向地球深部進軍的號角已經吹響
2016年09月09日 8:39 7556次瀏覽 來源: 中國國土資源報 分類: 地質礦業 作者: 董樹文
【前情提要】9月5日,全國國土資源系統科技創新大會在京隆重召開。此前,我國“十三五”科技創新的總體布局中已經列入了“深地”探測的重要內容,形成了挑戰自然極限的“深空”、“深地”和“深海”三大戰略科技大布局,體現了建設創新型國家的大氣魄、大格局和大舉措,展示了我國將在“三深”領域從“跟蹤”到“并跑”,再到“引領”沖擊世界科技前沿的愿景。
2016年5月30日,習近平總書記在全國科技創新大會上指出:“當前,國家對戰略科技支撐的需求比以往任何時期都更加迫切……從理論上講,地球內部可利用的成礦空間分布在從地表到地下1萬米,目前,世界先進水平勘探開采深度已達2500米至4000米,而我國大多小于500米,向地球深部進軍是我們必須解決的戰略科技問題。”自此,向“地球深部進軍”的號令已經發出。
就在全國國土資源系統科技創新大會上,中國地質調查局·中國地質科學院·地球深部探測中心首席科學家董樹文對我國地球深部探測愿景進行了解讀。

深部探測示意圖
需求:探索地球深部奧秘,是解決人類能源、資源和生存空間問題的必由之路
眾所周知,地球深部為人類生存發展提供了絕大部分的資源和能源,是維系萬物繁衍的物質基礎,是重大自然災害(地震、火山等)產生的根源。地球深部的物質運動和能量轉換與社會經濟發展、人類生存安全息息相關。然而,由于地球深部充斥著堅硬的巖石、處于高溫高壓極端環境,人類對地球深部的認知還非常膚淺,遠沒有達到對太空和深海的認識程度。2010年,聯合國“國際行星地球年”將地球深部作為地球科學的最后前沿。因此,創新深地科學理論、發展深地探測技術,解釋地球深部奧秘,是解決人類面臨的能源資源和生存空間基本問題的必由之路。具體來看,當前,探索地球深部奧秘的需求主要包括以下幾個方面——
需求1:地下空間的開發和安全利用是城鎮化發展新階段的必然要求。地下空間開發將改變城市發展方式,從地面擴展到地下發展;將減少用地的硬性需求,提升城市功能需求的滿足度;向深度要空間,發展“地下城市”新模式;根除大城市詬病,科學利用地下空間;把地下建成最安全的屏障,保護人民生命和財產安全;建立地下空間資源、地下空間地籍管理的新概念。
需求2:我國地下含水層結構探測仍然沒有完成,水資源短缺、地下水環境惡化,地下含水層評價迫在眉睫。目前,我國4000萬人嚴重缺飲用水;西北有1億多人口飲用苦咸水;或長期飲用“三高”水,健康嚴重受損。每年水災造成人民生命財產損失上千億元。
需求3:向深部要資源能源,是提高資源儲備、緩解資源能源緊缺,保障國家資源安全和可持續發展的戰略選擇。目前,我國緊缺、戰略資源對外依存度普遍超過50%,嚴重威脅國家經濟安全;發明盾構式采、選、運、充一體化、智能化、無人化金屬礦產開采技術,實現深地金屬礦產無損、流態、綠色、低能耗輸運,將固體金屬礦產開采轉變為全新的流相資源開發。
需求4:和諧社會發展對自然災害預警和防治提出空前的需求。實現對地球靜態探測到對地球動態監測的跨越;感知地球深部狀態變化,把握地球脈動;揭示成山、成盆、成災的深部過程和機理;監測大陸地震發震集中空間的應力積累過程。
需求5:提高地球認知,探索自然奧秘和解決資源環境重大問題的必然選擇。透視地球,增強對地球的認知程度;揭示主要地質單元、盆地、造山帶和活動帶的地殼結構,了解大陸深部結構與組成;研究地球深部作用對淺層資源能源的控制;探討巖石圈、水圈、生物圈和大氣圈相互作用與反饋;建立地球系統科學理論。
現狀:我國通過“地球深部探測計劃”項目的實施,有望達到國際先進水準
我國地球深部探測領域相對國際先進水平存在“代差”(約30年左右),在探測技術、探測和利用深度、探測分辨率、探測程度上均存在明顯的差距。但是,我國正在奮起直追,有望通過”地球深部探測計劃“重大科技項目的實施,發揮后發優勢和集成優勢,到2030年達到國際先進水準,甚至領先水平。
