吕庆田作学术报告

“地球物理”四个字对于吕庆田来说，有一种特别的意义。

1981年，在老师的建议下，懵懵懂懂的他来到了长春地质学院，开始了应用地球物理专业的学习。1988年硕士毕业后，他被分配到中国地质科学院矿床地质研究所，从一名实习研究员干起。从此，便是大半生无怨无悔地付出。

寻找深部资源宝藏

深入地球内部是人类一直以来的梦想。然而，想要了解地球深部，却是异常艰难。厚厚的固体地球介质、复杂的地质条件，挑战着人类的认识的极限。了解地球深部如此艰难，我们为什么还要进行深地探测？

在吕庆田看来，两大因素促使我们必须探测深部。

其一，国家资源保障的现实需求。地表或浅层矿产发现的机会越来越小，立足国内，实现资源自给，资源勘查必须要往深走。向深部要资源能源，提高资源储备、缓解资源能源紧缺，是保障国家安全和可持续发展的战略选择。

其二，认识地球深部运行规律。“金属的富集及矿床的形成、地震的发生、山脉的隆升等，最终还是受地球深部各种物理、化学和动力学过程的控制。目前我们对这一复杂的过程尚不十分清楚。只有通过对重要成矿带、地震多发区进行精细探测，就像‘CT’扫描一样，才能逐渐揭示地球深部的‘庐山真面目’。”吕庆田说。

在国家重大需求和科学探索双重背景下，近20年来，吕庆田和他的团队以我国东部长江中下游成矿带和西部东准噶尔成矿带为探测对象，在成矿系统理论框架下开展了多尺度地球物理综合探测和研究，在陆内成矿系统的三维结构、深部找矿思路和找矿发现等方面取得重大进展。

“以往认为，成矿作用大都发生在板块边缘，与板块边缘造山密不可分，如洋—陆俯冲造山、陆—陆碰撞造山，而对于大陆板块内部的成矿作用及深部动力学机制却鲜有了解。”吕庆田和他的团队经过不懈努力，在长江中下游成矿带发现了独特的地壳和上地幔结构特征，发现了大陆内部块体边界控制岩浆—流体活动的反射地震证据，建立了陆内成矿的深部动力学模型。

在矿集区深部结构和成矿过程方面，他们发现了壳/幔边界基性岩浆底侵的反射地震证据，提出了“多级岩浆系统”结构模型；发现了隐伏在庐枞火山岩之下的两个侏罗纪盆地；精细刻画了庐枞、铜陵等多个矿集区的精细结构和断裂系统空间展布，对认识成矿过程意义重大。

“我们认为，这些发现可以诠释为什么在长江中下游这个狭窄的带内，形成近百个大中型金属矿床。与板块边缘成矿类似，大陆内部在远程应力的作用下，在组成块体之间也可以发生大陆俯冲，俯冲导致壳幔强烈相互作用，最终沿块体边界形成大陆内部的巨型成矿带。”吕庆田说。

如何开展深部找矿，这是吕庆田及团队面临的另外一个重大现实问题，目前国内外尚没有现成的经验可以借鉴。他们认为，与地表找矿类似，深部找矿必须先搞清楚地下三维结构，即了解地层、岩浆岩和构造的空间分布。经过反复探索，他和他的团队提出了地质信息约束下的重、磁三维地质建模技术，初步实现矿集区的“透明化”。

通过研究和探索，吕庆田和项目组提出了基于三维结构、区域成矿模式和示矿信息的“三元”深部找矿方法，并利用这一思路在新疆、长江中下游多处取得深部找矿突破。比如，在新疆伊吾县拉伊克勒克戈壁滩发现了隐伏大型斑岩—矽卡岩矿床，获得333﹢334铜资源量101.5万吨，预测该矿床具有超大型铜矿远景。

长江中下游成矿带多尺度深部探测试验，形成了一套解剖大型成矿带成矿系统结构的技术解决方案，发展了多种地球物理数据处理与解释技术，为国家“创新2030—地球深部探测”重大项目的实施提供了技术储备。

