实施地壳探测工程

前言实施地壳探测工程，提高地球认知、资源勘查和灾害预警水平。--《国务院关于加强地质工作的决定》（2006）地壳探测工程：揭示中国大陆地壳层次和岩石圈层次的组成和结构，探讨控制大规模成矿作用和矿集区形成过程，重大地质灾害发生的机理和深部条件，为发现能源新区和固体矿产资源新大陆，预防地质灾害，减轻地质灾害损失程度提供科学数据和信息。--《国土资源部中长期科学和技术发展规划纲要（2006-2020年）》一、为什么开展深部探测？实际上人类对脚下深处的认知程度还不如对茫茫太空的了解，地球的深部一直是科学的紫禁城，成为科学家探索、追求的梦境。然而，对地球深部的任何数据的取得都依赖于技术的支持，深部探测技术成为揭开地球芝麻大门的钥匙。毫无疑问，只有掌握海量的、多时空尺度、多学科的探测、观测数据、信息后，科学家才能有效地揭示地球的内幕，研究地球系统的现象、规律与过程，真正点亮我们脚下的黑狱。地质学家坚信，解决人类面临的日益紧迫的资源、环境问题与挑战，只能立足地球，其它星球可能相当长的时期还帮不上忙，向地球深部汲取资源，成为人类最现实的途径；把握地球内部脉博，提升自然灾害预警能力，可以减轻灾害的威胁；深化认识岩石圈结构与组成、将全面提升地球科学发展水平提供科技支撑。地质过程造就了中国大陆和海域丰富多彩的地理景观和地貌特征。从38亿年古老的华北克拉通，到新近崛起的世界第三极青藏高原，还有横贯东西的秦岭－大别中央造山带，以及由于大陆的裂解而形成的渤海湾盆地和台湾海峡，无不受深部地质作用过程的控制。当我们感慨大好河山之壮丽，享受天然资源之馈赠之时，可曾想到千山万壑起之何因？金银铜铁源之何处？下一个汶川地震将发之何时？我们比任何时候都急切地渴望了解地球表层发生的所有一切如何受深部的控制和影响。《地壳探测工程》是我国科学家历时6年构思、策划的重大科学计划，是我国上天、入地、下海挑战自然的壮举，更是解决影响我国经济、社会发展的急迫的资源、灾害问题的重大举措和推动我国从地质大国走向地质强国的必由之路。《地壳探测工程》将极大地深化和扩展我们认识大陆岩石圈结构、活动过程与动力学机制的视野，把握地壳活动脉博，开辟深层找矿新空间，为国家安全了解深部物性参数，为实现能源与重要矿产资源重大突破、提升地质灾害监测预警能力提供全新科学背景和基础信息，全面提升地球科学发展。《深部探测技术与实验研究》专项（2008-2012）是《地壳探测工程》的培育性研究计划。深部探测专项的核心任务和总体目标是：为《地壳探测工程》做好关键技术准备，围绕《地壳探测工程》的全面实施，解决关键探测技术难点与核心技术集成，形成对固体地球深部层圈立体探测的技术体系；在不同自然景观、复杂矿集区、含油气盆地深层、重大地质灾害区等关键地带进行试验、示范，形成若干深部探测实验基地；解决急迫的重大地质科学难题热点，部署实验任务；实现深部数据融合与共享，建立深部数据管理系统；积聚、培养优秀人才，形成若干技术体系的研究团队；完善《地壳探测工程》设计方案，推动国家立项。《深部探测技术与实验研究》专项的启动标志着我国入地计划拉开序幕，具有重大、深远的科学意义。二、科学原理人类生存的岩石圈是地球外层固体部分，漂浮在地幔软流层之上，并因物质的比重大小而分成若干次级圈层。由于板块构造的俯冲、碰撞，物质循环，地幔物质上涌，火山喷发等造成十分复杂的结构。深部探测关键技术在于建立穿透不同深度，精确萃取岩石物理性质的技术组合与集成，以及探测数据的处理和有效信息提取。当今地球科学的发展和进步对地球深部数据和认识程度的依赖越来越高，可以说没有对地球深部的探测就没有地球科学理论的进步。我国深部探测和岩石圈研究，远远落后先进国家，这是造成我国地学研究水平、资源探测技术、灾害预报能力落后的重要原因。实施地壳探测工程将大大地缩小与国际先进水平的差距。大陆是如何形成和演化的？大陆是地球上最复杂和多样化的组成部分。大陆内部有最古老的岩石，记录着地球的早期形成和演化。