從地表到地下1萬(wàn)米，石油、天然氣、煤炭和許多未知的礦產(chǎn)資源分布其中。近年來(lái)，隨著淺層傳統(tǒng)化石能源開(kāi)采越來(lái)越困難，地?zé)帷㈨?yè)巖氣、頁(yè)巖油等新興能源展現(xiàn)出巨大的潛力。
但受技術(shù)限制，這些藏在石頭里的新興能源很難被開(kāi)采利用，開(kāi)采過(guò)程中還會(huì)增加地震的風(fēng)險(xiǎn)，已有多個(gè)國(guó)家和地區(qū)關(guān)閉礦井。我國(guó)是世界上頁(yè)巖油氣儲(chǔ)量最為豐富的國(guó)家之一，但頁(yè)巖油氣大多位于地下3500米以下的深地層，開(kāi)采難度極大。
深地有哪些資源可以利用？如何在利用深地資源時(shí)避免不可預(yù)知的災(zāi)害？
在江蘇徐州市區(qū)臥牛山地下100多米處，有一座深地工程領(lǐng)域全球最大的地下實(shí)驗(yàn)室——深地科學(xué)與工程云龍湖實(shí)驗(yàn)室（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“云龍湖實(shí)驗(yàn)室”）。
深地科學(xué)與工程云龍湖實(shí)驗(yàn)基地門(mén)口。
10月15日，科技日?qǐng)?bào)記者在云龍湖實(shí)驗(yàn)室看到，四通八達(dá)的主通道兩側(cè)，是大小不一的硐室。這些硐室便是一個(gè)個(gè)科研平臺(tái)，進(jìn)進(jìn)出出的工作人員正努力“喚醒”這片“沉睡”的地下空間。
“我們對(duì)腳下的世界，尤其是深地空間知之甚少。”云龍湖實(shí)驗(yàn)室主任、中國(guó)礦業(yè)大學(xué)教授李曉昭說(shuō)，地下物質(zhì)成分復(fù)雜，結(jié)構(gòu)多樣，“透視”難度大，人類(lèi)目前對(duì)深地的認(rèn)知甚至比深空、深海更少。
該實(shí)驗(yàn)室成立以來(lái)，依托中國(guó)礦業(yè)大學(xué)等單位，圍繞地球深處的能源資源開(kāi)發(fā)、智能建造、物質(zhì)封儲(chǔ)、安全防護(hù)等國(guó)家需求和未來(lái)產(chǎn)業(yè)方向，科研人員正不斷攻關(guān)深地科學(xué)和工程難題。
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你追我趕的深地科學(xué)計(jì)劃
我國(guó)是世界人口大國(guó)，也是能源、礦產(chǎn)資源消耗大國(guó)。一方面，我國(guó)可耕地總量嚴(yán)重不足；另一方面，隨著我國(guó)淺部資源開(kāi)發(fā)殆盡，不得不在嚴(yán)苛條件下開(kāi)發(fā)深地資源，以緩解油、氣、銅、鐵等戰(zhàn)略性礦產(chǎn)資源嚴(yán)重依賴(lài)進(jìn)口的窘境。
為此，向地球深部進(jìn)軍是我們必須解決的戰(zhàn)略問(wèn)題。為向地球深部要資源、要空間、要安全，2021年，徐州市依托中國(guó)礦業(yè)大學(xué)等單位，將臥牛山人防工程改造為云龍湖實(shí)驗(yàn)室。
過(guò)去，世界各國(guó)已建成的地下實(shí)驗(yàn)室大多聚焦暗物質(zhì)搜尋、地球科學(xué)及放射性廢物封存等。例如，2010年成立的中國(guó)錦屏地下實(shí)驗(yàn)室主要以開(kāi)展暗物質(zhì)基礎(chǔ)研究為主。
近年來(lái)，世界上很多發(fā)達(dá)國(guó)家啟動(dòng)深地科學(xué)計(jì)劃，成立相關(guān)地下實(shí)驗(yàn)室，開(kāi)始把研究重點(diǎn)放在深地新興能源的高效開(kāi)發(fā)利用、深地空間能源物質(zhì)儲(chǔ)存和深地空間碳廢安全封儲(chǔ)上。
例如，美國(guó)桑福德地下試驗(yàn)重大設(shè)施主要研究深地儲(chǔ)層人工與天然裂隙流體運(yùn)移規(guī)律和致震機(jī)理；瑞士格里姆瑟爾試驗(yàn)場(chǎng)有多達(dá)25個(gè)國(guó)際合作組織參與，是世界主要的研究深地流態(tài)物質(zhì)在天然地質(zhì)巖體和人工屏障系統(tǒng)運(yùn)移過(guò)程的原位科學(xué)試驗(yàn)平臺(tái)；英國(guó)愛(ài)丁堡地質(zhì)電池地下礦井儲(chǔ)熱設(shè)施聚焦廢棄礦井，研究如何儲(chǔ)熱并直接為周?chē)脩?hù)家庭供暖；瑞典呂勒奧地下儲(chǔ)氫設(shè)施是世界首個(gè)地下硐室儲(chǔ)氫科學(xué)試驗(yàn)設(shè)施，探索氫能“制—儲(chǔ)—用”產(chǎn)業(yè)鏈高效運(yùn)行新模式。
