楊文采院士：人類能上天下海，卻難以入地 13 公里

13 公里，這個數(shù)字目前還沒有哪個國家能實現(xiàn)。這指的是對于地球深部鉆孔探測的直線縱深距離。

天上，人類的飛行器已經(jīng)能在距地球 38 萬公里外的月球和 5500 萬公里外的火星著陸，馬斯克私人公司 SpaceX 研發(fā)的載人飛船不久前剛剛成功將兩位宇航員送達 400 公里外的國際空間站。海底，世界上最深的馬里亞納海溝超過 11000 米，中國、英國、美國和日本等國家的深潛器在這里紛紛實現(xiàn)了超過一萬米的深潛探測試驗，中國自主研制的 11000 米級載人潛水器計劃今年正式下潛。

而在深地鉆探方面，目前世界上最深的科學鉆探紀錄還沒有達到 13000 米，中國的鉆探深度先后兩次實現(xiàn)了亞洲第一，分別是 2005 年位于江蘇東?？h的中國大陸科學鉆探工程 CCSD—l 井，深入地下 5158 米；2018 年位于黑龍江安達市的松科二井，鉆探深度達到 7018 米。

“對于固體地球我們了解得太少了。我們講上天、入地、下海三大科研目標，上天現(xiàn)在太空技術(shù)不斷進步，下海也相對比較容易。入地很難，難在哪里？”中國科學院院士楊文采對網(wǎng)易科技記者說，“現(xiàn)在鉆探達到 12300 米，為什么不能達到 30000 米??？很簡單，到了 12000 米的時候，地層的溫度很高，想繼續(xù)鉆下去，面臨很大的挑戰(zhàn)?！?/p>

楊文采是著名地球物理學家，浙江大學教授，他曾擔任中國大陸科學鉆探第一鉆——2005 年江蘇東?？h中國大陸鉆探工程中心的副總指揮。因為科研工作關系，楊文采曾面對面見過四任國家總理，大陸科學鉆探工程也受到國家高層的直接重視和支持，當年的一位總理曾在東海工程開鉆前作出批示，稱這一工程是中國地質(zhì)科技工作的一件大事①。

深地探測（又叫大陸科學鉆探），被稱為 “深入地球的望遠鏡”，它既有助于科學家驗證地殼物質(zhì)運動和地球演化規(guī)律，在全球災害頻發(fā)、能源緊張等各種人類社會發(fā)展面臨的矛盾背景下，又是發(fā)現(xiàn)解決此類嚴重問題的重要手段，有人將其科研意義稱作是人類登月后又一劃時代的工程。

1997 年，國際大陸科學鉆探計劃（ICDP）正式成立，中國于當年加入該計劃。楊文采代表中國出任 ICDP 第一屆科學顧問組（SAG）成員，此后與其他七位中外科學家一道提出了中國大陸鉆探項目，推動了江蘇東海的科學鉆探的實現(xiàn)。

▲鉆探深度達到 7018 米的松科二井，位于黑龍江安達市 / 圖源：中國地質(zhì)大學

楊文采從事地球物理研究 50 余年，他是新中國最早一批委派出國的學者和新中國培養(yǎng)的第一批地球物理學家之一。上世紀 80 年代他從國門外把地球成像反演理論帶回中國，作為這個學術(shù)領域的先行科學家，他曾帶頭在北京大學等中國高校開課。

楊文采帶回來的地球物理反演和地震層析成像理論，主要應用在地殼上地幔研究、油氣與礦產(chǎn)勘查及重大建設工程基礎調(diào)查等方面。通俗來講，除了基礎性的地球動力學研究之外，找石油、找礦，也都能用上。比如黃河小浪底水利樞紐電站、大慶油田、華北油田、東海油氣盆地、北京機場高速立交橋墩質(zhì)量檢測等重要工程，均有運用到他的技術(shù)成果。

地球物理學研究與能源利用、地球生態(tài)等多重現(xiàn)實議題有著密切的關系。楊文采告訴記者，他本人當下很關心的一個問題是，人類居住環(huán)境和礦產(chǎn)能源資源等需求之間的矛盾能否得到平衡改善，地球科學能為這個問題的求解做一些什么？站在科學家的研究角度，他試圖尋找到自己的答案。

他提出的一個對策是：新能源作為新興產(chǎn)業(yè)，雖然在能源格局中扮演著重要角色，但終究代替不了作為戰(zhàn)略資源的化石能源。發(fā)展新型綠色礦業(yè)，尤其是在中國西部和內(nèi)蒙古發(fā)展新型綠色礦業(yè)，可能是解決中國能源瓶頸的根本途徑。

