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给地球做CT

2012年02月15日 18:53 本文来源于 财新网 | 评论(0
   中国还蕴藏着多少石油和天然气?还有多少矿产资源未被发现?这些是中国“深部探测工程”要回答的问题

  2011年12月20日,中国首台1万米超深科学钻在成都出厂。这个高60米、重1000吨,占地约1万平方米的“钢铁巨侠”,随后被分装在70多辆送货车上,运往大庆油田。

  这台被称为“入地望远镜”的钻机,第一个任务是在松辽盆地上打一个6600米的“松科2井”。这将与已经完成的“松科1井”一起,构成全球首个近乎完整的白垩系陆相沉积记录。

  这次探测的直接目的不是找油。但对松辽盆地地层更深入的了解,恰是油气资源勘探开发出现重大突破的基础。

  “万米科学钻”仅是2008年起开展的“深部探测技术与实验研究”下的一个课题。作为中国地壳探测工程的前奏,深部探测专项将在2012年底结项,更加宏大的地壳探测工程将由此展开。

  中国还蕴藏着多少石油和天然气?还有多少矿产资源未被发现?青藏高原扩展对四川产生什么影响?这些都是“深部探测”工程即将回答的问题。

进入地层深处

  中国深部探测专项负责人是中国地质科学院副院长、研究员董树文。他坦陈,比起“上天”计划,“入地”计划比较寂寞。较之国外的成熟技术和经验,中国“起步比较晚,关注度也不那么高”。地球深部信息研究的缺位,导致地质科学理论创新、资源勘查和地质灾害预警能力全面落后。

  中国的深部探测大有可为。中国北部是古亚洲构造域,东部属于环太平洋构造域,西边是印度特提斯板块构造域。中国是世界上三大构造的汇聚区,地形地貌复杂多变。

  但中国深部结构的特殊性少有人知。地球深部的形态,正是地面上人类家园的镜像反映。在地面,中国有最高的山峰;在深部,世界上最厚的地壳也在中国。“世界的极端情况都在中国了。”董树文说,“在喜马拉雅地区,由于板块的碰撞,地壳是平均厚度的两倍。中国东部还有世界上最薄的岩石圈,世界上岩石圈平均在200公里左右,中国东部只有100公里。”

  董树文介绍,“地表所有的地形地貌都是深部结构的反映。研究深部,有助于我们更好地理解地上的情况。”

  2006年1月,国务院发布《关于加强地质工作的决定》,其中明确提出“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”;两年后汶川地震发生,凸显了灾害预警研究的重要性,再次推进了“入地”计划进程。

  2008年,“入地”专项计划正式启动。目前,由地质科学院主持的深部探测专项是建国以来投资最大的基础科学项目之一,资金预算达11亿元。

切开地壳

  在世界“入地”竞赛中,科学钻的深度因更具有标志性意义而吸引人的眼球,但万米科学钻的研制仅仅是深部探测下所设9个分项目、49个课题中的一个课题。这些课题涵盖科学探索、资源勘查和灾害预警多个方向。

  董树文介绍,“深部”是一个大概念,无明确定义。目前用宽频带技术最深可以探测到地下400公里,利用得到的波形在实验室中模拟出结构,并有望通过相变理论做矿物成分的研究。利用钻孔、放炮制造反射地震的地质勘查,可以深入到地下100公里开展研究。

  在钻孔之外,许多间接性的探测试验更为重要、有效。代号为sinoprobe-02的分项目名为深部探测技术试验与集成,其目的是“切开地壳上地幔,揭露大陆深部结构与资源环境效应” 。

  在董树文的会议室墙上,挂着巨幅四川盆地到大巴山地区的地震反射剖面图,仿佛有人在广袤的四川盆地上切了一刀,露出层层叠叠的地下结构。

  “这就像是给地球做CT。”董树文说,“我们现在做的反射地震,就像人做超声波一样,通过反射差异,形成许多图像。”

  地质学家们给地球做“CT”其实更加复杂一些。他们选择典型地区,利用打孔、放炮的方式制造地震反射,做剖面探测试验与地壳结构研究。

  四川盆地的“CT”图,是深部探测专项四条剖面中位于青藏高原东北缘-华南剖面的一段。另外三条分别在青藏高原腹地、中亚造山带东段-华北剖面和松辽盆地剖面。五年之内,5500公里大地已经“剖开”,将几十公里深的地下结构清晰呈现给世人。

  地球“CT”的结果,可应用到板块运动、陆块变形研究、地壳构造及地震活动性,以及油气、金属矿资源勘探等领域。

  “2008年前的50年时间,中国深部探测反射图只做了不到4500公里。”董树文表示,“深部探测专项在五年中做了5500公里。但还远远不够。”

  董树文说,在发达国家,类似研究几十年前早已展开。目前,美国在其大陆上已经采集了长达6万公里的地震反射剖面数据。英国也在20世纪80年代完成了2万公里的深地震剖面, 覆盖了英伦三岛及大陆架, 为北海油田的发现奠定了深部基础。

  中国的面积比美国更大、结构更复杂,应至少需要5万公里的剖面。这一需求需要巨大的资金投入。

  “每做1公里,就需要10万元资金。我们做了5000公里就是5个多亿,没那么容易。”董树文表示,中国至少还需要15年,才能在深部探测方面达到国际先进水平。如果条件允许,中国应该“切开”8万到10万公里地壳,了解自己的领土。

初试身手

  深部探测中进行的地应力测量与监测技术分项目,是认识地震的孕育和发生机制,为强震预测提供科学依据的重要手段。北京地区和青藏高原东南缘被选为主要研究开展地区。

  2011年日本“3·11”地震发生前夕,位于北京平谷区的地应力测量设备刚刚装完,就测到了应力的变化。

  “日本地震的前36小时我们这里就有反应。”董树文说,“当时只有一个孔站,不能确定是哪个方向,但反应非常明显。”

  到地震前两个小时,研究团队测到了日本方向的应力急剧升高;同时,地下水水位升高了50厘米。

  董树文称,用地应力预报地震延续了李四光的思想,“李四光一直强调,任何地震都是力的作用结果,任何地震都是在力大于岩石强度以后发生的破裂现象,所以首先要测力的变化。”

  然而,由于岩石的不均匀性,地下的应力变化极大。目前,仅凭简单的应力监测并不能预报地震。如果能够找到应力变化的规律,排除平时的无序变化,就有可能预测地震。

  2012年底,运作了五年的深部探测工程即将结项,地壳探测工程即将启幕。

  董树文坦言,目前深部探测计划相当一大部分驱动力来自于能源短缺,许多项目受到地方政府和矿业、石油企业的青睐,合作邀约不断。但他表示,解决资源需求固然必要,作为科学家,他更愿意做一些基础的研究。

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