基于“深地-地表”联动的深地科学与地灾防控技术体系初探

谢和平，张 茹，邓建辉，高明忠，李怡航，何治良，张泽天，任 利

(1.四川大学 水力学与山区河流开发保护国家重点实验室，四川 成都 610065；2.四川大学 水利水电学院，四川 成都 610065；3.深圳大学 深地科学与绿色能源研究院 土木与交通工程学院，广东 深圳 518060；4.四川大学 建筑与环境学院，四川 成都 610065)

人类目前对于地球深部的认知仍然比较匮乏[1]，近百年的地球科学研究与实践表明，地表的现状与地球表层出现的各种地质现象，其根源在于地球深部，大范围、长尺度的地质现象更是如此[2]。地球深部物质与能量交换的整个地球动力学过程，是研究大陆成山、成盆、成岩、成矿和成灾等过程的核心内容[3]，是引起地球表面地貌变化、剥蚀和沉积作用的根本原因，也导致了地震、滑坡等地质灾害[4-6]。因此，深入认识地球深部作用机理与动力学过程，及其与地质灾害形成之间的联系，对解决地球深部科学问题、提升地质灾害预警防控能力具有重要意义。制定科学的发展战略能够为解决相关科学问题提供合理的规划与有效的指导，是各类研究的前提。所以，开展深地科学探索与地质灾害防控联动技术体系研究对解决资源保障、生命演化与可持续发展等重大科学问题具有重要意义。

自20世纪70年代起，世界各国纷纷围绕“深部地球科学”开展了一系列地球深部探测计划。美国、欧洲、德国、意大利、加拿大先后发起了美国大陆探测计划（COCORP）、欧洲地球探测计划（EUROPROBE）、德国大陆反射地震计划（DEKORP）、意大利深部地壳探测计划（CROP）和加拿大岩石圈探测计划（LITHOPROBE）[7-11]。2003年，美国又启动了为期15年、投入超过200亿美元的新深部探测计划——“地球透镜计划（Earth Scope）”[12-13]。英国地质调查局（BGS）提出了科技战略“Gateway to the Earth（2019—2023）”，构建世界级地质信息库。2000年，澳大利亚联邦科学与工业研究院（CSIRO） 在4维地球动力学计划（AGCRC）的基础上提出了玻璃地球计划（Glass Earth）[14]；2006年，又启动了澳大利亚大陆结构与演化计划（AuScope）。在国内，深地科学研究也已经提升到中国国家战略层面。2016年，习近平总书记在全国科技创新大会上提出“向地球深部进军是我们必须解决的战略科技问题”这一重要指示[1]。《中华人民共和国国民经济和社会发展第十三个五年规划纲要（2016—2020）》中提出要“加强深海、深地、深空、深蓝等领域的战略高技术部署”[15]。《“十三五”国家科技创新规划》中，将地球深部探测列入科技创新2030-重大项目规划[16]，并实施了国家深部探测技术与实验研究专项（SinoProbe 2008—2012），这是中国历史上实施的规模最大的地球深部探测计划[17]。

近年来，地质灾害防控一直是受到广泛关注的热点问题。2020年，全国共发生地质灾害7 840起，造成139人死亡（失踪），直接经济损失50.2亿元[18]。与2019年相比，直接经济损失增加了81.23%。但通过中国近年来在地质灾害防控方面的努力，每年成功预报地质灾害次数与地质灾害总数之比，从2001年的3.99%提高到了2019年的15.34%；每年避免的直接经济损失与直接经济损失之比，从2001年的2.46%提高到了2019年的29.96%[19]。地质灾害防灾减灾工作已取得了一定的成果。

