探寻地球深部的奥秘

□ 文/本刊记者 李天星

一次意义深远的“地球深部探测工程”正在全面展开，这是我国有史以来最大规模的地质勘探计划。专家认为，在盆地基底以下纵深部位的结晶岩、变质岩中，如存在破碎带、裂隙带，将是深部油气赋存的最佳场所。在这些地方（包括基底以上未勘探部分）进行深部钻探将会有新的发现。

在2011年7月公布的中国“科技十二五”中，强调了对“三深”、“三极”的科学考察。深海、深地、深空，以及南极、北极、青藏高原，这些过去只能在科幻书籍中研读的领域，极大地吸引着中国科学界越来越多的关注。正如国务院总理温家宝在2009年首都科技界大会上指出的，“空间、海洋和地球深部，是人类远远没有进行有效开发利用的巨大资源宝库，是关系可持续发展和国家安全的战略领域”。

给地球深部做“CT”

“嫦娥”奔月，见证中国航天科技自主创新重大突破；“蛟龙”入海，见证中国海洋科技深度下潜能力不断增强。随着国力的增强，中国“入地”计划也正在逐步展开。

目前，我国有史以来最大规模的地质勘探行动——“地球深部探测技术与实验研究”专项（以下简称“地球深部探测工程”），已有多项科学成果开始吸引世界的目光。这个集合了12位院士、200多名研究员以及上千名科研人员的地球深部探测工程，希望能从深层次解决困扰我国油气勘探开发的一系列重大问题。

国务院总理温家宝在首都科技界大会上谈到，在地球深部资源探测方面，我国已有固体矿产勘探开采的深度大多小于500米，而世界一些矿业大国已经达到2500米-4000米。他还举例说，澳大利亚在本世纪初率先提出“玻璃地球”计划，就是要使地下1000米变得“透明”。加拿大人近期也制定类似计划，要使地下3000米变得“透明”。

全国人大常委会副委员长、中国科学院原院长路甬祥强调，深部矿产资源勘探与开发是影响我国可持续发展能力的战略性科技问题。他说，应使我国主要区域地下4000米变得“透明”，以解决我国资源短缺的问题。

中国之所以实施地球深部探测计划，资源短缺是最大动因。我国地层深部油气赋存状况、储量状况如何？对深部油气资源如何实现工业化开采？已经成为我国科技界的探测方向和攻关重点。

中国挺进地心第一步，是一次历史性的壮举。中国地学史上最大的科学项目，建国以来投资最大的基础科学项目之一，中国“地球深部探测工程”在默默运行3年后，包括“超级科学钻”在内的一系列关键工程都在如期推进。

在海拔4400米的喜马拉雅山罗布莎地区，国家地球深部探测专项——罗布莎科学钻探实验正在紧张进行。除罗布莎之外，山东莱阳、云南腾冲等地的6个钻探项目也在进行中，国家将从这7个钻探点中选择一处进行超越1万米的科学钻探。

与此同时，地球深部探测计划的另一个实验项目——深地震反射剖面探测也在西藏阿里进行。这种探测是用地下爆破的方法，通过追踪反射信号，探明数十公里地下的结构，用科学家的话说就是给地球深层做一个“CT”。

据了解，科学钻探和深地震剖面探测只是中国地球深部探测计划的两个组成部分，这一计划集合了上千名科研人员，共实施大地电磁探测、地壳全元素探测等9个实验项目，将在2012年底前完成。

在深部探测计划的基础上，中国科学家正在筹划详细揭示中国地壳结构的“地壳探测工程”，为保障资源供应、防灾减灾和发展地球科学提供全面的深部数据和信息。

大地电磁标准网和地球化学基准网“两网”覆盖，华北实验区和华南实验区“两区”相望，青藏高原等“四带”纵横，罗布莎铬铁矿钻探、金川镍矿钻探等“多点”密布……给中国地壳做“CT”的深部探测之网正在渐次张开。

