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大数据呈现“看不见”的地球内部

——聚焦世界各国地球深部探测技术

来源:中国国土资源报 作者:贾斌 发布时间:2017-12-04

 

加拿大岩石圈探测计划

 

地球内部剖面示意图

前不久,我国启动了地震科技创新工程,拟通过“透明地壳”“解剖地震”等4个地球深部探测计划的实施,在未来10年,大幅提升地震科学研究水平以及防震减灾能力,达到国际先进水平。那么,和世界发达国家相比,在地球深部探测方面我们可以借鉴哪些经验成果?大数据时代地质学家探测地球内部所面临的焦点和难点有哪些?从上个世纪60年代起,随着人类对海洋认识的加深,发展出了划时代的板块构造理论,几乎完美地解释了与海洋有关的地质学问题。所以,人们开始把板块构造理论运用于陆地,也就是板块构造理论的“登陆”。

在研究海洋地质的过程中,科学家广泛采用地球物理学的方法,结合钻井,取得丰硕成果。自然而然地,研究大陆地质学也可以按照这个思路进行。所以,从上个世纪70年代开始,各国相继展开了各式大陆探测计划,极大地完善了大陆地质学理论并取得了良好的经济效益。

美国:大陆反射地震探测计划和地球透镜计划堪称深部探测典范

在上个世纪70年代末,美国率先开始实施了大陆反射地震探测计划。这项计划的研究手段来源于石油勘探技术,通过布设一系列测线,收集人工地震产生的地震波,处理之后就可以得到很多地下地质结构的信息。这个计划取得了很多优良的成果,比如:揭示了美国东海岸阿帕拉契亚山的构造,西部山地的地下结构,尤其在落基山断层之下发现一系列油田。一连串的科学与社会效益,使该计划堪称深部探测的典范。此外,这次探测计划的成果,还引发了其他国家相关计划的出炉。

2001年,美国国家科学基金会、美国地质调查局和美国国家航空航天局,联合发起了一项新的开创性地球探测计划——地球透镜计划。该计划是一项全新的具有风险性的地学探索工作,主要分为四项内容:

第一项是建立一个由2000个地震观测点构成规则的流动测网,轮流进行地震观测,实时采集数据,用来研究地幔乃至深达近3000公里的地核和地幔边界的情况。另外,还可以用来监测火山和地震活动,进行灾害预测。

第二项是建立圣安德列斯断裂深部观测站。圣安德列斯断裂是地球上最活跃的断层之一,穿过美国经济发达、人口密集的西海岸,研究程度很高,危险性也很大。项目将在断层带上取出了40米的岩芯供科学研究,并在深部建立了一个观测站,进行长期的观测研究。

第三项是板块边界观测站,利用GPS和应变测量仪,对太平洋板块和北美板块的相互运动进行连续观测,以研究地震和火山造成的地壳缓慢变形,增强预报的准确性。

第四项是合成孔径干涉雷达,可以用于火山和地震灾害的研究,还可以提供因地下水和石油的开采造成的地面沉降信息等。美国的地球透镜计划在2003年由国会批准实施,为期15年(2003年~2018年),预计投资超过200亿美元。

英国:反射地震计划揭示地球霸主恐龙灭绝猜想

英国反射地震计划开始于1981年,探测范围覆盖英伦三岛及附近大陆架,揭示了这一地区地壳和地幔的结构特征,并得益于反射地震计划帮助,成功发现了储量约47亿吨的北海油田。

而让人意想不到的是,该计划发展的地球探测新技术,在寻求恐龙灭绝成因方面发挥了很大的作用。我们知道在6500万年前的白垩纪末期,地球霸主恐龙突然灭绝,一种猜想是有一颗直径至少10公里的陨石与地球相撞,导致全球气候大变,恐龙灭绝。

但这么大一颗陨石与地球相撞,必定要留下一个巨大的陨石坑,那么它在哪儿呢?早期的科学家通过对墨西哥湾地区岩石学的研究发现,这里可能存在一个巨大的陨石坑,但它到底是什么形状,有多大,一直是个谜。因为这里大部分地区都是在海下的,难于观察。所以,在1996年的1月~5月间,该计划的科学家联合美国、墨西哥的地质学家对墨西哥湾地区进行了详细地探测,最终确定了这里存在一个巨大的陨石坑,直径大约100公里,为恐龙灭绝这一科学问题的研究补上了重要的一环。

加拿大:岩石圈探测计划为矿业勘探和开采提供详细信息

加拿大岩石圈探测计划(1984年~2003年)是加拿大国家级多学科合作的地球科学研究项目,目的是综合了解北美大陆北半部的大陆演化。加拿大地区本身地质演化历史久远,超过40亿年,这让加拿大成为研究地球大陆早期历史及后续演化最理想的国家。

在漫长的历史中,大陆经历了怎样的变化,都有哪些地质过程,大陆的组成是怎样的,这些问题不仅对加拿大,更是对全球的地质学研究都有着重要的意义。另外,加拿大矿产资源丰富,矿业是本国的支柱产业之一,探明地下的矿产分布及储量,更是对本国的经济发展具有重要意义。所以,加拿大岩石圈探测计划从一开始就具有科学和社会的双重目标。

从1984年开始,参与该研究的750多名作者发表了近2000篇著作,详细阐述了加拿大本土大陆的演化特点,绘制详细的岩石圈剖面,尤其注重对矿业开发区的探测,为矿业勘探和开采提供更详细的信息。

