地球是浩渺宇宙中人類的唯一家園，其深部蘊(yùn)藏著豐富的能源與礦產(chǎn)資源，構(gòu)成支撐經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。同時(shí)，地球深部地質(zhì)活動(dòng)是地震、火山噴發(fā)等自然災(zāi)害產(chǎn)生的根源。加強(qiáng)對(duì)地球深部的探測(cè)和研究，對(duì)于保障國(guó)家能源資源安全與人民群眾生命財(cái)產(chǎn)安全，具有重要的戰(zhàn)略意義。

一、深地探索經(jīng)歷了怎樣的歷程

19世紀(jì)60年代，法國(guó)作家儒勒·凡爾納的科幻小說(shuō)《地心游記》中描繪了一個(gè)充滿熔巖、火焰與奇觀的地下世界，引領(lǐng)讀者踏上新奇的“地心之旅”。如今，人類對(duì)地球內(nèi)部的了解早已超越科幻的想象。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，人類憑借探測(cè)、鉆探、觀測(cè)、模擬實(shí)驗(yàn)等一系列科學(xué)手段，逐步揭開(kāi)地球深部的神秘面紗。

深地探測(cè)，透視地球。地球物理探測(cè)是人類“透視”地球的主要手段，主要通過(guò)地震波、電磁場(chǎng)、重力場(chǎng)和地磁場(chǎng)等探測(cè)對(duì)地球內(nèi)部進(jìn)行間接研究。20世紀(jì)初，通過(guò)記錄地震波在地球內(nèi)部的傳播路徑與速度變化，科學(xué)家們成功解析了地殼、地幔、地核的大致分層結(jié)構(gòu)。隨著技術(shù)的飛速發(fā)展，地球物理探測(cè)手段日益豐富和精確。通過(guò)計(jì)算機(jī)的處理分析，地球物理探測(cè)數(shù)據(jù)可以轉(zhuǎn)換成反映地球深部結(jié)構(gòu)的高分辨率圖像，例如地震層析成像技術(shù)，這一過(guò)程就如同給人體做CT（電子計(jì)算機(jī)斷層掃描）。

過(guò)去，我國(guó)在地球物理深部探測(cè)領(lǐng)域長(zhǎng)期處于相對(duì)落后狀態(tài)。為解決這一問(wèn)題，我國(guó)于2008年、2016年先后啟動(dòng)地球深部探測(cè)專項(xiàng)、深地資源勘查開(kāi)采國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃專項(xiàng)。在重大項(xiàng)目持續(xù)推動(dòng)和無(wú)數(shù)科研工作者不懈努力下，我國(guó)迅速縮小了與國(guó)際先進(jìn)水平的差距，已成為擁有完備深部探測(cè)技術(shù)體系的國(guó)家。

深地鉆探，洞見(jiàn)地球。科學(xué)鉆探是人類獲取地球深部物質(zhì)和了解地球內(nèi)部信息最直接、最有效、最可靠的方法。20世紀(jì)五六十年代，人類率先在海洋開(kāi)展科學(xué)鉆探，通過(guò)深度較淺的鉆孔廣泛獲取巖芯和沉積物樣品，為驗(yàn)證大陸漂移與板塊構(gòu)造理論提供了科學(xué)依據(jù)，極大地拓寬了人類的認(rèn)知邊界。隨后，一系列影響深遠(yuǎn)的大陸科學(xué)鉆探計(jì)劃項(xiàng)目不斷實(shí)施。目前，人類鉆探地球的垂深極限由蘇聯(lián)在科拉半島實(shí)施的科拉超深鉆保持，其深度為12262米。然而，與地球平均半徑6371千米相比，這一深度僅觸及地球表層的0.2%，僅僅是地心之旅的“萬(wàn)里長(zhǎng)征第一步”。

在國(guó)際大洋鉆探計(jì)劃實(shí)施過(guò)程中，我國(guó)作為參與國(guó)積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)；而在國(guó)際大陸鉆探計(jì)劃中，我國(guó)已成為發(fā)起國(guó)之一。1996年，我國(guó)與美國(guó)、德國(guó)共同發(fā)起國(guó)際大陸科學(xué)鉆探計(jì)劃。該計(jì)劃啟動(dòng)以來(lái)，我國(guó)已完成多項(xiàng)重大科學(xué)鉆探工程，包括位于江蘇東海的中國(guó)大陸科學(xué)鉆探、青海湖科學(xué)鉆探、松遼盆地科學(xué)鉆探等。這些工程不僅取得一系列科學(xué)研究的重大突破，而且推動(dòng)國(guó)內(nèi)鉆探相關(guān)技術(shù)革新與裝備水平提升。

