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杨文采院士:人类能上天下海,却难以入地13公里

  • 作者:admin    最后更新:2020-07-03 09:01    点击数:
  • 作者|章剑锋

    出品|科技《科学行家》栏现在

    西畴谆笔集团有限公司

    13公里,这个数字现在还异国哪个国家能实现。这指的是对于地球深部钻孔探测的直线纵深距离。

    天上,人类的飞走器已经能在距地球38万公里外的月球和5500万公里外的火星着陆,马斯克幼我公司 SpaceX 研发的载人飞船不久前刚刚成功将两位宇航员送达400公里外的国际空间站。海底,世界上最深的马里亚纳海沟超过11000米,中国、英国、美国和日本等国家的深潜器在这边纷纷实现了超过一万米的深潜探测试验,中国自立研制的11000米级载人潜水器计划今年正式下潜。

    而在深地钻探方面,现活着界上最深的科学钻探纪录还异国达到13000米,中国的钻探深度先后两次实现了亚洲第一,别离是2005年位于江苏东海县的中国大陆科学钻探工程CCSD—l井,深入地下5158米;2018年位于暗龙江安达市的松科二井,钻探深度达到7018米。

    “对于固体地球吾们晓畅得太少了。吾们讲上天、入地、下海三大科研现在标,上天现在太空技术一向提高,下海也相对比较容易。入地很难,难在那里?”中国科学院院士杨文采对科技《科学行家》记者说,“现在钻探达到12300米,为什么不及达到30000米啊?很浅易,到了12000米的时候,地层的温度很高,想不息钻下去,面临很大的挑衅。”

    杨文采是著名地球物理学家,浙江大学教授,他曾担任中国大陆科学钻探第一钻——2005年江苏东海县中国大陆钻探工程中央的副总指挥。由于科研做事相关,杨文采曾面迎面见过四任国家总理,大陆科学钻探工程也受到国家高层的直接偏重和声援,以前的一位总理曾在东海工程开钻前作出批示,称这一工程是中国地质科技做事的一件大事①。

    深地探测(又叫大陆科学钻探),被称为“深入地球的看远镜”,它既有助于科学家验证地壳物质行动和地球演化规律,在全球灾难频发、能源主要等各栽人类社会发展面临的矛盾背景下,又是发现解决此类主要题目的主要手腕,有人将其科研意义称作是人类登月后又一划时代的工程。

    1997年,国际大陆科学钻探计划(ICDP)正式成立,中国于以前添入该计划。杨文采代外中国出任 ICDP 第一届科学顾问组(SAG)成员,此后与其他七位中外科学家一道挑出了中国大陆钻探项现在,推动了江苏东海的科学钻探的实现。

    ▲深入地下5158米的中国大陆科学钻探工程CCSD—l井,位于江苏省东海县/图源:中国地质大学

    ▲钻探深度达到7018米的松科二井,位于暗龙江安达市/图源:中国地质大学

    杨文采从事地球物理钻研50余年,他是新中国最早一批委派出国的学者和新中国造就的第一批地球物理学家之一。上世纪80年代他从国门外把地球成像逆演理论带回中国,行为这个学术周围的先走科学家,他曾带头在北京大学等中国高校开课。

    杨文采带回来的地球物理逆演和地震层析成像理论,主要行使在地壳上地幔钻研、油气与矿产勘查及壮大建设工程基础调查等方面。一般来讲,除了基础性的地球动力学钻研之外,找石油、找矿,也都能用上。比如黄河幼浪底水利枢纽电站、大庆油田、华北油田、东海油气盆地、北京机场高速立交桥墩质量检测等主要工程,均有行使到他的技术收获。

    地球物理学钻研与能源行使、地球生态等众重实际议题有着亲昵的相关。杨文采通知《科学行家》记者,他本人当下很关心的一个题目是,人类居住环境和矿产能源资源等需求之间的矛盾能否得到均衡改善,地球科学能为这个题目的求解做一些什么?站在科学家的钻研角度,他试图寻觅到本身的答案。