“这是国际上又一个宏大的地球探测计划。”美国著名地球物理学家Walter Mooney教授十分关注中国的进展。

深部探测专项集中了国内118个机构、1000多位科学家和技术专家，可以说是中国地学界的“集结号”。

中国所面临的资源挑战，是启动深部探测工程的最大动因。它也将成为未来实施地壳工程的主要推力。“深部探测专项”负责人、中国地质科学院副院长董树文表示，“资源能源缺口是立项的第一出发点。”

来自地学界的科学家认为，应该启动全国性的基础科学工程，了解中国人脚下的每一寸土地。

2002年，国土资源部系统的科研机构正式提出启动深地重大基础项目——“地壳探测工程”。

2006年元月，国务院发布《关于加强地质工作的决定》，其中明确提出“实施地壳探测工程，提高地球认知、资源勘查和灾害预警水平”，堪称中国地壳探测工程的转折点。

地壳探测是一个系统工程，是对地球复杂系统的科学探测。深部探测专项的实施，标志着我国地球科学已经进入到深部探测时代。

高精度深地震反射技术将给出大陆地壳和沉积盆地的精细构造，矿集区立体填图将给出相对“透明”的矿集区图像，为地质勘查、地下水资源评价、矿产资源、能源等更广泛的综合研究领域提供难得的、宝贵的研究资源。

已故著名地球物理学家赵九章曾用“上穷碧落下黄泉”生动概括地球和空间科学的研究对象，用“两处茫茫皆不见”形象比喻这一研究面临的艰难险阻。

地壳 由岩石构成的地球外壳，主要成分是氧、硅、铝、镁、铁等。平均厚度，大陆地壳约35千米，海底地壳约7千米。地幔 地球内介于地壳与地核之间的部分，厚度约2900千米。地核 地球的中心部分，半径约3480千米。

“嫦娥”屡次成功奔月，中国科学家在“上穷碧落”方面已经取得了重大进展，但是“下黄泉”的难度更大，人们尚知之甚少。

中国科学院院士石耀霖表示，了解固体地球的深部是各国都非常重视的一个重要课题。

中国地形上的3个台阶是如何形成的，矿产资源的分布规律如何，地震灾害频发的原因何在……现今中国人生存的地质环境中大量科学问题都需要从大陆的深部寻找答案。

专家介绍说，地下深处人们看不见、摸不着，研究起来难度很大。目前最直接的手段是往深部钻探，但世界上最深的一口钻井仅仅打入地下12千米的深处，相对于地球6400千米的半径，显得微不足道。随着技术的发展，人们已经可以利用地震、重力、电磁等现代地球物理的探测方法，了解地球深部的物理性质。

地球深部探测的初步成果

短短两年时间，科学家们完成了1960千米的深反射地震剖面，这一数字相当于此前60年完成的6538千米总长度的1/3，极大地加快了我国深部探测计划的进度。目前已经基本建成深部探测技术体系，同时取得了一系列重大发现，为下一步地壳探测工程的实施奠定了基础。

岩石圈地幔的强地震反射，成为探测新亮点。东北松辽盆地——虎林盆地600千米深反射地震剖面，采用了深井、高能量激发和超长记录（达50秒）技术，在获得地壳和MOHO（地壳与地幔间的界限）界面清晰反射的同时，连续获得了上地幔的强地震反射，深度可达100千米。如此深达地幔盖层底部的连续地震反射，打破了长期以来认为地幔反射透明的传统认识，令科学家震撼、兴奋。这是大陆深部探测极为罕见的发现，具有重大的地球科学意义。

中国在深部地下物质成分的探测和分析在国际上处于领先地位。地球深部探测专项首次按照国际标准建立了一个覆盖全国的地球化学基准网。在国际上首次建立了一套81个指标（含78种元素）的地壳全元素精确分析系统，物质成分分析测试指标达到国际领先水平，含矿信息精确分离提取技术得到显著提高。

