳在19世纪科幻名著《地心游记》中对地心熔岩、火焰等新奇想象相比,人类对地球内部的真实了解还远不够丰富。

所以,李克强总理曾经强调,中国将按照坚持科学发展、加快转变经济发展方式的要求,把立足国内开发与加强国际合作结合起来,充分利用国内外两个市场、两种资源,不断增强经济社会发展的能源资源保障能力。

国家自然科学基金委员会研究员马福臣指出,只有阐明了地球深部过程,即地球内部的物质组成、性质、运动演化过程及动力学,才能抓住资源环境问题的关键。传统的成矿模式在大型、超大型矿床应用中受到了限制,未来要以地球深部探测、地球深部作用与过程研究为核心,创新大陆动力学与成矿理论,提高矿产勘查能力仍然是当代地学研究前沿。

“我们现在可以上天、下海了,却还难以‘入地’,”董树文说,目前人类的直接钻探最深只有12公里,与6000多公里的半径相比,仅仅只是地球的表皮。

我们必须先了解自己的矿产资源家底,备好储存,一旦遇到资源紧缺的情况,再开采利用。这是一个经济大国、政治大国的战略考量。

中国地质科学院研究员董树文介绍,通过“中国深部地壳探测计划”,已获得了几千公里深反射地震剖面和海量的全国地球化学基础数据,建立了区域地应力监测网和亚洲最大规模的地球动力学数值模拟平台,发现了一批具有战略意义的重大找矿线索,使我国跻身于世界深部探测大国行列。

董树文是中国地质科学院副院长,他现在一个更引人注意的身份,是我国“深部探测技术与实验研究”专项首席科学家。深部探测,这项中国地学史上最大的科学项目,代表着当前我国地球深部研究的最高水平。

近几年国内发生大地震时,地震部门并没有进行准确的预测。那么深部探测能否预测地震,提前捕捉到地震信息呢?

与会专家认为,我国已具备了开展深部过程与成矿作用研究的基本条件,包括学术积累、实验设备和研究队伍等,现在正是开展该领域研究的良机。

给地球深层做“CT”

SinoProbe:地震预报是全世界都没有解决的。地震往往发生在浅地层,如果在探测过程中,能够将地下二三十公里的范围探测清楚,那么对于中国中长期预测地震还是有帮助的。

专家建议,要围绕深部物质组成、结构不均一性的演变与差异成矿作用,深部流体过程与物质能量交换,成矿系统的深部驱动机制三个关键科学问题开展研究,从而建立地球深部过程与成矿作用相统一的理论,提高矿产资源保障工作的预见性与目的性,从根本上提高为国家建设和社会发展提供矿产资源的保障能力。

过去5年,我国完成了6160公里“穿透地壳”的深反射地震剖面,总长度达到11000公里

而且,我们在青藏高原东南缘和北京周边地区建立的地应力观测站,这是目前中国最深的地应力监测网络。它的子项目之一,就是“地应力测量与监测技术实验研究”。地应力监测网络只是“大计划”的一部分。在“深部探测专项”2012年年报中输入“龙门山”进行搜索,可以找到分散在数个子项目中的49条结果。

《中国科学报》 (2014-07-14 第4版 综合)

地球内部的构造,由外而内分别是三个同心球层,即地壳、地幔和地核。大陆地壳平均厚度约30—40公里,地幔则厚达近2700公里,地壳和地幔顶部组成固体的岩石圈平均约200公里厚,这就是飘移的板块。地幔之下,才是由铁、镍等物质组成的高温内核,《地心游记》中的地核就在这里。

总之,深部探测的目的,也是希望让中国人真正了解自己脚下的大地,并据此制定防灾减灾、资源开发等国家战略。

至于多深才能称之为“深部”,董树文说,地质学界并没有一个统一标准。

深部探测过程,是否会对周边生态环境产生影响?