“新型礦業(yè)是發(fā)展新型原材料高端產(chǎn)業(yè)鏈的上游，而新型礦業(yè)必須綠色發(fā)展，必須和保障人居環(huán)境、減少土地資源的壓力、科學利用空間資源的思路結(jié)合起來，唯有如此，才可以降低環(huán)境治理的成本，使開發(fā)礦業(yè)和優(yōu)化環(huán)境一舉兩得?！?/p>

▲人類對潛藏于地球內(nèi)部的信息，所知還非常有限 / 圖源：國際在線

：大陸科學鉆探目前最深的鉆井還沒有到 13000 米，往下面走特別困難，您是有過實踐的科學家，這是什么原因？

楊文采：主要是因為溫度升高，地下 12000 米以下，地球的溫度可能達到 300-400 度，這時候鉆桿就變成 “面條”了，剛性就沒有了，動力就沒辦法傳下去。剛性不夠，這個鉆桿不光不能繼續(xù)往下傳遞動力，到時候它鉆下去還會給你拐回來，不聽你指揮。

這是材料的問題。想讓這個鉆桿的剛性在 1000 度情況下還能一直保持剛性，這種材料現(xiàn)在還沒有研究出來，這個很難。那只能等到新材料出來了以后，才有可能繼續(xù)往深里打鉆。

地底下的巖石層結(jié)構(gòu)，不同的深度也不一樣。花崗巖、片麻巖，再往下是玄武巖、橄欖巖等更硬的巖石，這一類巖石密度大，所以地球深部越往下巖石就越堅韌，鉆孔的難度就越來越高。

我們原來用的鉆桿，它的材料是合金鋼。當然我們現(xiàn)在也有很多其他的材料，但是很貴，有一個成本問題。幾萬米的鉆桿，你看得多少成本。值得嗎？這涉及很多問題。你打下去以后又不賺錢，誰來投資?。?/p>

▲前蘇聯(lián)科拉超深鉆孔，深達 12263 米 / 圖片來源于網(wǎng)絡

：向地球深部進軍，怎么看這個科學意義？人類對地球深部認知還非常有限？

楊文采：我們對地球的了解，從地面上來說還是很不錯的，就是對（地下）深部的了解比較有限。

地球內(nèi)部物質(zhì)是怎么分布和運動的？能量是怎么轉(zhuǎn)移的？這是很難研究的。因為很多事情都發(fā)生在過去，都發(fā)生過了。但是每一次的地球動力學作用，都在地球上留下有信息，這些信息就藏在地殼中，科學家需要去研究這些信息。

地球的半徑有 6000 多公里的深度，在北京的下面，有 80 到 90 公里的巖石圈，巖石圈之下，還有軟流圈，地球板塊運動、大陸漂移的動力，就在軟流圈之中，軟流圈巖石有流變性?？茖W家為了研究地下構(gòu)造信息，有各種辦法。

比如地質(zhì)學家，他要看地表上石頭的露頭，然后再看打鉆出來的巖心，通過測量和研究這些巖石標本，就能得到第一手的數(shù)據(jù)。拿不到實物，就沒辦法測算。但是，地表露頭和鉆孔（位置）常常相隔很遠。比如地質(zhì)學家他在北京打井，拿到一塊石頭，這個石頭在別的地方都沒有見到過，他又跑到阿拉善打個井，又得到另一塊同樣的石頭。那這兩塊石頭之間究竟是什么關系？大膽一些的地質(zhì)學家就會說這是一個地質(zhì)帶，它們是連在一起的。但他沒有資料來佐證。

地球化學家的辦法是可以靠同位素測量來研究標本。20 世紀地質(zhì)學最大的成功就是用放射性同位素來測量地質(zhì)年代。只要有一塊標本，他們就可以取得數(shù)據(jù)。當然這個標本要很特殊，比如是從火山里頭噴發(fā)出來的?；鹕骄褪且粋€天然的鉆孔，把地下可能是 100 公里深度的物質(zhì)給帶到地面上來了，像金剛石就是。同位素研究就能說明它的成因、物質(zhì)成分、它的生成環(huán)境等等。

但也有問題，因為不是到處都有火山。像在北京，沒有火山口，你就沒轍了。不能真正深入到地底下去，那就沒有深地的研究材料。所以現(xiàn)代的地球科學研究，需要多學科的結(jié)合（地球物理學、地質(zhì)學、地球化學等），才能搞清地下物質(zhì)的分布。