基于对深部地壳的物性、结构、物质组成以及活动性的了解，科学家们最终将实现对地球三维精细结构和深部过程的模拟，研究其演化历史，揭示其动力学变化机制，开辟深部资源、能源勘察新空间，提升地震、地质灾害监测预警的能力与水平。

在科学发现上，地球深部探测专项实施两年来，发现了鄂尔多斯岩石圈异常电磁结构，反映了鄂尔多斯地块北部岩石圈厚度由北向南变薄的趋势，这对研究岩石圈破坏过程具有特殊意义。

青藏高原“下地壳隧道流”扩散模式在国际上十分流行。地球深部探测专项通过深反射地震技术证实青藏高原东北缘岩石圈大幅缩短变形，对这一模式提出了挑战，科学意义十分重大。

地球深部探测专项还首次发现了华北地块东北缘的蛇绿岩带，为认识和恢复西太平洋活动大陆边缘演化提供了明确的岩石学和年代学证据。

在三维地球模拟技术的发展上，地球深部探测专项还实现了全球、区域和局部三种尺度的跨越，具备上千万结构化和非结构化网格划分能力，可对关键部位实现任意加密网格；实现了对汶川地震孕育动力学背景、台湾复杂动力学环境的三维粘弹性变形和紫坪铺水库加载产生的应力变化等不同尺度三维及动力学模拟。

相对其它资源而言，能源是我国最紧迫的需求。在与国家对能源资源的紧迫需求目标相结合方面，地球深部探测专项的表现同样可圈可点。

地球深部探测专项在松辽盆地深部与大庆油田合作完成600千米的深反射地震剖面。围绕四川盆地所做的200千米的深反射地震数据刚刚亮相，中国石化专家立刻表示希望马上接过去，围绕这些新数据部署下一步油气勘探工作。

在中国东部长江中下游成矿带开辟深部第二找矿空间，是实现国家矿产资源战略接替的重点。地球深部探测专项在实施过程中分别与安徽、江西两地国土资源部门合作，在庐——枞矿集区、南岭矿集区开展探测技术实验研究。目前，庐——枞矿集区基本实现了3000-5000米深部的“透明化”，大型矿集区三维透明化技术日臻完善，为开辟第二找矿空间提供了有效技术支撑。

其实，在中国，深部油气勘探早已开始进行。

1971年8月10日开钻的川中龙女地区女基井，历时4年多，于1976年2月27日钻达井深6011米，成为了国内第一口超深井，并在奥陶系、寒武系、震旦系发现了油气显示，第一次在川中地区二叠系阳新统获工业气流。女基井的钻成，实现了毛泽东主席提出的“我们也要打六千米（井）”的指示。

此后，从1974年12月17日开钻至1977年12月4日完钻的关基井，井深7175米，经测试，在7053——7175米井段的二叠系茅口组，获日产天然气4.88万立方米。关基井的钻成，对四川油气田乃至全国都有着重大的实际意义，不仅取得了川西北地区白垩系至二叠系完整可靠的地质剖面，发现了32个油、气、水显示，为研究川西北至川中过渡带的石油地质情况提供了宝贵资料，而且把国内超深井钻井技术再次提高到一个新水平，使中国成为世界上第四个能钻7000米以上超深井的国家。

2011年，中国石油川庆钻探公司完成的超过4000米的深井同比增长了30.85%。随着深部气藏石炭系的发现，含气面积不断扩大，钻探深部油气资源已势在必行。

“找油”在最近10年再次成为关系国计民生的重要历史使命。按照中央领导指示，对于中国地质学界的要求是“立足国内，尽快实现油气资源调查重大新发现，促进油气勘探重大突破，增强油气资源保障能力”。要完成这一历史使命，地球深部无疑是重点方向之一。

