深地探索为什么重要
王成善
地球是浩渺宇宙中人类的唯一家园，其深部蕴藏着丰富的能源与矿产资源，构成支撑经济社会发展的坚实基础。同时，地球深部地质活动是地震、火山喷发等自然灾害产生的根源。加强对地球深部的探测和研究，对于保障国家能源资源安全与人民群众生命财产安全，具有重要的战略意义。
一、深地探索经历了怎样的历程
19世纪60年代，法国作家儒勒·凡尔纳的科幻小说《地心游记》中描绘了一个充满熔岩、火焰与奇观的地下世界，引领读者踏上新奇的“地心之旅”。如今，人类对地球内部的了解早已超越科幻的想象。随着科学技术的不断进步，人类凭借探测、钻探、观测、模拟实验等一系列科学手段，逐步揭开地球深部的神秘面纱。
深地探测，透视地球。地球物理探测是人类“透视”地球的主要手段，主要通过地震波、电磁场、重力场和地磁场等探测对地球内部进行间接研究。20世纪初，通过记录地震波在地球内部的传播路径与速度变化，科学家们成功解析了地壳、地幔、地核的大致分层结构。随着技术的飞速发展，地球物理探测手段日益丰富和精确。通过计算机的处理分析，地球物理探测数据可以转换成反映地球深部结构的高分辨率图像，例如地震层析成像技术，这一过程就如同给人体做CT（电子计算机断层扫描）。
过去，我国在地球物理深部探测领域长期处于相对落后状态。为解决这一问题，我国于2008年、2016年先后启动地球深部探测专项、深地资源勘查开采国家重点研发计划专项。在重大项目持续推动和无数科研工作者不懈努力下，我国迅速缩小了与国际先进水平的差距，已成为拥有完备深部探测技术体系的国家。
深地钻探，洞见地球。科学钻探是人类获取地球深部物质和了解地球内部信息最直接、最有效、最可靠的方法。20世纪五六十年代，人类率先在海洋开展科学钻探，通过深度较浅的钻孔广泛获取岩芯和沉积物样品，为验证大陆漂移与板块构造理论提供了科学依据，极大地拓宽了人类的认知边界。随后，一系列影响深远的大陆科学钻探计划项目不断实施。目前，人类钻探地球的垂深极限由苏联在科拉半岛实施的科拉超深钻保持，其深度为12262米。然而，与地球平均半径6371千米相比，这一深度仅触及地球表层的0.2%，仅仅是地心之旅的“万里长征第一步”。
在国际大洋钻探计划实施过程中，我国作为参与国积累了宝贵经验；而在国际大陆钻探计划中，我国已成为发起国之一。1996年，我国与美国、德国共同发起国际大陆科学钻探计划。该计划启动以来，我国已完成多项重大科学钻探工程，包括位于江苏东海的中国大陆科学钻探、青海湖科学钻探、松辽盆地科学钻探等。这些工程不仅取得一系列科学研究的重大突破，而且推动国内钻探相关技术革新与装备水平提升。
深地观测，感知地球。深地观测是利用地球物理方法和地球化学方法等直接观测深部地下结构、形态和物质组成，从而“感知”地球深部变化的重要方法。钻探开辟的深井为部署精密仪器提供了窗口，使其能够接近地震和火山孕育的深部区域，对地球重力场、磁场、电场、地震波、应力状态及温度，甚至深部地下生物圈等变化开展实时、连续且持久的观测。
随着科学技术的不断进步，人类凭借探测、钻探、观测、模拟实验等一系列科学手段，逐步揭开地球深部的神秘面纱。图为2025-08-04，游客在南京地质博物馆内的地球内部构造模型前参观。 人民图片 刘建华/摄
目前我国正积极筹备构建覆盖地下深部的四维观测系统，旨在从根源上揭示灾害孕育与发生的深层次过程，有针对性地提升我国对自然灾害的监测预警能力。
