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向地球深部进军的号角已经吹响

2016-09-07 09:50:00    来源: 中国国土资源报    作者:董树文

【前情提要】9月5日,全国国土资源系统科技创新大会在京隆重召开。此前,我国“十三五”科技创新的总体布局中已经列入了“深地”探测的重要内容,形成了挑战自然极限的“深空”、“深地”和“深海”三大战略科技大布局,体现了建设创新型国家的大气魄、大格局和大举措,展示了我国将在“三深”领域从“跟踪”到“并跑”,再到“引领”冲击世界科技前沿的愿景。

2016年5月30日,习近平总书记在全国科技创新大会上指出:“当前,国家对战略科技支撑的需求比以往任何时期都更加迫切……从理论上讲,地球内部可利用的成矿空间分布在从地表到地下1万米,目前,世界先进水平勘探开采深度已达2500米至4000米,而我国大多小于500米,向地球深部进军是我们必须解决的战略科技问题。”自此,向“地球深部进军”的号令已经发出。

就在全国国土资源系统科技创新大会上,中国地质调查局·中国地质科学院·地球深部探测中心首席科学家董树文对我国地球深部探测愿景进行了解读。

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深部探测示意图  

需求:探索地球深部奥秘,是解决人类能源、资源和生存空间问题的必由之路

众所周知,地球深部为人类生存发展提供了绝大部分的资源和能源,是维系万物繁衍的物质基础,是重大自然灾害(地震、火山等)产生的根源。地球深部的物质运动和能量转换与社会经济发展、人类生存安全息息相关。然而,由于地球深部充斥着坚硬的岩石、处于高温高压极端环境,人类对地球深部的认知还非常肤浅,远没有达到对太空和深海的认识程度。2010年,联合国“国际行星地球年”将地球深部作为地球科学的最后前沿。因此,创新深地科学理论、发展深地探测技术,解释地球深部奥秘,是解决人类面临的能源资源和生存空间基本问题的必由之路。具体来看,当前,探索地球深部奥秘的需求主要包括以下几个方面——

需求1:地下空间的开发和安全利用是城镇化发展新阶段的必然要求。地下空间开发将改变城市发展方式,从地面扩展到地下发展;将减少用地的硬性需求,提升城市功能需求的满足度;向深度要空间,发展“地下城市”新模式;根除大城市诟病,科学利用地下空间;把地下建成最安全的屏障,保护人民生命和财产安全;建立地下空间资源、地下空间地籍管理的新概念。

需求2:我国地下含水层结构探测仍然没有完成,水资源短缺、地下水环境恶化,地下含水层评价迫在眉睫。目前,我国4000万人严重缺饮用水;西北有1亿多人口饮用苦咸水;或长期饮用“三高”水,健康严重受损。每年水灾造成人民生命财产损失上千亿元。

需求3:向深部要资源能源,是提高资源储备、缓解资源能源紧缺,保障国家资源安全和可持续发展的战略选择。目前,我国紧缺、战略资源对外依存度普遍超过50%,严重威胁国家经济安全;发明盾构式采、选、运、充一体化、智能化、无人化金属矿产开采技术,实现深地金属矿产无损、流态、绿色、低能耗输运,将固体金属矿产开采转变为全新的流相资源开发。

需求4:和谐社会发展对自然灾害预警和防治提出空前的需求。实现对地球静态探测到对地球动态监测的跨越;感知地球深部状态变化,把握地球脉动;揭示成山、成盆、成灾的深部过程和机理;监测大陆地震发震集中空间的应力积累过程。

需求5:提高地球认知,探索自然奥秘和解决资源环境重大问题的必然选择。透视地球,增强对地球的认知程度;揭示主要地质单元、盆地、造山带和活动带的地壳结构,了解大陆深部结构与组成;研究地球深部作用对浅层资源能源的控制;探讨岩石圈、水圈、生物圈和大气圈相互作用与反馈;建立地球系统科学理论。

现状:我国通过“地球深部探测计划”项目的实施,有望达到国际先进水准

我国地球深部探测领域相对国际先进水平存在“代差”(约30年左右),在探测技术、探测和利用深度、探测分辨率、探测程度上均存在明显的差距。但是,我国正在奋起直追,有望通过”地球深部探测计划“重大科技项目的实施,发挥后发优势和集成优势,到2030年达到国际先进水准,甚至领先水平。

