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颠覆性思想,开启深地探测新纪元

——来自2016中国国际矿业大会“地质科技创新论坛”的报道

2016-9-26 17:36:36 来源:中国矿业报 本报记者:赵京燕

9月24日下午4时,2016中国国际矿业大会依然如火如荼地举行着,地质科技创新论坛如期举行。

“今年地质科技创新是非常重要的时间点,是我国‘十三五’国民经济发展规划第一个开局之年,中国科技界发生了很多大事情。习近平总书记在今年5月30日召开的全国科技创新大会上,对全面创新工作进行了总体部署,对我们‘深地’做了分析,指出向地球深部进军是我们急需解决的战略问题,吹响了向深地进军的号角。”论坛主持人、国土资源部科技与国际合作司副司长高平的一席话,给关注深地探测与开发的专家学者和业内外带来了极大的信心。

高平在致词中表示:“今天请到了4位报告嘉宾围绕深地科学问题,围绕深地资源的勘测,也围绕着深地资源怎么样获取,给大家作精彩的报告。我们老说‘上天入地下海’,现在可以说,上天中航天界捷报频传,下海中也有科学院组织的深海探测。比起上天下海来说,入地最难。脚下的地球对人类来说还有很多未知。我们不要光看深空多么热闹,深海有怎样的篇章,深地也要掀开新的一页,同时使地质大国走向国际地质大国前列的重要开端。”

开启中国入地梦

“山脉如何形成,盆地如何形成,岩浆如何从地幔上升到地表,基地物质又是如何出露的,大陆本身又是怎样变形的,矿产是如何形成的?我们对脚下大陆结构物质组成中还有很多未知的东西。”来自中国地质科学院地球物理地球化学研究所的吕庆田研究员,日前被任命为中国地质科学院深地探测中心常务副主任,他多年主持“863”地质矿产勘查方面重大的科技研发项目,是国家万人计划专家,是深地探测国家级重大项目中的核心成员。

吕庆田研究员首先对国际地球深部探测进行了分析:20世纪70年代,美国开始了COCORP计划,开创了地球深部研究的先河,他们用反射地震技术对大陆地壳结构进行系统探测。北美、加拿大、俄罗斯、德国、英国等相继启动大规模地球探测计划。20世纪90年代,中美德合作的计划。这个世纪初,我们国家启动地球探测计划。加拿大的LITHOPROBE计划以及澳大利亚MT探测计划,都是和能源探测结合在一起。美国的COCORP计划,在山脉下面发现了构造,并且在下面发现了大型油田,这是开创性认识。加拿大的探测增加了人们对大陆地壳本身结构、物质组成和演化过程中的认识。

“从全球来看,各国正在进行不同层次的探讨,希望通过探测建立对地球深部的结构模型、物质模型,以及通过长期监测地球状态增强人类对地球深部的认知。”吕庆田说。

“中国从2008年开始实施Sinoprbe计划,通过几年的工作开展,取得了一些新的发现,颠覆了一些传统的思想。”吕庆田介绍,从基础地质的角度来看,过去人们对青藏高原研究提出了很多模型,现在在反射地震做完后,提出了一个新模式,在俯冲印度板块的地壳部分发生了一些构造的叠置作用,这种叠置作用相当于在俯冲过程中把地壳一部分叠置增厚,这是完全不同的观点。另外一个颠覆性的发现是,四川盆地过去一直认为是铁板一块,最近发现西部到下地壳有非常清楚的反射,这个反射被解释为当时扬子克拉通西北缘新元古代俯冲的遗迹,这个重要发现解释了扬子克拉通演化的过程。另外,华南大部分地区过去认为扬子和华下拼合带在新元古代,现在发现有一条更古老的造山带,颠覆了我们对华南整个演化过程的认识。在长江中下游成矿带,发现有强烈的相互作用,过去认为鳄鱼嘴构造只是在板块边缘,当两个板块碰撞一起会出现。现在发现块体之间存在强力挤压作用,长江中下游带是完完整整的陆内俯冲带,解释了为什么在这个地方形成很多矿床的原因。

一系列的颠覆性发展,让我们改变了一些传统的认识。“在资源和能源方面,取得了一些新的发现。”吕庆田介绍,在大庆盆地之下,在白垩纪之下发现更老的盆地,对深层油气研究有更深刻的意义。在四川盆地下面,也发现了可能是远古列陷的盆地,都在万米以内,给我们寻找超深层油气提供了非常好的前景。在南岭钻探正式提出了钨矿五层楼的模式,在岩体上将近1000米时发现了很多高品位的矿段,扩大了我们对深部成矿的认识。

“我们国家也开展了一些深部探测的国际合作,与10多个国家建立了各种联系,同时参加了AGU、EGU各种会议。地球深部探测确实事关每个人,事关经济、社会、发展,从浅到深,从地下空间到地热,到地下的矿产资源,包括能源,包括地质灾害。‘十三五’开始,我国启动了‘深地资源勘查开采’研发计划,我们也启动了‘深地调查工程’,组织发起国际大科学计划,正在积极申报国家的重大科技专项。” 吕庆田说。入地大幕刚刚拉开,我国向深地进军即将全面启动。