高温高压实验，模拟地球深部。地心是目前人类向往却难以到达的地方，但高温高压实验如同一把打开地心之门的钥匙，使人类在实验室内模拟地心环境成为可能。
1993年，科学家们成功模拟出核幔边界的温度，迈出了地心探索之旅里程碑式的一步。2010年，科学家们已能在实验室模拟出与地心相近的温压条件。令人骄傲的是，中国科学家率先完成了地核温压条件的模拟实验。未来，高温高压实验有望给人们带来更多的惊喜和颠覆性发现。
二、深地探索有哪些科学发现
近百年来，科学家们通过不断解读地球深部岩石中记录的地球历史档案和解译来自地球深部的地球物理图像，在圈层结构划分、板块运动及其作用、深地生命等领域取得突破性发现。
地球圈层结构的划分。地球由外部圈层和内部圈层构成。外部圈层包括水圈、生物圈和大气圈；内部圈层由地壳、地幔和地核组成。地壳是地球固体圈层的最外层，由岩石组成，是岩石圈的重要组成部分。地幔分为上地幔和下地幔，上地幔的顶部和地壳组成了岩石圈，岩石圈之下为软流圈。这种圈层构造使得地球的板块能够在软流圈上漂浮并移动。地核是地球的“心脏”，是地磁场的发源地，也是驱动地球运行的引擎。地核分为液态的外核和固态的内核，外核的流动使地球产生地磁场。这个地磁场能够有效屏蔽太阳风和宇宙射线，对地球生物起到重要保护作用。地球圈层结构的发现促进了地质学和地球物理学的深入发展，使人们能够更准确地理解地球内部的物理状态和化学组成，有助于科学家更好地预测和解释自然灾害。
板块运动及其作用。板块构造理论是20世纪自然科学重要成就之一。这一理论认为，地球表面的岩石圈并不是“铁板一块”，而是由多个板块组成，这些板块在软流圈之上漂移，导致地壳的俯冲和新生。板块运动会自地壳而下影响核幔边界，核幔圈层通过热柱的上升也会影响地壳。热柱上升形成地幔柱构造，表现为地表大规模的火山活动。
地球的板块运动还起着“地质空调”的作用，这也是地球能够产生生命的重要原因之一。大气圈如同一层被子盖到地球上，来保持地球的“体温”。但是只有被子是不行的，起到关键作用的是大气里的二氧化碳浓度。当二氧化碳浓度过高时，地表温度也会升高；若二氧化碳浓度降低，地表温度也将随之下降。大气圈和水圈的二氧化碳会变成沉积物沉积到海底，之后变成岩石，这是“回收”大气中二氧化碳的过程。这些岩石通过板块运动俯冲到地下，然后通过火山作用回到大气圈里，这是“支出”。一收一支，保持了大气圈这层被子的二氧化碳浓度，使地球保持适宜的温度。
深地生物的探索发现。20世纪70年代，人类通过对深海海底的观测发现，在幽深莫测、达数千米之深的海底，存在着不依赖光合作用维持生命的奇特生物群。其中不仅有各种植物，还有螺类、螃蟹、虾等丰富多样的动物。在固体地下几十米、几百米甚至几千米的环境中，存在着一个以微生物为主的深部地下生物圈，据估算，其生物总量可达到地球表面生物量的十分之一。然而，对于这个深藏于地下的生物圈，人类的了解程度还极为有限。按照地球的地温梯度，以每向下100米增温约3摄氏度计算，3000米深处的温度已逼近100摄氏度，处于这样的高温加上高压与缺氧环境中的地下微生物圈，近似地球早期生命形态的缩影。通过研究它们，我们仿佛能穿越时空，间接探索地球生命起源的秘密。
三、深地资源如何开发利用
深地资源的开发利用，对于满足人类发展过程中日益增长的资源和能源需求，拓展人类生存空间等具有重大意义。
