大数据呈现“看不见”的地球内部-大数据呈现“看不见”的地球内部

加拿大岩石圈探测计划

地球内部剖面示意图

前不久，我国启动了地震科技创新工程，拟通过“透明地壳”“解剖地震”等4个地球深部探测计划的实施，在未来10年，大幅提升地震科学研究水平以及防震减灾能力，达到国际先进水平。那么，和世界发达国家相比，在地球深部探测方面我们可以借鉴哪些经验成果?大数据时代地质学家探测地球内部所面临的焦点和难点有哪些?从上个世纪60年代起，随着人类对海洋认识的加深，发展出了划时代的板块构造理论，几乎完美地解释了与海洋有关的地质学问题。所以，人们开始把板块构造理论运用于陆地，也就是板块构造理论的“登陆”。

在研究海洋地质的过程中，科学家广泛采用地球物理学的方法，结合钻井，取得丰硕成果。自然而然地，研究大陆地质学也可以按照这个思路进行。所以，从上个世纪70年代开始，各国相继展开了各式大陆探测计划，极大地完善了大陆地质学理论并取得了良好的经济效益。

美国：大陆反射地震探测计划和地球透镜计划堪称深部探测典范

在上个世纪70年代末，美国率先开始实施了大陆反射地震探测计划。这项计划的研究手段来源于石油勘探技术，通过布设一系列测线，收集人工地震产生的地震波，处理之后就可以得到很多地下地质结构的信息。这个计划取得了很多优良的成果，比如：揭示了美国东海岸阿帕拉契亚山的构造，西部山地的地下结构，尤其在落基山断层之下发现一系列油田。一连串的科学与社会效益，使该计划堪称深部探测的典范。此外，这次探测计划的成果，还引发了其他国家相关计划的出炉。

2001年，美国国家科学基金会、美国地质调查局和美国国家航空航天局，联合发起了一项新的开创性地球探测计划——地球透镜计划。该计划是一项全新的具有风险性的地学探索工作，主要分为四项内容：

第一项是建立一个由2000个地震观测点构成规则的流动测网，轮流进行地震观测，实时采集数据，用来研究地幔乃至深达近3000公里的地核和地幔边界的情况。另外，还可以用来监测火山和地震活动，进行灾害预测。

第二项是建立圣安德列斯断裂深部观测站。圣安德列斯断裂是地球上最活跃的断层之一，穿过美国经济发达、人口密集的西海岸，研究程度很高，危险性也很大。项目将在断层带上取出了40米的岩芯供科学研究，并在深部建立了一个观测站，进行长期的观测研究。

第三项是板块边界观测站，利用GPS和应变测量仪，对太平洋板块和北美板块的相互运动进行连续观测，以研究地震和火山造成的地壳缓慢变形，增强预报的准确性。

第四项是合成孔径干涉雷达，可以用于火山和地震灾害的研究，还可以提供因地下水和石油的开采造成的地面沉降信息等。美国的地球透镜计划在2003年由国会批准实施，为期15年(2003年~2018年)，预计投资超过200亿美元。

英国：反射地震计划揭示地球霸主恐龙灭绝猜想

英国反射地震计划开始于1981年，探测范围覆盖英伦三岛及附近大陆架，揭示了这一地区地壳和地幔的结构特征，并得益于反射地震计划帮助，成功发现了储量约47亿吨的北海油田。

而让人意想不到的是，该计划发展的地球探测新技术，在寻求恐龙灭绝成因方面发挥了很大的作用。我们知道在6500万年前的白垩纪末期，地球霸主恐龙突然灭绝，一种猜想是有一颗直径至少10公里的陨石与地球相撞，导致全球气候大变，恐龙灭绝。