▲火山噴發(fā)涌出熔巖 / 圖源：國際在線

：也就是說，在地球科學中，大陸科學鉆探的重要性和必要性是無可爭議的？

楊文采：大陸科學鉆探是非常重要的一環(huán)。因為地球科學研究目前更多只能看到地表上的東西，如果不能往下打鉆采樣，我們能看到的東西只是很淺層的，很多研究都停留在假設階段。比如構(gòu)造的年齡和規(guī)模、流體的運動、地球物理異常起因等，你很難敲得很準，要把它上升成為一個理論的模型，還需要加以打鉆驗證。

你要驗證，要么就直接打鉆，鉆得越深越好，這是一個最好的辦法。比如我預測這個地方打下去會是什么地質(zhì)年代，我就在那個地方鉆下去，最后測出來的結(jié)果就可以直接拿來印證你的理論，所以要搞科學鉆探。海洋鉆探也好，大陸科學鉆探也好，目的都是要驗證科學家的理論模型。

當年我們在江蘇東海打鉆，也是這樣，這個研究就與驗證地殼運動和大陸俯沖有關。最后獲得的材料驗證，基本上跟我們原來推測的是一樣的。這就是科學鉆探。

當然，除了打鉆，還可以有另一種驗證辦法，那就是預測，比如進行地震預報。預測在什么地方什么時候會發(fā)生大地震，如果你預測準確了，你的研究假設也可以上升成為理論。

▲楊文采院士在廣西為 1600 多名青年科研工作者作主題報告 / 圖源：廣西科協(xié)

：地球科學中，關于能源利用的話題也很受關注，您的研究成果，在一些重要的能源勘探工程上也有應用，怎么樣認識地底下的能源儲藏，地球深部真的是能源寶藏嗎？

楊文采：我們知道地球中心的溫度達到 5000 多度，那個地方熱能是所有地球內(nèi)部物質(zhì)運動的能量來源?？茖W的估算，我們現(xiàn)有的一次能源當中的太陽能，它的總能量大概是地球內(nèi)部能量的 1/50，就是說地球的能量遠遠要大于太陽釋放出來的能量。

另外，我們的地球形成后產(chǎn)生一些礦物，比如說鈾礦，產(chǎn)生放射性的能源，這個能量是可以利用的。這個能量又比太陽能少一個級次。

我們說發(fā)展靠資源，最重要的戰(zhàn)略資源中就少不了礦物。特朗普簽署了一個美國的戰(zhàn)略資源法案，就是說你的戰(zhàn)略資源的儲備如果不夠的話，一旦發(fā)生戰(zhàn)爭，你這個國家是經(jīng)不起打擊的。那這其中涉及到一個很重要的戰(zhàn)略資源，就是稀土礦，它們是在新材料、高端制造、航空航天和精密制導等多方面需要的特殊原材料。美國要從中國進口大量的稀土礦產(chǎn)，如果這個資源斷了，對于美國的戰(zhàn)略發(fā)展是很不利的。

▲有 “中國黃金第一礦”之稱的吉林夾皮溝金礦 / 圖源：中國黃金報

：也就是說，地球科學是否能夠在這種戰(zhàn)略資源自給自足上面，提供助力？

楊文采：鐵礦、銅礦這一類戰(zhàn)略礦產(chǎn)，我們國家尋找了很長時間。這里我要講講金礦。中國地質(zhì)界對于國家發(fā)展的一個大貢獻，就是發(fā)現(xiàn)了金礦、鎢礦和錫礦。我們國家解放后，經(jīng)濟還不發(fā)展，一窮二白，很多人吃不飽飯，我們當年怎么去買國外的先進技術(shù)？靠的就是出口金礦、鎢礦和錫礦。

我們解放后找到了幾個大金礦，比如說膠東金礦、東秦嶺的金礦，青海的金礦等，這些金礦給建國初期提供了硬通貨的金錢的儲備，對我們國家維持財政的安全是非常重要的，使得我們國家能夠維持到改革開放。我們過來的人知道得很清楚。現(xiàn)在中國制造走出去了，大量的外匯進來，我們的經(jīng)濟依靠礦業(yè)的這個階段才算去了。

我們在工業(yè)化初期最需要的是鋼鐵和石油，這也都離不開地球科學?，F(xiàn)在處在新工業(yè)革命時代，需要的資源不同了。我們每個人用的手機都裝有鋰電池，電動車也用鋰電池，鋰礦還可以大量應用到能源儲能上。有科學家設想建設一張能源互聯(lián)網(wǎng)，城市都裝上太陽能，家家戶戶都可以獲得足夠的用電。問題是，如果一個禮拜沒有太陽，不就完蛋了嗎？那就需要巨大的儲能器，起碼儲存整個城市夠一個禮拜用的電能，這種儲能器就可以用鋰電池。我們國家有大量的固體鋰礦資源。

