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透视地球,各国都做了什么

2017年07月19日 15:12  来源:北京日报  

  新闻背景

  前不久,我国启动了地震科技创新工程,拟通过“透明地壳”“解剖地震”“韧性城乡”和“智慧服务”4个计划的实施,在未来10年,大幅度提升我国地震科学研究水平以及防震减灾能力,达到国际先进水平。

  那么,在透视地球这项工作上,世界各国都做了哪些事情?

  从上世纪60年代起,随着人类对海洋认识的加深,发展出了划时代的板块构造理论,几乎完美地解释了与海洋有关的地质学问题。所以,人们开始把板块构造理论运用于陆地,也就是板块构造理论的“登陆”。

  在研究海洋地质的过程中,科学家广泛采用地球物理学的方法,结合钻井,成果丰硕。自然而然地,研究大陆地质学也可以按照这个思路进行。所以,从上世纪70年代开始,各国相继展开了各式的大陆探测计划,极大地完善了大陆地质学理论,并取得了良好的经济效益。

  1.美国

  大陆反射地震探测计划和地球透镜计划

  在上世纪70年代末,美国率先开始实施了大陆反射地震探测计划。此项计划的研究手段来源于石油勘探技术,通过布设一系列测线,收集人工地震产生的地震波,处理之后就可以得到很多地下地质结构的信息。该计划取得了很多优良的成果,比如揭示了美国东海岸阿帕拉契亚山的构造,西部山地的地下结构,尤其是在落基山断层之下发现一系列油田。一连串的科学与社会效益,使该计划堪称深部探测的典范。此外,此次探测计划的成果,还引发了其他国家相关计划的出炉。

  2001年,美国国家科学基金会、美国地质调查局和美国国家航空航天局,联合发起了一项新的开创性地球探测计划——地球透镜计划。它采用多重技术手段,通过探索北美大陆的三维构造,以加深对北美大陆结构、演化的认识,大大提高对北美大陆地区结构与演化的实际了解。该计划是一项全新的具有风险性的地学探索工作,分为四个方面:

  第一项是建立一个由2000个地震观测点构成规则的流动测网,轮流进行地震观测,实时采集数据,采集范围包含本地、区域和遥远地区的信息,可以用来研究地幔乃至深达近3000公里的地核和地幔边界的情况。另外,还可以用来监测火山和地震活动,进行灾害预测。

  第二项是建立圣安德列斯断裂深部观测站。圣安德列斯断裂是北美板块和太平洋板块的边界,也是地球上最活跃的断层之一,穿过美国经济发达、人口密集的西海岸,研究程度很高,危险性也很大。所以,为进一步研究断层的活动规律,在这里布设了一个4公里深的钻孔,通过钻斜井,可穿过垂直深度3公里的断裂带,达到断裂带另一侧未受扰动的围岩。最终,在断层带上取出了40米的岩芯供科学研究,并在深部建立了一个观测站,进行长期的观测研究。

  第三项是板块边界观测站,利用GPS和应变测量仪,对太平洋板块和北美板块的相互运动进行连续观测,以研究地震和火山造成的地壳缓慢变形,从而加深对地震和火山爆发临近过程的认识,增强预报的准确性。

  第四项是合成孔径干涉雷达。这是利用卫星搭载的仪器,对地面的微小变化进行研究,可以用于火山和地震灾害的研究,还可以提供因地下水和石油的开采造成的地面沉降信息等。

  美国的地球透镜计划在2003年由国会批准实施,为期15年(2003-2018年),预计投资超过200亿美元。

  2.欧洲深部探测计划

  从1981年起,受美国深部探测计划的影响,欧洲各国随后也展开了自己宏大的计划。

  欧洲深部探测计划(1981-2001年)旨在实施新一代的重大项目,更好地了解欧洲大陆地壳和地幔的构造演化,以及一直以来控制整个演化的动力学过程。欧洲探测计划挑选9个目标区域进行重点研究,每个区域都由高度自治的研究团队负责,所有的团队都致力于运用地质学、地球化学、地球物理学相结合的方法,了解地球表层和深层的关系,解释形成欧洲大陆岩石圈主要特征的过程。

