《活力地球》：陳颙、張尉編著；科學(xué)出版社出版。
《深時(shí)之美：從宇宙星塵到人類文明，跨越45億年的地球故事》：賴?yán)?middot;布萊克著，劉小鷗譯；北京科學(xué)技術(shù)出版社出版。
《“地殼一號(hào)”萬(wàn)米大陸科學(xué)鉆探裝備及自動(dòng)化機(jī)具》：孫友宏等編著；科學(xué)出版社出版。
《冰川之下：揭開古氣候的秘密》：葉謙著；青島出版社出版。
《地球上遺失的風(fēng)景》：艾娜·貝斯塔德編繪，張曉璇譯；北京聯(lián)合出版有限公司出版。
站在地球一隅，你有沒有想過，腳下的土地曾是一片汪洋，或是山勢(shì)連綿、林海莽原？
地質(zhì)變遷，滄海桑田，蘊(yùn)藏著科學(xué)原理。素有東北糧倉(cāng)之稱的松遼盆地，地面上是肥沃的黑土地，松花江穿流而過，一片靜謐祥和。然而，這里曾經(jīng)有過兩階段湖泊擴(kuò)張、10次海侵和多期火山噴發(fā)。侏羅紀(jì)、白堊紀(jì)、古近紀(jì)、新近紀(jì)的地質(zhì)變化，使這里經(jīng)歷了高山、湖泊、盆地等的巨變。
人類世世代代生活在地球上，卻對(duì)它的內(nèi)部所知甚少。探知腳下土地億萬(wàn)年的變化，需要實(shí)施科學(xué)鉆探工程，給地球做一系列“微創(chuàng)手術(shù)”。如果建造若干條通往地球深部的通道，就能將人類的“視距”向地球內(nèi)部延伸數(shù)千米甚至上萬(wàn)米，通過巖心獲得地殼運(yùn)動(dòng)及其演化的真實(shí)信息。如果在鉆孔內(nèi)布設(shè)長(zhǎng)期觀測(cè)儀器，動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)觀測(cè)地球內(nèi)部，我們便能回答為何會(huì)有滄海桑田。
“入地望遠(yuǎn)鏡”
科學(xué)鉆探被譽(yù)為人類的“入地望遠(yuǎn)鏡”和了解地球演化的“時(shí)光隧道”，是獲取地球深部物質(zhì)、了解地球內(nèi)部信息最直接、最有效、最可靠的方法，也是解決資源、能源、環(huán)境等問題不可缺少的重要技術(shù)手段。它和航天技術(shù)一樣，是一個(gè)國(guó)家綜合國(guó)力和科學(xué)技術(shù)水平的重要標(biāo)志，不少發(fā)達(dá)國(guó)家將其列入國(guó)家科技發(fā)展戰(zhàn)略。
自古以來(lái)，“上天入地”就是人類的夢(mèng)想。隨著載人航天技術(shù)發(fā)展，“上天”已經(jīng)實(shí)現(xiàn)，“入地”卻困難重重。地球半徑約為6371千米，人類目前入地最大深度12.2千米，僅為地球半徑的0.19%。如果把地球比作一個(gè)雞蛋，我們目前的探測(cè)還僅僅停留在雞蛋殼層面。地球深處堅(jiān)硬的巖石和高溫、高壓、高地應(yīng)力的極端環(huán)境，成為深部科學(xué)鉆探的巨大障礙。隨著地層深度增加，地層溫度平均以30攝氏度每千米梯度增加，壓力以8—12兆帕每千米梯度增加，環(huán)境條件更加復(fù)雜危險(xiǎn)，這些都對(duì)大陸科學(xué)鉆探技術(shù)、裝備與工程帶來(lái)巨大挑戰(zhàn)。
為了解地球深處的奧秘，科學(xué)家進(jìn)行了各種嘗試。1968年，美國(guó)率先發(fā)起深海鉆探計(jì)劃，為驗(yàn)證大陸漂移和板塊學(xué)說提供了科學(xué)依據(jù)。幾乎同時(shí)，蘇聯(lián)開啟大陸科學(xué)鉆探計(jì)劃，1970年科拉超深鉆開鉆，用了近20年時(shí)間，創(chuàng)造了12262米的人類入地紀(jì)錄。1996年，中國(guó)、德國(guó)、美國(guó)共同發(fā)起“國(guó)際大陸科學(xué)鉆探計(jì)劃”，截至2023年，該計(jì)劃已在全球?qū)嵤┝私賯€(gè)大陸科學(xué)鉆探項(xiàng)目，在地球氣候與環(huán)境演變的規(guī)律及機(jī)理、地質(zhì)資源的形成與勘探、地震和火山噴發(fā)的物理化學(xué)過程、地球演化的動(dòng)力學(xué)過程等領(lǐng)域取得不少重大發(fā)現(xiàn)，促進(jìn)了地球科學(xué)理論發(fā)展和地球探測(cè)技術(shù)提高。