深地觀測(cè)，感知地球。深地觀測(cè)是利用地球物理方法和地球化學(xué)方法等直接觀測(cè)深部地下結(jié)構(gòu)、形態(tài)和物質(zhì)組成，從而“感知”地球深部變化的重要方法。鉆探開(kāi)辟的深井為部署精密儀器提供了窗口，使其能夠接近地震和火山孕育的深部區(qū)域，對(duì)地球重力場(chǎng)、磁場(chǎng)、電場(chǎng)、地震波、應(yīng)力狀態(tài)及溫度，甚至深部地下生物圈等變化開(kāi)展實(shí)時(shí)、連續(xù)且持久的觀測(cè)。

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，人類憑借探測(cè)、鉆探、觀測(cè)、模擬實(shí)驗(yàn)等一系列科學(xué)手段，逐步揭開(kāi)地球深部的神秘面紗。圖為2024年4月21日，游客在南京地質(zhì)博物館內(nèi)的地球內(nèi)部構(gòu)造模型前參觀。 人民圖片 劉建華/攝

目前我國(guó)正積極籌備構(gòu)建覆蓋地下深部的四維觀測(cè)系統(tǒng)，旨在從根源上揭示災(zāi)害孕育與發(fā)生的深層次過(guò)程，有針對(duì)性地提升我國(guó)對(duì)自然災(zāi)害的監(jiān)測(cè)預(yù)警能力。

高溫高壓實(shí)驗(yàn)，模擬地球深部。地心是目前人類向往卻難以到達(dá)的地方，但高溫高壓實(shí)驗(yàn)如同一把打開(kāi)地心之門的鑰匙，使人類在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)模擬地心環(huán)境成為可能。

1993年，科學(xué)家們成功模擬出核幔邊界的溫度，邁出了地心探索之旅里程碑式的一步。2010年，科學(xué)家們已能在實(shí)驗(yàn)室模擬出與地心相近的溫壓條件。令人驕傲的是，中國(guó)科學(xué)家率先完成了地核溫壓條件的模擬實(shí)驗(yàn)。未來(lái)，高溫高壓實(shí)驗(yàn)有望給人們帶來(lái)更多的驚喜和顛覆性發(fā)現(xiàn)。

二、深地探索有哪些科學(xué)發(fā)現(xiàn)

近百年來(lái)，科學(xué)家們通過(guò)不斷解讀地球深部巖石中記錄的地球歷史檔案和解譯來(lái)自地球深部的地球物理圖像，在圈層結(jié)構(gòu)劃分、板塊運(yùn)動(dòng)及其作用、深地生命等領(lǐng)域取得突破性發(fā)現(xiàn)。

地球圈層結(jié)構(gòu)的劃分。地球由外部圈層和內(nèi)部圈層構(gòu)成。外部圈層包括水圈、生物圈和大氣圈；內(nèi)部圈層由地殼、地幔和地核組成。地殼是地球固體圈層的最外層，由巖石組成，是巖石圈的重要組成部分。地幔分為上地幔和下地幔，上地幔的頂部和地殼組成了巖石圈，巖石圈之下為軟流圈。這種圈層構(gòu)造使得地球的板塊能夠在軟流圈上漂浮并移動(dòng)。地核是地球的“心臟”，是地磁場(chǎng)的發(fā)源地，也是驅(qū)動(dòng)地球運(yùn)行的引擎。地核分為液態(tài)的外核和固態(tài)的內(nèi)核，外核的流動(dòng)使地球產(chǎn)生地磁場(chǎng)。這個(gè)地磁場(chǎng)能夠有效屏蔽太陽(yáng)風(fēng)和宇宙射線，對(duì)地球生物起到重要保護(hù)作用。地球圈層結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)促進(jìn)了地質(zhì)學(xué)和地球物理學(xué)的深入發(fā)展，使人們能夠更準(zhǔn)確地理解地球內(nèi)部的物理狀態(tài)和化學(xué)組成，有助于科學(xué)家更好地預(yù)測(cè)和解釋自然災(zāi)害。

