美國當(dāng)?shù)貢r間2013年12月9日11:30，舊金山Moscone會展中心，中國深部探測技術(shù)與實驗專項（SinoProbe）首席科學(xué)家董樹文和他的伙伴們站在了美國地球物理學(xué)會（AGU）年會新聞中心的主席臺上。
在這場題為《SinoProbe：一個前所未有的洞察地球最大大陸內(nèi)部的科學(xué)計劃》的新聞發(fā)布會上，SinoProbe研究團(tuán)隊?wèi)?yīng)邀發(fā)布SinoProbe的當(dāng)前進(jìn)展情況和對未來的展望。
“這是AGU第一次為中國科研項目舉行專場新聞發(fā)布會?！盇GU公眾新聞部主任Peter Weiss表示。
一年一度的AGU秋季大會，是全球規(guī)模最大、層次最高的地球科學(xué)大會。今年，大會的注冊人數(shù)達(dá)到了24000人。
“中國的SinoProbe在某些方面已經(jīng)超過了美國?！盨inoProbe的合作伙伴、美國斯坦福大學(xué)教授Simon Kelemberer此語一出，便震驚了在座的美國科學(xué)記者。AGU會員通訊雜志的記者一再追問：“SinoProbe在哪些方面、哪些技術(shù)超過了美國？”
在赴美之前，董樹文就對《科學(xué)新聞》記者表示：“SinoProbe的實施，使我國真正進(jìn)入到了世界深部探測大國的行列?！?/font>
其實，與世界其他大國相比，中國的深部探測起步較晚?？v觀世界各國，無論是從上世紀(jì)五六十年代開始的美蘇兩國，還是到七八十年代以后的英國、德國、意大利、瑞士、加拿大和澳大利亞，無一不陸續(xù)實施了對地球深部探測的重大計劃，并取得了豐碩的成果。直到今天，這場對地心的爭奪戰(zhàn)從未停止過。
美蘇的較量
位于俄羅斯西北端、瀕臨巴倫支海和白海的科拉半島，大部分地區(qū)處于北極圈內(nèi)。除了終年不凍港摩爾曼斯克和豐富的礦藏資源外，這里還與前蘇聯(lián)一項重大工程有關(guān)。
這項至今看來仍然有些神秘色彩的工程，位于摩爾曼斯克州扎波利亞爾內(nèi)市10公里外的貝辰加地區(qū)。由于地處科拉半島，人們將其稱之為“科拉超深鉆井”。
科拉超深鉆井被普遍認(rèn)為是冷戰(zhàn)時期美蘇兩國在深部探測領(lǐng)域相互競爭的結(jié)果，而競爭目標(biāo)是先于對方抵達(dá)地殼與地幔之間的界面——莫霍洛維奇不連續(xù)面，簡稱莫霍面。
1961年，美國開始實施“莫霍計劃”，在加利福尼亞灣附近地區(qū)鉆井。一年后，前蘇聯(lián)地質(zhì)部和前蘇聯(lián)科學(xué)院也提出了本國的“莫霍鉆探計劃”，目的是研究莫霍面和地下貴重礦石的形成過程。
該計劃交由“地球內(nèi)部與超深鉆井研究跨部門科學(xué)委員會”負(fù)責(zé)，由前蘇聯(lián)地質(zhì)部長艾弗杰尼·柯茲洛夫斯基直接領(lǐng)導(dǎo)，只有少數(shù)科學(xué)家能夠參與進(jìn)來。
《地球科學(xué)》一書的作者Dean Dunn認(rèn)為，前蘇聯(lián)之所以制定出自己的“莫霍面計劃”，是“1960年到1962年間太空競賽期間經(jīng)濟(jì)利益與國家自信心相結(jié)合”的結(jié)果。
科拉超深鉆井作為該計劃的重要一環(huán)，一直處于密不透風(fēng)的狀態(tài)。雖然艾弗杰尼·柯茲洛夫斯基在上世紀(jì)80年代編著了《科拉超深鉆井》一書，披露了該鉆井的一些情況，但人們始終認(rèn)為這里還隱藏了許多重要的信息。
直到美國《連線》雜志2008年公布了科拉超深鉆井的10張照片，才讓人們對這個“世界上最深的鉆孔”有了更為直觀的認(rèn)識。