我們現(xiàn)在不太重視礦業(yè)，暫時是可以的。但隨著時代發(fā)展的變化，對礦業(yè)的需求也在變化，離不開很多礦產(chǎn)資源。包括蓄能材料、火箭和熱核反應燃料、特種合金、超導材料和芯片材料等，原料都來自地殼的礦粉。尤其是稀有稀散金屬、稀土和貴金屬，是支撐戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要原材料。據(jù)我所知，現(xiàn)在有的國家發(fā)展還是靠礦產(chǎn)，比如俄羅斯，它的生存密切依靠礦業(yè)。澳大利亞也是這樣。

▲楊文采院士 / 李儀 攝影

：既然很重要，為什么也存在地球物理專業(yè)（包括地質(zhì)專業(yè)）并不是那么吃香的說法？

楊文采：這個專業(yè)還在往下走，現(xiàn)在都沒有本科生了，因為地球物理專業(yè)的學生出來不好找工作。相比之下，現(xiàn)在搞遙感、搞 GPS 的，找工作很容易。這種專業(yè)發(fā)展上的困境，不是一下子就能夠解決的。

地球科學的發(fā)展很有意思。我在 40 年前公派去加拿大，那時候全世界發(fā)生所謂的能源危機，石油賣到 130 美元一桶，搞得很恐慌。大家說，40 年以后中國也好世界也好，石油都會枯竭，油價會暴漲，于是各個政府和石油公司大量投資勘探石油，結(jié)果現(xiàn)在 40 年過去，石油的儲量跟 40 年前一樣，并沒有掉下來。因為技術(shù)提高了，經(jīng)過勘探發(fā)現(xiàn)更多的油田，開采的技術(shù)水平也提高了。一看還夠用 40 年，就松懈下來，40 年以后再說吧，現(xiàn)在不找了。這樣一來，地球物理人最大的就業(yè)門路就受到影響，我們原來 70% 搞地球物理的都是在石油勘探部門工作。

雖然礦業(yè)在發(fā)展形勢上不利，我們國家還會支持這個專業(yè)，規(guī)?？梢钥s小，但這個路線不能斷?；A性的研究不去做，以后就會落后了。

：這倒是有些奇怪，現(xiàn)在各國都希望獲得足夠的能源用于經(jīng)濟發(fā)展，這個專業(yè)反而在往下走，失業(yè)？

楊文采：現(xiàn)在全球的礦業(yè)都處在最低谷，發(fā)達國家也是這樣，主要原因就是因為人們對于人居環(huán)境水平追求提高以后，在資源和污染之間又找不到一個可以平衡的辦法，唯一的辦法就是給礦業(yè)加征很高的環(huán)境稅。你要破壞環(huán)境，我就給你加稅，把成本提高 5 到 10 倍，不賺錢了，就沒人干了。現(xiàn)在歐洲的德國、英國、法國，礦山基本上都封閉了，基本沒有礦業(yè)了。他們的資本就都跑到非洲去，把污染留給別人。

我們國內(nèi)的礦業(yè)也慢慢在萎縮。所以我們要研究在人居環(huán)境和資源的利用之間尋找一個平衡、可持續(xù)的發(fā)展，要搞清楚地球物質(zhì)運動和演化的規(guī)律。

我的科研追求就是要把上地幔到地面之間 400 公里的地球三維成像研究框架搭建起來。這幾十年不斷在做，從研究方法理論，到采集積累數(shù)據(jù)，進行全球?qū)Ρ龋詈笳业降厍騽恿W的一些演化規(guī)律。拿這些規(guī)律，也可以用來分析資源能源是怎么形成的。比如我也給中石化做研究，說中國這個深層 5000 米到 1 萬米地下構(gòu)造怎么樣，這個盆地里頭哪些地方可能會有石油，有利于石油的形成，這就是它的應用。

：您是地球物理學家，怎么看當前能源消耗和可持續(xù)發(fā)展的矛盾關系？

楊文采：我很關注這個問題。人類社會要發(fā)展，就要消耗能源，這就會傷害到人居環(huán)境，形成一個怪圈。雖然這是一個社會問題，但跟地球科學聯(lián)系最緊。因為只有你知道地球內(nèi)部能量跟物質(zhì)怎么運動，你才能知道地球上的能源、資源是怎么形成的，將來會怎么變化？也才能夠知道現(xiàn)在的人居環(huán)境是怎么形成的，將來又會怎么變化？只有知道這些，你才可能解決平衡問題，我們也才不會去干傻事。這個問題，希望能引起社會的重視和討論。