深地矿物资源的开采使用。从当前的技术储备和发展需求看，深地正成为寻找矿物资源新的战略高地。例如，新能源汽车的兴起使锂、钴、镍、石墨、稀土、铂等关键矿产资源的需求大幅增加，深地矿物资源的开采能够有效满足这一需求。再如，以前制造“大哥大”手机只需用到约30种化学元素，现今的智能手机却使用了70多种化学元素。信息技术产业、航天航空、轨道交通、新材料等领域对元素的需求日益广泛，从这个意义上来讲，人类已经进入元素周期表的“全元素使用”时代，对深地矿物资源的开发利用更为必要。人类所需要的资源在地下深部1万米以内都有可能分布。如果开采深度能够达到地下2000米，我国的固体资源供给量将在现有基础上翻倍。
此外，深地中的地热资源正日益成为未来能源研究的重点方向。地热能是一种储量丰富、分布较广、稳定可靠的可再生能源，如果把地热能置换出来用于发电，这就是零碳的能源，可以替代甚至取代现在的化石能源。除了用来发电，地热还可用于温泉疗养、供暖制冷、农业养殖等领域。
深部空间的建设与探索。向深部拓展空间是城市发展和深地应用的重要方向之一。不少发达国家在大都市的建设过程中，对地下空间的开发利用已取得显著进展。以日本、新加坡为例，其地下空间利用深度已达到200米。
地下空间不仅能够为城市建设所用，同样也能助力科学研究。例如，江门中微子实验探测器主体在地下700米深处建成，在一系列前沿技术领域取得突破；中国锦屏地下实验室位于地下2000多米，自2010年建成投用以来，已有来自清华大学、上海交通大学等高校和科研院所的10余个实验项目组入驻，取得了近50项国际领先的科研成果，目前已有暗物质、中微子、核天体物理、岩石力学、引力波、深地医学、量子计算等前沿基础科学研究在此进行。
此外，地下岩石遍布着微小的孔隙，捕获的大气二氧化碳可以输入到地下的孔隙中，实现长期的封存。二氧化碳地质封存是通过工程技术手段将捕集的二氧化碳注入地下的深部咸水层、枯竭油气藏等地质体中，通过构造地层封存等方式实现二氧化碳与大气长期隔绝的过程。这是降低温室气体含量、缓解温室效应的重要手段之一，也是实现碳中和目标的一个重要途径。
四、深地探索为何前景广阔
挺进地球深部，每一米都是对未知的挑战，每一寸都是向极限的突破。2010年，联合国“国际行星地球年”将地球深部列为地球科学的最后前沿。许多发达国家已将深地科学与探测技术作为优先部署的国家战略。
党的十八大以来，我国在深地领域取得一系列令人瞩目的成就。在关键核心技术攻关与重大装备研制方面，具备1.1万米最大钻深能力的“梦想”号大洋钻探船正式入列。深地钻探不断刷新纪录：2018年5月，松科二井顺利完钻，井深达7018米，成为当时亚洲国家实施的最深大陆科学钻井，也是国际大陆科学钻探计划项目实施20多年完成的最深钻井；2025年2月，我国首口超万米科探井——深地塔科1井成功钻至地下10910米，成为亚洲第一、世界第二垂深井，并创造了全球陆上钻井突破万米“最快”、亚洲陆上取岩芯“最深”等多项工程纪录。新一轮找矿突破战略行动也取得显著成效，新发现10个亿吨级油田、19个千亿方级气田，探获10个大型铀矿床。
近年来，“十四五”深地国家重大科技专项顺利实施，“深时数字地球”国际大科学计划启动实施，“战略性矿产资源开发利用”重点研发专项完成任务部署，能源和矿产资源有关全国重点实验室获批建设，地质矿产领域战略科技力量布局显著优化。我国深地科学探索与资源开发利用前景广阔，将为保障国家能源资源安全、推动科技进步和经济社会发展作出更大贡献。
作者：中国科学院院士，中国地质大学（北京）教授