照片中，一座淺灰色的高塔矗立在雪跡斑駁的廣袤荒原上，周圍還有幾片低矮的廠房。廠房內(nèi)部充滿了大型號的金屬管道，戴著頭盔的工人在對鉆頭進(jìn)行著操作。而在另一間科技控制室里，一名科研人員正在將從幾公里的地下傳來的數(shù)據(jù)收集在一起。
1966年，美國的“莫霍計劃”由于經(jīng)費(fèi)和技術(shù)等方面的原因宣告終止，而科拉半島的鉆探工作卻一直在進(jìn)行。當(dāng)1994年停止繼續(xù)鉆進(jìn)時，科拉超深鉆井的深度已經(jīng)達(dá)到了12262米，這個記錄至今未能被打破。
雖然在陸地超深鉆井方面美國較前蘇聯(lián)略遜一籌，但在此期間，美國在海洋的深部探測還是引起了世界的關(guān)注。
1968年，美國實施的“深海鉆探計劃”中的核心裝備“格洛瑪·挑戰(zhàn)者”號探測船揚(yáng)帆起航。1975年，由于聯(lián)邦德國、日本、英國、前蘇聯(lián)和法國的加入，該計劃變成了一個國際范圍的項目。
資源探測是推手
美蘇兩國對地球深部的探索發(fā)生于冷戰(zhàn)期間，常被認(rèn)為是“意氣之爭”。但從留存的史料來看，兩國對地心的探索同樣基于現(xiàn)實利益的推動。
《科拉超深鉆井》一書的序論這樣寫道：“近年來查明的絕大多數(shù)礦物原料資源都與未出露地表的礦床有關(guān)。因此，研究地殼深部結(jié)構(gòu)具有越來越大的現(xiàn)實意義?！?/font>
而書中列出的科拉超深鉆探四個主要任務(wù)的第一條，便是“研究科拉半島地區(qū)波羅的地盾太古代結(jié)晶基底和含鎳的貝辰加雜巖的深部結(jié)構(gòu)，查明包括成礦作用在內(nèi)的地質(zhì)作用的特點(diǎn)?！?/font>
可見，對礦產(chǎn)資源的探索是前蘇聯(lián)進(jìn)行深部鉆探項目的內(nèi)在驅(qū)動力，而前蘇聯(lián)也確實從中得到了豐厚的回報。
科拉超深鉆井在鉆進(jìn)到4024米時提取了巖心。當(dāng)鉆探深度達(dá)到9500米時，鉆頭沖進(jìn)了一個含有黃金和鉆石的地層。科研人員對取出的巖心進(jìn)行了檢測，發(fā)現(xiàn)該巖層的金含量高達(dá)80克/噸。而一般來說，金礦層只要含金量達(dá)到4克/噸，就已經(jīng)具備了商業(yè)開采的價值。
也許是科拉超深鉆井的發(fā)現(xiàn)讓前蘇聯(lián)人倍受鼓舞。在《科拉超深鉆井》一書中，作者繼續(xù)寫道：“已規(guī)定要大大擴(kuò)大深井鉆進(jìn)和超深鉆進(jìn)的工作量。科拉和薩特雷鉆井將繼續(xù)鉆進(jìn)。安排了秋明、阿納斯塔斯耶夫-特羅伊茨克和烏拉爾超深鉆井的鉆進(jìn)。同時，在第十一個五年計劃期間要開始打六個深鉆井，其中三個（第聶伯-頓涅茨、濱里海、提曼-伯紹拉）位于含油區(qū)，三個（穆龍?zhí)?、諾里爾斯克、克里沃羅格）位于礦區(qū)?！?/font>
由美國首先發(fā)起的“深海鉆探計劃”也同樣不甘示弱，在計劃實施過程中發(fā)現(xiàn)了具有重大現(xiàn)實意義的白堊紀(jì)中期黑色頁巖，而這被認(rèn)為是大西洋沿岸許多重要油田的生油層。
黃金時代
從上世紀(jì)70年代開始，全球進(jìn)入了地球深部探測的黃金時期。以美國大陸反射地震探測計劃（COCORP）為起點(diǎn)，世界主要大國陸續(xù)啟動了國家深部探測重大計劃和工程。
COCORP開始于上世紀(jì)70年代末期，開辟了使用多道地震反射剖面技術(shù)系統(tǒng)探測大陸地殼結(jié)構(gòu)的先河。
