深地探测：艰难的地质梦与美丽的中国梦
- 2014/1/16 16:15:39 6442
- 来源：仪表网
摘要：“十八大报告提出我们要建设美丽中国，我想这个美丽的中国应该是这样的：它是一个经济强盛的中国，这需要丰富的资源提供支撑；它是一个科学的中国，这需要我们不断发展科学技术；它是一个安全的中国，既包括国家安全也包括免受地质灾害等影响；它是一个生态的中国，要免受环境污染带来的困扰。从这个角度讲，深部探测与构建美丽中国紧密相连。”
导读：“十八大报告提出我们要建设美丽中国，我想这个美丽的中国应该是这样的：它是一个经济强盛的中国，这需要丰富的资源提供支撑；它是一个科学的中国，这需要我们不断发展科学技术；它是一个安全的中国，既包括国家安全也包括免受地质灾害等影响；它是一个生态的中国，要免受环境污染带来的困扰。从这个角度讲，深部探测与构建美丽中国紧密相连。”
1864年，科幻小说作家凡尔纳发表科幻小说《地心游记》，描写了人类由地面到地下，经过一番探险终回到地面的故事。
如今，梦想照进现实。
自上世纪七八十年代开始，前苏联、美国、德国等世界各国纷纷加入地球深部探测的行列。2008年，中国一项关于地球物理的重大的科技专项计划也正式拉开序幕——深部探测技术与实验研究专项(SinoProbe)。
这意味着，中国终于拥有了自己系统的对地探测计划。
个五年过去了，这个与深空、深海并齐的“深地”项目，完成了6000多公里反射剖面的探测，超越了过去五十年中国深部探测剖面长度的总和。两者相加，数字超过1万，让中国这个地质大国，再次挺起腰杆，用实际行动向地质强国的目标迈进。
而同一时刻，的地质科学家们也都翘首企盼，SinoProbe将为未来的地质研究带来怎样的震撼。
叩响“入地之门”
2013年11月，在海拔4400米的西藏罗布莎，SinoProbe-03项目的研究员杨经绥等人为钻机更换了一个功率更大的马达。因为高原缺氧，钻机马达的功率折损了一半，原本能够打100～200米空洞的钻机，到了这里，只能打到三五十米。
机械尚且如此，何况是人。研究人员们忍受着高原反应带来的身体不适，咬牙坚持工作。
这份坚持得到的回报是巨大的。
按照以往的认知，青藏高原的地壳厚度能够达到70～80公里，地壳下方才是地幔。但是，研究人员却在打穿板块缝合带1199米的地方发现了地幔物质。这一发现无疑是重量级的。
而在青藏高原腹地——羌塘草原，SinoProbe-02项目即深部探测技术实验与集成项目的负责人、中国地质科学院地质研究所研究员高锐所带领的团队，却遇到了技术瓶颈。为了收集好效果的反射数据，高锐及其团队在生命禁区冬季施工。因为只有冬季才不会发生陷车，还可以使用大功率钻机，实现超深井大药量激发爆破。
通过人工爆破激发地震波，然后用仪器按照激发的规律接收。这个方法属于地震方法的一种。其目的与罗布莎的打钻取样一样，都是要把地下结构搞清楚。“但是它的适用范围有局限，一般只能到60公里。”SinoProbe科学家董树文说，“但是，我们希望了解到地下400～600公里的情况。因为地球的内部动力多起源在这里。”
所以，要取得岩石圈的厚度，反射地震的能量就不够了，还需要用天然地震的方法作以补充。这种方法是由研究人员事先埋下接收器，然后等待天然地震的发生，通过深部传来的各种地震波形和到时记录的数据获得岩石圈内部的各式各样的速度结构，终形成结构形态。
阶段性胜利
反射、折射、大地电磁等一系列测量手段的应用，终于汇集了海量数据。现在，五年的项目终于告一段落。
