楊文采院士：人類能上天下海，卻難以入地13公里
作者｜章劍鋒
13公里，這個數字目前還沒有哪個國家能實現。這指的是對於地球深部鑽孔探測的直線縱深距離。
天上，人類的飛行器已經能在距地球38萬公里外的月球和5500萬公里外的火星着陸，馬斯克私人公司 SpaceX 研發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，世界上最深的馬裡亞納海溝超過11000米，中國、英國、美國和日本等國家的深潛器在這裡紛紛實現了超過一萬米的深潛探測試驗，中國自主研製的11000米級載人潛水器計劃今年正式下潛。
而在深地鑽探方面，目前世界上最深的科學鑽探紀錄還沒有達到13000米，中國的鑽探深度先後兩次實現了亞洲第一，分別是2005年位於江蘇東海縣的中國大陸科學鑽探工程CCSD—l井，深入地下5158米；2018年位於黑龍江安達市的松科二井，鑽探深度達到7018米。
“對於固體地球我們瞭解得太少了。我們講上天、入地、下海三大科研目標，上天現在太空技術不斷進步，下海也相對比較容易。入地很難，難在哪裡？”中國科學院院士楊文采對本站科技《科學大師》記者說，“現在鑽探達到12300米，爲什麼不能達到30000米啊？很簡單，到了12000米的時候，地層的溫度很高，想繼續鑽下去，面臨很大的挑戰。”
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鑽探第一鑽——2005年江蘇東海縣中國大陸鑽探工程中心的副總指揮。因爲科研工作關係，楊文采曾面對面見過四任國家總理，大陸科學鑽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鑽前作出批示，稱這一工程是中國地質科技工作的一件大事①。
深地探測（又叫大陸科學鑽探），被稱爲“深入地球的望遠鏡”，它既有助於科學家驗證地殼物質運動和地球演化規律，在全球災害頻發、能源緊張等各種人類社會發展面臨的矛盾背景下，又是發現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後又一劃時代的工程。
1997年，國際大陸科學鑽探計劃（ICDP）正式成立，中國於當年加入該計劃。楊文采代表中國出任 ICDP 第一屆科學顧問組（SAG）成員，此後與其他七位中外科學家一道提出了中國大陸鑽探項目，推動了江蘇東海的科學鑽探的實現。
▲深入地下5158米的中國大陸科學鑽探工程CCSD—l井，位於江蘇省東海縣/圖源：中國地質大學
▲鑽探深度達到7018米的松科二井，位於黑龍江安達市/圖源：中國地質大學
楊文采從事地球物理研究50餘年，他是新中國最早一批委派出國的學者和新中國培養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，作爲這個學術領域的先行科學家，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、油氣與礦產勘查及重大建設工程基礎調查等方面。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量檢測等重要工程，均有運用到他的技術成果。
地球物理學研究與能源利用、地球生態等多重現實議題有着密切的關係。楊文采告訴《科學大師》記者，他本人當下很關心的一個問題是，人類居住環境和礦產能源資源等需求之間的矛盾能否得到平衡改善，地球科學能爲這個問題的求解做一些什麼？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：新能源作爲新興產業，雖然在能源格局中扮演着重要角色，但終究代替不了作爲戰略資源的化石能源。發展新型綠色礦業，尤其是在中國西部和內蒙古發展新型綠色礦業，可能是解決中國能源瓶頸的根本途徑。
“新型礦業是發展新型原材料高端產業鏈的上游，而新型礦業必須綠色發展，必須和保障人居環境、減少土地資源的壓力、科學利用空間資源的思路結合起來，唯有如此，纔可以降低環境治理的成本，使開發礦業和優化環境一舉兩得。”
▲人類對潛藏於地球內部的信息，所知還非常有限 /圖源：國際在線
Part 1地球深部熱度過400度，鑽桿打下去會變成“麪條”
《科學大師》：大陸科學鑽探目前最深的鑽井還沒有到13000米，往下面走特別困難，您是有過實踐的科學家，這是什麼原因？