在此之前的60～70年代，為了尋找新的油氣資源，深地震反射剖面技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于世界范圍內(nèi)的石油勘探行業(yè)。在此基礎(chǔ)上，COCORP將石油勘探的近垂直反射地震技術(shù)發(fā)展到穿透地殼甚至巖石圈的深地震反射技術(shù)，在深度與精度方面都達(dá)到了前所未有的高度。
計劃實施的過程中，COCORP在美國的30個州共采集了1.1萬公里長的反射剖面。除了首次揭示出北美地殼的精細(xì)結(jié)構(gòu)外，COCORP更是取得了意想不到的收獲——在落基山等造山帶下發(fā)現(xiàn)了一系列油田。而更為重要的是，COCORP的開展引發(fā)了全球各個國家深部探測項目的計劃和實施，開啟了國際深部探測的新紀(jì)元。
上世紀(jì)80年代，國際巖石圈委員會（ILP）發(fā)起了全球地學(xué)斷面計劃（GGT）。該計劃在全球重要的大陸和造山帶完成了對數(shù)十條幾萬公里長的斷面的探測。
1982年，歐洲地球探測計劃（EUROPROBE）開始實施，目的是“更好地了解地殼和地幔的構(gòu)造演化，以及一直以來控制整個演化的動力過程?！?/font>
這個由歐洲各國聯(lián)合開展的重大項目，取得了豐碩的成果，不但完成了橫穿歐洲的地學(xué)斷面，而且通過對阿爾卑斯造山帶的地震反射剖面探測的完成，建立了碰撞造山理論和薄皮構(gòu)造理論，極大地推動了地球物理理論的發(fā)展。
與此同時，歐洲各國也各自實施了國家的深地震反射探測計劃，包括法國（ECORP、3D France）、德國（DEKORP）、英國（BIRPS）、瑞士（NRP20）和意大利（CROP）等。這些探測計劃在不同的方面推動了世界對于地球深部的研究和探索。
1984年，加拿大科學(xué)基金委，地質(zhì)調(diào)查局和一些高等院校的科學(xué)們共同啟動了國家級的巖石圈探測計劃（LITHOPROBE）。
值得一提的是，LITHOPROBE特別重視通過對礦產(chǎn)富集地區(qū)的探測，提供豐富可靠的成礦信息。這種做法增加了投資者的信心，促使很多礦業(yè)公司增加深部探測的投資，使得加拿大一直得以保持世界礦業(yè)大國的地位。
LITHOPROBE首席科學(xué)家Ron Clowes在接受《科學(xué)新聞》記者采訪時表示，地球深部探測的主要意義首先在于對地球的演化過程形成基本的認(rèn)識，探索巖石圈的成分、結(jié)構(gòu)和演化過程。同時也有助于礦產(chǎn)和油氣資源的勘探，加深對地震等地質(zhì)災(zāi)害引發(fā)過程的認(rèn)識，以及研發(fā)適用于化學(xué)、物理、天文學(xué)或生物學(xué)等諸多領(lǐng)域科學(xué)研究的復(fù)雜儀器設(shè)備。
從未止步
“進(jìn)入到新世紀(jì)以來，人們對地球物理領(lǐng)域的研究興趣再一次被激起。”談起當(dāng)前全球深部探測的發(fā)展，美國地質(zhì)調(diào)查局地震科學(xué)中心教授Walter Mooney如是說道。
2000年，在之前實施的四維地球動力學(xué)計劃（AGCRC）的基礎(chǔ)上，澳大利亞聯(lián)邦科學(xué)與工業(yè)研究院提出了新的玻璃地球計劃（GlassEarth），目標(biāo)是使澳大利亞大陸1公里內(nèi)的地殼變得“透明”。
該計劃開展的成礦帶地殼精細(xì)結(jié)構(gòu)探測，為研究成礦理論和資源勘測提供了技術(shù)支撐，并由此在覆蓋層下發(fā)現(xiàn)了奧林匹克壩超大型礦床。六年后，澳大利亞又宣布啟動了澳大利亞大陸結(jié)構(gòu)與演化計劃（AuScope）。