新型礦業(yè)必須綠色發(fā)展，必須和保障人居環(huán)境、減少土地資源的壓力、科學利用空間資源的思路結(jié)合起來，唯有如此，才可以降低環(huán)境治理的成本，使開發(fā)礦業(yè)和優(yōu)化環(huán)境一舉兩得。

我認為大家還沒有形成共識，不同的人想法不同，所以達不成平衡。礦上的老板一心想著賺錢發(fā)展，有些地方政府也是這么想的，這些礦是他當?shù)囟愂盏膩碓?。去年我在?nèi)蒙古跑野外，看到當?shù)夭榉饬艘粋€礦山，因為有污染，不光查封，環(huán)保部門還每天用卡車拉著土把那個礦井填埋。我很奇怪，有污染你可以治理，可以加以改造，或者等環(huán)保技術(shù)、開采技術(shù)進步了，再加以利用。有沒有必要把它填掉，這么浪費納稅人的錢？這個礦山還有它的價值，可以成為人類共同的財富。

我認為可以坐下來討論，找到使兩方都能夠受益的辦法，而不是說我只強調(diào)我的業(yè)績和收入，你只強調(diào)你的環(huán)保，最后把老百姓搞得莫名其妙。當然，我們科學家也有責任，這也是我從事地球物理研究的追求之一，研究地球內(nèi)部能量物質(zhì)運動的規(guī)律。

▲位于美國加州的圣安德烈亞斯斷層 / 圖片來自于網(wǎng)絡

：您的科研更多是集中在地球動力學，對于上地幔運動和大陸動力學有深入研究，這方面的研究有朝一日是否也能夠應用到地震科學預測上？

楊文采：對地震進行更好的預測，難度比較大。因為地球的內(nèi)部結(jié)構(gòu)太復雜了，地震預測不是速成式的研究。比如說，4 級地震，就沒有必要天天都有人在那里預測，一定要 6 級以上的大地震，才有預測的必要，而且你對震級的預測如果不準，負面影響就很大，比如說地震是 4 級，你報成了 6 級，這就會擾亂正常的社會生產(chǎn)和生活秩序。

預測需要精確和準確，地震的時間是一個小時還是一天還是一個禮拜，你得講清楚。我們?nèi)绻f半年之內(nèi)都可能發(fā)生，這個話好說。但你要說明天就發(fā)生地震，那要求就很高。因為地震有很多因素觸發(fā)，很多是偶然因素，所以很難。

當然地震預測研究做到什么程度，也跟經(jīng)費投入有關系。比如說在一個地震帶上，如果我每隔 100 米都有一個鉆孔打下去，然后放上探測器，一連放上 1 萬套，那我就能知道這整個地下應力的變化特征，利用這種大數(shù)據(jù)研究，就比較容易對地震進行預測。問題是，打 1 萬個鉆孔，放 1 萬套探測器，花這么大的成本下去，值不值？這就涉及到你科技發(fā)展定位的問題。

▲貴州海百合化石，距今超過兩億年歷史 / 受訪者供圖

：實際上按您這樣說，我的理解是如果要做，還是能夠?qū)崿F(xiàn)的，關鍵是看有沒有這個決心？

楊文采：誰也不敢說一定就能夠做成，但是應該這么去做，會往前走一步。你看美國加州的那個斷裂帶，經(jīng)常發(fā)生地震，他們大地震已經(jīng)預測了四五十年了，前 6 次都失敗了，第 7 次成功。他們現(xiàn)在就比較有把握了。比如說提前三天或一個禮拜，在什么地方什么范圍會發(fā)生多少震級的地震，預測可能性大，因為地震還是有規(guī)律的。比如一個地震斷裂帶，很多地方都已經(jīng)發(fā)生過地震了，地層結(jié)構(gòu)都松了，它就不容易發(fā)生應力積累，再發(fā)生地震就是在那些空檔的地方，原來還沒有斷開的地方，就比較可能斷裂。

地震預測，有一個由誰承擔責任的問題。如果我是領導，我花了國家的錢，又預報錯了，那責任全在我身上，所以這是有風險的。這里面有很多利益考量。因為這個課題本來就很難，又沒有把握能夠做好，對領導也是壓力山大。雖然災害預測的難度很大，但是隨著信息技術(shù)的應用和自動監(jiān)測能力的提高，這方面的科學研究有可能取得重要進展。

* 注：①，該批示援引自海外版的報道。