板塊運(yùn)動(dòng)及其作用。板塊構(gòu)造理論是20世紀(jì)自然科學(xué)重要成就之一。這一理論認(rèn)為，地球表面的巖石圈并不是“鐵板一塊”，而是由多個(gè)板塊組成，這些板塊在軟流圈之上漂移，導(dǎo)致地殼的俯沖和新生。板塊運(yùn)動(dòng)會(huì)自地殼而下影響核幔邊界，核幔圈層通過(guò)熱柱的上升也會(huì)影響地殼。熱柱上升形成地幔柱構(gòu)造，表現(xiàn)為地表大規(guī)模的火山活動(dòng)。

地球的板塊運(yùn)動(dòng)還起著“地質(zhì)空調(diào)”的作用，這也是地球能夠產(chǎn)生生命的重要原因之一。大氣圈如同一層被子蓋到地球上，來(lái)保持地球的“體溫”。但是只有被子是不行的，起到關(guān)鍵作用的是大氣里的二氧化碳濃度。當(dāng)二氧化碳濃度過(guò)高時(shí)，地表溫度也會(huì)升高；若二氧化碳濃度降低，地表溫度也將隨之下降。大氣圈和水圈的二氧化碳會(huì)變成沉積物沉積到海底，之后變成巖石，這是“回收”大氣中二氧化碳的過(guò)程。這些巖石通過(guò)板塊運(yùn)動(dòng)俯沖到地下，然后通過(guò)火山作用回到大氣圈里，這是“支出”。一收一支，保持了大氣圈這層被子的二氧化碳濃度，使地球保持適宜的溫度。

深地生物的探索發(fā)現(xiàn)。20世紀(jì)70年代，人類通過(guò)對(duì)深海海底的觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，在幽深莫測(cè)、達(dá)數(shù)千米之深的海底，存在著不依賴光合作用維持生命的奇特生物群。其中不僅有各種植物，還有螺類、螃蟹、蝦等豐富多樣的動(dòng)物。在固體地下幾十米、幾百米甚至幾千米的環(huán)境中，存在著一個(gè)以微生物為主的深部地下生物圈，據(jù)估算，其生物總量可達(dá)到地球表面生物量的十分之一。然而，對(duì)于這個(gè)深藏于地下的生物圈，人類的了解程度還極為有限。按照地球的地溫梯度，以每向下100米增溫約3攝氏度計(jì)算，3000米深處的溫度已逼近100攝氏度，處于這樣的高溫加上高壓與缺氧環(huán)境中的地下微生物圈，近似地球早期生命形態(tài)的縮影。通過(guò)研究它們，我們仿佛能穿越時(shí)空，間接探索地球生命起源的秘密。

三、深地資源如何開(kāi)發(fā)利用

深地資源的開(kāi)發(fā)利用，對(duì)于滿足人類發(fā)展過(guò)程中日益增長(zhǎng)的資源和能源需求，拓展人類生存空間等具有重大意義。

深地礦物資源的開(kāi)采使用。從當(dāng)前的技術(shù)儲(chǔ)備和發(fā)展需求看，深地正成為尋找礦物資源新的戰(zhàn)略高地。例如，新能源汽車的興起使鋰、鈷、鎳、石墨、稀土、鉑等關(guān)鍵礦產(chǎn)資源的需求大幅增加，深地礦物資源的開(kāi)采能夠有效滿足這一需求。再如，以前制造“大哥大”手機(jī)只需用到約30種化學(xué)元素，現(xiàn)今的智能手機(jī)卻使用了70多種化學(xué)元素。信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)、航天航空、軌道交通、新材料等領(lǐng)域?qū)υ氐男枨笕找鎻V泛，從這個(gè)意義上來(lái)講，人類已經(jīng)進(jìn)入元素周期表的“全元素使用”時(shí)代，對(duì)深地礦物資源的開(kāi)發(fā)利用更為必要。人類所需要的資源在地下深部1萬(wàn)米以內(nèi)都有可能分布。如果開(kāi)采深度能夠達(dá)到地下2000米，我國(guó)的固體資源供給量將在現(xiàn)有基礎(chǔ)上翻倍。

此外，深地中的地?zé)豳Y源正日益成為未來(lái)能源研究的重點(diǎn)方向。地?zé)崮苁且环N儲(chǔ)量豐富、分布較廣、穩(wěn)定可靠的可再生能源，如果把地?zé)崮苤脫Q出來(lái)用于發(fā)電，這就是零碳的能源，可以替代甚至取代現(xiàn)在的化石能源。除了用來(lái)發(fā)電，地?zé)徇€可用于溫泉療養(yǎng)、供暖制冷、農(nóng)業(yè)養(yǎng)殖等領(lǐng)域。