“从技术精度上讲,对地球深部的真正科学探测始于上世纪七八十年代,”董树文说,美国当年应用石油勘探的反射地震探测技术探测全地壳的结构,引领了世界深部研究的方向,也使得探测深度和精度达到前所未有程度。

SinoProbe:不会。万米钻探的占地面积并不大,而且这些设备可以拆除,而且SinoProbe只是在地面上打孔深探,所以不会对周边的生态环境产生影响。

“这就像给地球深层做一个CT”,国土资源部咨询中心专家黄宗理说,科学家在地上放人工炮,产生地震波就会沿地下传播,而当地震波碰到一个不同地质体的时候就会反射回来,仪器接收到反射信号,经过处理以后就会得到图像。

相反的是,我们将万米第一钻选择在大庆油田,其中一个原因也是希望可以从那里了解古气候演变过程,进而推测出未来地球的气候走向。

“因为不同深度和岩石性质反射的波是不同的,通过分析反射地震剖面图,科学家就能大体判断深部的构造了。”黄宗理说。

现在,人们对于地热资源的开发和利用尚不足,那么深部探测是否能改变这一现状?

董树文介绍,继美国之后,加拿大、英国、德国、澳大利亚等国,也在上世纪实施了相应的大陆地壳的深地震反射探测计划。

SinoProbe:深部探测计划的下阶段目标中一部分就是调查热结构,寻找适合开发地热资源的地方。因为地下温度很高,所以如果能利用地热资源,将可以解决人类未来几万年的能源问题。目前,我们还是处在热结构的调查和浅层利用阶段。下一阶段,我们主要集中在开采技术和设备上。因为要提取地热资源,要先将干热岩碎裂,然后将水打下去,令其气化,再抽取上来。

“深部专项实施之前,我国深反射地震剖面总长约4800公里,仅相当美国的1/12,英国的1/4,意大利的1/2。”董树文说,过去5年,我国完成了6160 公里“穿透地壳”的深反射地震剖面,总长度达到11000公里,超过了此前50年完成的总和。

理论上讲,按照每公里地温增加30℃的原理,探到地表下5公里,温度已经足够高产生地热资源。但是打到5公里的成本还是有些高。在西藏的羊八井地区,在地下二三百米的地方就可以打出地热资源。但是水汽腐蚀性极强。当前最耐腐蚀的钢管也只能用一两年。也有人试过陶瓷的管道,虽然耐腐蚀但矿物质容易沉积,所以一段时间后也必须更换。而且,地球下面的一些矿物质和气体一旦漏出地表就对人类有害。所以现在这些都还在研究试验阶段。

“我国现在有了11000公里深反射地震剖面,意味着我国从此进入深部探测大国行列”,深反射地震项目负责人高锐研究员说。

SinoProbe未来是要进行数据共享的,有人质疑这样做是“泄密”。关于数据公开和数据共享,该如何看待?

地表发生的一切几乎都能在深部找到答案

SinoProbe:科学数据共享是未来发展的大趋势。比如中国正在进行深空研究,很多数据就是从美国宇航局等机构免费获得的。现在,世界地球物理的专家们都将关注点放在了中国,他们也希望可以从我们这里看到新的数据。

地震是地球内部应力作用的结果,了解地壳结构和地压力变化,有助于把握地震发生规律

其实,与其将数据抓在自己手里,不如与其他科学家一起共享,让大家一起做研究,百家争鸣,得出结论肯定会更快。至于版权,不论哪个机构进行研究,只要注明数字来源,那么取得了成就也是我们的一部分。

“地表上发生的一切,几乎都能在深部找到答案,”黄宗理认为,要认识地球,就不能不了解深部。

深部探测投入相对较大,这些资金的去向是哪里,投入与产出是否成正比?下一步该如何走?

“这就像一个顶层设计。”董树文说,深部探测是地球学科原始性创新的基础工作,是现代地球系统科学的基石,要实现从地质大国走向地质强国,就必须做好这一研究。

SinoProbe:第一个五年计划中,国家投入了12亿元,就目前看,这些资金的使用都落到了实处。而且,项目组已经做了6100多公里的反射剖面,基本上每一公里都会花费8~10万元,这样算下来,我们的资金大部分都投入实际探测实验上面。

董树文说,现代资源勘探是建立在地质学、地球化学和地球物理学基础上,而深部探测可以揭示地下精细的结构与组成,精确的深部勘测,不仅可以指导发现新资源,还能建立新的找矿理论。