板块构造理论只是解释了大陆年龄和复杂性的极小部分，特别是上亿年来陆壳物质的侧向生长。然而，为了厘清地幔是如何驱动板块运动的，以及不同的地貌特征与地球深部结构之间的关系，要求我们超越单一的板块理论、使用新一代的数据和结构模型。人工深地震反射、天然地震层析成像、大陆电磁参数标准网等技术实验等，结合其它多种地质实验，我们将获得解剖大陆地壳及岩石圈地幔结构的最佳技术途径。大陆地壳及岩石圈地幔的观测结果，将使我们得以将地表地质和地壳精细结构与地幔内部的驱动力和热力过程联系起来，也使我们得以将早期大陆的形成与后继板块的运动所形成的板块构造与已知的和潜在的地质灾害联系起来。为什么会产生地质灾害？科学家们对地震、火山等地质灾害的认识已经有了长足进步，如对数秒钟至数分钟内的断层破裂与扩展、地震引发地壳形变以及地质灾害链的成因的认识等等。我们知道，断层是几百公里以外的应力传导所致。但是，为了提高我们对地震起因和震级影响因素的认识，还需要我们在更大的地表范围内监测地应力和应变，了解断层系统的深部联系，测量震源带上活动断层的物理特性。因此，为了更好地了解地震周期变化和成因，还需要持续数十年、甚至更长期的地应力监测与研究工作。人类对火山活动的内在规律和对火山喷发的诱因的认识尚不完整。目前，我们只是对一些引起火山喷发的短期形变进行了有限观测，但是对火山、板块构造运动、区域应力场内岩浆活动的长期耦合关系知之甚少。新的综合研究手段将使我们更明确地区分什么是火山的正常呼吸、什么是火山喷发前的胀气。通过火山科学钻探，并辅以高精度应变测量、地震监测和卫星雷达成像分析，将会大大提高对火山灾害的科学评估和对火山喷发的预测。油气与矿产资源是如何形成和分布的？石油、天然气，被称为工业的血液，是国家战略资源；金、银、铜、铁、锡等金属矿产，被称为工业粮食，也是国家战略资源，在任何国家都如此，具有极为重要的价值和地位。油气是低等植物和动物（浮游生物）在隔绝空气并在细菌（生物化学）作用下，先形成腐泥，然后在高温（200°C）和高压作用下先生成原沥青，最后形成石油和天然气。油气的生成、演化、运移、聚集、保存和破坏，都是以盆地为基础的，含油气盆地的类型、构造、沉积和发展演化对油气分布具有控制作用。油气绝大多数被覆盖在数千米深的盆地之下，需要深部精细探测和发现。黑色、有色、稀有和贵金属，以及工业化工矿物原料是由地质作用形成的呈固态、液态或气态的具有现实或潜在经济价值的天然富集物，绝大部分矿产形成于深部、赋存于地下。随着我国工业化、城镇化速度加快对其需求急速增长，地表或浅层矿产发现的机会越来越小，资源勘查走向深不成为必然。三、深部探测专项研究内容1.大区域地下物理性质、化学组成的背景探测（1）大陆电磁参数标准网实验研究拟建立我国大陆电磁场标准观测网，创立大陆岩石圈地球物理参数三维结构基准模型的构建方法、技术流程和技术标准。大陆电磁场携带着地球内部结构、构造、温度、压力，以及物质成分的物理状态等重要信息，是研究岩石圈导电性结构有效方法之一。通过研究地震波在地球内部的传播，了解地球内部的壳幔几何结构和波速结构，深入认识地球。（2）地壳全元素探测技术与实验示范建立我国79种自然元素分布的地球化学基准网和穿透性地球化学技术体系，解决我国环境地球化学本底和区域背景值，探讨深部找矿的元素深穿透机理。化学元素是地球物质组成的最基本单位，被称为地球的基因。化学元素及其化合物的含量、分布和行为制约了矿产资源和生态环境。系统采集不同地质单元、不同时代地球化学样品，精确测定天然元素的含量，从时间尺度上认识大陆演化和地质事件中化学元素响应。建立全国大陆地球化学基准网和地壳不同结构层地球化学模型，揭示元素在地壳中的三维空间分布，研究大规模成矿作用的物质背景。2.深部探测技术实验与集成以建立深地震反射技术为先导，采用主动震源和被动震源探测技术体系，联合采集不同结构地壳和岩石圈深部界面和速度，整合适应不同大地构造背景德深部探测技术组合。