楊文采：主要是因爲溫度升高，地下12000米以下，地球的溫度可能達到300-400度，這時候鑽桿就變成“麪條”了，剛性就沒有了，動力就沒辦法傳下去。剛性不夠，這個鑽桿不光不能繼續往下傳遞動力，到時候它鑽下去還會給你拐回來，不聽你指揮。
這是材料的問題。想讓這個鑽桿的剛性在1000度情況下還能一直保持剛性，這種材料現在還沒有研究出來，這個很難。那隻能等到新材料出來了以後，纔有可能繼續往深裡打鑽。
地底下的岩石層結構，不同的深度也不一樣。花崗岩、片麻岩，再往下是玄武岩、橄欖岩等更硬的岩石，這一類岩石密度大，所以地球深部越往下岩石就越堅韌，鑽孔的難度就越來越高。
我們原來用的鑽桿，它的材料是合金鋼。當然我們現在也有很多其他的材料，但是很貴，有一個成本問題。幾萬米的鑽桿，你看得多少成本。值得嗎？這涉及很多問題。你打下去以後又不賺錢，誰來投資啊？
▲前蘇聯科拉超深鑽孔，深達12263米/圖片來源於網絡
《科學大師》：向地球深部進軍，怎麼看這個科學意義？人類對地球深部認知還非常有限？
楊文采：我們對地球的瞭解，從地面上來說還是很不錯的，就是對（地下）深部的瞭解比較有限。
地球內部物質是怎麼分佈和運動的？能量是怎麼轉移的？這是很難研究的。因爲很多事情都發生在過去，都發生過了。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公里的岩石圈，岩石圈之下，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，軟流圈岩石有流變性。科學家爲了研究地下構造信息，有各種辦法。
比如地質學家，他要看地表上石頭的露頭，然後再看打鑽出來的岩心，通過測量和研究這些岩石標本，就能得到第一手的數據。拿不到實物，就沒辦法測算。但是，地表露頭和鑽孔（位置）常常相隔很遠。比如地質學家他在北京打井，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麼關係？大膽一些的地質學家就會說這是一個地質帶，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世紀地質學最大的成功就是用放射性同位素來測量地質年代。只要有一塊標本，他們就可以取得數據。當然這個標本要很特殊，比如是從火山裡頭噴發出來的。火山就是一個天然的鑽孔，把地下可能是100公里深度的物質給帶到地面上來了，像金剛石就是。同位素研究就能說明它的成因、物質成分、它的生成環境等等。
但也有問題，因爲不是到處都有火山。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。所以現代的地球科學研究，需要多學科的結合（地球物理學、地質學、地球化學等），才能搞清地下物質的分佈。
▲火山噴發涌出熔岩/圖源：國際在線
《科學大師》：也就是說，在地球科學中，大陸科學鑽探的重要性和必要性是無可爭議的？
楊文采：大陸科學鑽探是非常重要的一環。因爲地球科學研究目前更多隻能看到地表上的東西，如果不能往下打鑽採樣，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。比如構造的年齡和規模、流體的運動、地球物理異常起因等，你很難敲得很準，要把它上升成爲一個理論的模型，還需要加以打鑽驗證。
你要驗證，要麼就直接打鑽，鑽得越深越好，這是一個最好的辦法。比如我預測這個地方打下去會是什麼地質年代，我就在那個地方鑽下去，最後測出來的結果就可以直接拿來印證你的理論，所以要搞科學鑽探。海洋鑽探也好，大陸科學鑽探也好，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鑽，也是這樣，這個研究就與驗證地殼運動和大陸俯衝有關。最後獲得的材料驗證，基本上跟我們原來推測的是一樣的。這就是科學鑽探。
當然，除了打鑽，還可以有另一種驗證辦法，那就是預測，比如進行地震預報。預測在什麼地方什麼時候會發生大地震，如果你預測準確了，你的研究假設也可以上升成爲理論。
▲楊文采院士在廣西爲1600多名青年科研工作者作主題報告/圖源：廣西科協
Part 2人類社會要發展，離不開地下礦藏資源
