杨文采院士:人类能上天下海,却难以入地 13 公里

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发布时间:2020-06-28 05:30

13 公里,这个数字目前还没有哪个国家能实现。这指的是对于地球深部钻孔探测的直线纵深距离。

天上,人类的飞行器已经能在距地球 38 万公里外的月球和 5500 万公里外的火星着陆,马斯克私人公司 SpaceX 研发的载人飞船不久前刚刚成功将两位宇航员送达 400 公里外的国际空间站。海底,世界上最深的马里亚纳海沟超过 11000 米,中国、英国、美国和日本等国家的深潜器在这里纷纷实现了超过一万米的深潜探测试验,中国自主研制的 11000 米级载人潜水器计划今年正式下潜。

而在深地钻探方面,目前世界上最深的科学钻探纪录还没有达到 13000 米,中国的钻探深度先后两次实现了亚洲第一,分别是 2005 年位于江苏东海县的中国大陆科学钻探工程 CCSD—l 井,深入地下 5158 米;2018 年位于黑龙江安达市的松科二井,钻探深度达到 7018 米。

“对于固体地球我们了解得太少了。我们讲上天、入地、下海三大科研目标,上天现在太空技术不断进步,下海也相对比较容易。入地很难,难在哪里?”中国科学院院士杨文采对网易科技《科学大师》记者说,“现在钻探达到 12300 米,为什么不能达到 30000 米啊?很简单,到了 12000 米的时候,地层的温度很高,想继续钻下去,面临很大的挑战。”

杨文采是著名地球物理学家,浙江大学教授,他曾担任中国大陆科学钻探第一钻——2005 年江苏东海县中国大陆钻探工程中心的副总指挥。因为科研工作关系,杨文采曾面对面见过四任国家总理,大陆科学钻探工程也受到国家高层的直接重视和支持,当年的一位总理曾在东海工程开钻前作出批示,称这一工程是中国地质科技工作的一件大事①。

深地探测(又叫大陆科学钻探),被称为 “深入地球的望远镜”,它既有助于科学家验证地壳物质运动和地球演化规律,在全球灾害频发、能源紧张等各种人类社会发展面临的矛盾背景下,又是发现解决此类严重问题的重要手段,有人将其科研意义称作是人类登月后又一划时代的工程。

1997 年,国际大陆科学钻探计划(ICDP)正式成立,中国于当年加入该计划。杨文采代表中国出任 ICDP 第一届科学顾问组(SAG)成员,此后与其他七位中外科学家一道提出了中国大陆钻探项目,推动了江苏东海的科学钻探的实现。

▲深入地下 5158 米的中国大陆科学钻探工程 CCSD—l 井,位于江苏省东海县 / 图源:中国地质大学

▲钻探深度达到 7018 米的松科二井,位于黑龙江安达市 / 图源:中国地质大学

杨文采从事地球物理研究 50 余年,他是新中国最早一批委派出国的学者和新中国培养的第一批地球物理学家之一。上世纪 80 年代他从国门外把地球成像反演理论带回中国,作为这个学术领域的先行科学家,他曾带头在北京大学等中国高校开课。

杨文采带回来的地球物理反演和地震层析成像理论,主要应用在地壳上地幔研究、油气与矿产勘查及重大建设工程基础调查等方面。通俗来讲,除了基础性的地球动力学研究之外,找石油、找矿,也都能用上。比如黄河小浪底水利枢纽电站、大庆油田、华北油田、东海油气盆地、北京机场高速立交桥墩质量检测等重要工程,均有运用到他的技术成果。

地球物理学研究与能源利用、地球生态等多重现实议题有着密切的关系。杨文采告诉《科学大师》记者,他本人当下很关心的一个问题是,人类居住环境和矿产能源资源等需求之间的矛盾能否得到平衡改善,地球科学能为这个问题的求解做一些什么?站在科学家的研究角度,他试图寻找到自己的答案。