与研究人员到处总结、汇报不同，国内十几家数据处理的专业机构，正忙碌地分析着SinoProbe五年来采集的数据，去除人为干扰信号的“杂音”，留下尽可能纯粹的来自地球内部的“信号”。“这一过程复杂且耗时，因为测量时任何风吹草动都会影响信号波动。”董树文说。之后，地球物理学家会根据数据描绘出6100多公里深反射剖面下，给地球做一张张“断层CT”。
同样忙碌着的还有自动化极高的设备。在距离北京3000多公里外的青藏高原上，前后左右间隔20公里的几十块太阳能电池板整齐的排列着。电池板的下方是一台台大地电磁接收器，不分昼夜地忠实记录下地球的电磁场波动。它们的学名叫做“三维大地电磁参数标准网”。
中国地质大学教授魏文博是标准网的“创新”者。在项目初期，项目组遵循惯例，将这些接收器按照经纬度1°×1°进行码放，也就是每个点之间相距100公里。但是，研究人员很快发现，大地电磁值每分每秒都在变化，不同时间测量的数值都不能代表这个点。令人无奈的是，这些数据也不能通过长时间测量得出的平均数代替。
怎么办？增加接收器的密度！
研究人员将之前每台接收器四周，以十字形布置了另外8台接收器，每个间隔20公里，形成“小阵列”。这样，9个台站同时测量体电阻率，后形成三维图后，不仅误差小，而且“体数据柱”的标准也会更准确，由此得出的电磁网数分辨率超过了世界其他国家。
对此，电磁领域专家Alan G.Jones教授曾在接受采访时表示：“这是一个了不起的规划！你们在数据采集、处理、分析以及建模等多方面处于世界前列。”
而这项技术，正是SinoProbe众多自主创新技术之一。
另外一个颇受赞誉的是由SinoProbe-04项目即地壳全元素探测技术与试验示范项目负责人、中国地质科学院物化探所研究员王学求带领团队实现的“地球化学基准网”。这张全国稀土元素地球化学基准图，为圈定盆地砂岩型铀矿、预警人为放射性污染起到了重要作用。不仅如此，王学求还获得地球上全部76种元素在全国地表的分布情况，并利用类似于谷歌地球的软件技术，次建立了化学地球的数字表达。
由此可见中国地质结构之复杂。但是研究人员们见招拆招，不断摸索前行，于是，更多的“次”和“自主创新”涌现出来：
次系统建立适应中国大陆复杂岩石圈、地壳的深部立体探测技术体系；
次创造了同缆共震源的放射地震与折射地震同时接受技术，实现速度结构和放射结构同步探测；
次在中国建立了大规模的数千万有限单元的地球动力学数值模拟平台；
次建立了青藏高原东南缘现今深孔地应力监测区域网，为中国地壳活动性监测和地震预警提供了新的技术路线；
次打破国外垄断，自主研制了一批深部探测地震、地面电磁、无人机航磁等关键仪器和万米科学钻机。
好事多磨
大量的数据搜集、多学科的参与，人们眼中的SinoProbe朝气蓬勃。但在SinoProbe专家委员会主任、中国科学院院士李廷栋眼中，中国距离地质强国还差得很远。这些差距源于理论和技术的滞后，而这与历史密不可分。
让我们将指针回拨，回到1958年。新中国刚刚成立，百废待兴。以中国科学院院士曾融生为首的地质工作队，首先在柴达木盆地进行了低频地震探测的试验工作，目的在于探测该盆地埋藏很深（大于10公里）结晶基底和沉积建造的界面。
之后，曾融生又陆续得出了地壳速度分层和中国不同地区的地壳厚度。正当深部探测工作渐入佳境时，一场文化浩劫打乱了一切。
粉碎“四人帮”后，时任中国地质科学院院长的李廷栋以中方联系人的身份，参与了中法喜马拉雅地质构造合作研究项目的组织协调和领导工作。在参与合作的三年中，李廷栋意识到地球深部探测工作的开展刻不容缓，随即着手成立了岩石圈研究中心，并在上世纪80年代中期，完成了对14条地学断面(GGT)的探测。