客觀(guān)上說(shuō)，與世界發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)在深地領(lǐng)域的科學(xué)研究和工程實(shí)踐方面仍存差距。例如，當(dāng)前勘探開(kāi)采深度世界先進(jìn)水平已達(dá)2500米至4000米，而我國(guó)勘探開(kāi)采深度大多小于1000米；2022年4月公布的數(shù)據(jù)顯示，我國(guó)頁(yè)巖油的開(kāi)采成本為每桶50美元至80美元，美國(guó)的開(kāi)采成本為每桶30美元。
這些數(shù)據(jù)為我國(guó)“向地球深部進(jìn)軍”指明了方向。
中國(guó)礦業(yè)大學(xué)深地工程動(dòng)力災(zāi)害真三軸模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。
李曉昭介紹，云龍湖實(shí)驗(yàn)室采用“一中心一站N基地”的總體布局。除主基地以外，實(shí)驗(yàn)室還建有野外觀(guān)測(cè)站和其他原位試驗(yàn)場(chǎng)等多個(gè)分基地。科研人員將在此開(kāi)展深地基礎(chǔ)研究、跨學(xué)科交叉融合研究及協(xié)同攻關(guān)，旨在形成原創(chuàng)性、顛覆性技術(shù)，為深地能源開(kāi)采、深地空間開(kāi)發(fā)利用等帶來(lái)重大突破。
李曉昭告訴記者，深地科學(xué)不是簡(jiǎn)單的地質(zhì)學(xué)，而是包括若干重要研究方向的前沿交叉科學(xué)，如深地空間探測(cè)開(kāi)發(fā)、原位保真取芯技術(shù)、深地非常規(guī)巖石力學(xué)行為、深地結(jié)構(gòu)與開(kāi)采的透明推演理論與技術(shù)、深地地震學(xué)與地球物理學(xué)、深地微生物學(xué)、深部資源開(kāi)發(fā)與能源儲(chǔ)存、深地地下水賦存、運(yùn)移及水質(zhì)變化、地下生態(tài)圈等。
作為云龍湖實(shí)驗(yàn)室的主要依托單位，近年來(lái)，中國(guó)礦業(yè)大學(xué)圍繞著深部地下空間開(kāi)發(fā)中的重大基礎(chǔ)理論與關(guān)鍵技術(shù)難題，持續(xù)深入開(kāi)展前沿理論和前瞻技術(shù)研究。
通過(guò)多年積累，中國(guó)礦業(yè)大學(xué)已形成了涵蓋深部巖土力學(xué)、超深井建設(shè)、深部空間圍巖控制和深部動(dòng)力災(zāi)害防控等獨(dú)具特色的研究體系。云龍湖實(shí)驗(yàn)室啟動(dòng)建設(shè)之后，中國(guó)礦業(yè)大學(xué)深地工程智能建造與健康運(yùn)維全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“深地國(guó)重”）在基礎(chǔ)理論、工程技術(shù)、裝備研發(fā)等方面，為云龍湖實(shí)驗(yàn)室提供全方位支撐。
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照搬國(guó)外技術(shù)肯定不行
我國(guó)有2/3的頁(yè)巖可采資源儲(chǔ)存在埋深大于3500米的地層中，大部分頁(yè)巖油氣地層的沉積環(huán)境都是陸相沉積。而美國(guó)的頁(yè)巖油氣主要來(lái)自海相沉積，分布面積大、穩(wěn)定性好、巖相類(lèi)型比較單一，非常利于開(kāi)采。地殼被不斷擠壓抬升，會(huì)使地質(zhì)構(gòu)造產(chǎn)生大量的斷層。如果把產(chǎn)頁(yè)巖油氣地層看作是一個(gè)盤(pán)子，美國(guó)的地層是一個(gè)完整的盤(pán)子，而我國(guó)的地層是一個(gè)掉在地上摔碎了、又被踩了幾腳的盤(pán)子。
目前，我國(guó)油氣資源的開(kāi)采深度接近萬(wàn)米，直接照搬國(guó)外技術(shù)肯定不行。這樣的深度下，怎樣將石油、天然氣安全抽取出來(lái)，同時(shí)又不會(huì)誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害？
“條件不同、情況不同，就得‘對(duì)癥下藥’，我國(guó)的頁(yè)巖油氣開(kāi)發(fā)還有很長(zhǎng)的路要走。”李曉昭說(shuō)。