地下空間探測與安全利用領域——地下空間利用在發達國家已有長足發展,新加坡、日本等的地下空間利用到了200米,我國總體上不足50米,國際上對地下空間的利用呈現多樣化趨勢。包括:地下交通、地下體育設施、地下排洪、地下軍事設施、地下實驗室等方面。國內對地下空間的調查、開發利用整體上呈現地下地質結構不清、缺乏規劃、無統一規范、無嚴密論證的狀態。
歐洲和美國等上世紀80年代已經完成地下水含水層評價,目前正在向地下水的監測、綜合調控及信息化管理一體化方向發展。我國尚未系統開展全國地下含水層結構探測,缺少國家應急水源地規劃。
深部礦產資源探測與評價領域——國際資源勘查、開采先進水平達到2000米,甚至4000米以深,我國固體礦產勘查和開采平均深度只有500米。目前,資源勘查走向深部全球在行動,許多國家紛紛成立機構、設立重大探測項目、研發勘探技術、創新成礦理論。澳大利亞、加拿大等礦業大國完成了對重要成礦帶、礦集區的綜合探測、三維建模,取得了令人振奮的新認識。我國在深部探測專項支持下,先后開展了長江中下游、南嶺等礦集區的綜合探測,但總體上仍存在較大差距。
目前,我國有30余座在產或擬建金屬礦山進入800米以下深度開采,其中11座礦山達到1000米,最深不到1400米深度開采。國內目前在建豎井深度1500米左右,“十三五“期間豎井建設深度即將達到1500~2000米。
我國在深部開采理論、技術、裝備方面與國際先進水平尚較大差距。其中:國內在1500米深度的開采技術不能滿足安全高效低耗開采需求;1500~2000米深度的開采技術存在瓶頸:大負荷高速提升裝備、深井災害防控技術、卸荷開采技術、深井降溫技術等;國內國外均缺乏1000萬噸/年級以上深井開采成套技術。
深部能源探測與利用(萬米以淺)領域——全球深層油氣勘探發現了一批大、中型油氣田(藏),深層油氣資源十分豐富,已成為全球油氣勘查的重要方向。我國塔里木、揚子、華北是三大前寒武紀陸塊,中新元古界深層油氣系統具有類似的油氣地質條件,潛力巨大,并已取得重要進展,面臨理論和技術的挑戰。地熱資源是未來的清潔能源,歐洲、美國在地熱發電技術和實用化方面領先于世界。
國內庫車天然氣勘探已突破7500米,初步形成了萬億方前景,但仍有挑戰,庫車7500~10000米勘探潛力如何評價?塔里木臺盆區、四川及華北超深層油氣勘探有利區在哪?急需開展深層油氣勘探理論與技術研發。
地熱能資源探測與評價方面——目前,我國地熱熱流數據不足1000個,美國約為4300個;我國深部3~10千米地熱資源基數折合標準煤860萬億噸,美國折合標準煤482萬億噸(不包括黃石地區);我國地熱發電僅為26.6MW,美國為3595.5MW(相差135倍)。未來10~15年,EGS投入商業性運營;至2050年EGS將提供美國10萬兆瓦的基本負荷發電量。
在地熱能資源探測技術方面,世界平均干熱巖探測與開發深度均超過5千米,我國剛剛起步。法國、德國、澳大利亞、美國等國家已實現干熱巖裝機,法國實現了干熱巖發電。國外在高溫深地鉆探、儲層壓裂、井下換熱、換熱工質等方面已進行了研究,我國這方面工作很少。深地探測技術是未來地熱能開發主要面臨的難題,地熱發電和利用效率與深地探測技術緊密相關。
地球深部觀測與活動性監測領域——目前,全球有近百個對地觀測網絡,實施2D/3D觀測與探測,逐漸發展為4D觀測與監測(地下物質、流體、物理性質隨時間的變化);利用深井對深部過程的觀測將成為人類對地觀測的新手段,如:前蘇聯科拉超深鉆,12262米;德國KTB,9101米,形成了對地直接觀測的窗口;我國完成了東海、汶川科鉆,松科二井(6400米),但尚未覆蓋全國的觀測網絡,井中觀測目標單一、技術裝備落后。
當前,人類對地球深部的探索正在發生重大戰略轉移,具體來說就是向二維—三維—透鏡、探測—觀測到觀測—監測、結構—過程—地球系統轉移。未來對地球深部直接觀測和實驗將成為固體地球科學和技術的制高點。