但随之而来的不是深部探测工作地顺利发展，而是再一次陷入停滞状态。李廷栋也很无奈：“当时，的地矿工作都很萧条，矿产资源供大于求。”
这一次，地质工作持续低迷了十年，中国地质科学院甚至陷入了需要自己赚钱养活员工的境地，被迫停止了大部分科研工作。
当时间迈过了千禧年，中国工业化加速发展，各行各业对于矿产资源需求持续上升，之前认为靠进口就能解决问题的决策者们，在矿产价格一天三变的情况下，开始意识到开发本国矿产的重要性。2006年，国务院做出了《加强地质工作的决定》。
地球深部探测被再次提上日程。董树文等准备了六年的“地壳探测工程”的计划得到了李廷栋、孙枢等一批院士的鼎力支持。李廷栋四处奔走，希望尽快立项。“我的意见是，这项工作很必要，需要开展，早做早主动，晚做就被动。而且我们已经比欧美国家落后几十年了。美国七八十年代就开始了，加拿大紧随其后，澳大利亚、欧洲也在二三十年前就开始做了。我们再不做就更被动了。”
一次次的呼吁、写信、说服，李廷栋用自己总结归纳的“买不起、供不起、养不起，经不起”，形象地描述了单一依靠进口矿产的劣势，希望国家重视深部探测工程，“把家底搞清楚”，做到“家里有矿心里不慌”。
三年后，时任中共中央政治局常委、国务院副总理强调，在我们这样一个有着十几亿人口的发展中大国里解决能源资源问题，需要充分利用国内两个市场、两种资源，但必须坚持立足国内，增强国内能源资源的保障能力。
彼时，SinoProbe正在申请立项。但到底应该由谁牵头的问题，又引发了分歧。不少人写信，或毛遂自荐，或要求慎重考虑。“当时主管部门找我谈话，我的意见就是，非董树文不可，其他人没有他的能力。而且他科学技术水平也不错。业务综合，知识面广。”李廷栋说。
几经波折，以中国地质科学院为牵头单位的项目组终于成立，这才有了如今的轰轰烈烈。
地质梦，中国梦
不过，过去的五年仅仅是SinoProbe正式开始前的“热身”。项目组的专家们都明白，真正的重头戏在下一个十五年甚至二十年。
2013年4月16日，李廷栋曾在“深部探测技术与实验研究专项2012年度成果汇报交流会”上这样描绘了他的“中国梦”：“十八大报告提出我们要建设美丽中国，我想这个美丽的中国应该是这样的：它是一个经济强盛的中国，这需要丰富的资源提供支撑；它是一个科学的中国，这需要我们不断发展科学技术；它是一个安全的中国，既包括国家安全也包括免受地质灾害等影响；它是一个生态的中国，要免受环境污染带来的困扰。从这个角度讲，深部探测与构建美丽中国紧密相连。”
李廷栋解释说，美丽的中国首先应该是富强的中国。SinoProbe要通过探测让民富国强。就像SinoProbe-03项目即深部矿产资源立体探测技术及实验项目负责人、中国地质科学院矿产资源研究所研究员吕庆田总结的那样，“深部资源探测所取得的进展的应用前景在于，将极大深化对19个成矿带深部成矿过程的认识，为建立大陆成矿体系提供重要深部信息，促进47个整装勘查区的深部找矿突破。”
其次，美丽中国应该是绿色的、生态的。要解决生态问题，不能只看到地表问题，还应该追根溯源，寻找地质本身的问题。比如现在的生存环境如何衍生的；什么时候二氧化碳多，什么时候二氧化碳少；为什么有第四纪冰川等，这些问题通过深部探测都可以解决。人们可以了解地球本身的构造和发展规律，对今后的生态环境变化有很大帮助。
第三是安全中国。地质灾害威胁着人们生命财产。通过深部探测，人类可以将地壳结构弄清楚，对预防灾害，甚至解决地方病都有好处。
