▲《活力地球》：陳颙、張尉編著；科學出版社出版。

人類“視距”向地球內(nèi)部延伸

■孫友宏

站在地球一隅，你有沒有想過，腳下的土地曾是一片汪洋，或是山勢連綿、林海莽原？

地質(zhì)變遷，滄海桑田，蘊藏著科學原理。素有東北糧倉之稱的松遼盆地，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)有過兩階段湖泊擴張、10次海侵和多期火山噴發(fā)。侏羅紀、白堊紀、古近紀、新近紀的地質(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，卻對它的內(nèi)部所知甚少。探知腳下土地億萬年的變化，需要實施科學鉆探工程，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)千米甚至上萬米，通過巖心獲得地殼運動及其演化的真實信息。如果在鉆孔內(nèi)布設長期觀測儀器，動態(tài)實時觀測地球內(nèi)部，我們便能回答為何會有滄海桑田。

▲《“地殼一號”萬米大陸科學鉆探裝備及自動化機具》：孫友宏等編著；科學出版社出版。

“入地望遠鏡”

科學鉆探被譽為人類的“入地望遠鏡”和了解地球演化的“時光隧道”，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，是一個國家綜合國力和科學技術(shù)水平的重要標志，不少發(fā)達國家將其列入國家科技發(fā)展戰(zhàn)略。

自古以來，“上天入地”就是人類的夢想。隨著載人航天技術(shù)發(fā)展，“上天”已經(jīng)實現(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雞蛋，我們目前的探測還僅僅停留在雞蛋殼層面。地球深處堅硬的巖石和高溫、高壓、高地應力的極端環(huán)境，成為深部科學鉆探的巨大障礙。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)境條件更加復雜危險，這些都對大陸科學鉆探技術(shù)、裝備與工程帶來巨大挑戰(zhàn)。

為了解地球深處的奧秘，科學家進行了各種嘗試。1968年，美國率先發(fā)起深海鉆探計劃，為驗證大陸漂移和板塊學說提供了科學依據(jù)。幾乎同時，蘇聯(lián)開啟大陸科學鉆探計劃，1970年科拉超深鉆開鉆，用了近20年時間，創(chuàng)造了12262米的人類入地紀錄。1996年，中國、德國、美國共同發(fā)起“國際大陸科學鉆探計劃”，截至2023年，該計劃已在全球?qū)嵤┝私賯€大陸科學鉆探項目，在地球氣候與環(huán)境演變的規(guī)律及機理、地質(zhì)資源的形成與勘探、地震和火山噴發(fā)的物理化學過程、地球演化的動力學過程等領(lǐng)域取得不少重大發(fā)現(xiàn)，促進了地球科學理論發(fā)展和地球探測技術(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工程對高端專用裝備的需求，2009年“地球深部探測技術(shù)與實驗研究專項”啟動，我國地球深部探測“入地”計劃拉開序幕?！暗貧ひ惶枴比f米大陸科學鉆機是其中的關(guān)鍵技術(shù)裝備，于2013年完成自主研制。這臺高60米、占地超1萬平方米、鉆深能力達1萬米的科學超深井鉆機，2018年在松遼盆地“松科二井”順利完成7018米鉆孔，創(chuàng)造了亞洲國家實施的大陸科學鉆井新紀錄。這次成功應用，使我國成為世界上第三個擁有實施萬米大陸科學鉆探計劃專用裝備和相關(guān)技術(shù)的國家，用它鉆取的巖心，更為我國科學家建立地球演化檔案提供了難得的原始資料。

▲《冰川之下：揭開古氣候的秘密》：葉謙著；青島出版社出版。

獲取巖心和冰芯

科學鉆探讓我們可以穿越時空，獲取不同時間尺度的氣候、地質(zhì)構(gòu)造等記錄，破解氣候變化密碼。比如，20世紀地球科學的一個重大進展，就是認識到人類活動會對地球表層系統(tǒng)和全球氣候產(chǎn)生直接影響。近百年來，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。整個地球氣候系統(tǒng)加速變暖，很可能是因為人類過量排放溫室氣體，造成“溫室效應”。然而，人類活動造成的氣候影響有多大？未來的極限情況又如何？這些問題迫切需要科學解答。