目前，深地科学研究与地质灾害防控领域已经取得不俗的成绩，但当前对于深部地球科学问题的认识尚不清晰；面临频发的地震与地质灾害，仍缺乏相应的智能灾害预警、评估及防控体系。同时，地球活动是地质灾害频发的核心诱因和重大工程安全的主要威胁，防控地质灾害的核心科学问题是准确认知地球科学基础规律及地球深部过程与浅表层过程的耦合关系。因此，亟需探索直接决定灾害孕育发生的地球内外结构特征及环境演化规律。然而，地球浅表层探测数据噪声大、信息少、精度低，尚缺乏低干扰、多信息与高质量的深部观测数据以供研究；传统的浅表现场监测通常重点关注地球外部结构演变和信息获取，地表台站广布，虽结合空间探测技术，但实际测深通常在200 m以浅，存在信号衰减变异、科学采集受限等短板，导致深地科学基础规律不明晰、重大地质灾害孕育机理不清楚及预警防控措施不及时。鉴于此，需要从“深地-地表”联动探索视角开展多尺度、多维度的深地与地表观测联动研究；规划布局“深地-地表”联动探索战略，践行原创性、突破性、战略性的顶层规划与设计布局。

1 深地科学探索与地灾防控研究现状

1.1 深地科学探索研究现状

1.1.1 地球深部行为规律的认识历程

18世纪晚期以前，人类对于地震、火山、海岸线变动等地球内部活动的外在表现只有一些粗浅的认识，如：将构造活动解释为地下洞穴的坍塌；18世纪晚期到20世纪中叶，众多大地构造假说相继经历了“提出—淘汰—完善”这一动态更新过程；20世纪初，Alfred Wegener提出了大陆漂移学说，轰动了国际地学界。这些假说多为定性、抽象的，其普适性也较为局限。直到海底扩张学说和板块构造理论相继被提出，人类才具备了深入研究地球深部行为规律并初步识别、解释和预测地球重大地质活动的能力。然而，这些先期成果仍旧无法完全明晰地球内部构造，解释地球深部行为规律。因此，深地科学作为一门前沿的综合性学科，涉及领域广泛，旨在解决地球深部重大科学问题；开展深地科学研究将从根本上改变人类对地球深部的认识与利用。

1.1.2 借助深地科学钻探，地表观测向地下深井发展

20世纪70年代起，前苏联、美国等相继进行了不同深度的大陆科学钻探。在此基础上，地球物理学界的研究手段开始从地面观测向地下深井发展，近年来已发展成深井地球科学、深井板块构造学及地球物理学等深地前沿学科[20]。其中：前苏联开展的科拉超深钻探（最大深度12 262 m），建立了世界首个地球深部观测站[21]；美国在圣安德烈斯断层实施了深部观测SAFOD项目（2 000～2 500 m）[22]；德国实施了KTB大陆科学钻探计划（主井深度9 100 m），开展地震、地质信息深井观测[23]；日本在屏風山活断层钻取科学钻井，进行地球物理信息的长期综合观测[24]；中国在江苏省东海县建设了国内第一口大陆科学5 000 m深钻，并于2011年实施深井地震观测[25]。

可见，开展地球物理信息的深井观测已成为一种国际发展趋势。实践证明，深井长期观测相较于浅表监测，能够有效降低噪声水平，显著提高监测数据的精准性。借助科学钻探加强深地观测系统建设，开展深部地球信息的长周期、高精度、大规模、立体化观测与解译分析，可为实现地球内部结构及行为规律透明化研究提供科学指导。

1.1.3 国内外加强深地实验室建设，抢占深地领域战略研究先机

深地实验室可为一个国家提供重大基础科学综合研究平台，建设和发展深地实验室对于提升国家的基础科学研究水平具有重要意义。针对深地科学基础规律、地质信息深地监测、深地工程安全及深地科学前沿等领域，美国、加拿大、中国等11个国内外研究机构已经构建地下实验室并开展相关研究，主要涉及岩石力学、地球物理科学、地震监测、暗物质探测等（图1）。其中，以美国的Dusel[26]、加拿大的Sno[27]、英国的Boulby[28]、意大利的Gran Sasso[29]、日本的Kamioka[30]等为典型代表。图1显示了国际典型深地实验室的埋深及相关研究方向，可见全世界发达国家均依托深地实验室在深地领域进行战略布局，抢占制高点。中国锦屏地下实验室（CJPL）作为世界上埋深最深的深地实验室，其极深的上覆岩石厚度与超低的宇宙通量环境可为中国的深地科学研究提供得天独厚的实验条件。

图1 国际深地实验室建设现状[31-33]Fig.1 Status of international deep laboratory construction[31-33]