  在本计划实施的20年间,有30多个国家,上千名地质学家参与,从俄罗斯的乌拉尔山到葡萄牙里斯本,从土耳其到瑞典,地质学家对欧洲的主要地质结构进行了系统的研究,硕果累累,加深了人们对欧洲大陆深部构造和地质学过程的认识,同时也极大促进了科学研究的跨国界合作。

  3.英国反射地震计划

  英国反射地震计划自1981年开始实施,探测范围覆盖了英伦三岛及附近大陆架,揭示了这一地区地壳和地幔的结构特征,为北海油田的发现奠定了基础。

  而让人意想不到的是,该计划发展的地球探测新技术,在寻求恐龙灭绝成因方面发挥了很大的作用。我们知道在6500万年前的白垩纪末期,地球霸主恐龙突然灭绝,一种猜想是有一颗直径至少10公里的陨石与地球相撞,导致全球气候大变,恐龙灭绝。

  但是,这么大的一颗陨石与地球相撞,必定要留下一个巨大的陨石坑,那么它在哪儿呢?早期的科学家通过对墨西哥湾地区岩石学的研究发现,这里可能存在一个巨大的陨石坑,但它到底是什么形状,有多大,一直是个谜。因为这里大部分地区都是在海下的,难于观察。所以,在1996年的1月到5月间,该计划的科学家联合美国、墨西哥的地质学家对墨西哥湾地区进行了详细的探测,最终确定了这里存在一个巨大的陨石坑,直径大约100公里,为恐龙灭绝这一科学问题的研究补上了重要的一环。

  4.加拿大岩石圈探测计划

  加拿大岩石圈探测计划(1984-2003年)是加拿大国家级的多学科合作的地球科学研究项目,目的是综合了解北美大陆北半部的大陆演化。加拿大地区本身地质演化历史久远,超过40亿年,这让加拿大成为研究地球大陆早期历史及后续演化最理想的国家。

  在漫长的历史中,大陆经历了怎样的变化,都有哪些地质过程,大陆的组成是怎样的,这些问题不仅对加拿大,更是对全球的地质学研究都有着重要的意义。另外,加拿大矿产资源丰富,矿业是本国的支柱产业之一,探明地下的矿产分布及储量,更是对本国的经济发展具有重要意义。所以,加拿大岩石圈探测计划从一开始就具有科学和社会的双重目标。

  从1984年开始,参与该研究的750多名作者发表了近2000篇著作,详细阐述了加拿大本土大陆的演化特点,绘制详细的岩石圈剖面,尤其注重对矿业开发区的探测,为矿业勘探和开采提供更详细的信息。

  所有这些,不仅显著提高了加拿大大陆地质学的研究水平,而且极大的促进了本国矿业发展,丰富的成矿信息增强了矿业公司投资的信心。

  延伸阅读

  我国地球深部探测前景广阔

  我国具有世界上少有或独一无二的地质现象,比如年龄超过38亿年的大陆,独一无二的青藏高原和喜马拉雅山等,科研问题很多。而且大陆强震频发,生命与财产损失巨大。另外,中国的油气、矿产资源,尤其是铁矿、铜矿、石油等十分贫乏,大量依赖进口。而且,我国矿产资源的开采深度基本在500米之内,更深矿产的勘探和开采进展不大。进行系统的地球深部研究,不仅有助于解决诸多的科学问题,减轻地震灾害损失,更能够探明地下油气和矿产储量,缓解我国资源压力。

  正因此,自2008年,我国开始实施深部探测技术与实验研究专项,为期5年(2008-2012年),这是我国历史上实施的规模最大的地球深部探测计划。该项目共分为9个子专题,旨在通过地质学、地球化学和地球物理学的方法,对我国境内的重大科学问题、矿产油气资源聚集区以及重大地质灾害区进行示范性研究。

  本研究共集合了国内118个机构、1600多位科学家和技术专家,研究范围遍及全国,尤其是重点地区,比如青藏高原、华北平原以及长江中下游成矿带,取得了很多新颖的成果。比如揭示了青藏高原深部的结果,在沿雅鲁藏布江流域发现了大型的铁矿床,有着良好的经济和社会效益。

  本项目的一期工程已圆满结束,希望接下来的二期工程带给我们更多的惊喜。(贾斌)

 编辑:[穆好强]
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