另外,有3亿元投资在设备自主研发上,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。

“我国资源探测的平均深度只有500米,地下还有那么厚,如果了解深部的情况,地下可开采的资源可能大幅度增加”,董树文认为,深部探测能够延伸国土资源的空间内涵,从而开辟“第二找矿空间”。

现在,我们正在总结第一阶段探测工作,已经发表了六百多篇论文,SCI论文超过200篇,已经获得50多项发明专利,培养了几百名研究生,在国际上产生良好的反响。下一步我们将申请下一阶段的项目,如果申请下来将会是未来更长时间的计划,将由几代人共同完成。这样算下来,中国对于对地探测计划投入并不算多,比如美国2003年启动的“地球透镜计划”,就计划在十五年内投入200亿美元。■(袁一雪、张文静/整理)(原标题《SinoProbe辨思录》)

董树文说,我国深部探测目标之一,是建立一套大型矿集区立体三维探测体系,完成地下3公里左右的资源分布三维图,达到“透明化”。

《科学新闻》 (科学新闻2013年第12期 封面)

“如果我们完全清楚地下3公里的情况,资源发现的效率和数量肯定将大幅度增加。”董树文说。

深部探测另一大应用是监测环境。中国地质科学院的王学求研究员介绍,5年中,我国建成了一张世界领先的数字化学网,得出了76种元素在我国的分布和浓度值的示意图。

王学求解释,“因为地球本底的元素基本稳定,但地表的土壤化学含量可以被污染,这样科研人员利用现今的地表元素含量和上世纪80年代的测量数据比较,做个减法,就能得出人为因素的影响。了解这些情况,我们就可以提前做好预防工作。”

地震灾害是地球内部的应力作用的结果,了解地壳结构和地应力变化,有助于把握地震发生规律。

中国科学院大学石耀霖院士说,青藏高原东南缘,这个包括了汶川地震在内的范围,可谓是世界上地壳活动性最活跃的地带,深部探测专项在这个区域建立了现代地应力监测网,测量并实时监测地应力大小和变化,通过数字模拟的方式,把握地壳活动性脉络。他说,这对今后地震预报走数字化方向至关重要。

自主装备可决定未来深部探测工程成败

我国万米钻机近期将在大庆钻探实验,并将研制1.5万米科学钻机

虽然深发射地震剖面突破万公里,步入探测大国行列,但董树文清楚,与发达国家相比,我国还有不少的差距。

“由于技术和资金不足,我国对陆地的了解大多还停留在表面,仅有非常有限的探测活动,对几十公里的地下情况并不清楚。深部专项所实验的,正是美国30多年前的工作。”董树文说。

“我们缺乏深部探测原创性技术。”董树文举例说,我国重力测量,测出的只是从地心到地表物质密度的总和,只了解横向的差异,几乎没有精确的垂直分辨的效果。但是,国外的重力梯度测量已经获得了高精度的垂向密度分辨能力,用于资源勘查和军事地质产生巨大的效益。这个技术对我国绝对封锁。没有重力梯度测量技术,就不能判断地球不同深度比重的差异。

黄宗理说,我国当前几乎所有深部探测仪器都是进口的,而当我国要进行大规模的地球勘探工程,国外就会封锁某些技术和设备,影响了探测进展。

“某种意义上讲,自主装备决定着未来地壳探测工程的成败。”黄宗理说。

董树文介绍,实施深部专项,另一个目标是希望能自主研制一批深部探测设备,力图实现关键技术的重大突破。

他介绍,深部探测专项已经在大功率地面电磁测量仪、无缆地震仪和无人机航磁系统等关键仪器的研发上取得突破。

钻探的水平直接代表了探测地球资源深部的能力,专项成功研制了万米科学钻机。董树文透露,万米钻机准备近期在大庆进行钻探实验,而进一步的目标则是,研制1.5万米的科学钻机。

“这个深度可以用于直接采集大陆震中的岩石样本,了解地震发源的机理。”

董树文说,我国深部探测培育期已经完成,而完成第一轮地球探测计划还需要更多时间。

本篇文章来源于《人民日报》

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