创新深部资源探测技术

如何“看透”地球内部，精准发现深部资源，技术创新最为关键。

“对深部矿产勘查来说，不仅需要突破精度、灵敏度更高的各种传感器技术，提升野外测量设备的稳定性，还要发展新的数据解释技术，把观测的数据转换为‘透视’地下的图像。”吕庆田说。

面对我国矿产勘查技术在探测深度、精度和分辨能力等方面与国外差距较大的现状，强烈的使命感、责任感使吕庆田和他带领的研发团队担起了“十二五”国家863计划“深部矿产勘探技术”重大研发任务。

研发团队克服重重困难，先后突破了高精度微重力传感器技术、铯光泵磁力仪传感器技术、宽带感应式电磁传感器技术等10项关键核心技术，技术指标总体接近或局部超过目前国际先进水平。微重力传感器的突破使我国成为国际上为数不多的可以自主生产高精度重力仪的国家。

在重磁、电磁、地震、井中勘探仪器和钻探设备方面，他们研制出高精度地面数字重力仪、大功率多功能电磁探测系统、4000米地质岩心钻探成套技术装备等18套急需的勘探地球物理仪器设备，形成了从地面到地下的系列仪器装备。

在地球物理方法数据处理和解释方面，他们完善了直流电阻率与极化率三维反演方法、重磁三维约束反演方法等20多项地球物理数据处理解释方法，研制出了多参量地球物理数据处理与反演软件系统、金属矿地震处理解释新技术与软件系统2套大型软件系统，形成了多功能三维电磁正反演与可视化交互解释软件系统，金属矿地下物探数据处理解释系统等8个专用软件系统。

“这一轮的勘查技术研发，使我国在地球物理勘查技术领域极大缩小与国外的差距，大幅度降低对国外勘查设备和解释软件系统的依赖，一定程度上打破了国外在此领域的仪器设备垄断，大幅提高了我国深部资源勘查技术自主研发能力和国际竞争力。”吕庆田说。

向地球深部进军

几十年的不懈努力和学术积累，吕庆田及其团队取得了丰硕成果，收获了不少荣誉。先后获得国家科技进步一等奖、二等奖各一项；国土资源科学技术奖一等奖3项，二等奖1项；入选新世纪百千万人才工程国家级人选。他带领的深部资源探测研究团队入选自然资源部高层次科技创新团队。此外，他还为国家培养了一批深部资源探测人才，为深部资源领域的研究和调查作出了突出贡献。

“向地球深部进军是我们必须解决的战略科技问题”，这是习近平总书记在2016年5月30号“科技三会”上发出的号召。

“相比于西方国家，我国的深部探测工作起步较晚，在探测技术和实际探测覆盖面积方面与西方国家差距较大，加强地球深部探测，对我国资源能源安全和减灾防灾意义重大。”吕庆田说。

当前，我国正在酝酿启动“创新2030—地球深部探测”重大项目。未来，我国的地球深部探测将紧密围绕国家资源能源重大需求，瞄准国际地球科学前沿进行布局。

“入地中国梦”的大幕刚刚拉开，向地球深部进军即将全面启动。吕庆田及团队正在积极准备，迎接未来更大的挑战。

虽然人类直接钻探深度在不断加深，但与6000多公里的地球半径相比，我们还仅仅只停留在地球的表皮。如何拓展深部空间，认识地球深部运行规律，发现更多的资源，是吕庆田毕生的奋斗方向。