1.2 地质灾害防控研究现状

1.2.1 地质灾害早期识别技术日新月异，大量数据亟待智能识别

针对地质灾害频发区域，进行地质灾害隐患点早期识别是有效的灾害防控手段。传统早期识别方法主要有遥感解译、地表形变分析、地下位移分析、地下间接因素分析、诱发因素分析和综合分析6种[34]。然而，山区环境恶劣，地形复杂，传统的地质灾害早期识别技术容易受到交通、气象和人力条件的限制，识别能力有限。近年来，国内利用高精度卫星遥感技术、无人机航测和3维激光雷达等新兴手段使早期识别技术得到迅速发展，为开展地质灾害早期识别研究提供了重要支撑[35-36]。同时，这些手段为直观地查明地质灾害早期变形、物源分析和变化特征分析提供了高清的照片、精细的地形。尤其是无人机摄影测量和3维激光雷达技术，无周期时间、空间限制，能够满足不同作业需求，在复杂条件下地质灾害的早期识别领域具有显著的优势。伴随着高精度监测技术的应用，将会产生海量光学、SAR影像和内观监测数据，涉及2维、3维多种数据格式。如何对这些遥感数据进行智能识别和处理，是当前研究的一个重要方向。同时，将早期识别与机器学习、深度学习等人工智能方法结合，基于地质灾害大数据库对地质灾害隐患点的图像、变形等进行智能识别，可以提高早期识别的速度和精度。

1.2.2 地质灾害数据缺乏智慧分析，制约了地质灾害风险评估研究

在地质灾害早期识别的基础上，需要对潜在的地质灾害隐患点进行风险评估，具体内容包括易发性[37-40]、危险性[41-43]和易损性[44-45]，既有定性评价，也有定量评价[46]。定量评价具有精度高和应用性强的优点，适用于单体重大地质灾害的风险评估[47-49]。可靠的定量评价结果依赖详实的调查资料和坚实的研究基础。伴随着监测的持续进行和研究资料的积累，多源地质灾害信息十分庞大，空间数据结构和类型复杂，严重制约了地质灾害信息的定量分析处理和空间综合风险模型的建立。已有的数据储存形式和管理方式已经不能满足高效实时获取风险定量评价所需参数的需要。

因此，如何高效、智能地对海量地质灾害数据进行储存和管理，对已获取数据进行多维度、多层次分析，已经成为重大地质灾害研究的难点。

1.2.3 极端气候、地震等突发事件所导致的地质灾害监测预警仍是难题

监测预警是地质灾害防控的重要手段，其目的是及时获取地质灾害临近爆发前的特征信息，提前预报地质灾害的发生和发展趋势，准确发出预警信息，以便采取有效防灾避险措施。崩塌、滑坡、泥石流等地质灾害常与极端气候诸如降雨、地球活动，以及地震等突发事件紧密联系。相较于地震预报，降雨预报具有更强的可操作性。美国[50]、日本[51]、波多黎各[52]、意大利[53]等国很早就已陆续开展对降雨型滑坡的实时预报。在国内，四川雅安[54]、浙江省[55]、三峡库区[56]也都建立了各种形式的降雨滑坡预报系统。针对地震滑坡，许多国内外学者也初步建立了一些预测模型，大部分是利用地震参数的位移判别法[57]。

对极端气候、地震等突发事件诱发的地质灾害进行预测，是未来的研究重点与难点。但由于尚缺乏对气象数据与地灾信息进行综合处理的手段，使得对于极端气候导致的地质灾害规律尚缺乏深入的研究。同时，对深地科学问题与地质灾害发生之间的诸多规律尚不明晰，地球活动导致的诸如地震滑坡等地质灾害的产生机理还存在许多未知之处，使得对区域范围内地球活动导致的地质灾害的监测预警十分困难。

