第一章 地球科学与深部探测
第一节 国际深部探测发展现状与趋势
一、深部探测是地球科学的“*后前沿”
“上天、入地、下海”是人类探索自然、认识自然的三大壮举，将在人类发展与地球管理方面起着关键的作用（董树文和李廷栋，2009)。过去十多年，地球科学一个重要的进展是认识到深部地球动力学过程与地表-近地表地质过程之间紧密关系的重要性(Cloetingh et al.，2009； Cloetingh and Willett，2013)。越来越多的证据表明，地球表层发生的现象根子在深部，缺了深部，地球系统就无法理解。越是大范围、长尺度，越是如此。深部物质与能量交换的地球动力学过程，引起了地球表面的地貌变化、剥蚀和沉积作用，以及地震、滑坡等自然灾害，控制了化石能源或地热等自然资源的分布（Cloetingh et al，2010)，是理解成山、成盆、成岩、成矿和成灾等过程成因的核心（滕吉文，2009；董树文等，2014a)。联合国“国际行星地球年”（International Year of Planet Earth， IYPE；2008年）将地球深部列为地球科学的“*后的前沿”。
地球深部蕴含着丰富的资源，是重大地质灾害的策源地。地球深部的探测与研究是实现可持续发展的国家科技发展战略。世界各国近百年地球科学观测实践表明，要想揭开大陆地壳演化的奥秘，更加有效地寻找资源、保护环境、减轻灾害，必须进行深部探测。深部探测研究地球深部的物质组成、结构与动力学过程（Karato，2003)，涉及物理、化学和材料科学等诸多领域，以及地球科学的全部领域。目前，人们对地球深部的认识主要基于四个方面的研究：①深部地球物理综合探测；②超深钻探；③地质地球化学；④地球深部物质的高温高压实验（龚自正等，2013)。深部探测不仅是人类探索自然奥秘的追求，更是人类汲取资源、保障自身安全的基本需要。地球深部探测作为当前大陆岩石圈探测与流变学研究的系统工程技术，充分应用*先进的技术手段，提取深部基础信息，逐步揭开地球深部结构与物质组成、深浅耦合的地质过程与四维演化的奥秘，由此形成的全球性主流发展趋势，超越了板块构造学、大陆动力学和陆内造山理论，为解决能源、矿产资源可持续供应、提升灾害预警能力提供深部数据基础，已成为地球科学“*后的前沿”之一(董树文和李廷栋，2009；董树文等，2010a，2011a，2011c，2012a，2013，2014a)。
深部探测研究分为两大层次：①岩石圈与上地幔，是指410～660 km地幔过渡带及其以上的空间，这是地球深部探测研究的首要层次，也是解决资源环境问题的关键；②下地幔与地核，是*终揭示地球动力学的核心。除了资源环境目标外，深部探测研究还面临着诸多的科学挑战，更加凸显了“深地”的研究魅力，如①什么是地质过程的全球驱动力？②地球深部过程是如何形成现代社会所需的矿物和其他资源的？③深部过程是如何驱使灾害事件（如火山爆发、地震和其他自然灾害）发生的？④地质时代的海洋和大气圈是如何发生的，这能为我们提供哪些有关气候变化的信息？⑤内动力过程对气候的影响又是如何？⑥挥发性成分（如水和C02)的全球收支平衡又是如何？⑦行星地球是如何聚合到一起的，它是如何演化的？⑧什么是地幔和地壳动力学，地表响应又是如何？⑨深下地幔的组成、性质与行为又是如何？⑩什么是地球磁场动力学，它与地球系统的相互作用又如何?