人们知道地球的自转周期并非标准的24小时整，而是每天都有着微弱的变化。更为奇妙的是，处于地球最中心的固态内核，有着和外部圈层不一样的自转周期，也就是地球内核的差速旋转现象。地球中心的地核的主要成分是铁合金，分为液态的外核和固态的内核两个主要圈层。外核的对流是地球磁场的来源，其施加在内核上的电磁力矩驱动了内核的差速旋转。同时在万有引力的作用下，固态且不均一的内核和地幔之间也有重力耦合效应，这将影响内核差速旋转的状态。然而无论是通过地球动力学的模拟还是地震学的观测，地球内核差速旋转的速度和模式的确定，都极具挑战性。这一问题的解决将对地球深部的动力学过程和地核地幔的耦合机制提供全新的约束，有助于我们理解地球深部圈层的运行机制。该研究成为深地科学的重点探索任务。

北京大学地球与空间科学学院宋晓东教授和特聘副研究员杨翼博士最新的研究结果揭示了地球内核近七十年来的差速旋转模式的变化。该研究利用在同一震源重复发生的天然地震追踪地球内核的旋转模式。重复地震的地震波在同一个台站接收到的记录通常具有相同的波形，然而当地震波采样到地球内核时，却会显示出不一样的波形和到时（例如图1），这是由于内核的旋转导致其内部的不均匀结构发生了横向移动，两次地震记录有着空间中的同样路径却采样到了不同的内核结构。通过分析长期的波形的变化模式，就可以推断出内核旋转的模式。令人惊讶的是，近十余年来，这种地震信号的时变现象在全球的地震波路径上统一消失了。经过更精确的分析得出了地球内核的差速旋转在2009年就接近停止并开始缓慢地反向。类似的反向旋转现象在上世纪70年代初期也有出现，意味着内核的旋转很可能存在周期为六七十年左右的震荡模式。

同时，在地磁场强度和地球日长（自转周期）变化的信号中，甚至在全球平均海平面和气温变化当中，也存在着同样的六七十年周期的信号，并且它们在相位上也存在着一定的对应关系。地磁场的变化意味着外核流体运动模式的变化，日长的变化代表着地幔和地壳旋转的角速度变化，而全球海平面和气温变化源自地表（和大气圈）的变化。由此可见地球的内核、外核、地幔和地表之间，由于电磁和重力等耦合效应，形成了一个周期为六七十年、从内核到浅表的耦合共振系统，这对于揭示地球作为一个系统的运行机制有重要意义（图2）。

该成果于2023年1月23日正式发表在《自然.地球科学》(Nature Geoscience)上，研究论文题为“Multidecadal variation of the Earth’s inner-core rotation”，同刊发表的研究简文题为“Rotation of the Earth's inner core changes over decades and has come to near-halt”。杨翼博士为两篇文章的第一作者，宋晓东是北大讲席教授为两篇文章的通讯作者。

该研究是中国地质科学院和北京大学地空学院共建的“自然资源部深地科学与探测技术实验室”（SinoProbe Laboratory）的成果，受到科技部“地球系统与全球变化”重点专项、自然科学基金地震联合基金和青年基金、以及博士后面上基金的资助。

“自然资源部深地科学与探测技术实验室”于2021年2月经自然资源部批复并正式挂牌，依托中国地质科学院建实。主要目标是联合我国有关部门研究力量，组织实施国家深地领域研究任务，推进国际合作，打造国家级深地领域研究平台。实验室聚焦深部结构探测、深部物质探测、深部资源探测和深部过程等前沿，搭建深地科学数据、探测技术与装备和实验测试支持等平台。实验室面向国际开放与合作，向全球招聘科学家，与国际组织和机构、大学合作研究。前期深部探测实验专项（SinoProbe-1，2008-2014)已奠定了扎实的基础，储备了技术装备和人才队伍，在国际上产生良好的反响。

北京大学地球与空间科学学院设有5个本科生专业（地质、地球化学、固体地球物理学、空间科学与技术、地理信息系统）。地球科学与空间科学既是一门基础科学，又是一门在现代国防和国民经济建设中有着广泛应用的科学。北大地质学及地球物理学均为我国同类专业中历史最悠久的学科，地空学院是我国地球科学科研和人才培养的重要基地，承担着为国家现代化建设输送高级专门人才的重任，对我国现代科学发展和国民经济建设发挥了重要作用。