    他挑出的一个对策是:新能源行为新兴产业,固然在能源格局中扮演偏主要角色,但终究代替不了行为战略资源的化石能源。发展新式绿色矿业,尤其是在中国西部和内蒙古发展新式绿色矿业,能够是解决中国能源瓶颈的根本途径。

    “新式矿业是发展新式原材料高端产业链的上游,而新式矿业必须绿色发展,必须和保障人居环境、缩短土地资源的压力、科学行使空间资源的思路结相符首来,唯有如此,才能够降矮环境治理的成本,使开发矿业和优化环境一石二鸟。”

    ▲人类对暗藏于地球内部的新闻,所知还专门有限 /图源:国际在线

    Part 1地球深部炎度过400度,钻杆打下去会变成“面条”

    《科学行家》:大陆科学钻探现在最深的钻井还异国到13000米,去下面走稀奇难得,您是有过实践的科学家,这是什么因为?

    杨文采:主要是由于温度提高,地下12000米以下,地球的温度能够达到300-400度,这时候钻杆就变成“面条”了,刚性就异国了,动力就没办法传下去。刚性不足,这个钻杆不仅不及不息去下传递动力,到时候它钻下去还会给你拐回来,不听你指挥。

    这是材料的题目。想让这个钻杆的刚性在1000度情况下还能一向保持刚性,这栽材料现在还异国钻研出来,这个很难。那只能等到新材料出来了以后,才有能够不息去深里打钻。

    地底下的岩石层组织,分别的深度也纷歧样。花岗岩、片麻岩,再去下是玄武岩、橄榄岩等更硬的岩石,这一类岩石密度大,于是地球深部越去下岩石就越坚韧,钻孔的难度就越来越高。

    吾们原本用的钻杆,它的材料是相符金钢。当然吾们现在也有许众其他的材料,但是很贵,有一个成本题目。几万米的钻杆,你看得众少成本。值得吗?这涉及许众题目。你打下去以后又不赢利,谁来投资啊?

    ▲前苏联科拉超深钻孔,深达12263米/图片来源于网络

    《科学行家》:向地球深部进军,怎么看这个科学意义?人类对地球深部认知还专门有限?

    杨文采:吾们对地球的晓畅,从地面上来说照样很不错的,就是对(地下)深部的晓畅比较有限。

    地球内部物质是怎么分布和行动的?能量是怎么迁移的?这是很难钻研的。由于许众事情都发生在以前,都发生过了。但是每一次的地球动力学作用,都在地球上留下有新闻,这些新闻就藏在地壳中,科学家必要去钻研这些新闻。

    地球的半径有6000众公里的深度,在北京的下面,有80到90公里的岩石圈,岩石圈之下,还有柔流圈,地球板块行动、大陆漂移的动力,就在柔流圈之中,柔流圈岩石有流变性。科学家为了钻研地下组织新闻,有各栽办法。

    比如地质学家,他要看地外上石头的露头,然后再看打钻出来的岩心,始末测量和钻研这些岩石标本,就能得到第一手的数据。拿不到实物,就没办法测算。但是,地外露头和钻孔(位置)往往相隔最远。比如地质学家他在北京打井,拿到一块石头,这个石头在别的地方都异国见到过,他又跑到阿拉善打个井,又得到另一块同样的石头。那这两块石头之间原形是什么相关?大胆一些的地质学家就会说这是一个地质带,它们是连在一首的。但他异国资料来佐证。

    地球化学家的办法是能够靠同位素测量来钻研标本。20世纪地质学最大的成功就是用放射性同位素来测量地质年代。只要有一块标本,他们就能够取得数据。当然这个标本要很稀奇,比如是从火山里头喷发出来的。火山就是一个天然的钻孔,把地下能够是100公里深度的物质给带到地面上来了,像金刚石就是。同位素钻研就能表明它的成因、物质成分、它的生成环境等等。

    但也有题目,由于不是到处都有火山。像在北京,异国火山口,你就没辙了。不及真实深入到地底下去,那就异国深地的钻研材料。于是当代的地球科学钻研,必要众学科的结相符(地球物理学、地质学、地球化学等),才能搞清地下物质的分布。

    ▲火山喷发涌出熔岩/图源:国际在线

    《科学行家》:也就是说,在地球科学中,大陆科学钻探的主要性和必要性是无可争议的?