他提出的一个对策是:新能源作为新兴产业,虽然在能源格局中扮演着重要角色,但终究代替不了作为战略资源的化石能源。发展新型绿色矿业,尤其是在中国西部和内蒙古发展新型绿色矿业,可能是解决中国能源瓶颈的根本途径。

“新型矿业是发展新型原材料高端产业链的上游,而新型矿业必须绿色发展,必须和保障人居环境、减少土地资源的压力、科学利用空间资源的思路结合起来,唯有如此,才可以降低环境治理的成本,使开发矿业和优化环境一举两得。”

▲人类对潜藏于地球内部的信息,所知还非常有限 / 图源:国际在线

地球深部热度过 400 度,钻杆打下去会变成 “面条”

《科学大师》:大陆科学钻探目前最深的钻井还没有到 13000 米,往下面走特别困难,您是有过实践的科学家,这是什么原因?

杨文采:主要是因为温度升高,地下 12000 米以下,地球的温度可能达到 300-400 度,这时候钻杆就变成 “面条”了,刚性就没有了,动力就没办法传下去。刚性不够,这个钻杆不光不能继续往下传递动力,到时候它钻下去还会给你拐回来,不听你指挥。

这是材料的问题。想让这个钻杆的刚性在 1000 度情况下还能一直保持刚性,这种材料现在还没有研究出来,这个很难。那只能等到新材料出来了以后,才有可能继续往深里打钻。

地底下的岩石层结构,不同的深度也不一样。花岗岩、片麻岩,再往下是玄武岩、橄榄岩等更硬的岩石,这一类岩石密度大,所以地球深部越往下岩石就越坚韧,钻孔的难度就越来越高。

我们原来用的钻杆,它的材料是合金钢。当然我们现在也有很多其他的材料,但是很贵,有一个成本问题。几万米的钻杆,你看得多少成本。值得吗?这涉及很多问题。你打下去以后又不赚钱,谁来投资啊?

▲前苏联科拉超深钻孔,深达 12263 米 / 图片来源于网络

《科学大师》:向地球深部进军,怎么看这个科学意义?人类对地球深部认知还非常有限?

杨文采:我们对地球的了解,从地面上来说还是很不错的,就是对(地下)深部的了解比较有限。

地球内部物质是怎么分布和运动的?能量是怎么转移的?这是很难研究的。因为很多事情都发生在过去,都发生过了。但是每一次的地球动力学作用,都在地球上留下有信息,这些信息就藏在地壳中,科学家需要去研究这些信息。

地球的半径有 6000 多公里的深度,在北京的下面,有 80 到 90 公里的岩石圈,岩石圈之下,还有软流圈,地球板块运动、大陆漂移的动力,就在软流圈之中,软流圈岩石有流变性。科学家为了研究地下构造信息,有各种办法。

比如地质学家,他要看地表上石头的露头,然后再看打钻出来的岩心,通过测量和研究这些岩石标本,就能得到第一手的数据。拿不到实物,就没办法测算。但是,地表露头和钻孔(位置)常常相隔很远。比如地质学家他在北京打井,拿到一块石头,这个石头在别的地方都没有见到过,他又跑到阿拉善打个井,又得到另一块同样的石头。那这两块石头之间究竟是什么关系?大胆一些的地质学家就会说这是一个地质带,它们是连在一起的。但他没有资料来佐证。

地球化学家的办法是可以靠同位素测量来研究标本。20 世纪地质学最大的成功就是用放射性同位素来测量地质年代。只要有一块标本,他们就可以取得数据。当然这个标本要很特殊,比如是从火山里头喷发出来的。火山就是一个天然的钻孔,把地下可能是 100 公里深度的物质给带到地面上来了,像金刚石就是。同位素研究就能说明它的成因、物质成分、它的生成环境等等。

但也有问题,因为不是到处都有火山。像在北京,没有火山口,你就没辙了。不能真正深入到地底下去,那就没有深地的研究材料。所以现代的地球科学研究,需要多学科的结合(地球物理学、地质学、地球化学等),才能搞清地下物质的分布。

▲火山喷发涌出熔岩 / 图源:国际在线

《科学大师》:也就是说,在地球科学中,大陆科学钻探的重要性和必要性是无可争议的?