“产出的增长速度跟不上需求的增长速度，这就要求加快我国的石油探测步伐。”中国地质科学院地质力学研究所研究员马寅生表示。

中国的地质学家们又好像当年李四光那样，急迫地奔波于中国的山川平原之间，甚至外出大洋，希望从理论上获得新的突破，但更需要在实践中有所斩获。

地球深部探测的理论基础

地质理论的突破，将会带来地质勘探的飞跃。

石油生成理论之辩，一直伴随在世界石油工业发展过程之中。在业界有一句话，“石油就装在地质家的脑袋里”。说的是，只要不断解放思想，转变找油观念，敢于打破框框束缚，持续进行新的探索，就会有新的发现。

“石油峰值”之争已经进行了几十年，而且目前有些组织和单位还在进行着这方面的研究和论证。数十年来，国际上不同时期的许多“大牌地质家”，都在不同的油气发展阶段对“石油峰值”出现的时间做过信誓旦旦的预测。然而，随着时间的推移，过去的预测几乎都没能灵验，在无可辩驳的事实面前，人们不能不对“石油峰值论”提出质疑。

自1956年美国石油学会的年会上，金·哈伯特发表了一篇题为《石油峰值》的论文以来，关于世界石油到底是否存在“峰值”的争论，就一直没有停止过。可以说，“石油峰值”是石油行业中最含混多义、最难以把握、最耐人寻味的话题之一。

有学者认为，如果仅仅作为形而上学的一种思考，“石油峰值”的命题自有其道理，但一旦将其放到实践中加以讨论，则不得不面临众多的挑战。尤其是随着时间的推移，当一次次预言、一个个假想成为泡影之时，这种理论的苍白则有目共睹。

为此，中国工程院院士胡文瑞曾撰文指出，“我们要以发展的眼光来分析油气资源的潜力问题”。

从理论层面来说，关于石油的起源，至今存在“有机成因说”和“无机成因说”的争议，前苏联科学家根据“非生物起源论”获得了大量油气发现，如果苏联科学家的论证是对的，那么人类获得的石油和天然气就只受制于超深钻井和采出能力，这将从根本上动摇“石油资源枯竭论”的理论根基。

最近，《石油大棋局》的作者〔美〕威廉·恩道尔，提出了令人震惊的观点：“谁能想到，石油源自地球生物遗骸是个天大的谎言，石油行将枯竭是个巨大的阴谋。地球石油蕴藏很可能取之不竭。为这一颠覆性的观点提供有力佐证的，是前苏联科学家花费40多年时间，在传统理论上不可能找到石油的地方找到了石油。”

西方地质学理论一直认为，石油这种碳氢化合物的来源是古代生物的遗骸。在经历了一个化石化过程后生成石油，并且只存在于一种特殊的地质构造——“烃源岩”中。所以只有找到“烃源岩”，才能找到石油，凡是不存在“烃源岩”的地方，就不会有石油。但是，苏联科技人员苦干了45年，在属于结晶质基底岩地质构造的乌克兰盆地发现并采出了石油和天然气，而那里是西方地质学理论认为根本不可能存在化石能源的地方。

在一次科学大会上，乌克兰科学院地质科学研究所石油勘探部主任、前苏联科学家克拉尤希金教授曾提出了一个全新的理论假设：石油和天然气的形成，同古代的生物物质无关，西方理论所说的生物遗骸深埋、化石化过程，都是不正确的。石油的真正来源，是距地面大约200公里深处的地幔上层的无机物质，即非生物物质。唯有这个理论成立，才有可能在结晶质基底岩那样的地质构造中找到石油——非生物物质来源的碳氢化合物。

据介绍，从1990年开始，苏联科学家开始在第聂伯河——德涅茨河盆地进行勘探钻井，5年打井61口，其中有37口井获得了可商业性开采的油流，成功率达60%。在出油的37口井中，有几口深达4公里，日产原油2600桶。位于乌拉尔——伏尔加地区鞑靼斯坦共和国境内的罗马什基诺油田是西西伯利亚之外的最大油田之一，其井深达14700米。在这样的深度，是不大可能发现恐龙遗骸的。