而现在，万里长征才开始步。“我们计划用二十年的时间，将我国领土做一个详细扫描，把矿集区、地震带、地壳内部到莫霍面结构透明化，希望能够有比较准确的地震预警。在地球科学理论上有所创新，真正创造出符合中国地质特点又能使用的地质科学理论，把高新技术带起来。”李廷栋说。
年底，SinoProbe已经向主管部门做了总结。但是接下来十五年的项目是否能申请下来，大家心里都没底。肯定的是，每一个人都希望SinoProbe可以继续前行。这个宏大的地质梦，终究能成为美丽的中国梦。
如今，梦想照进现实。
自上世纪七八十年代开始，前苏联、美国、德国等世界各国纷纷加入地球深部探测的行列。2008年，中国一项关于地球物理的重大的科技专项计划也正式拉开序幕——深部探测技术与实验研究专项(SinoProbe)。
这意味着，中国终于拥有了自己系统的对地探测计划。
个五年过去了，这个与深空、深海并齐的“深地”项目，完成了6000多公里反射剖面的探测，超越了过去五十年中国深部探测剖面长度的总和。两者相加，数字超过1万，让中国这个地质大国，再次挺起腰杆，用实际行动向地质强国的目标迈进。
而同一时刻，的地质科学家们也都翘首企盼，SinoProbe将为未来的地质研究带来怎样的震撼。
叩响“入地之门”
2013年11月，在海拔4400米的西藏罗布莎，SinoProbe-03项目的研究员杨经绥等人为钻机更换了一个功率更大的马达。因为高原缺氧，钻机马达的功率折损了一半，原本能够打100～200米空洞的钻机，到了这里，只能打到三五十米。
机械尚且如此，何况是人。研究人员们忍受着高原反应带来的身体不适，咬牙坚持工作。
这份坚持得到的回报是巨大的。
按照以往的认知，青藏高原的地壳厚度能够达到70～80公里，地壳下方才是地幔。但是，研究人员却在打穿板块缝合带1199米的地方发现了地幔物质。这一发现无疑是重量级的。
而在青藏高原腹地——羌塘草原，SinoProbe-02项目即深部探测技术实验与集成项目的负责人、中国地质科学院地质研究所研究员高锐所带领的团队，却遇到了技术瓶颈。为了收集好效果的反射数据，高锐及其团队在生命禁区冬季施工。因为只有冬季才不会发生陷车，还可以使用大功率钻机，实现超深井大药量激发爆破。
通过人工爆破激发地震波，然后用仪器按照激发的规律接收。这个方法属于地震方法的一种。其目的与罗布莎的打钻取样一样，都是要把地下结构搞清楚。“但是它的适用范围有局限，一般只能到60公里。”SinoProbe科学家董树文说，“但是，我们希望了解到地下400～600公里的情况。因为地球的内部动力多起源在这里。”
所以，要取得岩石圈的厚度，反射地震的能量就不够了，还需要用天然地震的方法作以补充。这种方法是由研究人员事先埋下接收器，然后等待天然地震的发生，通过深部传来的各种地震波形和到时记录的数据获得岩石圈内部的各式各样的速度结构，终形成结构形态。
阶段性胜利
反射、折射、大地电磁等一系列测量手段的应用，终于汇集了海量数据。现在，五年的项目终于告一段落。
与研究人员到处总结、汇报不同，国内十几家数据处理的专业机构，正忙碌地分析着SinoProbe五年来采集的数据，去除人为干扰信号的“杂音”，留下尽可能纯粹的来自地球内部的“信号”。“这一过程复杂且耗时，因为测量时任何风吹草动都会影响信号波动。”董树文说。之后，地球物理学家会根据数据描绘出6100多公里深反射剖面下，给地球做一张张“断层CT”。
同样忙碌着的还有自动化极高的设备。在距离北京3000多公里外的青藏高原上，前后左右间隔20公里的几十块太阳能电池板整齐的排列着。电池板的下方是一台台大地电磁接收器，不分昼夜地忠实记录下地球的电磁场波动。它们的学名叫做“三维大地电磁参数标准网”。