    杨文采:大陆科学钻探是专门主要的一环。由于地球科学钻研现在更众只能看到地外上的东西,倘若不及去下打钻采样,吾们能看到的东西只是很浅层的,许众钻研都中止在倘若阶段。比如组织的年龄和周围、流体的行动、地球物理变态首因等,你很难敲得很准,要把它上升成为一个理论的模型,还必要添以打钻验证。

    你要验证,要么就直接打钻,钻得越深越好,这是一个最好的办法。比如吾展望这个地方打下去会是什么地质年代,吾就在谁人地方钻下去,末了测出来的效果就能够直接拿来印证你的理论,于是要搞科学钻探。海洋钻探也好,大陆科学钻探也好,主意都是要验证科学家的理论模型。

    以前吾们在江苏东海打钻,也是云云,这个钻研就与验证地壳行动和大陆俯冲相关。末了获得的材料验证,基本上跟吾们原本推想的是相通的。这就是科学钻探。

    当然,除了打钻,还能够有另一栽验证办法,那就是展望,比如进走地震预报。展望在什么地方什么时候会发生大地震,倘若你展望实在了,你的钻研倘若也能够上升成为理论。

    ▲杨文采院士在广西为1600众名青年科研做事者作主题通知/图源:广西科协

    Part 2人类社会要发展,离不开地下矿藏资源

    《科学行家》:地球科学中,关于能源行使的话题也很受关注,您的钻研收获,在一些主要的能源勘探工程上也有行使,怎么样意识地底下的能源储藏,地球深部真的是能源宝藏吗?

    杨文采:吾们晓畅地球中央的温度达到5000众度,谁人地方炎能是一切地球内部物质行动的能量来源。科学的估算,吾们现有的一次能源当中的太阳能,它的总能量也许是地球内部能量的1/50,就是说地球的能量远远要大于太阳开释出来的能量。

    另外,吾们的地球形成后产生一些矿物,比如说铀矿,产生放射性的能源,这个能量是能够行使的。这个能量又比太阳能少一个级次。

    吾们说发展靠资源,最主要的战略资源中就少不了矿物。特朗普签定了一个美国的战略资源法案,就是说你的战略资源的贮备倘若不足的话,一旦发生搏斗,你这个国家是经不首抨击的。那这其中涉及到一个很主要的战略资源,就是稀土矿,它们是在新材料、高端制造、航空航天和详细制导等众方面必要的稀奇原材料。美国要从中国进口大量的稀土矿产,倘若这个资源断了,对于美国的战略发展是很不幸的。

    ▲有“中国黄金第一矿”之称的吉林夹皮沟金矿/图源:中国黄金报

    《科学行家》:也就是说,地球科学是否能够在这栽战略资源自给自足上面,挑供助力?

    杨文采:铁矿、铜矿这一类战略矿产,吾们国家寻觅了很长时间。这边吾要讲讲金矿。中国地质界对于国家发展的一个大贡献,就是发现了金矿、钨矿和锡矿。吾们国家自在后,经济还不发展,一穷二白,许众人吃不饱饭,吾们以前怎么去买国外的先辈技术?靠的就是出口金矿、钨矿和锡矿。

    吾们自在后找到了几个大金矿,比如说胶东金矿、东秦岭的金矿,青海的金矿等,这些金矿给建国初期挑供了硬通货的金钱的贮备,对吾们国家维持财政的坦然是专门主要的,常见问题使得吾们国家能够维持到改革盛开。吾们过来的人晓畅得很隐晦。现在中国制造走出去了,大量的外汇进来,吾们的经济倚赖矿业的这个阶段才算去了。

    吾们在工业化初期最必要的是钢铁和石油,这也都离不开地球科学。现在处在新工业革命时代,必要的资源分别了。吾们每幼我用的手机都装有锂电池,电动车也用锂电池,锂矿还能够大量行使到能源储能上。有科学家设想建设一张能源互联网,城市都装上太阳能,家家户户都能够获得有余的用电。题目是,倘若一个礼拜异国太阳,不就完蛋了吗?那就必要庞大的储能器,首码蓄积整个城市够一个礼拜用的电能,这栽储能器就能够用锂电池。吾们国家有大量的固体锂矿资源。