1.3 深地科学探索与地灾防控发展态势

纵观国际深地科学探索的发展历程，以地球内部构造与行为规律研究为核心贯穿始终。从早期大陆漂移假说的提出，到国际海洋科学钻探的兴起进而验证海底扩展、建立板块构造理论，到后来实施大陆科学钻探开展深地信息观测，再到建设深地实验室进行深地前沿科学问题探索，对于地球结构及演变机制研究从假说已发展成理论乃至一门科学。近年来，随着人类在地质灾害防控、深部工程安全及深地前沿科学等领域的需求日益增强，可预见深地科学探索在未来较长一段时间内仍会围绕“地球结构及行为规律透明化”这一核心主题深入发展，全面建设深地实验室进行深地科学基础规律探索将成为世界各国深地科学研究的必然趋势，而深部地球信息的长周期、高精度、大规模、立体化观测与解译分析将会是解决这些深部地球重大科学问题的重要手段。

在地质灾害防控发展方面，通过系统调研，中国地质灾害的总体分布与发育规律现已逐渐明晰，相应的管理信息系统和监测预警系统已经初步建立，以应急管理部为主的应急管理领导体系正在逐步完善中。通过大量研究工作，已积累了海量的地灾监测信息，发展了一系列风险评估分析方法与理论模型，形成了一些地质灾害防控预警技术体系，为深入研究地质灾害及灾害链的形成、发展与防治奠定了坚实的基础。但目前对于许多地质灾害孕育机制的认识仍不够全面，地质灾害的深源诱发机制尚不明确，多源异质地质灾害信息的精准获取、高效处理与综合分析仍存在较大困难。致使地质灾害的早期识别、监测预警、风险评估、全过程防治工作存在许多困难。基于“深地-地表”多源信息的立体化监测，结合互联网、大数据技术构建地质灾害的智能管理、分析、预警、防控、应急响应体系将会是未来很长一段时间的发展趋势与研究方向。

地质灾害本质上是地球内部动力作用的结果，而深地科学是实现地球内部构造与演变规律透明化的关键手段，二者关系密切。因此，面向全球重大战略科技需求，聚焦深地科学探索与地质灾害防控的发展及态势，从地表现象溯源到地球深部再横向扩展到区域开展深地科学与地质灾害“深地-地表”立体化联动探索将会是解决深地科学、地灾防控领域重大科学难题的有效途径。

2 深地科学与地灾防控“深地-地表”联动内涵与科学问题

国内外研究综述表明，当前深地科学基础规律的研究尚不明晰，对重大地质灾害孕育机理的认识尚不清楚，根源在于传统的浅表监测测深通常在200 m以浅，存在信号衰减变异、科学采集受限等短板，只能获取地球外部结构演变信息。其核心关键科学问题是如何准确认知地球科学基础规律及地球深部过程与浅表层过程的耦合关系。然而，深地科学探索与地质灾害防控广泛涉及岩石力学、地质学、地理学、大气科学、海洋科学、地球化学、地球物理学等大量科学领域，既有广布的实验平台之间仍缺乏充分联动，所获取的地球科学与地质参数种类庞大，单纯的“点对点”式参数互联方式已难以满足地球复杂的系统分析。因此，研究团队首次提出深地科学与地质灾害“深地-地表”联动探索学术思想，深入理解深地科学与地质灾害内在联系，进行深地科学与地质灾害领域的超前战略谋划；以“平台区块-空间纵深-时间历程-数据挖掘”四大模块联动为核心，突破深地科学与地质灾害研究不明晰、认识不清楚的难题，该联动探索技术路线如图2所示。

图2 深地科学与地质灾害“深地-地表”联动技术路线图Fig.2 “Deep earth-surface” linkage technology roadmap of deep earth science and geo disaster prevention and control

1）“深地-地表”平台区块联动体系。针对现有深地科学与地质灾害监测台站相互独立运行的现状，创新引入区块链技术，实现锦屏地下实验室、川藏铁路等四川独有的深地观测平台及大量现有地表监测台站联动，组建跨学科、多区域的“深地-地表”立体智联区块链监测网，实现平台间数据实时共享、有机交互及多元联动，为后续时空互联及数据挖掘提供坚实基础。

2）“深地-地表”空间纵深联动体系。针对传统地球科学与地质灾害监测难以考虑深度效应的难题，创新考虑不同深度“原位赋存环境→原位岩石特性→工程耐久性→地质灾害行为”差异性联动规律，科学解译不同深度地质构造活动的物质基础、力学机理与演化趋势，实现不同深度区域的“点→面→体”地球信息与重大地质灾害立体联动监测。