《科學大師》：地球科學中，關於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，怎麼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部物質運動的能量來源。科學的估算，我們現有的一次能源當中的太陽能，它的總能量大概是地球內部能量的1/50，就是說地球的能量遠遠要大於太陽釋放出來的能量。
另外，我們的地球形成後產生一些礦物，比如說鈾礦，產生放射性的能源，這個能量是可以利用的。這個能量又比太陽能少一個級次。
我們說發展靠資源，最重要的戰略資源中就少不了礦物。特朗普簽署了一個美國的戰略資源法案，就是說你的戰略資源的儲備如果不夠的話，一旦發生戰爭，你這個國家是經不起打擊的。那這其中涉及到一個很重要的戰略資源，就是稀土礦，它們是在新材料、高端製造、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，如果這個資源斷了，對於美國的戰略發展是很不利的。
▲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
《科學大師》：也就是說，地球科學是否能夠在這種戰略資源自給自足上面，提供助力？
楊文采：鐵礦、銅礦這一類戰略礦產，我們國家尋找了很長時間。這裡我要講講金礦。中國地質界對於國家發展的一個大貢獻，就是發現了金礦、鎢礦和錫礦。我們國家解放後，經濟還不發展，一窮二白，很多人吃不飽飯，我們當年怎麼去買國外的先進技術？靠的就是出口金礦、鎢礦和錫礦。
我們解放後找到了幾個大金礦，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。現在中國製造走出去了，大量的外匯進來，我們的經濟依靠礦業的這個階段纔算去了。
我們在工業化初期最需要的是鋼鐵和石油，這也都離不開地球科學。現在處在新工業革命時代，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網，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。
我們現在不太重視礦業，暫時是可以的。但隨着時代發展的變化，對礦業的需求也在變化，離不開很多礦產資源。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，是支撐戰略性新興產業發展的重要原材料。據我所知，現在有的國家發展還是靠礦產，比如俄羅斯，它的生存密切依靠礦業。澳大利亞也是這樣。
▲楊文采院士/李儀 攝影
《科學大師》：既然很重要，爲什麼也存在地球物理專業（包括地質專業）並不是那麼吃香的說法？
楊文采：這個專業還在往下走，現在都沒有本科生了，因爲地球物理專業的學生出來不好找工作。相比之下，現在搞遙感、搞 GPS 的，找工作很容易。這種專業發展上的困境，不是一下子就能夠解決的。
地球科學的發展很有意思。我在40年前公派去加拿大，那時候全世界發生所謂的能源危機，石油賣到130美元一桶，搞得很恐慌。大家說，40年以後中國也好世界也好，石油都會枯竭，油價會暴漲，於是各個政府和石油公司大量投資勘探石油，結果現在40年過去，石油的儲量跟40年前一樣，並沒有掉下來。因爲技術提高了，經過勘探發現更多的油田，開採的技術水平也提高了。一看還夠用40年，就鬆懈下來， 40年以後再說吧，現在不找了。這樣一來，地球物理人最大的就業門路就受到影響，我們原來70% 搞地球物理的都是在石油勘探部門工作。
雖然礦業在發展形勢上不利，我們國家還會支持這個專業，規模可以縮小，但這個路線不能斷。基礎性的研究不去做，以後就會落後了。
《科學大師》：這倒是有些奇怪，現在各國都希望獲得足夠的能源用於經濟發展，這個專業反而在往下走，失業？
楊文采：現在全球的礦業都處在最低谷，發達國家也是這樣，主要原因就是因爲人們對於人居環境水平追求提高以後，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加徵很高的環境稅。你要破壞環境，我就給你加稅，把成本提高5到10倍，不賺錢了，就沒人幹了。現在歐洲的德國、英國、法國，礦山基本上都封閉了，基本沒有礦業了。他們的資本就都跑到非洲去，把污染留給別人。
我們國內的礦業也慢慢在萎縮。所以我們要研究在人居環境和資源的利用之間尋找一個平衡、可持續的發展，要搞清楚地球物質運動和演化的規律。
