（通讯员  邓辉）

讲座题目：透视新科技——深地探测

主持人：胜春

做客嘉宾：丁志峰，中国地震局地球物理研究所研究员。

          苏德辰，中国地质科学院地质研究所研究员。       

讲座时间：2022年1月24日～1月30日

（备注：讲座视频可循环播放）

https://article.xuexi.cn/articles/video/index.html?art_id=13314976452603405261&read_id=2df61ab1-5775-4dd9-8a1c-185527ac8d31&ref_read_id=c2f1c1bf-4f90-471b-aab2-bac915164930&reco_id=&mod_id=&cid=&source=share&study_style_id=video_default

透视新科技——深地探测

讲座内容：

各位好，欢迎各位收看《透视新科技》 ！我是主持人胜春，平时我们形容办一件事难，说“比登天还要难”。其实这句话在科技界来讲是恰恰相反的，因为在科技人员面前，他们会觉得这个入地比登天难得多。举个例子，人类早已经可以登月了，那月球与地球的距离是四十万千米左右，可是就在几年前，人类精准探测地下的距离深度只有几百米深。不过在2018年，有一项科技成果获得了国家技术发明奖的一等奖。这项成果改变了过去，它可以让人类探测地下深度精确到几千米，这是一项什么样的发明呢？我们来看一下。

2018年国家科学技术奖励大会上，国家技术发明奖一等奖颁给了何继善院士，以及他的团队发明的广域电磁法和高精度勘探装备。广域电磁法精确探测地球深度，从以前的几百米延伸到了八千米以上。精确探测深度是欧美同类先进仪器的十倍以上，并且打破了电磁法探测地球的技术和装备被欧美垄断的现状。它是如何实现了探得深、探得精、探得准的？又为什么满足了深地探测的战略需求，并为深地探测提供了“中国范本”。

欢迎回到我们的演播室，首先还是给大家介绍一下我们今天请来的两位嘉宾，一位是中国地震局地球物理研究所的研究员丁志峰，欢迎您丁先生！另一位是中国地质科学院地质研究所的研究员苏德辰，欢迎两位！今天我们探讨的是深地（探测）这个话题，对我们普通百姓来说，对深地这个概念不是很清楚，两位先给我们解释一下，什么叫深地？到多深才能叫深地？对于我们地球来说，地球的半径是6371千米，那么地球里面可以分成很多层，从地球结构上来说，那么深地的话，可以一直到地核那个深度。我们来看一下。

我们的地球它分成地壳、地幔和地核。地核是地球的内核，像我们鸡蛋的鸡蛋黄似的，内核它的深度大概是两千九百千米。那么到地球最外层有地壳，那么地壳的大陆上的平均深度是三十多千米，到海洋里面就更浅一点，大概是几千米到十千米之间。深地对于不同的学科，它是有区别的，比如说对于地质上来讲，对于地质科研上来讲，我们现在的深地可以是从地表一直到地下十几公里（千米）的深度，就是对于我们地质学家。十几千米深？嗯，打钻取心十几千米就已经是很深了，对于我们生产从我们平常的主要的固体矿山是五百米（深），从五百米以下，我们国家准备向两千米进军，从五百米到两千米（深度）之间的矿藏开采也就是我们的深地的一个主要的内容。那我们理解的这个深地，这个界点在哪里？多深以下算深地？是五百米以上以内，是不算深地吗？还是五百米以下才算深地？肯定是五百米以下。五百米是界点吗？对，五百米可以作为一个（界点）。深地的界面。是绝大部分咱们中国的，那个固体矿产的开采的深度是五百米。那我就明白了。那接下来一个我相信这个时候观众心里一定琢磨这深地，这底下到底有什么东西呢？两位能给我们介绍一下吗？

是这样，因为平常我们说跟经济最直接的就是挖矿、开矿。在咱们国家大部分的矿山的开采的深度是五百米，很少有超过五百米的，但是特殊的像黄金的金矿，它可以现在达到了一千多米深，甚至是将近两千米。但是油气除外，因为油气它是流体，它可以到几千米的深度。地球在形成过程中，是越重的元素越往下边，所以地球从地表往地核内部来讲，它越往下重金属元素越多，现在我们人类需要的可能是这些个金属物质需要的更多，所以再往下（探测）。那我们可以这样理解，真正的重金属都在里面呢。对，对。是我们长期人类没有探究的地方。对，因为根据咱们的现有的经济技术条件，我们没有那么强的实力去挖下边的矿。那在节目一开始，其实我们已经给观众朋友介绍了，在科技界来讲，我们上天容易，因为都可以到达月球了，可是入地怎么就那么难呢？两位能给我们普及一下吗？