3）“深地-地表时间历程联动体系。面向深部环境及地灾演化规律预测及深部工程长期安全评估的重大科技需求，构建深地科学与地质灾害“历史—当前—未来”时间联动分析主轴，采用深地长时观测的方法探索长期内外动力地质相互作用过程与地灾形成机理，创新关联地球“板块历史运动-古地质-古气候”、深地工程灾害“历史演变-实时监测”、地质灾害“活跃历程-实时监控”，实现深部科学规律及重大地质灾害的长时域科学认知与准确评估。

4）“深地-地表”数据挖掘联动体系。针对当前深地科学研究、深地工程安全预测及地质灾害防治仍存在大量黑箱问题亟待解决的现状，基于“平台区块-空间纵深-时间历程”三大模块联动结果，创新引入机器学习与人工智能等技术，实现海量数据信息智慧挖掘与解译、地球深部科学规律及工程稳定性联动分析与反馈、重大地质灾害孕育机制及链生灾害智能预判与防控。

据此，依托既有的深地科学和深部工程示范基地，以全国不同赋存深度地质体为研究服务主体，以时效影响下地质构造的时空演化规律为核心，利用数据挖掘，从不同类型、不同参数、不同区位和不同监测时长的全国各大监测台站实时监控数据出发，创新引入机器学习与人工智能等技术，构建深地科学大数据库，分析复杂地质条件下深地科学规律及深部工程稳定性；基于全国各大地质地貌监测站数据，构建地灾风险及其链生灾害风险智能识别平台。从而，充分关联中国广布的地表灾害信息监测群及纵深的深地科学及工程示范基地，结合“平台区块-空间纵深-时间历程”三大联动模块基础，以“数据挖掘联动”为智囊中枢，系统形成“深地-地表”4维联动探索平台战略框架。采用“深部工程（点）+重点区域（面）+不同赋存深度（体）+时间”的4维思路，全面构建深地科学规律及重大地质灾害孕灾机制战略研究体系，打造基于典型深部工程的“深地-地表”联动科学研究平台、基于区块链大数据技术的“深地-地表”智慧中心、“深地-地表”联动探测大科学系统等标杆性研究平台，服务全国乃至全球的深地科学前沿探索、深地工程的安全与长期稳定性、重大地质灾害预警与防控。

3 深地科学与地灾防控“深地-地表”联动技术体系展望

当前，全球自然灾害频发，城市化问题等日益突出，既有科学研究已难以满足日益增长的深地科学前沿及地质灾害防控的重大需求。据此，面向深地科学前沿、典型频发重大地质灾害问题及深地科学与地质灾害防控战略需求，率先提出深地科学与地质防控“深地-地表”联动战略体系。通过基于典型深部工程的“深地-地表”联动科学研究平台，充分关联中国广布的地表灾害信息监测群及纵深的深地科学实验室、矿区、深地工程示范基地，借助区块链大数据技术建设“深地-地表”智慧中心，统筹不同区域、不同类型、不同深度的研究平台，最终在此基础之上，以“深地-地表”联动为核心，建设“深地-地表”地灾防控联动探测大科学系统，全面构建深地科学规律及重大地质灾害孕灾机制战略研究体系，助力中国领跑世界深地科学和地质灾害的相关领域研究。

3.1 基于典型深部工程的“深地-地表”联动科学研究平台

基于典型深部工程的“深地-地表”联动科学研究平台，重点体现“深地-地表”平台区块联动、“深地-地表”空间纵深联动的科学思维。

1）深部工程原位平台

目前，美国、加拿大、日本等国依托已建地下实验室，积极开展深地科学规律探索，取得了一系列创新性研究成果；中国深地科学领域相关研究才刚刚起步。四川省拥有的世界上埋深最深（2 400 m）的极深地下实验室—中国锦屏地下实验室在深地科学与地质灾害防控领域具有重要战略地位，其具备得天独厚的低本底、低扰动、低噪音深地优势条件，可成为深地科学探索的先行点。其次，锦屏极深地下洞室群的不同赋存深度条件，为深地科学与地质灾害“地表-深地”联动科学研究提供绝佳的实验场所，可促使锦屏地下实验室成为“地表-深地”联动科学研究的关键点。