鉆探裝備是解開地球奧秘的鑰匙。為滿足地球深部探測(cè)工程對(duì)高端專用裝備的需求，2009年“地球深部探測(cè)技術(shù)與實(shí)驗(yàn)研究專項(xiàng)”啟動(dòng)，我國(guó)地球深部探測(cè)“入地”計(jì)劃拉開序幕。“地殼一號(hào)”萬(wàn)米大陸科學(xué)鉆機(jī)是其中的關(guān)鍵技術(shù)裝備，于2013年完成自主研制。這臺(tái)高60米、占地超1萬(wàn)平方米、鉆深能力達(dá)1萬(wàn)米的科學(xué)超深井鉆機(jī)，2018年在松遼盆地“松科二井”順利完成7018米鉆孔，創(chuàng)造了亞洲國(guó)家實(shí)施的大陸科學(xué)鉆井新紀(jì)錄。這次成功應(yīng)用，使我國(guó)成為世界上第三個(gè)擁有實(shí)施萬(wàn)米大陸科學(xué)鉆探計(jì)劃專用裝備和相關(guān)技術(shù)的國(guó)家，用它鉆取的巖心，更為我國(guó)科學(xué)家建立地球演化檔案提供了難得的原始資料。
獲取巖心和冰芯
科學(xué)鉆探讓我們可以穿越時(shí)空，獲取不同時(shí)間尺度的氣候、地質(zhì)構(gòu)造等記錄，破解氣候變化密碼。比如，20世紀(jì)地球科學(xué)的一個(gè)重大進(jìn)展，就是認(rèn)識(shí)到人類活動(dòng)會(huì)對(duì)地球表層系統(tǒng)和全球氣候產(chǎn)生直接影響。近百年來(lái)，全球平均溫度升高約1攝氏度，兩極冰川冰量持續(xù)減少，海平面上升。整個(gè)地球氣候系統(tǒng)加速變暖，很可能是因?yàn)槿祟愡^量排放溫室氣體，造成“溫室效應(yīng)”。然而，人類活動(dòng)造成的氣候影響有多大？未來(lái)的極限情況又如何？這些問題迫切需要科學(xué)解答。
“松科二井”就為氣候研究提供了關(guān)鍵“史料”。其獲取的巖心來(lái)自白堊紀(jì)，這根4134.81米、完整度為96.61%、幾乎沒有損失的巖心，就像是一條通往白堊紀(jì)的“時(shí)光隧道”。通過研究這根巖心，地質(zhì)學(xué)家發(fā)現(xiàn)在白堊紀(jì)（距今約1.45億年至6600萬(wàn)年），地球大氣中二氧化碳濃度超過0.1%，是現(xiàn)在的兩倍多，陸地溫度比現(xiàn)在高5—10攝氏度。另外，白堊紀(jì)大氣二氧化碳濃度的波動(dòng)，與氣候冷暖變化具有一致性。這些成果，對(duì)研究當(dāng)前氣候變暖具有重要借鑒意義。
但地球并不是一直變暖，探尋氣候變化規(guī)律，有賴于更大時(shí)間尺度的“史料”，這需要科學(xué)鉆探獲取更多巖心。目前，相關(guān)研究已經(jīng)表明，新生代（6400萬(wàn)年前至今）全球氣候最顯著的變化，是從“溫室地球”到“冰室地球”。然而，缺乏對(duì)大陸環(huán)境的長(zhǎng)時(shí)間尺度連續(xù)記錄，制約了我們對(duì)新生代全球氣候變化特征和動(dòng)力學(xué)的深入理解。于是，我國(guó)實(shí)施了渭河盆地國(guó)際大陸科學(xué)鉆探計(jì)劃項(xiàng)目。渭河盆地位于黃土高原與秦嶺造山帶之間，對(duì)東亞季風(fēng)氣候變化非常敏感，還保存了超過7500米的巨厚細(xì)粒河湖相沉積，是“打一口深井”的絕佳場(chǎng)地。這一鉆探計(jì)劃，第一階段獲取上部3000米沉積地層，第二階段將獲取盆地7500米完整的沉積記錄，揭示新生代季風(fēng)演化過程及其與青藏高原—秦嶺隆升的耦合關(guān)系，為探尋氣候變化規(guī)律提供更多扎實(shí)依據(jù)。
除了巖心，還可以通過冰芯研究氣候環(huán)境演變。在地球上，不少地方被厚厚的冰層覆蓋，通過鉆探獲取冰芯，可以得到近百萬(wàn)年來(lái)氣溫、降水、大氣化學(xué)等氣候環(huán)境各要素的變化信息，探究影響氣候環(huán)境變化的驅(qū)動(dòng)因子，如大氣溫室氣體含量、太陽(yáng)活動(dòng)、火山活動(dòng)等。為此，世界各國(guó)在南北極開展了大量相關(guān)工程，其中歐盟在南極冰穹C完成的鉆孔深度達(dá)3270米，獲取的冰芯記錄了過去80萬(wàn)年的連續(xù)氣候環(huán)境變化信息，證明了南極洲曾出現(xiàn)以10萬(wàn)年為周期的冷暖交替現(xiàn)象，使我們對(duì)南極這片人類極少涉足的大陸有了更多認(rèn)識(shí)。