中国地质大学教授魏文博是标准网的“创新”者。在项目初期，项目组遵循惯例，将这些接收器按照经纬度1°×1°进行码放，也就是每个点之间相距100公里。但是，研究人员很快发现，大地电磁值每分每秒都在变化，不同时间测量的数值都不能代表这个点。令人无奈的是，这些数据也不能通过长时间测量得出的平均数代替。
怎么办？增加接收器的密度！
研究人员将之前每台接收器四周，以十字形布置了另外8台接收器，每个间隔20公里，形成“小阵列”。这样，9个台站同时测量体电阻率，后形成三维图后，不仅误差小，而且“体数据柱”的标准也会更准确，由此得出的电磁网数分辨率超过了世界其他国家。
对此，电磁领域专家Alan G.Jones教授曾在接受采访时表示：“这是一个了不起的规划！你们在数据采集、处理、分析以及建模等多方面处于世界前列。”
而这项技术，正是SinoProbe众多自主创新技术之一。
另外一个颇受赞誉的是由SinoProbe-04项目即地壳全元素探测技术与试验示范项目负责人、中国地质科学院物化探所研究员王学求带领团队实现的“地球化学基准网”。这张全国稀土元素地球化学基准图，为圈定盆地砂岩型铀矿、预警人为放射性污染起到了重要作用。不仅如此，王学求还获得地球上全部76种元素在全国地表的分布情况，并利用类似于谷歌地球的软件技术，次建立了化学地球的数字表达。
由此可见中国地质结构之复杂。但是研究人员们见招拆招，不断摸索前行，于是，更多的“次”和“自主创新”涌现出来：
次系统建立适应中国大陆复杂岩石圈、地壳的深部立体探测技术体系；
次创造了同缆共震源的放射地震与折射地震同时接受技术，实现速度结构和放射结构同步探测；
次在中国建立了大规模的数千万有限单元的地球动力学数值模拟平台；
次建立了青藏高原东南缘现今深孔地应力监测区域网，为中国地壳活动性监测和地震预警提供了新的技术路线；
次打破国外垄断，自主研制了一批深部探测地震、地面电磁、无人机航磁等关键仪器和万米科学钻机。
好事多磨
大量的数据搜集、多学科的参与，人们眼中的SinoProbe朝气蓬勃。但在SinoProbe专家委员会主任、中国科学院院士李廷栋眼中，中国距离地质强国还差得很远。这些差距源于理论和技术的滞后，而这与历史密不可分。
让我们将指针回拨，回到1958年。新中国刚刚成立，百废待兴。以中国科学院院士曾融生为首的地质工作队，首先在柴达木盆地进行了低频地震探测的试验工作，目的在于探测该盆地埋藏很深（大于10公里）结晶基底和沉积建造的界面。
之后，曾融生又陆续得出了地壳速度分层和中国不同地区的地壳厚度。正当深部探测工作渐入佳境时，一场文化浩劫打乱了一切。
粉碎“四人帮”后，时任中国地质科学院院长的李廷栋以中方联系人的身份，参与了中法喜马拉雅地质构造合作研究项目的组织协调和领导工作。在参与合作的三年中，李廷栋意识到地球深部探测工作的开展刻不容缓，随即着手成立了岩石圈研究中心，并在上世纪80年代中期，完成了对14条地学断面(GGT)的探测。
但随之而来的不是深部探测工作地顺利发展，而是再一次陷入停滞状态。李廷栋也很无奈：“当时，的地矿工作都很萧条，矿产资源供大于求。”
这一次，地质工作持续低迷了十年，中国地质科学院甚至陷入了需要自己赚钱养活员工的境地，被迫停止了大部分科研工作。
当时间迈过了千禧年，中国工业化加速发展，各行各业对于矿产资源需求持续上升，之前认为靠进口就能解决问题的决策者们，在矿产价格一天三变的情况下，开始意识到开发本国矿产的重要性。2006年，国务院做出了《加强地质工作的决定》。