2003年，美國國家科學(xué)基金會（NSF）設(shè)立了地球透鏡計劃（EarthScope），開啟了繼COCORP后的第二輪地球探測。預(yù)算超過200億美元的資金，使得美國再次站到了全球深部探測的領(lǐng)軍位置。
而在遙遠(yuǎn)的科拉半島，雖然更深一步的鉆探被暫時停止，但鉆井主軸依然處在合適的條件下。2007年，俄羅斯科學(xué)院地球物理研究所副主任Yevgeny Rogozhin在接受俄羅斯之聲廣播電臺采訪時稱，仍然有一小部分研究人員留在科拉超深鉆井平臺，對從地殼深處獲取的巖心等進(jìn)行著持續(xù)研究。
而在俄羅斯的其他地區(qū)，一些超級鉆探項目也在實施之中，這使得俄羅斯在資源勘探方面獲得了巨大成就。
在東亞，日本已經(jīng)于2007年啟動了自己的海洋鉆探船“地球號”，希望打穿大洋地殼，直抵巖石圈作為探尋地球深處秘密的突破口。
對人類賴以生存的地球進(jìn)行深入了解的重要性已經(jīng)越來越成為各國的共識。聯(lián)合國將2008年命名為“行星地球年”，呼吁全世界重視地球科學(xué)、保障資源供應(yīng)、保護(hù)生態(tài)環(huán)境、支持脆弱的生命系統(tǒng)。
為此，國際地質(zhì)科學(xué)聯(lián)合會（IUGS）和聯(lián)合國教科文組織（UNESCO）正式提出，要進(jìn)軍我們最后的前沿——地下的物質(zhì)與結(jié)構(gòu)，呼吁強(qiáng)化對地球深部的探測和認(rèn)識。
面對未來，COCORP首席科學(xué)家Larry Brown充滿信心地表示，地球物理的相關(guān)研究將會在資源勘探、研究地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的內(nèi)部機(jī)制，以及建立災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)中發(fā)揮重要作用。
如今，世界對深部探測關(guān)注的目光也轉(zhuǎn)移到了中國。
據(jù)董樹文介紹，在世界深部探測大國中，截至目前美國已經(jīng)完成了6萬公里左右的深反射地震剖面，俄羅斯大概有2.48萬公里，英國是2萬公里，而意大利、德國、澳大利亞均在1萬公里左右。
由于SinoProbe的實施，中國已經(jīng)跨入了國際深部探測的1萬公里俱樂部。在AGU的新聞發(fā)布會上，Simon Kelemberer表示，如果SinoProbe第二階段繼續(xù)執(zhí)行，將全面超過美國和西方國家。
在地殼結(jié)構(gòu)尤其復(fù)雜的中國所獲取的數(shù)據(jù)和信息，不僅對本國地殼結(jié)構(gòu)的認(rèn)知、資源開發(fā)和地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測具有重要意義，更有利于加深國際學(xué)界對整個世界地殼結(jié)構(gòu)的理解。
“我對SinoProbe心懷欽佩和敬意，我真誠地希望在未來的幾十年中，中國科學(xué)家對地球深部的探索能夠繼續(xù)堅持下去，甚至有所拓展。”Walter Mooney表示：“未來，新一代的地球科學(xué)家，無論是中國的還是國際的，其科學(xué)發(fā)現(xiàn)都會基于今天SinoProbe所獲得的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)?！?nbsp;