除深地实验室外，中国在不同区域、不同深度上拥有诸多可供“深地-地表”联动科学研究的矿区。夹皮沟黄金矿（最大埋深近1 500 m，为全国黄金矿山开采深度之最）是国家黄金生产重要矿山之一。四川大学与中国黄金集团夹皮沟矿业有限公司已经达成战略合作协议，依托夹皮沟黄金矿创新共建“深地-地表”联合形式的世界一流深地科学研究基地。平煤集团（最大开采深度近1 100 m）是全国重要的能源基地之一，其深部开采条件为不同赋存深度原位岩体力学、深部资源开采等战略探索提供了重要的工程研究平台。

深地科学研究方面，中国成功完成大陆科学钻井松科二井（7 018 m）的建设，该钻井成为亚洲国家实施的最深大陆科学钻井和国际大陆科学钻探计划（ICDP）成立22年来实施的最深钻井。2008年5月12日四川汶川发生里氏震级8.0级特大地震后，为进一步探索深部地震机制成因，探索地震发生发展规律，中国陆续开展了汶川地区科研钻井WFSD1～4号钻孔，并确定了汶川特大地震主滑动面的确切位置，发现了流体异常与余震有关，提出了龙门山彭灌杂岩为推覆体的新观点。

如今，中国仍有大量的在建工程可以被建设成为深地工程平台，如川藏铁路、雅江下游水电开发等，这些深地工程可为“深地-地表”联动科学研究提供宝贵的深部原位岩芯及不同赋存深度的科学规律探索、地灾机理溯源的研究平台。

2）“深地-地表”联动科学研究平台

基于上述深部原位工程平台，充分利用深地原位环境特征与不同赋存深度的现场条件，可实现地球信息深地观测与深地原位岩体力学探索，结合地表观测数据与表征变化，建设基于典型深部工程的“深地-地表”联动科学研究平台。

地球信息观测对于认识和了解地球的过去、现在和将来都具有重要意义。然而，现有地球信息获取主要是通过大地测量学的理论和手段，在地表、太空或深海开展测试分析，相关监测存在地表形态和环境因素干扰，对地球信息观测结果的准确性产生了一定影响。地球信息深地观测可为高精度观测仪器提供理想的低扰环境条件，从而长时间准确获取第一手地球信息。因此，拟依托深地实验室、各深度矿区与科学钻探井的低本底、低扰动、低噪音的优势条件，建立地球信息深地观测中心，聆听来自地球的声音。这可为全球地球科学研究提供有价值的深部观测数据，并对于精确了解地球内部结构和演化过程，校对现有地球信息观测数据结果均具有不可替代的巨大作用。同时，地球信息深地观测中心能够为地质灾害研究提供独特的监测平台，基于精准获取的深地地层结构、构造活动等信息深入探索地质灾害的形成机制和演化趋势。此外，相关探索还可助力深地工程的稳定、安全研究，保证各深地工程长期安全稳定运行。通过查阅大量资料与全面系统调研，凝练了“深地-地表”联动科学研究平台中地球信息深地观测中心的四大观测项目：①固体潮深地观测；②环境振动及噪声深地观测；③地球电磁场深地观测；④地温深地观测。

深地空间利用与资源开发所涉及的深部工程长时稳定性研究的共性科学基础为深地岩体力学。然而，现有岩体力学理论已滞后于人类深部地下工程实践活动，导致实践中普遍存在着不确定性和低效性，迫切需要从根源上深入开展深地原位岩体力学研究，从而建立“深部原位岩体力学”新理论。由于深部赋存环境的复杂性、深部岩体原位力学行为的不确定性及深部工程扰动效应的显著性，深部围岩长时稳定性研究存在着诸多不清楚：深部工程全生命周期围岩应力变形调整机制不清楚；深部工程全生命周期围岩力学行为监测技术适用性与耐久性不清楚；深部工程全生命周期围岩支护理论与技术的适用性不清楚；赋存环境及扰动方式对深部围岩长时力学性质的影响机制不清楚；深部工程全生命周期稳定性信息解译、评价与调控机理不清楚。因此，为解决上述不清楚，以“原位监测”和“不同深度”为突破口，构建深地原位岩体力学研究战略体系，重点探索“深部原位岩体力学”新理论，提出深部工程长时稳定性三大重要方向：①深部岩体长期力学行为探索；②深部岩体多场耦合力学行为及可视化；③深部岩体稳定性信息智能化解译、评价与调控研究。