深部空間的建設(shè)與探索。向深部拓展空間是城市發(fā)展和深地應(yīng)用的重要方向之一。不少發(fā)達(dá)國(guó)家在大都市的建設(shè)過(guò)程中，對(duì)地下空間的開(kāi)發(fā)利用已取得顯著進(jìn)展。以日本、新加坡為例，其地下空間利用深度已達(dá)到200米。

地下空間不僅能夠?yàn)槌鞘薪ㄔO(shè)所用，同樣也能助力科學(xué)研究。例如，江門中微子實(shí)驗(yàn)探測(cè)器主體在地下700米深處建成，在一系列前沿技術(shù)領(lǐng)域取得突破；中國(guó)錦屏地下實(shí)驗(yàn)室位于地下2000多米，自2010年建成投用以來(lái)，已有來(lái)自清華大學(xué)、上海交通大學(xué)等高校和科研院所的10余個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目組入駐，取得了近50項(xiàng)國(guó)際領(lǐng)先的科研成果，目前已有暗物質(zhì)、中微子、核天體物理、巖石力學(xué)、引力波、深地醫(yī)學(xué)、量子計(jì)算等前沿基礎(chǔ)科學(xué)研究在此進(jìn)行。

此外，地下巖石遍布著微小的孔隙，捕獲的大氣二氧化碳可以輸入到地下的孔隙中，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期的封存。二氧化碳地質(zhì)封存是通過(guò)工程技術(shù)手段將捕集的二氧化碳注入地下的深部咸水層、枯竭油氣藏等地質(zhì)體中，通過(guò)構(gòu)造地層封存等方式實(shí)現(xiàn)二氧化碳與大氣長(zhǎng)期隔絕的過(guò)程。這是降低溫室氣體含量、緩解溫室效應(yīng)的重要手段之一，也是實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)的一個(gè)重要途徑。

四、深地探索為何前景廣闊

挺進(jìn)地球深部，每一米都是對(duì)未知的挑戰(zhàn)，每一寸都是向極限的突破。2010年，聯(lián)合國(guó)“國(guó)際行星地球年”將地球深部列為地球科學(xué)的最后前沿。許多發(fā)達(dá)國(guó)家已將深地科學(xué)與探測(cè)技術(shù)作為優(yōu)先部署的國(guó)家戰(zhàn)略。

黨的十八大以來(lái)，我國(guó)在深地領(lǐng)域取得一系列令人矚目的成就。在關(guān)鍵核心技術(shù)攻關(guān)與重大裝備研制方面，具備1.1萬(wàn)米最大鉆深能力的“夢(mèng)想”號(hào)大洋鉆探船正式入列。深地鉆探不斷刷新紀(jì)錄：2018年5月，松科二井順利完鉆，井深達(dá)7018米，成為當(dāng)時(shí)亞洲國(guó)家實(shí)施的最深大陸科學(xué)鉆井，也是國(guó)際大陸科學(xué)鉆探計(jì)劃項(xiàng)目實(shí)施20多年完成的最深鉆井；2025年2月，我國(guó)首口超萬(wàn)米科探井——深地塔科1井成功鉆至地下10910米，成為亞洲第一、世界第二垂深井，并創(chuàng)造了全球陸上鉆井突破萬(wàn)米“最快”、亞洲陸上取巖芯“最深”等多項(xiàng)工程紀(jì)錄。新一輪找礦突破戰(zhàn)略行動(dòng)也取得顯著成效，新發(fā)現(xiàn)10個(gè)億噸級(jí)油田、19個(gè)千億方級(jí)氣田，探獲10個(gè)大型鈾礦床。

近年來(lái)，“十四五”深地國(guó)家重大科技專項(xiàng)順利實(shí)施，“深時(shí)數(shù)字地球”國(guó)際大科學(xué)計(jì)劃啟動(dòng)實(shí)施，“戰(zhàn)略性礦產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)利用”重點(diǎn)研發(fā)專項(xiàng)完成任務(wù)部署，能源和礦產(chǎn)資源有關(guān)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室獲批建設(shè)，地質(zhì)礦產(chǎn)領(lǐng)域戰(zhàn)略科技力量布局顯著優(yōu)化。我國(guó)深地科學(xué)探索與資源開(kāi)發(fā)利用前景廣闊，將為保障國(guó)家能源資源安全、推動(dòng)科技進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展作出更大貢獻(xiàn)。

作者：中國(guó)科學(xué)院院士，中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京）教授