地球深部探测被再次提上日程。董树文等准备了六年的“地壳探测工程”的计划得到了李廷栋、孙枢等一批院士的鼎力支持。李廷栋四处奔走，希望尽快立项。“我的意见是，这项工作很必要，需要开展，早做早主动，晚做就被动。而且我们已经比欧美国家落后几十年了。美国七八十年代就开始了，加拿大紧随其后，澳大利亚、欧洲也在二三十年前就开始做了。我们再不做就更被动了。”
一次次的呼吁、写信、说服，李廷栋用自己总结归纳的“买不起、供不起、养不起，经不起”，形象地描述了单一依靠进口矿产的劣势，希望国家重视深部探测工程，“把家底搞清楚”，做到“家里有矿心里不慌”。
三年后，时任中共中央政治局常委、国务院副总理强调，在我们这样一个有着十几亿人口的发展中大国里解决能源资源问题，需要充分利用国内两个市场、两种资源，但必须坚持立足国内，增强国内能源资源的保障能力。
彼时，SinoProbe正在申请立项。但到底应该由谁牵头的问题，又引发了分歧。不少人写信，或毛遂自荐，或要求慎重考虑。“当时主管部门找我谈话，我的意见就是，非董树文不可，其他人没有他的能力。而且他科学技术水平也不错。业务综合，知识面广。”李廷栋说。
几经波折，以中国地质科学院为牵头单位的项目组终于成立，这才有了如今的轰轰烈烈。
地质梦，中国梦
不过，过去的五年仅仅是SinoProbe正式开始前的“热身”。项目组的专家们都明白，真正的重头戏在下一个十五年甚至二十年。
2013年4月16日，李廷栋曾在“深部探测技术与实验研究专项2012年度成果汇报交流会”上这样描绘了他的“中国梦”：“十八大报告提出我们要建设美丽中国，我想这个美丽的中国应该是这样的：它是一个经济强盛的中国，这需要丰富的资源提供支撑；它是一个科学的中国，这需要我们不断发展科学技术；它是一个安全的中国，既包括国家安全也包括免受地质灾害等影响；它是一个生态的中国，要免受环境污染带来的困扰。从这个角度讲，深部探测与构建美丽中国紧密相连。”
李廷栋解释说，美丽的中国首先应该是富强的中国。SinoProbe要通过探测让民富国强。就像SinoProbe-03项目即深部矿产资源立体探测技术及实验项目负责人、中国地质科学院矿产资源研究所研究员吕庆田总结的那样，“深部资源探测所取得的进展的应用前景在于，将极大深化对19个成矿带深部成矿过程的认识，为建立大陆成矿体系提供重要深部信息，促进47个整装勘查区的深部找矿突破。”
其次，美丽中国应该是绿色的、生态的。要解决生态问题，不能只看到地表问题，还应该追根溯源，寻找地质本身的问题。比如现在的生存环境如何衍生的；什么时候二氧化碳多，什么时候二氧化碳少；为什么有第四纪冰川等，这些问题通过深部探测都可以解决。人们可以了解地球本身的构造和发展规律，对今后的生态环境变化有很大帮助。
第三是安全中国。地质灾害威胁着人们生命财产。通过深部探测，人类可以将地壳结构弄清楚，对预防灾害，甚至解决地方病都有好处。
而现在，万里长征才开始步。“我们计划用二十年的时间，将我国领土做一个详细扫描，把矿集区、地震带、地壳内部到莫霍面结构透明化，希望能够有比较准确的地震预警。在地球科学理论上有所创新，真正创造出符合中国地质特点又能使用的地质科学理论，把高新技术带起来。”李廷栋说。
年底，SinoProbe已经向主管部门做了总结。但是接下来十五年的项目是否能申请下来，大家心里都没底。肯定的是，每一个人都希望SinoProbe可以继续前行。这个宏大的地质梦，终究能成为美丽的中国梦。
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