3.2 基于区块链大数据技术的“深地-地表”智慧中心

随着信息时代的到来，当前世界正在经历一场革命性的变化，正在全球展开的信息技术革命，正以前所未有的方式对社会变革的方向起着决定作用。深地科学与地质灾害防控科学作为新兴学科与传统学科的结合战略领域，如何将学科特色与信息技术相融合，将成为学科发展道路上不可避免的难题。面对深地科学与地质灾害中所涉及的庞大数据群，区块链与大数据作为信息处理前沿技术，能够为学科建立系统、完整的数据信息网络。研究团队提出构建深地科学与地质灾害区块链大数据智慧平台，以期实现深地科学信息化、深地规律科普化与地灾防控大众化。基于区块链大数据技术的“深地-地表”智慧中心，重点体现“深地-地表”平台区块联动、“深地-地表”数据挖掘联动的科学思维。

采用知识图谱技术实现领域知识地图，提出“深地-地表”智慧中心建设基本框架—“一平台五库一应用”，形成深地科学与地质灾害“大数据仓库”和“大数据高地”建设战略架构。“五库”指深部原位保真取芯与保真测试分析区块链系统与大数据库、深部岩石信息区块链系统与大数据库、深地工程区块链系统与大数据库、深地交叉科学区块链系统与大数据库、地质灾害区块链系统与大数据库；“一应用”指深地科学与地质灾害区块链大数据智能分析应用。“五库”与“一应用”协同工作、各司其职，共同构成“深地-地表”智慧中心（图3）。

图3 “深地-地表”智慧中心系统构成Fig.3 Composition of “deep earth-surface” intelligence center system

该智慧中心拟创新引入“区块链+大数据”技术，在国际上率先建设可实现跨深度、跨区域、长时域、集群式的“深地-地表”智慧中心，形成一套基于区块链、大数据技术且具备高精度、智能化水平的深地科学与地质灾害防控智能分析系统。利用区块链的分布式存储技术及其可溯源性、不可篡改性，以实现多层级部门或单位的深地科学与地质灾害多源信息的实时上传与共享，使各深地相关单位均存储所有节点数据，同时保证“链上”数据客观可靠；可联合应急管理厅、地调局、气象局、地震局、水务局、水土保持局、测绘局及各高校科研单位，同时将重点深地工程研究平台作为区块链关键节点，共享所有“深地-地表”数据（图4）。

图4 分布式存储、点对点传输的深地科学与地质灾害区块链信息网络Fig.4 Distributed storage，point-to-point transmission of deep earth science and geo disaster block chain information network

基于大数据技术对“深地-地表”中海量岩石、工程、灾害信息数据进行可视化分析、数据挖掘及智能分析，可以为深地科学规律探索、深地实验数据处理、深地-地表联动战略探索、地质信息更新发布、地质灾害预警与防控等提供支撑并相互反馈，使智慧中心从多角度、多方面地为深地科学与地质灾害领域服务。

3.3 “深地-地表”地灾防控联动探测大科学系统

依托第3.1与3.2节的基于典型深部工程的“深地-地表”联动科学研究平台与基于区块链大数据技术的“深地-地表”智慧中心，可实现对目前人类可触及到的最大深度进行多层次、多区位的深地科学与地灾防控联动研究。一方面，推动国家深地科学领域前沿性、开创性探索，取得在深地领域的国际话语权；另一方面，服务于地震、地质灾害形成机制及演化趋势的研究，助力全国范围的地震、地质灾害防控。但面向未来，当人类再往深部走时，在目前无法企及的深度下，以现有技术无法获得原位岩芯，无法进行原位实验，缺乏实验平台模拟原位实验条件。因此，研究团队提出“深地-地表”地灾防控联动探测大科学系统的创新构思与战略规划（图5），旨在结合第3.1与3.2节中的深部工程原位平台与智慧中心，同时加以深部原位环境模拟设施，实现在地球深部人类可以涉及的深度下进行原位监测、原位取芯及现场实验，对人类无法涉及的深度（如万米以深）进行原位环境模拟，进行先导性、创新性研究，指导深地科学前沿探索、地质灾害机理深部溯源与深地工程建设。“深地-地表”地灾防控联动探测大科学系统重点体现“深地-地表”空间纵深联动、“深地-地表”数据挖掘联动的科学思维。