杨文采:大陆科学钻探是非常重要的一环。因为地球科学研究目前更多只能看到地表上的东西,如果不能往下打钻采样,我们能看到的东西只是很浅层的,很多研究都停留在假设阶段。比如构造的年龄和规模、流体的运动、地球物理异常起因等,你很难敲得很准,要把它上升成为一个理论的模型,还需要加以打钻验证。

你要验证,要么就直接打钻,钻得越深越好,这是一个最好的办法。比如我预测这个地方打下去会是什么地质年代,我就在那个地方钻下去,最后测出来的结果就可以直接拿来印证你的理论,所以要搞科学钻探。海洋钻探也好,大陆科学钻探也好,目的都是要验证科学家的理论模型。

当年我们在江苏东海打钻,也是这样,这个研究就与验证地壳运动和大陆俯冲有关。最后获得的材料验证,基本上跟我们原来推测的是一样的。这就是科学钻探。

当然,除了打钻,还可以有另一种验证办法,那就是预测,比如进行地震预报。预测在什么地方什么时候会发生大地震,如果你预测准确了,你的研究假设也可以上升成为理论。

▲杨文采院士在广西为 1600 多名青年科研工作者作主题报告 / 图源:广西科协

人类社会要发展,离不开地下矿藏资源

《科学大师》:地球科学中,关于能源利用的话题也很受关注,您的研究成果,在一些重要的能源勘探工程上也有应用,怎么样认识地底下的能源储藏,地球深部真的是能源宝藏吗?

杨文采:我们知道地球中心的温度达到 5000 多度,那个地方热能是所有地球内部物质运动的能量来源。科学的估算,我们现有的一次能源当中的太阳能,它的总能量大概是地球内部能量的 1/50,就是说地球的能量远远要大于太阳释放出来的能量。

另外,我们的地球形成后产生一些矿物,比如说铀矿,产生放射性的能源,这个能量是可以利用的。这个能量又比太阳能少一个级次。

我们说发展靠资源,最重要的战略资源中就少不了矿物。特朗普签署了一个美国的战略资源法案,就是说你的战略资源的储备如果不够的话,一旦发生战争,你这个国家是经不起打击的。那这其中涉及到一个很重要的战略资源,就是稀土矿,它们是在新材料、高端制造、航空航天和精密制导等多方面需要的特殊原材料。美国要从中国进口大量的稀土矿产,如果这个资源断了,对于美国的战略发展是很不利的。

▲有 “中国黄金第一矿”之称的吉林夹皮沟金矿 / 图源:中国黄金报

《科学大师》:也就是说,地球科学是否能够在这种战略资源自给自足上面,提供助力?

杨文采:铁矿、铜矿这一类战略矿产,我们国家寻找了很长时间。这里我要讲讲金矿。中国地质界对于国家发展的一个大贡献,就是发现了金矿、钨矿和锡矿。我们国家解放后,经济还不发展,一穷二白,很多人吃不饱饭,我们当年怎么去买国外的先进技术?靠的就是出口金矿、钨矿和锡矿。

我们解放后找到了几个大金矿,比如说胶东金矿、东秦岭的金矿,青海的金矿等,这些金矿给建国初期提供了硬通货的金钱的储备,对我们国家维持财政的安全是非常重要的,使得我们国家能够维持到改革开放。我们过来的人知道得很清楚。现在中国制造走出去了,大量的外汇进来,我们的经济依靠矿业的这个阶段才算去了。

我们在工业化初期最需要的是钢铁和石油,这也都离不开地球科学。现在处在新工业革命时代,需要的资源不同了。我们每个人用的手机都装有锂电池,电动车也用锂电池,锂矿还可以大量应用到能源储能上。有科学家设想建设一张能源互联网,城市都装上太阳能,家家户户都可以获得足够的用电。问题是,如果一个礼拜没有太阳,不就完蛋了吗?那就需要巨大的储能器,起码储存整个城市够一个礼拜用的电能,这种储能器就可以用锂电池。我们国家有大量的固体锂矿资源。