同時(shí)，如何科學(xué)利用采空的地下礦井成為新的課題。目前，世界各國(guó)都在研究將廢棄的礦井用來(lái)儲(chǔ)存石油、天然氣、二氧化碳以及核廢料等。“例如，在邳州石膏礦采空區(qū)，礦井埋深為50至400米，是很好的原位實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地，許多技術(shù)裝備可以在這里進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)發(fā)、驗(yàn)證，比如多功能系列實(shí)驗(yàn)艙、地下巖隙檢測(cè)等技術(shù)，一旦成熟就能立刻用于流態(tài)能源開(kāi)發(fā)、地下儲(chǔ)能、熱/碳/廢安全封儲(chǔ)等領(lǐng)域。”李曉昭說(shuō)。
中國(guó)礦業(yè)大學(xué)千米表土凍結(jié)法鑿井模擬試驗(yàn)系統(tǒng)。
目前，將核廢料封存在地下深處是主流技術(shù)方向。
“存放核廢料的深坑經(jīng)過(guò)縝密選址，地下巖石屬于低滲結(jié)構(gòu)，要求一萬(wàn)年僅有厘米級(jí)滲流。但現(xiàn)實(shí)中，誰(shuí)也無(wú)法進(jìn)行那么長(zhǎng)時(shí)間的觀(guān)測(cè)實(shí)驗(yàn)，因此低滲巖體滲流演化成為一個(gè)‘黑箱子’。”深地國(guó)重專(zhuān)家、中國(guó)礦業(yè)大學(xué)教授劉江峰說(shuō)，實(shí)驗(yàn)室自主研發(fā)的軟件和裝備，在全球首次實(shí)現(xiàn)利用數(shù)字技術(shù)精確計(jì)算水、氣在低滲巖體一萬(wàn)年的滲流演化情況，就連美歐發(fā)達(dá)國(guó)家也必須從實(shí)驗(yàn)室購(gòu)買(mǎi)授權(quán)。
此外，這套軟件和裝備還可用于評(píng)價(jià)我國(guó)南海可燃冰流動(dòng)性等。“可燃冰位于海底3000至4000米，想要順利開(kāi)采必須進(jìn)行流動(dòng)性評(píng)價(jià)，但在數(shù)千米海底很難進(jìn)行準(zhǔn)確探測(cè)。”劉江峰說(shuō)，利用這套軟件和裝備，只需采集一些巖芯，就能精確計(jì)算出這些深埋地下的能源物質(zhì)是如何流動(dòng)的。
在地下能源利用和深地空間開(kāi)發(fā)過(guò)程中，“摸清家底”是首要工作。
過(guò)去，傳統(tǒng)技術(shù)依托鉆探和地震波對(duì)地下結(jié)構(gòu)進(jìn)行測(cè)繪，但都有不足之處。深地國(guó)重專(zhuān)家、中國(guó)礦業(yè)大學(xué)教授王勃帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)另辟蹊徑，通過(guò)對(duì)深地空間復(fù)雜控滲構(gòu)造地球物理探測(cè)機(jī)理的基礎(chǔ)研究，成功研發(fā)出“震電磁光智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)”設(shè)備及其配套技術(shù)。
“當(dāng)遇到突水、突泥、瓦斯突出、巖爆、沖擊地壓等災(zāi)害時(shí)，我們可以通過(guò)設(shè)備的傳感器獲取信號(hào)，提前了解哪些地方有致災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)。”王勃介紹說(shuō)，就像給人做X光一樣，通過(guò)震電磁光智能監(jiān)測(cè)設(shè)備可對(duì)地球深處進(jìn)行探測(cè)，再根據(jù)探測(cè)結(jié)果對(duì)癥下藥，以保障深地工程的安全。
此外，云龍湖實(shí)驗(yàn)室正在攻克極復(fù)雜構(gòu)造區(qū)川藏鐵路等重大深地工程致災(zāi)構(gòu)造精細(xì)探測(cè)技術(shù)與裝備，并圍繞深地空間能源資源封儲(chǔ)開(kāi)展大量工作，在智能導(dǎo)鉆和隨鉆測(cè)井方面已取得階段性突破。
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科研平臺(tái)或是未來(lái)地下城市
電影《流浪地球》中的地下城令人印象深刻。未來(lái)，我們是否會(huì)像電影描繪的那樣，長(zhǎng)期在地下工作生活？
現(xiàn)實(shí)中，隨著土地資源日趨緊張，開(kāi)發(fā)利用地下空間，建造地下交通、商業(yè)、文娛、倉(cāng)儲(chǔ)、調(diào)蓄水等設(shè)施，改善地表生態(tài)環(huán)境，已成為重要發(fā)展趨勢(shì)。
目前，城市地下空間開(kāi)發(fā)深度普遍在50米以?xún)?nèi)；50米至200米深層地下空間的開(kāi)發(fā)利用，已成為一項(xiàng)重大課題。