深部探測前沿技術與裝備領域——我國當前的探測裝備和核心軟件幾乎全部依賴進口。航空、海洋裝備,國外對我國全面封鎖。我國亟待突破深部探測關鍵儀器與裝備的核心技術;構建航空—地面—深部—海域立體探測裝備技術體系;集成形成地下空間探測技術系列。實現深部探測裝備國產化、工程化,逐步全面替代進口使我國在該領域進入世界前列。
地球深部探測與地球深部過程領域——上世紀70年代,主要發達國家拉開了地球深部探測的序幕,先后實施了COCORP、 LITHOPROBE 、EUROPROBE等重大探測計劃,在地球深部認知、深部資源能源取得重大發現;我國自2008年開展了深部探測專項,歷時8年,取得過去30年取得的成就。
綜上,目前我國地球深部探測與國際先進水平的主要差距是我國重要構造單元、含油氣盆地、成礦帶尚未開展深部探測。未來應增加深部探測數據,發展地球系統科學。
發展“入地”技術與裝備系統,形成“萬米透明”,“超深進入”和“深地探測”體系。
從深部解決我國能源資源需求和城市發展空間等迫切問題,實現深度換空間,深部要資源。
揭示地球深部奧秘,到2030年,成為世界地球深部探測領域的“領跑者”。
使命:在世界地球深部認知和深部探測領域從“跟蹤”走向“領跑”
中國深地研究團隊認為,中國的深地研究應關注四大總目標:
目標1:到2030年,建立起我國復雜地球深部結構高精度探測技術體系;實現以深度換空間,向深部要資源;完善地球系統科學理論體系。
目標2:基本解決大中城市地下空間與安全利用問題,在新增建設用地年均負增長境況下,到2020年,城鎮化率達60%時,單位GDP建設用地下降20%;2030年,城鎮化率達70%時,單位GDP建設用地下降30%。
目標3:礦產資源重點示范區勘查深度延伸到2000米和開采深度達到2000米,為我國重要礦產資源量翻一番提供支撐;深層油氣勘查深度達到10000米;開辟地熱新能源、為形成非碳能源占比2%能力提供技術支持。
目標4:揭示深部結構與物質組成,大幅提升重大自然災害預警能力;全面提升對地球深部的認知,在地球深部探測能力和認知水平領域領跑國際。
針對不同的任務和探測目標,探測計劃分為四個深度層次:
層次1:近地表空間,聚焦地下空間利用問題,解決大中城市發展地下空間、特殊地下空間利用和含水層結構等基礎問題。分批在京、津、滬、渝、穗、寧、漢等特大城市、30余省會城市和282個地級城市梯次開展地下空間三維調查、城市地下空間利用和全國含水層探測等示范,科學評估城市地下空間資源潛力和利用前景。
層次2:萬米能源資源,聚焦資源空間分布與勘查發現等問題,評價深層能源資源潛力,開辟地熱新能源。包括礦產資源第二找礦空間(-2000米)、深層頁巖油氣(大于3500米);地下熱水系統(-2000米);高溫地熱田(4000~6000米)和深層油氣(6000~10000米)。部署在主要成礦帶和含油氣盆地、國家級重點勘查區、特大油氣田和典型礦集區開展系統深部探測和“透明化”示范,開拓地熱能源規模化利用與發電示范。
層次3:透視地殼,指高分辨探測地殼的結構與組成,解決成礦、成藏、成山、成盆、成災的機制問題。完成國家級地殼結構控制性的骨干剖面格架探測,區域性重磁探測等,揭示主要地質單元、大型含油氣盆地、大型(跨境)成礦帶、造山帶和活動帶的地殼層次(30~40千米)的地質結構與組成。
層次4:地球深部探測,指完成覆蓋全國的天然地震測量陣列和天然大地電磁測深陣列布設與數據采集,探索地幔、地核結構,該層次探測是解決地球淺層次各種地質作用和過程響應的深部動力學機理和形成規律問題,是實現巖石圈、水圈和生物圈各圈層相互作用、建立地球系統科學的關鍵。
向地球深部進軍是人類挑戰自我極限的偉大壯舉,是建設創新型國家的重大舉措,更是國土資源事業重大的發展機遇。向地球深部進軍是中國科技史,乃至世界科技史上的一件大事,必將推動世界地球科學發展,實現中國從世界地質大國成為世界地質強國的夢想。
責任編輯:陳鑫
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