實(shí)時(shí)觀測(cè)地球深處
深部科學(xué)鉆探不僅能夠獲得地質(zhì)“史料”，還可以實(shí)時(shí)觀測(cè)地球深處，幫助預(yù)測(cè)地質(zhì)災(zāi)害。在科學(xué)鉆井中安裝先進(jìn)的科學(xué)觀測(cè)儀器，對(duì)地球深部的多種參數(shù)進(jìn)行長(zhǎng)期、連續(xù)、原位、實(shí)時(shí)的綜合觀測(cè)，相當(dāng)于在地球內(nèi)部布設(shè)“氣象站”、建設(shè)“實(shí)驗(yàn)室”，成為繼地面海面、空中遙感和海底觀測(cè)三種平臺(tái)之外的第四種平臺(tái)，形成觀測(cè)監(jiān)測(cè)網(wǎng)，使人類充分了解地球家園的細(xì)微變化。
比如火山和南極，一“熱”一“冷”，是地質(zhì)災(zāi)害觀測(cè)的重點(diǎn)。借助深部科學(xué)鉆探技術(shù)，在活動(dòng)斷裂帶、活火山附近，將觀測(cè)儀器放到深井中的不同深度進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)觀測(cè)，有望揭示地震孕育過程和火山噴發(fā)機(jī)理，幫助科學(xué)家舉一反三，動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)展趨勢(shì)和地質(zhì)作用過程，為更好地監(jiān)測(cè)、預(yù)報(bào)和預(yù)警各類重大地質(zhì)災(zāi)害提供技術(shù)支撐。除了獲取冰芯，對(duì)南極大陸冰層及冰下地質(zhì)環(huán)境鉆孔，開展長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，了解冰蓋分層流動(dòng)、冰層內(nèi)部溫度、冰巖界面濕潤(rùn)狀態(tài)等的變換規(guī)律，進(jìn)而預(yù)測(cè)極地冰蓋的不穩(wěn)定性，助力更好保護(hù)人類生存環(huán)境。
目前，深地觀測(cè)仍然挑戰(zhàn)重重。為克服深部井下高溫、高壓、高腐蝕、高應(yīng)力、狹小空間等多種極端苛刻環(huán)境限制，我國(guó)科學(xué)家正在努力提升儀器系統(tǒng)的微型化、集成度及穩(wěn)定性，努力建設(shè)以深井井群為基礎(chǔ)、井中觀測(cè)為核心的多井孔深地觀測(cè)網(wǎng)。未來(lái)，深地探測(cè)將開創(chuàng)人類對(duì)地觀測(cè)的新手段與新平臺(tái)，有效提升地震與火山活動(dòng)、緩慢地質(zhì)作用過程等自然災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警能力，推動(dòng)深地資源勘探開發(fā)、環(huán)境保護(hù)、國(guó)防軍事安全等領(lǐng)域不斷發(fā)展。
越來(lái)越多的證據(jù)表明，地球表層發(fā)生的現(xiàn)象，根子在深部；缺了深部研究，地球系統(tǒng)就無(wú)法理解，而且越是大范圍、長(zhǎng)尺度，越是如此。在科研創(chuàng)新之路上，會(huì)有更多科技工作者向我們腳下的地球深深扎根，讓科學(xué)鉆探工作結(jié)出服務(wù)國(guó)家發(fā)展和百姓生活的累累碩果。
（作者為中國(guó)工程院院士、中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京）校長(zhǎng)、“地殼一號(hào)”萬(wàn)米大陸科學(xué)鉆機(jī)項(xiàng)目研發(fā)總負(fù)責(zé)人）
版式設(shè)計(jì)：蔡華偉
《人民日?qǐng)?bào)》（2024年12月03日 第 20 版）