但这么大一颗陨石与地球相撞，必定要留下一个巨大的陨石坑，那么它在哪儿呢?早期的科学家通过对墨西哥湾地区岩石学的研究发现，这里可能存在一个巨大的陨石坑，但它到底是什么形状，有多大，一直是个谜。因为这里大部分地区都是在海下的，难于观察。所以，在1996年的1月~5月间，该计划的科学家联合美国、墨西哥的地质学家对墨西哥湾地区进行了详细地探测，最终确定了这里存在一个巨大的陨石坑，直径大约100公里，为恐龙灭绝这一科学问题的研究补上了重要的一环。

加拿大：岩石圈探测计划为矿业勘探和开采提供详细信息

加拿大岩石圈探测计划(1984年~2003年)是加拿大国家级多学科合作的地球科学研究项目，目的是综合了解北美大陆北半部的大陆演化。加拿大地区本身地质演化历史久远，超过40亿年，这让加拿大成为研究地球大陆早期历史及后续演化最理想的国家。

在漫长的历史中，大陆经历了怎样的变化，都有哪些地质过程，大陆的组成是怎样的，这些问题不仅对加拿大，更是对全球的地质学研究都有着重要的意义。另外，加拿大矿产资源丰富，矿业是本国的支柱产业之一，探明地下的矿产分布及储量，更是对本国的经济发展具有重要意义。所以，加拿大岩石圈探测计划从一开始就具有科学和社会的双重目标。

从1984年开始，参与该研究的750多名作者发表了近2000篇著作，详细阐述了加拿大本土大陆的演化特点，绘制详细的岩石圈剖面，尤其注重对矿业开发区的探测，为矿业勘探和开采提供更详细的信息。

所有这些，不仅显著提高了加拿大大陆地质学的研究水平，而且极大地促进了本国矿业发展，丰富的成矿信息增强了矿业公司投资的信心。

澳大利亚：“玻璃地球”计划的目标是人眼能看到地下构造、岩层、矿产甚至灾害矿产资源大国澳大利亚被誉为“坐在矿车上的国家”，为了解决未来的资源问题，1999年该国提出了“玻璃地球”计划。所谓的“玻璃地球”，顾名思义，就是让地球像玻璃一样透明，让人一眼就能看到地下的构造、岩层、矿产甚至灾害。有学者称之为“透明地球”或“水晶地球”，在一个国家范围内则被称为“玻璃国土”，指通过多种地质手段获取海量数据，建立全球性、多尺度、数字化的地质模型，可供我们查询和分析，然后据此作出正确合理的决策。澳大利亚“玻璃地球”的思想理念一经提出，就吸引了世界各国纷纷效仿，开始投入大量资金进行实施。

“玻璃地球”计划的目标是：使澳大利亚大陆地表以下1000米深度以内的地质状况变得透明。要实现这一目标，需要大量的地质勘探、地球物理勘探和地球化学勘探工作，如：新的钻探技术、航空重力梯度测量、航空电磁法、地球化学填图、同位素跟踪、地下水化学研究等。该计划提出之后被正式列入澳大利亚的国家预算，并开始实施。遗憾的是，2003年因多种原因而被迫终止。

欧洲：深部探测计划促进了科学研究的跨国界合作

从1981年起，受美国深部探测计划的影响，欧洲各国随后也展开了自己宏大的计划。

欧洲深部探测计划(1981年~2001年)旨在实施新一代的重大项目，更好地了解欧洲大陆地壳和地幔的构造演化，以及一直以来控制整个演化的动力学过程。欧洲探测计划挑选9个目标区域进行重点研究，每个区域都由高度自治的研究团队负责，所有的团队都致力于运用地质学、地球化学、地球物理学相结合的方法，了解地球表层和深层的关系，解释形成欧洲大陆岩石圈主要特征的过程。

在本计划实施的20年间，有30多个国家，上千名地质学家参与，从俄罗斯的乌拉尔山到葡萄牙里斯本，从土耳其到瑞典，地质学家对欧洲的主要地质结构进行了系统的研究，硕果累累，加深了人们对欧洲大陆深部构造和地质学过程的认识，同时也极大促进了科学研究的跨国界合作。