地下东西相对来说是跟地上的东西相比较起来，我们探测起来是有非常大的差别的。因为从地表以上到太空，到星球，那么我们都是可以直接观测到的，那地表是通过地质方法，我们可以地表上可以观测到。那么对于星空，我们通过望远镜可以看到，那么地下的东西，我们不能直接观测到。目前来说，我们的科技水平，我们只能通过各种各种不同的这个地球物理这些方法，间接地对地下这个物质进行探测，这就是这个地下的不可入性，这也就是我们对于深地，地下的奥秘探测的一个难点之一。用我们普通人说的话，就是我们看不进去，看不透这底下有什么，但是我们可以透过云层、星空看到其它星球，可以这样理解吗？可以这样理解。因为我们平常看的是透过空气来望星空，这是上天。下海也相对来讲比较容易，毕竟那个海水它的密度跟岩石那个密度相比较要差得多。而地下的岩石的那个密度非常得大，非常坚硬的岩石，阻隔了人们这些个几乎所有的工具，你往下边开采的话，都是非常困难的。并且它的温度也在增高，这个叫地温梯度，每增加100米，它的温度会增加一定的值。当然地球上不同的地方，这个值是不一样的，不同的。

比如说我们在江苏东海打科学钻探，地表就是我们平常的温度，到了5100米（深）的时候，它的温度已经达到了一百五十多（摄氏）度，那么你地下的那些个仪器设备，你在平常环境下很正常。对。五千多米就无法正常工作了，高温度到压情况下，你要想正常的来取得那些数据，那么就需要研制高精尖的那些个（设备），至今为止通过岩石到地下的人类的活动，只有四千多米（深）的采矿，就是在南非。那已经很深了。已经非常非常深了，并且是非常困难了，在咱们中国能达到一千多米（深度），两千米左右在山东开金矿。我本人到过地下一千米，一千米您看到了什么？那个真实的感受是什么？地下一千米，主要的感觉就是温度明显的比上边要高得多，所以必须要有很强的那个通风设备，在地下非常强的通风才能保证下面的那个温度比较正常，湿度比较正常，然后才能够进行其它的真正的采矿生产活动，人才能在下面生存。

那您看我们这一项技术发明奖，这个成果研究出来之前，我们传统的方式来探测地下都是用什么方式？这个原理又是什么呢？对于地下的探测，传统的方法现在主要还是用地球物理的办法，那么地球物理比较专业了，它里面主要的方法是现在目前用的最多的，是用地震波的方法来探测地下结构。地震波的方法，就是通过激发的这个震动。这有两种方法，从目前来说用的比较多的，还是用人为制造的震动。怎么人为制造？就通过爆破用炸药爆炸，爆炸以后，它地下的介质会一震动，震动就以波的形式往外传播。往外传播，然后我们通过传播回馈来的信息，就像我们在水面上扔块石头，看那个水面的波纹。泛起了涟漪。涟漪，它是往外传播，（地震）波也是这么（传播的）。然后我们收集这个信息，来推测和计算出我们地震波波及的地方到底会有什么样的东西，甚至是什么矿藏，是这个样吗？对对对，因为它地震波的传播速度是不一样的，通过不同的矿藏，不同的介质，那么我们通过我们接收到的地震波的信号，可以反推到（通过）下面介质的（地震波）速度的（物质）结构。因为不同的矿藏，（波）通过介质速度是不一样的。好，我们通过短片去了解一下它的原理。

