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探秘"地球之心" 地表现象都可在其内部找到答案

http://www.kexue.com 2013-04-26 16:04:41 新华网  发表评论


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

  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。

  “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。

  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”(以下简称“深部探测”)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。

  给地球深层做“CT”

  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

  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。

  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。

  “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(COCORP计划),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。

  “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。

  “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。

  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。

  “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。

  “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。

  地表发生的一切几乎都能在深部找到答案

  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

  “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。

  “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。

  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。

  “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”。

  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”。

  “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。

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