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，到採集積累數據，進行全球對比，最後找到地球動力學的一些演化規律。拿這些規律，也可以用來分析資源能源是怎麼形成的。比如我也給中石化做研究，說中國這個深層5000米到1萬米地下構造怎麼樣，這個盆地裡頭哪些地方可能會有石油，有利於石油的形成，這就是它的應用。
Part 4人們在能源利用和生態環保的平衡上面，還無法取得共識
《科學大師》：您是地球物理學家，怎麼看當前能源消耗和可持續發展的矛盾關係？
楊文采：我很關注這個問題。人類社會要發展，就要消耗能源，這就會傷害到人居環境，形成一個怪圈。雖然這是一個社會問題，但跟地球科學聯繫最緊。因爲只有你知道地球內部能量跟物質怎麼運動，你才能知道地球上的能源、資源是怎麼形成的，將來會怎麼變化？也才能夠知道現在的人居環境是怎麼形成的，將來又會怎麼變化？只有知道這些，你纔可能解決平衡問題，我們也纔不會去幹傻事。這個問題，希望能引起社會的重視和討論。
新型礦業必須綠色發展，必須和保障人居環境、減少土地資源的壓力、科學利用空間資源的思路結合起來，唯有如此，纔可以降低環境治理的成本，使開發礦業和優化環境一舉兩得。
我認爲大家還沒有形成共識，不同的人想法不同，所以達不成平衡。礦上的老闆一心想着賺錢發展，有些地方政府也是這麼想的，這些礦是他當地稅收的來源。去年我在內蒙古跑野外，看到當地查封了一個礦山，因爲有污染，不光查封，環保部門還每天用卡車拉着土把那個礦井填埋。我很奇怪，有污染你可以治理，可以加以改造，或者等環保技術、開採技術進步了，再加以利用。有沒有必要把它填掉，這麼浪費納稅人的錢？這個礦山還有它的價值，可以成爲人類共同的財富。
我認爲可以坐下來討論，找到使兩方都能夠受益的辦法，而不是說我只強調我的業績和收入，你只強調你的環保，最後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，研究地球內部能量物質運動的規律。
▲位於美國加州的聖安德烈亞斯斷層/圖片來自於網絡
Part 5地震預報爲什麼難以發展起來
《科學大師》：您的科研更多是集中在地球動力學，對於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。因爲地球的內部結構太複雜了，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裡預測，一定要6級以上的大地震，纔有預測的必要，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。我們如果說半年之內都可能發生，這個話好說。但你要說明天就發生地震，那要求就很高。因爲地震有很多因素觸發，很多是偶然因素，所以很難。
當然地震預測研究做到什麼程度，也跟經費投入有關係。比如說在一個地震帶上，如果我每隔100米都有一個鑽孔打下去，然後放上探測器，一連放上1萬套，那我就能知道這整個地下應力的變化特徵，利用這種大數據研究，就比較容易對地震進行預測。問題是，打1萬個鑽孔，放1萬套探測器，花這麼大的成本下去，值不值？這就涉及到你科技發展定位的問題。
▲貴州海百合化石，距今超過兩億年曆史/受訪者供圖
《科學大師》：實際上按您這樣說，我的理解是如果要做，還是能夠實現的，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，但是應該這麼去做，會往前走一步。你看美國加州的那個斷裂帶，經常發生地震，他們大地震已經預測了四五十年了，前6次都失敗了，第7次成功。他們現在就比較有把握了。比如說提前三天或一個禮拜，在什麼地方什麼範圍會發生多少震級的地震，預測可能性大，因爲地震還是有規律的。比如一個地震斷裂帶，很多地方都已經發生過地震了，地層結構都鬆了，它就不容易發生應力積累，再發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。這裡面有很多利益考量。因爲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，但是隨着信息技術的應用和自動監測能力的提高，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《人民日報》海外版的報道。