《活力地球》:陈颙、张尉编著;科学出版社出版。
《深时之美:从宇宙星尘到人类文明,跨越45亿年的地球故事》:赖利·布莱克著,刘小鸥译;北京科学技术出版社出版。
《“地壳一号”万米大陆科学钻探装备及自动化机具》:孙友宏等编著;科学出版社出版。
《冰川之下:揭开古气候的秘密》:叶谦著;青岛出版社出版。
《地球上遗失的风景》:艾娜·贝斯塔德编绘,张晓璇译;北京联合出版有限公司出版。
站在地球一隅,你有没有想过,脚下的土地曾是一片汪洋,或是山势连绵、林海莽原?
地质变迁,沧海桑田,蕴藏着科学原理。素有东北粮仓之称的松辽盆地,地面上是肥沃的黑土地,松花江穿流而过,一片静谧祥和。然而,这里曾经有过两阶段湖泊扩张、10次海侵和多期火山喷发。侏罗纪、白垩纪、古近纪、新近纪的地质变化,使这里经历了高山、湖泊、盆地等的巨变。
人类世世代代生活在地球上,却对它的内部所知甚少。探知脚下土地亿万年的变化,需要实施科学钻探工程,给地球做一系列“微创手术”。如果建造若干条通往地球深部的通道,就能将人类的“视距”向地球内部延伸数千米甚至上万米,通过岩心获得地壳运动及其演化的真实信息。如果在钻孔内布设长期观测仪器,动态实时观测地球内部,我们便能回答为何会有沧海桑田。
“入地望远镜”
科学钻探被誉为人类的“入地望远镜”和了解地球演化的“时光隧道”,是获取地球深部物质、了解地球内部信息最直接、最有效、最可靠的方法,也是解决资源、能源、环境等问题不可缺少的重要技术手段。它和航天技术一样,是一个国家综合国力和科学技术水平的重要标志,不少发达国家将其列入国家科技发展战略。
自古以来,“上天入地”就是人类的梦想。随着载人航天技术发展,“上天”已经实现,“入地”却困难重重。地球半径约为6371千米,人类目前入地最大深度12.2千米,仅为地球半径的0.19%。如果把地球比作一个鸡蛋,我们目前的探测还仅仅停留在鸡蛋壳层面。地球深处坚硬的岩石和高温、高压、高地应力的极端环境,成为深部科学钻探的巨大障碍。随着地层深度增加,地层温度平均以30摄氏度每千米梯度增加,压力以8—12兆帕每千米梯度增加,环境条件更加复杂危险,这些都对大陆科学钻探技术、装备与工程带来巨大挑战。
获取岩心和冰芯
实时观测地球深处
深部科学钻探不仅能够获得地质“史料”,还可以实时观测地球深处,帮助预测地质灾害。在科学钻井中安装先进的科学观测仪器,对地球深部的多种参数进行长期、连续、原位、实时的综合观测,相当于在地球内部布设“气象站”、建设“实验室”,成为继地面海面、空中遥感和海底观测三种平台之外的第四种平台,形成观测监测网,使人类充分了解地球家园的细微变化。
比如火山和南极,一“热”一“冷”,是地质灾害观测的重点。借助深部科学钻探技术,在活动断裂带、活火山附近,将观测仪器放到深井中的不同深度进行实时动态观测,有望揭示地震孕育过程和火山喷发机理,帮助科学家举一反三,动态评价地质灾害的发展趋势和地质作用过程,为更好地监测、预报和预警各类重大地质灾害提供技术支撑。除了获取冰芯,对南极大陆冰层及冰下地质环境钻孔,开展长期监测,了解冰盖分层流动、冰层内部温度、冰岩界面湿润状态等的变换规律,进而预测极地冰盖的不稳定性,助力更好保护人类生存环境。
目前,深地观测仍然挑战重重。为克服深部井下高温、高压、高腐蚀、高应力、狭小空间等多种极端苛刻环境限制,我国科学家正在努力提升仪器系统的微型化、集成度及稳定性,努力建设以深井井群为基础、井中观测为核心的多井孔深地观测网。未来,深地探测将开创人类对地观测的新手段与新平台,有效提升地震与火山活动、缓慢地质作用过程等自然灾害监测预警能力,推动深地资源勘探开发、环境保护、国防军事安全等领域不断发展。
越来越多的证据表明,地球表层发生的现象,根子在深部;缺了深部研究,地球系统就无法理解,而且越是大范围、长尺度,越是如此。在科研创新之路上,会有更多科技工作者向我们脚下的地球深深扎根,让科学钻探工作结出服务国家发展和百姓生活的累累硕果。
(作者为中国工程院院士、中国地质大学(北京)校长、“地壳一号”万米大陆科学钻机项目研发总负责人)