我们现在所知道的地球的结构，地壳、地幔、地核就是科学家利用自然大地震产生的地震波探明的，现在用地震法进行深地探测，主要是在地表以人工方法激发地震波。地震波是一种弹性波，在向地下传播时，遇有密度、弹性不同的岩层分界面时，地震波会发生反射与折射，再用地表的检波器接收这种反射与折射回来的地震波。通过对地震波记录进行处理和解释，可以推断地下岩层的性质和形态。虽然地震波探测的岩层结构准确度更高一些，但是地球上很多地方却并不适用地震的勘探方法。我在想这个优缺点在哪儿？作为一个普通人来讲，我首先觉得它有点破坏地球，是吧，我不知道我理解的对不对，还是这个破坏是微乎其微的，您怎么理解？嗯，有这方面的因素。地震波它毕竟它用炸药来爆炸的话，对地表对环保还是有影响的。所以这样的话，地震波的方式在野外，在操作的时候，还受到环保上的限制，许多地方用地震波的能源，还是比较困难的。这应该说是它的缺陷。这是它的缺点。它的优势是什么呢？它的优势，它的探测的精度比较高，探测的深度也比较深。您给我们补充一下。

深地探测，不光仅仅是一个物理方法。地球物理方法，还要有真真正正的就是要进行打钻，这个叫科学钻探。因为现在人想下去，超过五千米的地下空间，人下去是非常非常困难的，最有效的一个办法就是进行科学钻探。现在地球上，咱们整个世界上已经实施的科学钻探，最深的是苏联，它在科拉半岛上有一个超深钻十二公里（千米）。你像科拉钻探一万两千米，往下打的时候非常的艰难，它打到一万米的时候，苏联那个时候搞过一次举国欢庆，一万米停了将近一年的时间，到处去做报告，做功勋，我们超过了美国，超过了美国九千多米的（深度）。人类的突破。对，人类的突破。然后它恢复生产的时候，就恢复钻探的时候，刚恢复不久，地下七千米的钻杆断掉在地下，也就是地下七千米的那个钻孔就没法用了，你要从它断掉的那个地方，去把那个井封上，从那个地方去往周边叫侧钻，往测方向再接着打钻。明白了，明白了。德国的那个钻也是发生了几次类似这样的事故，大的侧钻就进行了三次，越往下难度越大。说到了这个传统方法的优缺点，那接下来我们来看一看，我们这个发明一等奖，到底是怎么探测的呢？我们通过短片，去了解一下它的原理。

用电磁法进行地球物理探测，与地震波有异曲同工的地方，只不过电磁波主要是借助不同的物质，具有不同导电性的物理特性。电磁波也是利用人工的方式，用专门的设备向地下发射频率不同的电磁波，再通过接收装置分析电磁波在地下的空间和时间的传播规律，来判断地下的构造，从而准确地探测到地下深处的具体情况。刚才我们通过短片可能对电磁波这项勘探技术，可能是知其然未必知其所以然，所以两位先给我们解释一下这个电磁波到底是一个什么样的原理？它还是用电磁信号来探测下面的介质的导电性能。这个介质就像地震波和电磁波，这两个探测的东西是不一样的，那么地震波它探测的是地下介质速度的变化。那么电磁波探测地下介质，它的导电性的变化，我们叫电阻力的变化。那么不同的介质导电性不一样，不同的矿藏导电性不一样。比如金属矿，那肯定它的导电性比较好。那么通过电磁的方法可以探测这种金属矿的话是非常有效的，它比地震波这方面更有效。比如说金矿，金矿经常是一条很直的一个脉，从上往下延伸，金矿里的石英脉里面，经常含有很多的金属矿物，比如说黄铁矿、黄铜矿，因为它含有大量的金属矿物，它的电导率就跟周围就完全不一样了，然后何院士他们的那个方法，就是能够特别精准地判断出这个含矿的地质体和周围的岩石，我们管它叫围岩的那个区别。然后何院士他们那个是能够达到非常深的深度，能够达到八千米，这个已经非常非常的深了。因为我们平常日常的采金矿的深度，在咱们国家才不到两千米，所以它的意义比较大。接下来特别希望两位专家给我们介绍一下，具体这个获奖项目在哪些方面做了创新？