地下空间探测与安全利用领域——地下空间利用在发达国家已有长足发展,新加坡、日本等的地下空间利用到了200米,我国总体上不足50米,国际上对地下空间的利用呈现多样化趋势。包括:地下交通、地下体育设施、地下排洪、地下军事设施、地下实验室等方面。国内对地下空间的调查、开发利用整体上呈现地下地质结构不清、缺乏规划、无统一规范、无严密论证的状态。

欧洲和美国等上世纪80年代已经完成地下水含水层评价,目前正在向地下水的监测、综合调控及信息化管理一体化方向发展。我国尚未系统开展全国地下含水层结构探测,缺少国家应急水源地规划。

深部矿产资源探测与评价领域——国际资源勘查、开采先进水平达到2000米,甚至4000米以深,我国固体矿产勘查和开采平均深度只有500米。目前,资源勘查走向深部全球在行动,许多国家纷纷成立机构、设立重大探测项目、研发勘探技术、创新成矿理论。澳大利亚、加拿大等矿业大国完成了对重要成矿带、矿集区的综合探测、三维建模,取得了令人振奋的新认识。我国在深部探测专项支持下,先后开展了长江中下游、南岭等矿集区的综合探测,但总体上仍存在较大差距。

目前,我国有30余座在产或拟建金属矿山进入800米以下深度开采,其中11座矿山达到1000米,最深不到1400米深度开采。国内目前在建竖井深度1500米左右,“十三五“期间竖井建设深度即将达到1500~2000米。

我国在深部开采理论、技术、装备方面与国际先进水平尚较大差距。其中:国内在1500米深度的开采技术不能满足安全高效低耗开采需求;1500~2000米深度的开采技术存在瓶颈:大负荷高速提升装备、深井灾害防控技术、卸荷开采技术、深井降温技术等;国内国外均缺乏1000万吨/年级以上深井开采成套技术。

深部能源探测与利用(万米以浅)领域——全球深层油气勘探发现了一批大、中型油气田(藏),深层油气资源十分丰富,已成为全球油气勘查的重要方向。我国塔里木、扬子、华北是三大前寒武纪陆块,中新元古界深层油气系统具有类似的油气地质条件,潜力巨大,并已取得重要进展,面临理论和技术的挑战。地热资源是未来的清洁能源,欧洲、美国在地热发电技术和实用化方面领先于世界。

国内库车天然气勘探已突破7500米,初步形成了万亿方前景,但仍有挑战,库车7500~10000米勘探潜力如何评价?塔里木台盆区、四川及华北超深层油气勘探有利区在哪?急需开展深层油气勘探理论与技术研发。

地热能资源探测与评价方面——目前,我国地热热流数据不足1000个,美国约为4300个;我国深部3~10千米地热资源基数折合标准煤860万亿吨,美国折合标准煤482万亿吨(不包括黄石地区);我国地热发电仅为26.6MW,美国为3595.5MW(相差135倍)。未来10~15年,EGS投入商业性运营;至2050年EGS将提供美国10万兆瓦的基本负荷发电量。

在地热能资源探测技术方面,世界平均干热岩探测与开发深度均超过5千米,我国刚刚起步。法国、德国、澳大利亚、美国等国家已实现干热岩装机,法国实现了干热岩发电。国外在高温深地钻探、储层压裂、井下换热、换热工质等方面已进行了研究,我国这方面工作很少。深地探测技术是未来地热能开发主要面临的难题,地热发电和利用效率与深地探测技术紧密相关。

地球深部观测与活动性监测领域——目前,全球有近百个对地观测网络,实施2D/3D观测与探测,逐渐发展为4D观测与监测(地下物质、流体、物理性质随时间的变化);利用深井对深部过程的观测将成为人类对地观测的新手段,如:前苏联科拉超深钻,12262米;德国KTB,9101米,形成了对地直接观测的窗口;我国完成了东海、汶川科钻,松科二井(6400米),但尚未覆盖全国的观测网络,井中观测目标单一、技术装备落后。

当前,人类对地球深部的探索正在发生重大战略转移,具体来说就是向二维—三维—透镜、探测—观测到观测—监测、结构—过程—地球系统转移。未来对地球深部直接观测和实验将成为固体地球科学和技术的制高点。

