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      EN
      上天容易入地難
      2024-01-19 10:31:35

      科學界曾流傳“上天容易入地難”,其原因可能包括:

          ① 利用航天工具可以進入太空(不是指射電望遠鏡一類觀測設備);1957年10月4日,世界上第一顆人造地球衛星“斯普特尼克1號”從拜科努爾發射場升空。

      圖1 斯普特尼克1號

          1961年4月12日蘇聯宇航員尤里·加加林乘“東方”號飛船首次繞地球飛行。

      圖2 尤里·加加林

          ② 入地的鉆井工程可能達到的深度極為有限(例如,原蘇聯的科拉深鉆約12.3km);科拉超深鉆孔是蘇聯于1970年在科拉半島鄰近挪威國界的地區所進行的一項科學鉆探工作,其中最深的一個鉆孔達12 262米,至今保持世界最深鉆井紀錄。

      圖3 科拉超深鉆

          ③ 即使科學與技術再迅速地發展,入地工程的進展也將是緩慢的。

      那么,問題來了:

          “上天容易入地難”是真的嗎?

          回答:不是。

          可以概括地表述為:天空幾乎是無限的,航天器的宇航工程目標層出不窮;盡管地球介質堅硬難進,但它是有限的。

          “上天、入地都難”是科學的認識。


          這里主要論述入地問題。入地目的是探測地球結構與內部狀態,開發礦產資源,造福于人類。入地手段基本分為三類,鉆井工程(A 類)、地球物理技術(B 類)和地球化學測試(C 類)。

      其中:
          A 類的難點在于鉆具材料與動力補充;

          C 類的難點包括有限的包體和測試技術水平的局限;

          B 類技術基本為間接入地。

          我們科學界不能忽視這一類間接手段,它可以測得A 類、C 類遠遠達不到的地球深處的結構和運動狀態,只是準確度需要不斷地提高。作為地球物理技術的B 類,大致可包括重力場、磁場、地電場、天然地震波場、人工地震波場、遙感技術等。

          地球重力場是一個十分重要的物理場,在實際與入地目標相應的處理工作中,不能略去固體潮因素,進一步要考慮重力波,利用高階田諧分析逐步深入探測地下目標。

      圖4 地球重力異常

          地球磁場的起源與態變是一個重要的科學難題,在利用地磁場進行地內研究時,關鍵問題是分辨能力。

      圖5 地球主磁場總強度

          地電場觀測解譯是有條件的,補以人工電場探測可能增進探測精度。近年來國內外提出的“入地電磁導彈”設備,其核心問題是能量方面的局限。

      圖 6 某區域大地電磁測深模型電阻率

          遙感技術所解譯的地下結構在不斷加深,是一項極具應用前景的探測手段。

      圖7 全球高程圖

          天然地震產生的波場具有如下優點:范圍廣、深度大、提高準確度的條件多。

      圖 8 全球地殼厚度圖

          人工地震波場準確度高,但費用投入大。

      圖 9 某地區三維層析成像水平切面中的河道砂

          地球物理工作者應該合情合理地判斷分析自己的工作能力,主張區域與局部探測相結合、觀測與解譯水平相結合、探測尺度與精度相結合。

          利用攜帶夠深(含目標)信息的物理場數據,才可能得到該目標解。目標解包括地球內部結構與狀態(圖10)。長期科學研究與實驗所得到的有關地球內部的資料是十分寶貴的。例如,地球的層圈結構,內核附近的差異運動,地球介質表現出來的非均勻性、各向異性、物理彈性、熱電性、非線性、多相性、隨機性等。

      圖 10 地球層狀結構

          由地震學得到的旋轉差異運動是否耦合了進動部分?在地球深部核、幔結構中的流體部分是不是唯一狀態?地球內部可能存在目前地面尚未觀測到的物質性質?“入地”工程是否包括其他星體?這些雖然夠不上宏觀上的科學難題,但也是我們地球物理學界尚存的問題。

       

          在上述有關“入地”背景資料的基礎上,我們就“入地”的科學問題羅列如后。

          (1) 最近科學界報道:“中子星表層硬度達到鋼鐵的百億倍( 10|10倍)。”這里不去說明其研究硬度的技術手段,而從另一方面引申其結果。首先,何以硬度會如此之大?宇宙里物質硬度取決于什么?是否可以進行重組分子結構改變物質硬度?即使得到超強硬度物質,利用它作為A 類入地工程鉆具,也還存在一個熔點的問題。建議在鉆具頭部內部設置微型“熱轉電”裝置,以同時解決熔點與動力源問題。

          (2) 在地球尺度范圍內(也包括中、小尺度),建立混合尺度、綜合狀態的地球物理場方程及其相應的新的反演技術。這一問題與另一科學難題(深資源高精度地震探測)的區別包括:① 這里是綜合地球物理場;② 得到的是準大尺度動態方程及其反演技術。該問題中的新的反演技術存在一個誤差與精度的判別問題,也需要提供新的判別手段。

          (3) 關于“step by step”研究過程:遙遠目標與近期目標階段進展相結合、理論探討(允許假設與近似)與數理模擬相結合、理論與方法的驗證環節。

          (4)“入地”科學問題需要多學科攻關,是全世界人類文明的合成。我們建議制訂全球“入地”探測表(包括實施方案)。其主要內容包括:① 材料研究(學科:化學、物理學、材料學、力學、地質學、地球物理學等),目標為制備A 類手段工具以及進行相應的實驗研究;② 對地球中不同層位、不同深度用不同地球物理方法(B 類)進行研究,目標為:近期(50 年)地球內至B''層,中期(100 年)至D'' 層。其中地球物質性質包括其狀態及變化,結構達到1000~100m 精度;③ 探測組織機構設立。建立全球近期探測觀測區5 個,完成中期探測觀測與長期探測觀測區的論證工作。探測設備研制,包括理論水平要求、探測水平與理論水平匹配、設備更新換代。建立全球地球物理探測數據庫(U0 版),U0 版包括已有探測成果(經論證)匯集,也包括已有探測理論部分。

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




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