所有这些,不仅显著提高了加拿大大陆地质学的研究水平,而且极大地促进了本国矿业发展,丰富的成矿信息增强了矿业公司投资的信心。

澳大利亚:“玻璃地球”计划的目标是人眼能看到地下构造、岩层、矿产甚至灾害

矿产资源大国澳大利亚被誉为“坐在矿车上的国家”,为了解决未来的资源问题,1999年该国提出了“玻璃地球”计划。所谓的“玻璃地球”,顾名思义,就是让地球像玻璃一样透明,让人一眼就能看到地下的构造、岩层、矿产甚至灾害。有学者称之为“透明地球”或“水晶地球”,在一个国家范围内则被称为“玻璃国土”,指通过多种地质手段获取海量数据,建立全球性、多尺度、数字化的地质模型,可供我们查询和分析,然后据此作出正确合理的决策。澳大利亚“玻璃地球”的思想理念一经提出,就吸引了世界各国纷纷效仿,开始投入大量资金进行实施。

“玻璃地球”计划的目标是:使澳大利亚大陆地表以下1000米深度以内的地质状况变得透明。要实现这一目标,需要大量的地质勘探、地球物理勘探和地球化学勘探工作,如:新的钻探技术、航空重力梯度测量、航空电磁法、地球化学填图、同位素跟踪、地下水化学研究等。该计划提出之后被正式列入澳大利亚的国家预算,并开始实施。遗憾的是,2003年因多种原因而被迫终止。

欧洲:深部探测计划促进了科学研究的跨国界合作

从1981年起,受美国深部探测计划的影响,欧洲各国随后也展开了自己宏大的计划。

欧洲深部探测计划(1981年~2001年)旨在实施新一代的重大项目,更好地了解欧洲大陆地壳和地幔的构造演化,以及一直以来控制整个演化的动力学过程。欧洲探测计划挑选9个目标区域进行重点研究,每个区域都由高度自治的研究团队负责,所有的团队都致力于运用地质学、地球化学、地球物理学相结合的方法,了解地球表层和深层的关系,解释形成欧洲大陆岩石圈主要特征的过程。

在本计划实施的20年间,有30多个国家,上千名地质学家参与,从俄罗斯的乌拉尔山到葡萄牙里斯本,从土耳其到瑞典,地质学家对欧洲的主要地质结构进行了系统的研究,硕果累累,加深了人们对欧洲大陆深部构造和地质学过程的认识,同时也极大促进了科学研究的跨国界合作。

◆相关链接

瑞士地壳探测计划:主要是通过地球物理和地质联合的方法探测瑞士阿尔卑斯山脉的深部结构,深部探测的数据主要采集于1986~1993年之间,研究成果合理解释了瑞士阿尔卑斯山的构造演化:一个温度相对较冷的“山根”快速插入到20公里以下的下地幔,结果导致了大陆的碰撞;高密度球状“山根”导致阿尔卑斯山中部快速隆起及波河盆地下沉的大陆动力学模型。加上欧洲各国联合开展的欧洲探测计划,共同揭示了欧洲大陆与非洲大陆碰撞带的精细结构,为发展碰撞造山理论、薄皮构造理论奠定了基础。

德国大陆反射地震计划:通过接收、处理和解释地球物理数据,取得了对欧洲深部地质结构的新认识。深地震反射揭示了岩石圈不同尺度的各向异性和下地壳的“鳄鱼嘴”构造,一些反射联合剖面揭示了陆内盆地的演化,显示了下地壳减薄和岩浆初始阶段的证据。

意大利深地壳反射计划:由意大利国家研究委员会资助,主要目标是通过深地震反射技术研究意大利主要造山带的地壳结构及动力学演化过程。项目起始于20世纪80年代,形成了覆盖意大利半岛及周边海域的地震剖面网。

俄罗斯深部探测计划:以折射地震技术和大地电磁技术为主,这在国际上是唯一的也是非常超前的。俄罗斯是世界上最早开展深部探测的国家之一,其中科拉半岛科学钻深度超过1.2万米,成为世界上最深的钻孔。科拉超深钻改变了地球物理探测解释的许多深部现象,研究成果形成了适时的成矿地质体定位的深部地质—地球物理和地球动力学标尺和俄罗斯境内各种矿产资源多参数成矿预测分析的数据库。

◆延伸阅读

“透视”地球正变为现实

在上述国家的研究计划中,所采用的主要方法是地震反射技术,它是一种精度很高的地球物理勘探方法,主要利用人工爆炸、冲击或其他振动源产生地震波,然后在地表或井中用检波器将其接收并对其进行处理和解释,便可以分析判断地层界面、岩土性质和地质构造等。

目前,美国、俄罗斯、英国、意大利等国都在积极推动“穿透地壳”深反射地震剖面的工作。根据三维可视化地质信息与服务系统,只要按要求在电脑上输入相应的指令,研究区域的主要地层、地下构造、地热、地下水等三维仿真模型即可直观地展现在眼前。如果想知道哪里有断裂,哪里有地热和温泉,哪里赋存着丰富的地下水资源,都可以在系统上清楚地查询。

未来世界各国的“玻璃地球”计划将会从局部的三维地质模型向全国范围发展,我国的发展方向将会更多地向实用化转变,在规划、国土、环保、水务、市政、建设、农业等多个领域更多地发挥管理和决策的作用。

目前,虽然实现全球范围的“透明化”尚需要很长的时间,但随着人类探索地球奥秘的步伐不停,大数据时代呈现“看不见”的地球内部将一直是未来地球科学研究的方向。