向地球深部要資源 重中之重是利用地熱

1864年，法國作家儒勒·凡爾納在其所著(zhù)的科幻小說(shuō)《地心游記》中，描寫(xiě)了一個(gè)有著(zhù)大海、蘑菇森林和遠古巨獸的地下世界，表露了人類(lèi)對地球深部奧秘的揣測想象與強烈好奇。根據科學(xué)探測，地球深部蘊藏著(zhù)豐富的油氣和礦產(chǎn)，是支撐人類(lèi)發(fā)展的重要資源庫。20世紀70年代起，發(fā)達國家開(kāi)始對地球深部展開(kāi)探測，并將其視為前沿科技競爭的重要陣地。但是，地層深處遍布堅硬的巖石，還有高溫高壓的極端環(huán)境，讓入地比登天、下海更難。2008年，我國啟動(dòng)“地球深部探測專(zhuān)項”，拉開(kāi)了中國“入地計劃”的序幕。歷時(shí)10余年，已經(jīng)取得了一系列重大突破。未來(lái)，向地球深部進(jìn)軍將成為我國保障國家安全和可持續發(fā)展的一項戰略選擇。那么，地球深部到底蘊藏著(zhù)什么奧秘?

地球深處有“寶藏”

地球有著(zhù)獨特的構造和物質(zhì)分布，然而人類(lèi)對它還知之甚少。一直以來(lái)，我們都試圖與地球“對話(huà)”，希望徹底解開(kāi)這個(gè)有46億年歷史的藍色星球的奧秘。事實(shí)上，迄今為止，人類(lèi)發(fā)展所需的資源都來(lái)自于地球?，F有的科學(xué)研究成果顯示，地下深度2公里以?xún)仁堑叵滤Y源和人類(lèi)可利用的空間;深度5000米到1萬(wàn)米左右則是能源和資源空間，這里有豐富的油氣、礦產(chǎn)和地熱資源，而1萬(wàn)米左右也是目前人類(lèi)科技可以抵達的最深處;1萬(wàn)米再往下則是地震、火山爆發(fā)等自然災害發(fā)生的空間。對地球深部的探索，有益于進(jìn)一步解決人類(lèi)發(fā)展的資源和能源需求，且從更長(cháng)遠看，如何預測地質(zhì)災害、應對全球氣候變暖危機，也需要從塵封在地下的巖石中去尋找答案。

人類(lèi)的發(fā)展強烈地依賴(lài)于我們對礦產(chǎn)資源和能源的利用。新中國成立初期，我國要快速地從一個(gè)農業(yè)國家向一個(gè)工業(yè)化國家邁進(jìn)?？墒悄菚r(shí)候我們基本沒(méi)有石油，怎么辦?當時(shí)在北京大街小巷，汽車(chē)頭頂上都帶一個(gè)大氣囊，燒的是煤氣。缺油成了當時(shí)中國的“卡脖子”問(wèn)題。但是中國科學(xué)家通過(guò)長(cháng)期的研究，提出了陸相生油理論，成功地發(fā)現了大慶油田等一系列油田。這種發(fā)現對我國的工業(yè)化建設起到了關(guān)鍵作用。

今天，信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)、航天航空、軌道交通、新材料，都需要眾多的元素來(lái)支撐才能完成。從這個(gè)意義上來(lái)講，人類(lèi)已經(jīng)進(jìn)入元素周期表的全元素利用時(shí)代。到本世紀中葉，我國要進(jìn)入中等發(fā)達國家行列，這就意味著(zhù)需要更多的礦產(chǎn)資源來(lái)支撐我們的需求，而且會(huì )發(fā)生相當大的變化。以新能源汽車(chē)為例，以前傳統汽車(chē)不需要的鋰、鈷、鎳、石墨等，恰是新能源汽車(chē)需要的關(guān)鍵礦產(chǎn)。5年前全球只有50多萬(wàn)輛新能源汽車(chē)，可是今天已經(jīng)到了幾百萬(wàn)輛，10年之后，有可能是幾千萬(wàn)輛。這就意味著(zhù)我們對這些新的礦產(chǎn)資源，有時(shí)候把它們稱(chēng)為戰略性礦產(chǎn)資源或者關(guān)鍵性元素的需求，會(huì )呈幾倍、幾十倍的增長(cháng)。我們的能源和資源利用對外依存度太高，就處于一種危險狀態(tài)。但是有一個(gè)辦法，就是向地球深部要資源，因為我們所需要的資源可能在地下深部1萬(wàn)米以?xún)榷加蟹植?。中國過(guò)去只是在500米以?xún)乳_(kāi)采資源，國內有一部分礦山到了1000米，但是國際上先進(jìn)水平已經(jīng)到了2000米到4000米左右。