“我们每向前走一步,科学技术进步一步,就会发现我们有很多未知。面向‘十三五’,我们还会涌现很多深地探测高科技的进展,还会创造很多人类探测技术的新手段。”高平副司长给予了精彩的点评。

发展智能化钻探设备

“孙友宏教授是吉林大学的副校长,在深部钻探方面有很多业界的积累,特别是对于复杂的钻探技术条件的研究有独特的科研成就。现在我们正在钻进的‘中国第一深’大庆松科二井万米钻机研制者就是孙友宏教授,希望他在深部钻探方面给予我们很好的报告。”

“钻探是验证地球物理勘探的信息和获取地下实物样品的惟一手段,应用领域非常广泛,主要包括固体矿产钻探、石油天然气钻探、科学钻探、工程施工钻探、地热钻探。由于钻探目的不同,其钻探深度也不同,世界上超过万米的钻孔井有一口,超深科学钻探井是入地的‘望远镜’,实施一口万米的科学钻探井,其技术难度不亚于建造一艘小型航母,代表一个国家的综合实力和科技水平。”孙友宏教授对于深部钻探给出了形象的比喻。

孙友宏介绍,深部钻探的难度,大于2000米才有挑战,而现在遇到的问题就是钻头、钻杆等。今天在展会上看到很多钻头,无外乎分为软-中硬底层,中硬、硬岩层以及硬-坚硬打华岩层。但是,深部比浅部复杂程度高,深孔硬、脆、碎层很多。目前我们国家钻头一般平均寿命50米左右,相对国外来说有一定的差距。如果钻头想要取得突破,应该把当今的高新技术引进来,比如石墨硒技术、仿生技术、3D打印技术等。

对于未来的发展,孙教授提出了几个设想:第一,发展不取芯随钻测量技术。取芯是地质勘探中非常重要的工具。最早是提钻,钻杆倒出来很慢,后来发展除伸缩绳索取芯,后来是反循环取芯,到随钻测量。我思考能不能连芯都不取,随钻就出来了。第二,发展无钻杆钻进系统。现在在勘探的时候,我们离不开钻杆。石油行业用的就是连续管,应该把这个技术引进,这样效率能大幅提升。南极科钻就是用这个技术。我在思考以后能不能什么都不用,利用核动力就把下面信号提上来,这是未来的梦想和设想。第三,智能化钻探设备。钻探设备由传统的机械传动、液压传动、极点液集成自动化,向自动化操作钻井参数智能化控制钻机方向发展。

给地球做一个透明拉链

“资源在那么深的地方怎么拿出来,成本有多高,下面有请中国矿业大学国家实验室常务副主任鞠杨教授。鞠杨教授是长江学者计划特聘教授,国家百千万人才和有突出贡献中青年专家,享受国务院政府特殊津贴。鞠杨教授将为我们介绍深地资源如何开发出来。”在论坛进行到17时10分的时候,高平副司长请上最后一位演讲嘉宾。

“前面几位专家讲了深地资源的探测,那么怎样把资源开采出来,采的过程中面临哪些挑战和棘手的问题。我们围绕这个问题做了很多思考。”

鞠杨教授介绍,第一,向地球深部进军我们有三个思考:开采时面临很多问题,怎么把深地结构看清楚,相当于给地球做一个拉链,把拉链拉开。另外,开采过程会引起地缘结构的变化,存在着的行为和规律是否可以进行透明化。第二,如果能把资源储存结构看清楚,因为在地下深处要进行钻探和掘进,常规的科学认识和规律可能会发生变化。对于这种情况,我们可以通过建立深地实验室做相应的研究,弄清楚开采过程中深部规律的变化。第三,是否可以利用深地生命仓和空间舱,在转换舱中直接转换,这样不用出地面就可以在下面解决采、充填、发电、气化等问题。

对于如何解决这些问题,鞠教授提出,运用可视化技术,预先对深部资源开采进行透明推演,直观显示整个采矿过程中矿体破碎、应力与能量转移、灾害形式、位置、时间、量级,达到预判、预警、预解的目标,实现智能化、无人化的开采方案。对于地下储油出气压力的研究,用高压序列的方法,让底层开裂,使产气产油量大幅度提高。还有进行深地空间建设,比如构建深地生态圈等等。

“我们提出了一些颠覆性的技术,包括深地肥料无害化处理、转化利用及永久性处置技术,构建地下生态城市。我们可以把地面设施通过地下空间开发利用移到地下,这样可以形成更好的宜居环境和生态环境,从而打造更适合人居的环境。我们需要利用开发深地,通过建地下储油库、粮仓等等实现这个设想。”鞠杨表示。□

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