深部探测前沿技术与装备领域——我国当前的探测装备和核心软件几乎全部依赖进口。航空、海洋装备,国外对我国全面封锁。我国亟待突破深部探测关键仪器与装备的核心技术;构建航空—地面—深部—海域立体探测装备技术体系;集成形成地下空间探测技术系列。实现深部探测装备国产化、工程化,逐步全面替代进口使我国在该领域进入世界前列。

地球深部探测与地球深部过程领域——上世纪70年代,主要发达国家拉开了地球深部探测的序幕,先后实施了COCORP、 LITHOPROBE 、EUROPROBE等重大探测计划,在地球深部认知、深部资源能源取得重大发现;我国自2008年开展了深部探测专项,历时8年,取得过去30年取得的成就。

综上,目前我国地球深部探测与国际先进水平的主要差距是我国重要构造单元、含油气盆地、成矿带尚未开展深部探测。未来应增加深部探测数据,发展地球系统科学。

发展“入地”技术与装备系统,形成“万米透明”,“超深进入”和“深地探测”体系。

从深部解决我国能源资源需求和城市发展空间等迫切问题,实现深度换空间,深部要资源。

揭示地球深部奥秘,到2030年,成为世界地球深部探测领域的“领跑者”。

使命:在世界地球深部认知和深部探测领域从“跟踪”走向“领跑”

中国深地研究团队认为,中国的深地研究应关注四大总目标:

目标1:到2030年,建立起我国复杂地球深部结构高精度探测技术体系;实现以深度换空间,向深部要资源;完善地球系统科学理论体系。

目标2:基本解决大中城市地下空间与安全利用问题,在新增建设用地年均负增长境况下,到2020年,城镇化率达60%时,单位GDP建设用地下降20%;2030年,城镇化率达70%时,单位GDP建设用地下降30%。

目标3:矿产资源重点示范区勘查深度延伸到2000米和开采深度达到2000米,为我国重要矿产资源量翻一番提供支撑;深层油气勘查深度达到10000米;开辟地热新能源、为形成非碳能源占比2%能力提供技术支持。

目标4:揭示深部结构与物质组成,大幅提升重大自然灾害预警能力;全面提升对地球深部的认知,在地球深部探测能力和认知水平领域领跑国际。

针对不同的任务和探测目标,探测计划分为四个深度层次:

层次1:近地表空间,聚焦地下空间利用问题,解决大中城市发展地下空间、特殊地下空间利用和含水层结构等基础问题。分批在京、津、沪、渝、穗、宁、汉等特大城市、30余省会城市和282个地级城市梯次开展地下空间三维调查、城市地下空间利用和全国含水层探测等示范,科学评估城市地下空间资源潜力和利用前景。

层次2:万米能源资源,聚焦资源空间分布与勘查发现等问题,评价深层能源资源潜力,开辟地热新能源。包括矿产资源第二找矿空间(-2000米)、深层页岩油气(大于3500米);地下热水系统(-2000米);高温地热田(4000~6000米)和深层油气(6000~10000米)。部署在主要成矿带和含油气盆地、国家级重点勘查区、特大油气田和典型矿集区开展系统深部探测和“透明化”示范,开拓地热能源规模化利用与发电示范。

层次3:透视地壳,指高分辨探测地壳的结构与组成,解决成矿、成藏、成山、成盆、成灾的机制问题。完成国家级地壳结构控制性的骨干剖面格架探测,区域性重磁探测等,揭示主要地质单元、大型含油气盆地、大型(跨境)成矿带、造山带和活动带的地壳层次(30~40千米)的地质结构与组成。

层次4:地球深部探测,指完成覆盖全国的天然地震测量阵列和天然大地电磁测深阵列布设与数据采集,探索地幔、地核结构,该层次探测是解决地球浅层次各种地质作用和过程响应的深部动力学机理和形成规律问题,是实现岩石圈、水圈和生物圈各圈层相互作用、建立地球系统科学的关键。

向地球深部进军是人类挑战自我极限的伟大壮举,是建设创新型国家的重大举措,更是国土资源事业重大的发展机遇。向地球深部进军是中国科技史,乃至世界科技史上的一件大事,必将推动世界地球科学发展,实现中国从世界地质大国成为世界地质强国的梦想。

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