向地球深部要資源，如果我們開(kāi)采深度能夠達到地下2000米，那么我國的固體資源供給將能夠在現存基礎上再翻一番。最近我們在塔里木不斷地發(fā)現一些超深的大氣田，都是在地下9000米到1萬(wàn)米之間發(fā)現的。這里頭更重要的就是對于地熱的利用，如果把熱能置換出來(lái)用于發(fā)電，這就是零碳的能源，就可以取代現在的化石能源?，F在世界各國都在研發(fā)如何在地下開(kāi)采熱能轉化成電能。

對地球深部的利用和使用，不僅僅包括我們剛才講的礦產(chǎn)資源和能源資源，也包括地下空間的利用。1991年在東京召開(kāi)了一次地下空間利用大會(huì )，會(huì )后發(fā)表了一個(gè)《東京宣言》，這個(gè)《東京宣言》指出，19世紀是人類(lèi)的橋梁世紀，20世紀是高層建筑世紀，21世紀將進(jìn)入到地下空間利用世紀。西方發(fā)達國家在大城市建設過(guò)程中，對地下空間利用已經(jīng)發(fā)展得非?？?。比如日本、新加坡已經(jīng)達到了200米，而我國一些主要城市的地下空間利用還不足50米。所以說(shuō)，向深部要空間是我國城市發(fā)展和深地應用的重要方向之一。

依靠前沿科技與地球對話(huà)

“可上九天攬月，可下五洋捉鱉”一直是人類(lèi)自古以來(lái)的夢(mèng)想。然而，比起“上天”“下海”，“入地”之旅卻困難重重。地球深處堅硬的巖石和高溫高壓的極端環(huán)境，成為我們的巨大障礙。目前人類(lèi)直接鉆探深度只有12公里，而地球半徑長(cháng)達6000多公里，如果把地球比作一個(gè)雞蛋，我們的探測目前還僅僅停留在雞蛋殼上。為了了解地球深處的奧秘，許多國家的科學(xué)家進(jìn)行了各種嘗試，并獲得了不少意想不到的發(fā)現。經(jīng)過(guò)10余年的艱苦努力和探索，我國深部探測在地質(zhì)科學(xué)研究、深部資源勘查、自然災害預測等方面也取得了重大進(jìn)展，技術(shù)水平進(jìn)入國際前列。

上個(gè)世紀美國率先發(fā)起了一個(gè)國際大科學(xué)計劃，叫作大洋鉆探計劃。這個(gè)大洋鉆探計劃，為驗證大陸漂移和板塊學(xué)說(shuō)立下了汗馬功勞，使人們意識到我們在實(shí)施大洋鉆探計劃的同時(shí)，可以實(shí)施大陸科學(xué)鉆探計劃。1996年中國與美國、德國三個(gè)國家共同發(fā)起了國際大陸科學(xué)鉆探計劃。大洋鉆探計劃我們是參與國，而到了大陸科學(xué)鉆探計劃的時(shí)候，我們是發(fā)起國，這是一個(gè)很了不起的進(jìn)步。大陸科學(xué)鉆探計劃實(shí)施以來(lái)，中國大陸一共實(shí)施了三個(gè)在大陸科學(xué)鉆探計劃框架下的鉆探工程，一個(gè)是江蘇的東海鉆，一個(gè)是青海湖的環(huán)境深鉆，還有一個(gè)是松遼盆地的科學(xué)鉆探。這些鉆探工程不僅取得了大量的科學(xué)突破，也促進(jìn)了我國鉆探設備和技術(shù)的創(chuàng )新與發(fā)展。