何继善院士他们这项发明，那么在世界上来说应该是领先的，有很多创新点。首先表现在他的这种理论方式，理论方法上面有创新。平时我们传统的用这个电磁方法探测的时候，我们是用的是平面波的方式来处理这些数据，那他在理论方式上，他把平面波就是改进到曲面波。那么这样的话，跟实际情况更接近，那么他出的这个结果，就是更符合实际。为什么曲面波就比平面波更接近呢？我们知道我们一个点激发的一个波，它往外传播的时候，就像刚刚举的例子，水面上激发的一个水面波往外传播，它传播它是一个圆形，往外扩散的。所以你要描述这个波的话，传统方法是用很多平面波来近似描述它，就距离近的话。那么它距离远了以后，它是一个曲面出去的。那么这样的话，我用曲面波来描述，就更接近实际情况，那么这也是何院士他们对于传统方法一个改进。我用简单的方法理解，这个曲形波是不是跟我们的地球，这个圆形比较接近。对，跟这有关系。你要探测浅的东西的话，用平面波可以近似好，但你要探测到深地深的情况下，就得考虑它这个曲面效应，所以这也是他这个方式的一个创新点。

另外和院士，他对这个信号处理，他能够接受的信息也多，比以前的方法要多得多得多得多。不是一个数量级的，然后它能够接受很多很多的信号，然后从中分析出有用的信息，然后再把这个有用信息提取出来，还原出来你地下是什么状况。那么我们搞地质的人，就希望越精准越好，那么曲面波和平面波，平面波只能比如说给一个很粗糙的一个形态。他这个曲面波，就能够（反映）非常精准的一个形态，那么在他那基础之上，我们是打钻也好，是搞生产也好，我们就能够有的放矢了，那就能够节约很多很多的成本，效率也就提高了。探测仪器这方面他有了更多的创新，那么在电磁波的能量等于它的一个源，源的能量相比国际先进水平来说的话，他又提高了一大截。目前来说，实际上（国外）最强的基本上是五十千瓦的能量，电磁能量往下探测。他这个新的发明的设备可以达到两百千瓦，那么这能量比通常的电磁波的方法，探测方法能量更足。那么我们知道探测的地下结构越深，我们需要这个能量就越高，这样我们才能获取更多的深部返回来的信息，那么在这方面他的这个发明对于我们深地探测来说是非常有用的。

我们可以这样简单的理解，比过去的更精准，同时也更环保了。对，它这个环保方面，因为它的源跟地震波的源不一样，地震波要通过爆破、炸药，它肯定对环境肯定会产生一些影响。它的电磁波的话，它基本上是没有这方面的影响，所以它的电磁波的源的话，还是绿色环保的一个源。那成本怎么样？成本它要相对于我们地质勘探来讲，成本就要低得多了。为什么？因为地质勘探的方法是要打钻，或者是用挖洞的办法，去直接去看，那个成本太高太高了。跟过去我们地震波的方式，它的成本低体现在哪儿呢？体现在我们这个费用上，勘探的费用上面，还是不一样的。如果我们做一个常规的地震波的探测，那么在一百公里（千米）长的测线剖面，探测下面的结构，一百公里（千米）长度的剖面的话，它的成本大概要四五百万（元）这个成本。用电磁方法的话，一百万（元）以内就可以做到了。电磁波的方式，它有缺点吗？

举个例子，我们要是探测地下的油田、石油，那么这是用地震方法，是最有效的。因为地震方法地震波的方法，它最有效的就是可以探测到下面地层的分层结构。电磁波这方面，可能比地震波更差一些。在地球探测方面，这个不仅仅是一项技术发明获得了成果，相关设备的研究等等，都一下子同步提升了，那在这方面我们这项发明，在装备上也是打破了国外的一些垄断，两位怎么看待这方面的问题？我觉得这个发明也是在国际上也是影响比较大的，那么何院士他这个发明，它包含了既有这个理论上面、处理方法上面，还有设备上的创新，那么一个团队，能在这么多的方面全面地去创新，那在国际上还是非常少见的。我打这个比方不知道对不对，我们把地球比喻成一个橙子，我们在不停深地的勘探、探测，然后发现里面有宝藏，我们把它提出来，就像把橙汁吸出来之后，这时间久了，橙子会不会糠了，会不会影响到我们地球的健康？你要是说时间久了的话，可能会影响，但现在来讲人远远没有达到那个可以忧虑的那个程度。那这个度我们人类是有考虑，科学家是有把握的吗？