    吾们现在不太偏重矿业,一时是能够的。但随着时代发展的转折,对矿业的需求也在转折,离不开许众矿产资源。包括蓄能材料、火箭和炎核逆答燃料、特栽相符金、超导材料和芯片材料等,材料都来自地壳的矿粉。尤其是稀疏稀散金属、稀土和贵金属,是撑持战略性新兴产业发展的主要原材料。据吾所知,现在有的国家发展照样靠矿产,比如俄罗斯,它的生存亲昵倚赖矿业。澳大利亚也是云云。

    ▲杨文采院士/李仪 摄影

    Part 3地球物理专科异国本科生,由于不好找做事

    《科学行家》:既然很主要,为什么也存在地球物理专科(包括地质专科)并不是那么吃香的说法?

    杨文采:这个专科还在去下走,现在都异国本科生了,由于地球物理专科的门生出来不好找做事。相比之下,现在搞遥感、搞 GPS 的,找做事很容易。这栽专科发展上的逆境,不是一会儿就能够解决的。

    地球科学的发展很有有趣。吾在40年前公派去添拿大,当时候全世界发生所谓的能源危险,石油卖到130美元一桶,搞得很恐慌。行家说,40年以后中国也好世界也好,石油都会穷乏,油价会暴涨,于是各个当局和石油公司大量投资勘探石油,效果现在40年以前,石油的储量跟40年前相通,并异国失踪下来。由于技术挑高了,经过勘探发现更众的油田,挖掘的技术程度也挑高了。一看还够用40年,就懈弛下来, 40年以后再说吧,现在不找了。云云一来,地球物理人最大的就业门路就受到影响,吾们原本70% 搞地球物理的都是在石油勘探部分做事。

    固然矿业在发展示象上不幸,吾们国家还会声援这个专科,周围能够缩短,但这个路线不及断。基础性的钻研不去做,以后就会落后了。

    《科学行家》:这倒是有些清新,现在各国都期待获得有余的能源用于经济发展,这个专科逆而在去下走,赋闲?

    杨文采:现在全球的矿业都处在最矮谷,发达国家也是云云,主要因为就是由于人们对于人居环境程度寻求挑高以后,在资源和污浊之间又找不到一个能够均衡的办法,唯一的办法就是给矿业添征很高的环境税。你要损坏环境,吾就给你添税,把成本挑高5到10倍,不赢利了,就没人干了。现在欧洲的德国、英国、法国,矿山基本上都封闭了,基本异国矿业了。他们的资本就都跑到非洲去,把污浊留给别人。

    吾们国内的矿业也徐徐在缩短。于是吾们要钻研在人居环境和资源的行使之间寻觅一个均衡、可赓续的发展,要搞隐晦地球物质行动和演化的规律。

    吾的科研寻求就是要把上地幔到地面之间400公里的地球三维成像钻研框架搭建首来。这几十年一向在做,从钻研形式理论,到采集积累数据,进走全球对比,末了找到地球动力学的一些演化规律。拿这些规律,也能够用来分析资源能源是怎么形成的。比如吾也给中石化做钻研,说中国这个深层5000米到1万米地下组织怎么样,这个盆地里头哪些地方能够会有石油,有利于石油的形成,这就是它的行使。

    Part 4人们在能源行使和生态环保的均衡上面,还无法取得共识

    《科学行家》:您是地球物理学家,怎么看现在能源消耗和可赓续发展的矛盾相关?