“松科二井”就為氣候研究提供了關(guān)鍵“史料”。其獲取的巖心來自白堊紀，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的“時光隧道”。通過研究這根巖心，地質(zhì)學家發(fā)現(xiàn)在白堊紀（距今約1.45億年至6600萬年），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，白堊紀大氣二氧化碳濃度的波動，與氣候冷暖變化具有一致性。這些成果，對研究當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，有賴于更大時間尺度的“史料”，這需要科學鉆探獲取更多巖心。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，缺乏對大陸環(huán)境的長時間尺度連續(xù)記錄，制約了我們對新生代全球氣候變化特征和動力學的深入理解。于是，我國實施了渭河盆地國際大陸科學鉆探計劃項目。渭河盆地位于黃土高原與秦嶺造山帶之間，對東亞季風氣候變化非常敏感，還保存了超過7500米的巨厚細粒河湖相沉積，是“打一口深井”的絕佳場地。這一鉆探計劃，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，可以得到近百萬年來氣溫、降水、大氣化學等氣候環(huán)境各要素的變化信息，探究影響氣候環(huán)境變化的驅(qū)動因子，如大氣溫室氣體含量、太陽活動、火山活動等。為此，世界各國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3270米，獲取的冰芯記錄了過去80萬年的連續(xù)氣候環(huán)境變化信息，證明了南極洲曾出現(xiàn)以10萬年為周期的冷暖交替現(xiàn)象，使我們對南極這片人類極少涉足的大陸有了更多認識。

▲《深時之美：從宇宙星塵到人類文明，跨越45億年的地球故事》：賴利·布萊克著，劉小鷗譯；北京科學技術(shù)出版社出版。

實時觀測地球深處

深部科學鉆探不僅能夠獲得地質(zhì)“史料”，還可以實時觀測地球深處，幫助預測地質(zhì)災害。在科學鉆井中安裝先進的科學觀測儀器，對地球深部的多種參數(shù)進行長期、連續(xù)、原位、實時的綜合觀測，相當于在地球內(nèi)部布設“氣象站”、建設“實驗室”，成為繼地面海面、空中遙感和海底觀測三種平臺之外的第四種平臺，形成觀測監(jiān)測網(wǎng)，使人類充分了解地球家園的細微變化。

比如火山和南極，一“熱”一“冷”，是地質(zhì)災害觀測的重點。借助深部科學鉆探技術(shù)，在活動斷裂帶、活火山附近，將觀測儀器放到深井中的不同深度進行實時動態(tài)觀測，有望揭示地震孕育過程和火山噴發(fā)機理，幫助科學家舉一反三，動態(tài)評價地質(zhì)災害的發(fā)展趨勢和地質(zhì)作用過程，為更好地監(jiān)測、預報和預警各類重大地質(zhì)災害提供技術(shù)支撐。除了獲取冰芯，對南極大陸冰層及冰下地質(zhì)環(huán)境鉆孔，開展長期監(jiān)測，了解冰蓋分層流動、冰層內(nèi)部溫度、冰巖界面濕潤狀態(tài)等的變換規(guī)律，進而預測極地冰蓋的不穩(wěn)定性，助力更好保護人類生存環(huán)境。

目前，深地觀測仍然挑戰(zhàn)重重。為克服深部井下高溫、高壓、高腐蝕、高應力、狹小空間等多種極端苛刻環(huán)境限制，我國科學家正在努力提升儀器系統(tǒng)的微型化、集成度及穩(wěn)定性，努力建設以深井井群為基礎、井中觀測為核心的多井孔深地觀測網(wǎng)。未來，深地探測將開創(chuàng)人類對地觀測的新手段與新平臺，有效提升地震與火山活動、緩慢地質(zhì)作用過程等自然災害監(jiān)測預警能力，推動深地資源勘探開發(fā)、環(huán)境保護、國防軍事安全等領(lǐng)域不斷發(fā)展。

越來越多的證據(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)就無法理解，而且越是大范圍、長尺度，越是如此。在科研創(chuàng)新之路上，會有更多科技工作者向我們腳下的地球深深扎根，讓科學鉆探工作結(jié)出服務國家發(fā)展和百姓生活的累累碩果。

（作者為中國工程院院士、中國地質(zhì)大學（北京）校長、“地殼一號”萬米大陸科學鉆機項目研發(fā)總負責人）

▲《地球上遺失的風景》：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。