我们现在不太重视矿业,暂时是可以的。但随着时代发展的变化,对矿业的需求也在变化,离不开很多矿产资源。包括蓄能材料、火箭和热核反应燃料、特种合金、超导材料和芯片材料等,原料都来自地壳的矿粉。尤其是稀有稀散金属、稀土和贵金属,是支撑战略性新兴产业发展的重要原材料。据我所知,现在有的国家发展还是靠矿产,比如俄罗斯,它的生存密切依靠矿业。澳大利亚也是这样。

▲杨文采院士 / 李仪 摄影

地球物理专业没有本科生,因为不好找工作

《科学大师》:既然很重要,为什么也存在地球物理专业(包括地质专业)并不是那么吃香的说法?

杨文采:这个专业还在往下走,现在都没有本科生了,因为地球物理专业的学生出来不好找工作。相比之下,现在搞遥感、搞 GPS 的,找工作很容易。这种专业发展上的困境,不是一下子就能够解决的。

地球科学的发展很有意思。我在 40 年前公派去加拿大,那时候全世界发生所谓的能源危机,石油卖到 130 美元一桶,搞得很恐慌。大家说,40 年以后中国也好世界也好,石油都会枯竭,油价会暴涨,于是各个政府和石油公司大量投资勘探石油,结果现在 40 年过去,石油的储量跟 40 年前一样,并没有掉下来。因为技术提高了,经过勘探发现更多的油田,开采的技术水平也提高了。一看还够用 40 年,就松懈下来,40 年以后再说吧,现在不找了。这样一来,地球物理人最大的就业门路就受到影响,我们原来 70% 搞地球物理的都是在石油勘探部门工作。

虽然矿业在发展形势上不利,我们国家还会支持这个专业,规模可以缩小,但这个路线不能断。基础性的研究不去做,以后就会落后了。

《科学大师》:这倒是有些奇怪,现在各国都希望获得足够的能源用于经济发展,这个专业反而在往下走,失业?

杨文采:现在全球的矿业都处在最低谷,发达国家也是这样,主要原因就是因为人们对于人居环境水平追求提高以后,在资源和污染之间又找不到一个可以平衡的办法,唯一的办法就是给矿业加征很高的环境税。你要破坏环境,我就给你加税,把成本提高 5 到 10 倍,不赚钱了,就没人干了。现在欧洲的德国、英国、法国,矿山基本上都封闭了,基本没有矿业了。他们的资本就都跑到非洲去,把污染留给别人。

我们国内的矿业也慢慢在萎缩。所以我们要研究在人居环境和资源的利用之间寻找一个平衡、可持续的发展,要搞清楚地球物质运动和演化的规律。

我的科研追求就是要把上地幔到地面之间 400 公里的地球三维成像研究框架搭建起来。这几十年不断在做,从研究方法理论,到采集积累数据,进行全球对比,最后找到地球动力学的一些演化规律。拿这些规律,也可以用来分析资源能源是怎么形成的。比如我也给中石化做研究,说中国这个深层 5000 米到 1 万米地下构造怎么样,这个盆地里头哪些地方可能会有石油,有利于石油的形成,这就是它的应用。

人们在能源利用和生态环保的平衡上面,还无法取得共识

《科学大师》:您是地球物理学家,怎么看当前能源消耗和可持续发展的矛盾关系?