这个科学家有充分的考虑，因为我们整个地球，比如说地壳，大陆地壳是（平均）三十多公里（千米）厚，我们的最深的钻孔才打了十二公里（千米），它连地壳的三分之一都不足。然后德国的那个是第二深，是九千米，我们中国在2001年到2005年进行了一口科学钻探，是五千一百米。然后我们前两年在东北叫松科一井、松科二井，那个科学钻探是七千米，这些个深度远远达不到说咱们普通公众可能忧虑的（程度）。会不会把地下的岩浆打出来，会不会引起什么地震，或者引起什么其它的灾难，或者是像你说的是这一个橘子变糠，完全没有达到那个程度。您刚才说的这个地壳的三分之一是什么概念？假如说我们把一个地球比做一个鸡蛋的话，它是什么概念？鸡蛋壳就相当于我们的地壳，大陆部分那个蛋壳的厚度是三十多公里（千米）。那么我们最深的苏联那个钻孔，用了几十年的时间，才打了十二千米，就不到三分之一。相当于我们蛋壳的三分之一，还没碰到蛋清呢。蛋清、蛋黄根本就没有碰到，所以人类为什么说入地困难，还远远达不到真正实现入地梦想的，这个梦想远远还没有实现。不过我们也真的希望人类对地球有更多的了解，而不是更多的索取。

说了这么多关于电磁波，探测地球不断的下沉的这个深度，我们更想知道了解了这些，对我们普通人的生活，对人类的进步推动是什么样的体现？我们知道地下很多未知的世界，我们国家经济发展也是在不断的扩大，例如我们现在对很多我们以前开拓不了的地方，我们是在进一步的开拓，例如川藏铁路到青藏高原那边。随着青藏高原那边的开发、发展，对于这些更艰苦地区的深部地球的探测，也是拿到了议事日程上面来了。那么在这些地区探测的话，因为地表比较恶劣，那么通常用的方法还是遇到很大困难，那么，何院士他们这个团队在这方面也做了更多的创新，他们以后的发展方向，可能是把这个探测从目前的地表探测（发展）到后面的海面探测，一直到空中探测，这样的话可以克服很多地表不利的因素，这个很多艰苦的地区也可以完成这种高精度的探测。所以，苏先生我特别希望您能替我们展望一下，当我们有了这项发明技术之后，我们未来对深地探测可以乐观的替我们畅想一下吗。

是这样，他们这些个方法，就是电磁波也好，或者是地震波也好，它是给地质学家或者给我们实际生产，比如说采矿勘探，提供了一个辅助。但是真正要是想了解地下的真实情况，必须要（多方）配合深地探测，不光仅仅是一个物理方法，地球物理方法，还要有真真正正的就是要进行打钻，这个叫科学钻探。科学钻探怎么说？我们比喻，比如说我们人体检，说我肚子里面有没有什么东西，我脑袋里面有没有什么东西，我们可以用，先用什么CT（电子计算机断层扫描），或者什么B超（二维超声）是吧，这个是外表的，没有破坏，没有损伤的。但你真正的你里边有什么结构，或有什么问题，我要穿刺，科学钻探和地球物理方法就跟CT（电子计算机断层扫描）和穿刺之间的这个区别类似。明白了。

现在通过地球物理的方法，我们先把（地球）大致的结构了解清楚。有的放矢。对，然后我们要马上进行的这种，现在计划的万米深钻，我们向地下就是一万米进军，把地下一万米的这个岩石结构，把样品取出来，固体的、液体的、气体的样品取出来。然后到底它是什么东西，然后跟地球物理的方法去比对，这样的话我们可以去验证地球物理方法，这些个地球物理方法到底精确不精确，比如说何院士他们可以测到八千米（深），那么我们如果把八千米（深度）的样品，和他那个八千米原来的理论的结果去进行对比，我们可以修正他的结果。修正他的结果以后，然后何院士他们的结果，再根据修正的情况下，可以再向更深的地方去进军。不同的学科是相辅相成的，最终的目的都是一个让人类更多地了解地球，合理有效地利用地球。

今天非常感谢两位专家，跟我们共同来透视这样一个高科技的这样一个科研成果，其实有的时候我们说到深地探测，甚至会引发我们很多哲学的联想。我们了解自己，了解世界，了解地球，了解外太空，那可能很多事情都是需要我们不断去探究的。再次感谢两位来到我们的演播室，也感谢您收看我们今天的《透视新科技》，我是主持人胜春，咱们下期节目再见。