不仅如此，还有人质疑：如果说石油是由植物、昆虫和动物的残骸生成，按照已知的石油发现，地下需要埋藏的有机物质数量之多将是无法想象的；石油比水轻，为何石油总是在水层之下被发现，这是否可以证明石油是从地球深部上移而来；有些已经枯竭的老油田，多年之后为何还会青春重现，是否与地球深处储油层的能量补充有关？

观点的碰撞，理论的交锋，会使真理越辩越明。而事实胜于雄辩，经过从理论到实践的深入、持久探索，新的科学发现会给人们带来新的惊喜。

我们看到，一个地球深部科学研究的新时代即将来临。

长江大学地球化学系教授郑晓萌撰文认为，石油地质学以有机成因学说占主导地位，而有机成因学说的核心是生油岩（烃源岩）问题。

20世纪50年代，地质学家对生油岩原始有机物质中什么成分形成了石油的问题众说纷纭。1971年，法国地球化学家蒂索推出干酪根热解生烃模型，认为80%的石油烃是由干酪根转化而成的，这一观点几乎为业内专家普遍接受。

然而，随后发生的事情却让蒂索学说陷入尴尬境地。因找油热潮席卷全球，地质学家发现，许多不具备成熟生油岩的地区发现了工业油流，与蒂索生油模型相悖。

于是，低熟、未熟生油岩的概念出现了。但低熟、未熟生油岩也存在问题。按干酪根热解生烃说，对于盆地，只有进入成熟期才有大量液态烃，如此，不成熟烃类占很大比例的油田（如江汉油田和辽河油田等）就不应该存在。更不可思议的是，这种未熟油的胶质含量高、密度大、含轻烃和气态烃组分少。这种黏度的原油，若无很高的压力和温度，是不可能从生油岩中运移出来的。

生油岩是一个具有诸多不确定性的概念。然而，这一学说却长期禁锢地质学家的思维。在我国石油勘探早期，发现火成岩、变质岩、基岩中的油气藏，便解释说油气是侧向运移来的，而不去追究更深层次的储油的可能性。

可见，油气勘探需要挣脱生油岩学说的桎梏。

乌克兰科学院院士波尔菲利也夫，早年也信奉石油有机成因学说。然而，伏尔加——乌拉尔油气区不存在这样的条件。在以后的研究中，他发现了石油深部起源的依据，并形成了新的学说。这一学说认为，石油的形成与上地幔活动有关——油气田是第三纪末由上地幔沿大断裂带垂直运移，并在基底及沉积盖层孔隙——裂隙岩石油潴中聚集而形成的。

我国学者张景廉从地球化学角度，提出油气深部起源学说。他指出，过去一些地质学家认为张性断裂是油气的运移通道，压性断裂是油气的遮挡面。然而，渤海湾盆地油田绝大部分属张性断裂，却同样起到油气遮挡的作用。他认为全球大油气田的分布模式与大断裂或基底断裂相沟通。

同样，在含油气盆地基底以下纵深的范围，可能存在与断层活动相伴生的破碎带、裂隙带。油气从深部运移上来，必然在这些有利储集部位形成油气藏。

目前，已发现的油气藏都是在盆地基底以上（包括基底表面）的储集部位。在盆地基底以下纵深部位的结晶岩、变质岩中，如存在破碎带、裂隙带，将是深部油气赋存的最佳场所。郑晓萌教授认为，“在这些地方（包括基底以上未勘探部分）进行深部钻探将会有新的发现”。

科学探索是无止境的，未知王国有待于我们去发掘。探明和利用地球深部蕴藏的资源，应该是人类的永续追求。我们期待着我国地球深部探测工程的新成果不断涌现，以满足人类建设美好生活的新需要。