杨文采:我很关注这个问题。人类社会要发展,就要消耗能源,这就会伤害到人居环境,形成一个怪圈。虽然这是一个社会问题,但跟地球科学联系最紧。因为只有你知道地球内部能量跟物质怎么运动,你才能知道地球上的能源、资源是怎么形成的,将来会怎么变化?也才能够知道现在的人居环境是怎么形成的,将来又会怎么变化?只有知道这些,你才可能解决平衡问题,我们也才不会去干傻事。这个问题,希望能引起社会的重视和讨论。

新型矿业必须绿色发展,必须和保障人居环境、减少土地资源的压力、科学利用空间资源的思路结合起来,唯有如此,才可以降低环境治理的成本,使开发矿业和优化环境一举两得。

我认为大家还没有形成共识,不同的人想法不同,所以达不成平衡。矿上的老板一心想着赚钱发展,有些地方政府也是这么想的,这些矿是他当地税收的来源。去年我在内蒙古跑野外,看到当地查封了一个矿山,因为有污染,不光查封,环保部门还每天用卡车拉着土把那个矿井填埋。我很奇怪,有污染你可以治理,可以加以改造,或者等环保技术、开采技术进步了,再加以利用。有没有必要把它填掉,这么浪费纳税人的钱?这个矿山还有它的价值,可以成为人类共同的财富。

我认为可以坐下来讨论,找到使两方都能够受益的办法,而不是说我只强调我的业绩和收入,你只强调你的环保,最后把老百姓搞得莫名其妙。当然,我们科学家也有责任,这也是我从事地球物理研究的追求之一,研究地球内部能量物质运动的规律。

▲位于美国加州的圣安德烈亚斯断层 / 图片来自于网络

地震预报为什么难以发展起来

《科学大师》:您的科研更多是集中在地球动力学,对于上地幔运动和大陆动力学有深入研究,这方面的研究有朝一日是否也能够应用到地震科学预测上?

杨文采:对地震进行更好的预测,难度比较大。因为地球的内部结构太复杂了,地震预测不是速成式的研究。比如说,4 级地震,就没有必要天天都有人在那里预测,一定要 6 级以上的大地震,才有预测的必要,而且你对震级的预测如果不准,负面影响就很大,比如说地震是 4 级,你报成了 6 级,这就会扰乱正常的社会生产和生活秩序。

预测需要精确和准确,地震的时间是一个小时还是一天还是一个礼拜,你得讲清楚。我们如果说半年之内都可能发生,这个话好说。但你要说明天就发生地震,那要求就很高。因为地震有很多因素触发,很多是偶然因素,所以很难。

当然地震预测研究做到什么程度,也跟经费投入有关系。比如说在一个地震带上,如果我每隔 100 米都有一个钻孔打下去,然后放上探测器,一连放上 1 万套,那我就能知道这整个地下应力的变化特征,利用这种大数据研究,就比较容易对地震进行预测。问题是,打 1 万个钻孔,放 1 万套探测器,花这么大的成本下去,值不值?这就涉及到你科技发展定位的问题。

▲贵州海百合化石,距今超过两亿年历史 / 受访者供图

《科学大师》:实际上按您这样说,我的理解是如果要做,还是能够实现的,关键是看有没有这个决心?

杨文采:谁也不敢说一定就能够做成,但是应该这么去做,会往前走一步。你看美国加州的那个断裂带,经常发生地震,他们大地震已经预测了四五十年了,前 6 次都失败了,第 7 次成功。他们现在就比较有把握了。比如说提前三天或一个礼拜,在什么地方什么范围会发生多少震级的地震,预测可能性大,因为地震还是有规律的。比如一个地震断裂带,很多地方都已经发生过地震了,地层结构都松了,它就不容易发生应力积累,再发生地震就是在那些空档的地方,原来还没有断开的地方,就比较可能断裂。

地震预测,有一个由谁承担责任的问题。如果我是领导,我花了国家的钱,又预报错了,那责任全在我身上,所以这是有风险的。这里面有很多利益考量。因为这个课题本来就很难,又没有把握能够做好,对领导也是压力山大。虽然灾害预测的难度很大,但是随着信息技术的应用和自动监测能力的提高,这方面的科学研究有可能取得重要进展。

* 注:①,该批示援引自《人民日报》海外版的报道。