松遼盆地大陸科學(xué)鉆探工程由松科一井、二井、三井共三井四孔組成，獲得連續完整的巖心8187米。其中松科二井是我國松遼盆地大陸科學(xué)鉆探工程的核心科學(xué)井，完井深度達到7018米，成為亞洲國家最深的大陸科學(xué)鉆井和國際大陸科學(xué)鉆探計劃成立以來(lái)的最深鉆井，代表了中國的“入地”能力?？茖W(xué)鉆探雖然表面上看是打一口井，實(shí)際卻是在考驗一個(gè)國家的綜合實(shí)力和科技發(fā)展水平。松科二井工程創(chuàng )造了深部鉆探技術(shù)4項世界紀錄，引領(lǐng)了全球白堊紀陸相古氣候研究，使我國在地球深部鉆探技術(shù)領(lǐng)域達到國際領(lǐng)先水平。深地探測是利用地球物理手段來(lái)間接地探測深部地下的結構、形態(tài)和物質(zhì)組成。這個(gè)事情對我們特別重要，因為中國是大陸災害發(fā)生最多的國家，全球大陸地震有1/3就發(fā)生在中國，發(fā)生大陸地震，有1/2死亡人數在中國。我們正計劃創(chuàng )建中國的大陸深部四維觀(guān)測系統，通過(guò)長(cháng)期觀(guān)察手段對地球活動(dòng)現象進(jìn)行觀(guān)測和研究，向深部要安全，掌握災害發(fā)生的深部過(guò)程和孕育機理，提高災害監測預警的能力。

中國在2008年啟動(dòng)了地球深部探測專(zhuān)項，后來(lái)在2016年又啟動(dòng)了深地資源勘察與開(kāi)采的國家重點(diǎn)研發(fā)專(zhuān)項。通過(guò)這些項目的實(shí)施，使我國與國外的差距快速地拉近，使我們深部探測的整個(gè)技術(shù)系列，無(wú)論是在國產(chǎn)化、系統化，還是在工程方面，都可以跟發(fā)達國家相媲美。我們可以驕傲地說(shuō)，具有完善的深部探測技術(shù)體系的國家，只有美國、加拿大、俄羅斯和中國這四個(gè)國家。

地心可能是我們永遠想到又到不了的，那我們的地心之旅怎么完成呢?我們能不能把地心搬到實(shí)驗室來(lái)?1993年把地心搬到實(shí)驗室取得重大進(jìn)展，我們可以模擬實(shí)驗核幔邊界的溫度。到了2010年，我們可以實(shí)驗出相當于地心的溫壓，地心的壓力有多大?大約是363萬(wàn)大氣壓，很難用數字來(lái)描述大氣壓力有多大。但是人們計算了一下，三個(gè)大象踩一個(gè)草莓，還不到1萬(wàn)大氣壓。我們可以想象363萬(wàn)大氣壓要能夠實(shí)現出來(lái)，需要什么樣的技術(shù)，什么樣的裝備。非常令人驕傲的是2010年首先進(jìn)入到地核這種溫壓條件的實(shí)驗，是由中國科學(xué)家來(lái)完成的。

60年前，我們老一代科學(xué)家對21世紀的夢(mèng)想是要“上天”，要“入地”，要“下海”。向地球深部進(jìn)軍是我們必須要解決的戰略科技問(wèn)題，而“十四五”規劃又專(zhuān)門(mén)提出來(lái)，要在深地、深海等前沿領(lǐng)域實(shí)施一批具有前瞻性、戰略性的國家重大科技項目。這實(shí)際上吹響了中國科學(xué)界向深地進(jìn)軍的集結號，我們要將入地夢(mèng)融入到強國夢(mèng)。
 

王成善：中國科學(xué)院院士，著(zhù)名地質(zhì)學(xué)家。他深入青藏高原30余年，從事地質(zhì)科考和研究，提出青藏高原從中部率先隆起的新論斷，受到國際地學(xué)界的廣泛關(guān)注，被列為“中國地理百年大發(fā)現”之一。作為較早關(guān)注全球氣候變暖的地質(zhì)學(xué)家，他主持的國際大陸鉆探項目“松遼盆地大陸科學(xué)鉆探”，成功獲取連續完整的8187米巖心，被譽(yù)為通往白堊紀的“金柱子”，為預測未來(lái)全球氣候變化提供了科學(xué)依據。近年來(lái)，作為中方首席科學(xué)家，他主導發(fā)起了“深時(shí)數字地球國際大科學(xué)計劃”，旨在為國際地學(xué)界構建數字化科研基礎設施，實(shí)現地球演化數據的全球整合和共享。