地球深部成为地学前沿基于以下的认识：①了解地球深部，特别是地壳、岩石圈等固体地球圈层的结构与组成，是解决人类生存发展的适宜环境和资源充足供应等重大问题的前提和基础。对地球了解甚少，更难以深入了解月球，以及火星、金星等行星。②地质学家在地球表层找矿的面积仅占陆地的一半，而另一半是被松散沉积物和植被所覆盖的“新大陆”；目前即使在基岩出露区深部的勘探也非常有限，突破深部“第二找矿空间”、加大深部勘查成为必然。③地质灾害的营力主要来自地球内部，人类现在往往面对火山、地震的肆虐束手无策，原因是掌握不了灾害发生的内在规律，对地壳的结构和动力学过程认识肤浅（董树文和李廷栋，2009)。④地球深部物质循环和能量交换是表层系统*主要的动力源，控制了地球表层环境变迁和浅层资源积淀，是研究地球表层作用的关键，是构建地球系统科学的重要内容。
21世纪以来，地球科学面临前所未有的机会和巨大的发展前景，从地球系统科学出发，建立超越板块构造理论的时代已经来临，地幔柱理论与板块构造理论的融合必将为太阳系乃至宇宙形成的构造过程提供全新认识。正如20世纪的曼哈顿原子弹计划、阿波罗探月计划、人类基因组计划等大科学计划，地球深部探测（“深地”）是一个大科学领域，属于需要国家层面组织探测并开展多学科综合研究的领域，是人类“上天、入地、下海”向自然发起的重大挑战之一，需要全新理论指导、地球物理探测技术突破、地球化学原理创新、材料工程支持、反演理论支撑，以及超强计算与模拟能力保障。
二、国际深部探测研究发展现状
1.美国深部探测计划
回顾全球深部探测的历史，*早在20世纪70年代，美国大陆地壳探测计划(Consortium for Continental Reflection Profiling， COCORP；1975～1992年）的实施大大推动了深部探测的进程，开辟了深地震反射探测的新方法，探测精度和深度达到前所未有的程度，完成了约6万km的深地震反射剖面（图1.1)。COCORP计划首次揭示出北美地壳精细结构，发现阿巴拉契亚造山带精细结构和大规模低角度推覆构造（图1.2)，在落基山等造山带之下发现一系列油田，成为深部探测*成功的范例。该计划还确认了拉拉米基底抬升的逆冲机制；描绘了大陆莫霍面（Moho)的变化特征，包括后造山再均衡的新证据及多起成因（相变）以及作为构造拆离面的可能作用；新生代裂谷下的岩浆“亮斑”；盆岭省东部的地壳规模的拆离断层；填出美国内陆隐伏前寒武系层序；确定隐伏克拉通典型的元古宙构造——地壳剪切带等。C0C0RP计划为研究造山带、裂谷带、板块缝合带性质提供了较可靠的地震学证据，不断为有关大陆演化的研究提出新的观点（王海燕等，2006)。它的成功带动了20多个国家的深地震探测计划，美国康奈尔大学（Cornell University)科学家在世界范围参与了一系列深地震探测行动，包括喜马拉雅-西藏碰撞造山带的喜马拉雅和青藏高原深剖面及综合研究（International Deep Profiling of Tibet and Himalaya， INDEPTH)计划、俄罗斯乌拉尔山的 URSEIS (Urals Seismic Experiment and Integrated Studies)探测计划和南美洲安第斯山脉的ANDES计划等。
图1.1 美国C0C0RP计划地震反射剖面分布图（据L.Brown教授)白线为反射地震研究区分区边界，非国界
图1.2 美国COCORP计划获得的阿巴拉契亚造山带地壳结构（据Cook and Vasudevan，2006) C0C0RP计划关于“低角度逆冲断层是大陆碰撞和拼合的关键过程”的认识，是其他国家(特别是欧洲）启动深地震探测计划的动机之一。此外，与许多典型的深反射探测剖面类似，沿剖面高度变化的反射样式，反映了早期给出的简单层状蛋糕模型明显有误
