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上天容易入地难
2024-01-19 10:31:35

科学界曾流传“上天容易入地难”,其原因可能包括:

    ① 利用航天工具可以进入太空(不是指射电望远镜一类观测设备);1957年10月4日,世界上第一颗人造地球卫星“斯普特尼克1号”从拜科努尔发射场升空。

图1 斯普特尼克1号

    1961年4月12日苏联宇航员尤里·加加林乘“东方”号飞船首次绕地球飞行。

图2 尤里·加加林

    ② 入地的钻井工程可能达到的深度极为有限(例如,原苏联的科拉深钻约12.3km);科拉超深钻孔是苏联于1970年在科拉半岛邻近挪威国界的地区所进行的一项科学钻探工作,其中最深的一个钻孔达12 262米,至今保持世界最深钻井纪录。

图3 科拉超深钻

    ③ 即使科学与技术再迅速地发展,入地工程的进展也将是缓慢的。

那么,问题来了:

    “上天容易入地难”是真的吗?

    回答:不是。

    可以概括地表述为:天空几乎是无限的,航天器的宇航工程目标层出不穷;尽管地球介质坚硬难进,但它是有限的。

    “上天、入地都难”是科学的认识。


    这里主要论述入地问题。入地目的是探测地球结构与内部状态,开发矿产资源,造福于人类。入地手段基本分为三类,钻井工程(A 类)、地球物理技术(B 类)和地球化学测试(C 类)。

其中:
    A 类的难点在于钻具材料与动力补充;

    C 类的难点包括有限的包体和测试技术水平的局限;

    B 类技术基本为间接入地。

    我们科学界不能忽视这一类间接手段,它可以测得A 类、C 类远远达不到的地球深处的结构和运动状态,只是准确度需要不断地提高。作为地球物理技术的B 类,大致可包括重力场、磁场、地电场、天然地震波场、人工地震波场、遥感技术等。

    地球重力场是一个十分重要的物理场,在实际与入地目标相应的处理工作中,不能略去固体潮因素,进一步要考虑重力波,利用高阶田谐分析逐步深入探测地下目标。

图4 地球重力异常

    地球磁场的起源与态变是一个重要的科学难题,在利用地磁场进行地内研究时,关键问题是分辨能力。

图5 地球主磁场总强度

    地电场观测解译是有条件的,补以人工电场探测可能增进探测精度。近年来国内外提出的“入地电磁导弹”设备,其核心问题是能量方面的局限。

图 6 某区域大地电磁测深模型电阻率

    遥感技术所解译的地下结构在不断加深,是一项极具应用前景的探测手段。

图7 全球高程图

    天然地震产生的波场具有如下优点:范围广、深度大、提高准确度的条件多。

图 8 全球地壳厚度图

    人工地震波场准确度高,但费用投入大。

图 9 某地区三维层析成像水平切面中的河道砂

    地球物理工作者应该合情合理地判断分析自己的工作能力,主张区域与局部探测相结合、观测与解译水平相结合、探测尺度与精度相结合。

    利用携带够深(含目标)信息的物理场数据,才可能得到该目标解。目标解包括地球内部结构与状态(图10)。长期科学研究与实验所得到的有关地球内部的资料是十分宝贵的。例如,地球的层圈结构,内核附近的差异运动,地球介质表现出来的非均匀性、各向异性、物理弹性、热电性、非线性、多相性、随机性等。

图 10 地球层状结构

    由地震学得到的旋转差异运动是否耦合了进动部分?在地球深部核、幔结构中的流体部分是不是唯一状态?地球内部可能存在目前地面尚未观测到的物质性质?“入地”工程是否包括其他星体?这些虽然够不上宏观上的科学难题,但也是我们地球物理学界尚存的问题。

 

    在上述有关“入地”背景资料的基础上,我们就“入地”的科学问题罗列如后。

    (1) 最近科学界报道:“中子星表层硬度达到钢铁的百亿倍( 10|10倍)。”这里不去说明其研究硬度的技术手段,而从另一方面引申其结果。首先,何以硬度会如此之大?宇宙里物质硬度取决于什么?是否可以进行重组分子结构改变物质硬度?即使得到超强硬度物质,利用它作为A 类入地工程钻具,也还存在一个熔点的问题。建议在钻具头部内部设置微型“热转电”装置,以同时解决熔点与动力源问题。

    (2) 在地球尺度范围内(也包括中、小尺度),建立混合尺度、综合状态的地球物理场方程及其相应的新的反演技术。这一问题与另一科学难题(深资源高精度地震探测)的区别包括:① 这里是综合地球物理场;② 得到的是准大尺度动态方程及其反演技术。该问题中的新的反演技术存在一个误差与精度的判别问题,也需要提供新的判别手段。

    (3) 关于“step by step”研究过程:遥远目标与近期目标阶段进展相结合、理论探讨(允许假设与近似)与数理模拟相结合、理论与方法的验证环节。

    (4)“入地”科学问题需要多学科攻关,是全世界人类文明的合成。我们建议制订全球“入地”探测表(包括实施方案)。其主要内容包括:① 材料研究(学科:化学、物理学、材料学、力学、地质学、地球物理学等),目标为制备A 类手段工具以及进行相应的实验研究;② 对地球中不同层位、不同深度用不同地球物理方法(B 类)进行研究,目标为:近期(50 年)地球内至B''层,中期(100 年)至D'' 层。其中地球物质性质包括其状态及变化,结构达到1000~100m 精度;③ 探测组织机构设立。建立全球近期探测观测区5 个,完成中期探测观测与长期探测观测区的论证工作。探测设备研制,包括理论水平要求、探测水平与理论水平匹配、设备更新换代。建立全球地球物理探测数据库(U0 版),U0 版包括已有探测成果(经论证)汇集,也包括已有探测理论部分。

 转自:https://zhuanlan.zhihu.com/p/94736385




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