近垂直深地震反射探测技术具有探测深度大、分辨率高和准确可靠等特点，是大陆动力学和深部地壳精细结构研究的主要手段。被动源天然地震层析成像技术、反射折射联合层析成像能提供高精度高分辨率的三维定量速度成像，已成为资源勘探的得力助手。3．深部矿产资源立体探测技术及实验研究重点解决重要矿集区深部立体探测关键技术，建立矿集区3D地质－地球物理模型，揭示深部控矿因素，追踪控矿构造的深部延伸，阐明成矿机理，最终突破深层找矿的理论和技术瓶颈。资源、环境的瓶颈约束已成为社会经济发展的主要矛盾，实现地质找矿重大突破仍是我国地质工作的重大任务。开展深部矿产资源立体探测技术研究，加强深部找矿、拓展深部第二找矿空间（1000-2000m）。4.大陆科学钻探选址与钻探实验通过科学钻探选址与预导孔技术实验，验证地球物理探测结构，建立深部探测解释标识；在关键地质部位和矿区实施深部直接取样，解决深部地质结构、组成和资源潜力等问题。大陆科学钻探揭示大陆地壳的物质组成与结构构造，校正地球物理深部探测结果，探索地球深部流体系统、地热结构，监测地震活动;研究全球气候变化及环境变迁，探索地下微生物分布及潜育条件，预防环境及地下水污染，处理核废料，长期观察地球变化。5.地应力测量与监测技术实验研究发展具有自主知识产权的地应力测量和监测技术和设备，以支持我国地表应力变化的实时监测系统的建立；对中国大陆范围内的关键构造地域实施系统的地应力测量与实时监测，查明地应力的赋存状态及其变化规律.准确探测和查明地应力的赋存状态和分布规律,开展区域地壳稳定性评价以及地球动力学研究；观测地应力变化，研究和预报地震。6.岩石圈三维结构与动力学数值模拟建立覆盖我国重点区域的岩石物性参数数据库；建立我国和重点地区的数百万单元网格计算模型，开展数值模拟，对我国大陆和邻区岩石圈动力学过程的时空特征与控制机理进行大规模模拟。印度洋板块和太平洋板块的共同作用造就了中国独特的构造形态，作为数值模拟的边界条件，设计模拟方案；以深部探测的最新数据和已有的岩石圈物理资料，综合模拟地壳、岩石圈层次的结构与构造，为矿产资源勘查、地质环境评价及地质灾害监测等分析提供科学依据。7.深部探测综合集成与数据管理综合集成不同层次地壳物质与结构探测的多源信息和数据，从时间深度上辨别地质历史的烙印，恢复地质作用的历史过程；建立主体数据库，解决深部探测海量数据的管理与共享问题；开展地壳探测系统工程研究，推动《地壳探测工程》的国家立项。结合以往研究积累，建立中国大陆地壳结构框架；研究我国大陆、东亚大陆中新生代构造演化及其地质相应，重塑主要构造单元的演化过程。建立多源信息数据库，分布式数据管理，实现数据采集、存储、计算、共享、集成和三维显示数据流。通过门户网站的实现数据管理和共享。引进国际先进地球深部探测技术和关键仪器设备，构建一流的深部探测研究实验室；追踪、调研国际探测技术发展成果；引进国际顶尖技术和人才，开展专项的日常管理；完善地壳探测计划实施方案，推动国家立项。四、预期成果地壳探测是一个系统工程，是对地球复杂巨系统的科学探测。深部探测专项的实施，标志着我国地球科学已经进入到深部探测时代。深部探测技术的综合集成与实验研究，将建立有效、可行的技术组合，为地壳探测工程提供技术准备，推动我国深部探测和超深钻探技术发展，促进地球科学观测技术进步和地球科学理论创新；在重大地质科学研究、深部资源勘查、自然灾害预测等方面取得重大发现，有力地促进我国地球科学全面发展，缩小与国际地学发展的差距，并在关键领域实现跨越式发展。五、应用前景尽管深部探测专项最主要的科学目标是如何获取并加深我们对大陆的结构、动力学和演化的理解，但是通过专项采集的数据和集成的研究成果将带来众多实际应用和社会效益。减轻地质灾害西南三江地区和华北平原是地震、火山和滑坡灾害的多发地区。深部探测专项的工作将直接为减轻和评估灾害提供有力数据。这些数据将提高我们对火山喷发的动力作用和对地震产生原因的分析与认识，从而提高我们预测地震减小地质灾害链危害的能力。资源开发与管理深部探测专项的数据采集