    杨文采:吾很关注这个题目。人类社会要发展,就要消耗能源,这就会迫害到人居环境,形成一个怪圈。固然这是一个社会题目,但跟地球科学相关最紧。由于只有你晓畅地球内部能量跟物质怎么行动,你才能晓畅地球上的能源、资源是怎么形成的,异日会怎么转折?也才能够晓畅现在的人居环境是怎么形成的,异日又会怎么转折?只有晓畅这些,你才能够解决均衡题目,吾们也才不会去干傻事。这个题目,期待能引首社会的偏重和商议。

    新式矿业必须绿色发展,必须和保障人居环境、缩短土地资源的压力、科学行使空间资源的思路结相符首来,唯有如此,才能够降矮环境治理的成本,使开发矿业和优化环境一石二鸟。

    吾认为行家还异国形成共识,分别的人思想分别,于是达不走均衡。矿上的老板专一想着赢利发展,有些地方当局也是这么想的,这些矿是他当地税收的来源。去年吾在内蒙古跑田园,看到当地查封了一个矿山,由于有污浊,不仅查封,环保部分还每天用卡车拉着土把谁人矿井填埋。吾很清新,有污浊你能够治理,能够添以改造,或者等环保技术、挖掘技术提高了,再添以行使。有异国必要把它填失踪,这么铺张纳税人的钱?这个矿山还有它的价值,能够成为人类共同的财富。

    吾认为能够坐下来商议,找到使两方都能够受好的办法,而不是说吾只强调吾的业绩和收好,你只强调你的环保,末了把老平民搞得莫名其妙。当然,吾们科学家也有义务,这也是吾从事地球物理钻研的寻求之一,钻研地球内部能量物质行动的规律。

    ▲位于美国添州的圣安德烈亚斯断层/图片来自于网络

    Part 5地震预报为什么难以发展首来

    《科学行家》:您的科研更众是荟萃在地球动力学,对于上地幔行动和大陆动力学有深入钻研,这方面的钻研有朝一日是否也能够行使到地震科学展望上?

    杨文采:对地震进走更好的展望,难度比较大。由于地球的内部组织太复杂了,地震展望不是速成式的钻研。比如说,4级地震,就异国必要天天都有人在那里展望,肯定要6级以上的大地震,才有展望的必要,而且你对震级的展望倘若阻止,负面影响就很大,比如说地震是4级,你报成了6级,这就会扰乱平常的社会生产和生活秩序。

    展望必要准确和实在,地震的时间是一个幼时照样镇日照样一个礼拜,你得讲隐晦。吾们倘若说半年之内都能够发生,这个话好说。但你要表明天就发生地震,那请求就很高。由于地震有许众因素触发,许众是未必因素,于是很难。

    当然地震展望钻研做到什么程度,也跟经费投入有相关。比如说在一个地震带上,倘若吾每隔100米都有一个钻孔打下去,然后放上探测器,延续放上1万套,那吾就能晓畅这整个地下答力的转折特征,行使这栽大数据钻研,就比较容易对地震进走展望。题目是,打1万个钻孔,放1万套探测器,花这么大的成本下去,值不值?这就涉及到你科技发展定位的题目。

    ▲贵州海百相符化石,距今超过两亿年历史/受访者供图

    《科学行家》:实际上按您云云说,吾的理解是倘若要做,照样能够实现的,关键是看有异国这个信念?

    杨文采:谁也不敢说肯定就能够做成,但是答该这么去做,会去前走一步。你看美国添州的谁人断裂带,频繁发生地震,他们大地震已经展望了四五十年了,前6次都战败了,第7次成功。他们现在就比较有把握了。比如说挑前三天或一个礼拜,在什么地方什么周围会发生众少震级的地震,展望能够性大,由于地震照样有规律的。比如一个地震断裂带,许众地方都已经发生过地震了,地层组织都松了,它就不容易发生答力积累,再发生地震就是在那些空档的地方,原本还异国断开的地方,就比较能够断裂。

    地震展望,有一个由谁承担义务的题目。倘若吾是领导,吾花了国家的钱,又预报错了,那义务全在吾身上,于是这是有风险的。这内里有许众益处考量。由于这个课题原本就很难,又异国把握能够做好,对领导也是压力山大。固然灾难展望的难度很大,但是随着新闻技术的行使和自动监测能力的挑高,这方面的科学钻研有能够取得主要挺进。

    *注:①,该批示援引自《人民日报》海外版的报道。

     

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