图5 “深地-地表”地灾防控联动探测大科学系统示意图Fig.5 Schematic diagram of the large-scale scientific system for the linkage detection of deep earth and surface disaster prevention and control

“深地-地表”地灾防控联动探测大科学系统的主体部分规划由三大系统构成：深地环境原位试验系统、深地-地表环境模拟实验系统及深地-地表大数据智慧系统，从而实现深地环境的原位观测和原位活体样本获取，并再现地表-地下万米不同深度耦合环境特征及演变过程，为深地环境科学规律研究提供重要平台基础，为深部能源资源开发、深地空间利用、地震灾害防控等深部重大工程，以及深地医学、深地农学、深地药学等深地交叉科学探索提供极限研究技术手段。

系统1“深地环境原位实验系统”建立在第3.1节中“深地-地表”联动科学研究平台的研究基础之上，包括3个子系统：原位保真取芯舱获取万米级保真岩芯、移动式原位观测站听诊地球万米深度物理灾害信息、原位空间舱为深地交叉科学研究提供原位实验空间。

系统2“深地-地表环境模拟实验系统”创新探索不同深度“原位赋存环境→原位岩石特性→工程耐久性→地质灾害行为”差异性联动规律，同时针对深层非常规油气资源开发、地质灾害深部溯源、深部工程安全等领域，提供万米深度极端环境模拟实验条件，从模拟实验角度，科学解译不同深度地质构造活动的物质基础、力学机理与演化趋势。

系统3“深地-地表大数据智慧系统”建立在第3.2节中“深地-地表”智慧中心的研究基础之上，以“深地-地表”地灾防控联动探测大科学系统为中心辐射至全国多个深地工程、科学钻探工程及实验现场，解决现有深地科学与地质灾害监测台站各自独立运行的现状，组建跨学科、多区域的“深地-地表”立体智联区块链监测网，实现平台间数据实时共享、有机交互及多元联动。

4 结 语

21世纪的深地科学进入了新的发展阶段，从对各领域相对孤立的探索转而强调地球深部与地球浅表各部分之间的内在联系，达成了地球运行的源动力来自地球内部，地球内部作用控制了表层系统演变的共识。深地科学与地灾防控“深地-地表”联动战略体系旨在解决如何准确认知地球科学基础规律及地球深部过程与浅表层过程的耦合关系这一核心科学问题。

据此，贯彻“深地-地表”平台区块联动、“深地-地表”空间纵深联动、“深地-地表”时间历程联动、“深地-地表”数据挖掘联动的科学内涵，提出3个“从0到1”的大科学研究战略：

1）依托既有的深地科学和深部工程示范基地，以全国不同赋存深度地质体为研究服务主体，以时效影响下地质构造的时空演化规律为核心，建立基于典型深部工程的“深地-地表”联动科学研究平台。

2）引入区块链与大数据技术，从不同类型、不同参数、不同区位和不同监测时长的全国各大监测台站实时监控数据出发，实现多层级部门或单位的深地科学与地质灾害多源信息的实时上传与共享，使各深地相关单位均存储所有节点数据，建立基于区块链大数据技术的“深地-地表”智慧中心。

3）提出“深地-地表”地灾防控联动探测大科学系统的创新构思与战略规划，充分关联中国广布的地表灾害信息监测群及纵深的深地科学与工程示范基地，实现在地球深部人类可以涉及的深度下进行原位监测、原位取芯及现场实验，对人类无法涉及的深度（如万米以深）进行原位环境模拟，进行先导性与创新性研究与探索，服务全国乃至全球的深地科学前沿探索、深地工程的安全与长期稳定性、重大地质灾害预警与防控。