2003年启动的美国“地球透镜”（EarthScope，2003～2018年）计划，整合了美国地震阵列（USArray；图1.3、图1.4)探测、圣安德烈斯断裂深孔监测（San Andreas Fault Observatory at Depth， SAFOD；图1.4)、活动大陆边缘板块边界观测(Plate Boundary Observation ，PBO；图1.4、图1.5)三个独立科学计划，预设合成孔径雷达干涉测量（inter-ferometric synthetic aperture radar， InSAR)探测计划，旨在加深对北美大陆地壳、地帳乃至地球深部地质结构、演化和动力学特征的认识，了解圣安德烈斯断层和其他板块边界断层的物理和化学过程，监测地震和火山爆发前的地壳变形过程，勾画地表位移分布图像，取得了重大成就，为进一步了解断层破裂和地震机制、预测地震和火山爆发提供了基础。到目前为止，包括运营费用，该计划已经投入了16亿多美元，已经产生了超过115万亿字节的科学数据。2011年美国《大众科学》网站列举出了有史以来*具雄心的十大科学实验，EarthScope计划作为“深入地球内心的望远镜”位列第一位。
图1.3 USArray历年台阵部署
图1.4 SAFOD、PBO、USArray机动阵列及大地电磁阵列部署
图1.5 EarthScope在阿拉斯加的工作部署
EarthScope计划研究大陆增生和演化地质过程，小至微观岩石结构，大到板块构造；同时研究地幔流和地表形变之间的相互作用，两者之间存在着不同程度的耦合带和拆离带。EarthScope计划揭示了大陆岩石圈的碰撞、裂解和扭曲历史，让我们认识到地球遥远的过去（即深时地球过程）是如何继续影响和改造我们现在的世界的。EarthScope计划为理解地震和火山爆发等活动地质过程提供了关键数据，可以帮助我们深入理解地球内部活动，更好地评估灾害。EarthScope计划为国际地学界绘制了一幅地球科学创新研究的蓝图。
EarthScope计划率先使用环境噪声地震波进行地震学速度成像，并与其他技术一起，给出了北美大陆之下的地壳和上地幔的高分辨率图像。这是前所未有的，其中，小尺度各向异性与地质构造现象非常一致。通过追踪北美大陆地幔中板块的裂解，EarthScope计划找到了在北美大陆之下存在古老的法拉龙（Farallon)板块及其前身的新证据，说明法拉龙板块已经从太平洋海岸俯冲带一直向下延伸到北美大陆的东部深处，从而揭开了北美大陆被隐藏了的过去历史（即深地-深时联合的过程；图1.6)。利用地震仪和全球定位系统(global positioning system，GPS )台站，EarthScope计划追踪了西北太平洋卡斯卡迪亚(Cascadia)俯冲带的慢速俯冲现象，确定了该地区存在周期性的微震（慢地震）和慢滑移俯冲板片。
图1.6 美国大陆岩石圈层析成像剖面（据Burdick et al.，2014)白线为层析成像研究区分区边界，非国界。剖面深度至1000 km，虚线分别代表410 km和660 km深度。NAC.北美克拉通；FS.法拉龙板块；CS.卡斯卡迪亚板块
EarthScope计划在圣安德烈斯断裂深孔监测（SAF0D)岩心样品中，发现了圣安德烈斯断裂的内部结构及弱化成因，回答了圣安德烈斯断裂活动及其与地震发生的关系问题。开发并应用高分辨率震源反投影方法对大的全球性地震破裂动力学过程进行成像，以反溯全球性地震的破裂过程。首次米用激光雷达（light detection and ranging，LiDAR)技术测量墨西哥7.2级El Mayor-Cucapah地震发生前后的地震位移，监测地震破坏情况。 EarthScope计划观测表明，整个北美大陆正处在巨大的压力之中，由于构造和地表负荷(水和冰）变化的联合作用，北美大陆正在发生变形。通过深度学习训练的GPS台站提供了有效的灾害早期预警信息。与地震仪类似，台站监测到的地壳运动可用来实时估算地震
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