謝和平 ， 張 茹 ， 張澤天 ， 高明忠1,2,3,4, ， 李存寶1,2,3,4, ， 何志強(qiáng) ，李 聰 ， 劉 濤,7

(1.深圳大學(xué) 深地工程智能建造與健康運維全國重點實驗室, 廣東 深圳 518060；2.深圳大學(xué) 廣東省深地科學(xué)與地?zé)崮荛_發(fā)利用重點實驗室, 廣東深圳 518060；3.深圳大學(xué) 土木與交通工程學(xué)院, 廣東 深圳 518060；4.深圳大學(xué) 深地科學(xué)與綠色能源研究院, 廣東 深圳 518060；5.四川大學(xué) 水利水電學(xué)院, 四川 成都 610065；6.四川大學(xué) 深地工程智能建造與健康運維全國重點實驗室, 四川 成都 610065；7.四川大學(xué) 新能源與低碳技術(shù)研究院, 四川 成都 610065)

中國中長期科技發(fā)展規(guī)劃曾提出“上天、入地、下海、登極”的科研八字方針，不僅對全世界大科學(xué)問題發(fā)展進(jìn)程進(jìn)行了全面概括，也為中國重大科技發(fā)展指明了方向，然而目前人類對于地球深部的認(rèn)知是相當(dāng)匱乏的，世界最深的庫頁島Odoptu OP-11 油井僅12 345 m[1]，中國最深的蓬深6 井深度僅9 026 m[2]，中國最深孫村煤礦僅1 510 m[3]，世界最深的中國錦屏地下實驗室垂直巖石覆蓋達(dá)2 525 m[4]，世界第1 埋深公路隧道為中國大峽谷隧道，最大埋深為1 944 m[5]。總體上，人類工程涉及的深度相對于地球而言僅僅觸及了一點表皮，面向地球深處的探測技術(shù)亟待發(fā)展[6]。

同時，隨著淺部資源的開采殆盡，千米級深部資源開采工程已成為常態(tài)，煤炭開采深度已達(dá)1 500 m，地?zé)衢_采深度超過5 000 m，金屬礦開采深度超過4 350 m，油氣資源開采深度達(dá)8 800 m[3]。而深部巖體工程活動大大超前于基礎(chǔ)理論研究，但深部巖體力學(xué)理論尚未建立，深地科學(xué)規(guī)律尚未探明，深部工程活動普遍存在著一定程度的盲目性、低效性和不確定性[7]，地球深部內(nèi)源動力、結(jié)構(gòu)演變規(guī)律、致災(zāi)機(jī)理等處于“黑箱”或“灰箱”狀態(tài)。迫切需要發(fā)展適用于深部實際環(huán)境和不同工程活動方式的深部巖石力學(xué)新原理、新理論[8]，探索深地科學(xué)規(guī)律新奧秘及深地工程技術(shù)新認(rèn)識，為認(rèn)知地球演變規(guī)律與深地資源開發(fā)奠定理論基礎(chǔ)[9]。

此外，地表自然災(zāi)害頻發(fā)、全球變暖、環(huán)境惡化、城市綜合癥等問題也日益突出，深地空間資源開發(fā)與利用已成為人類活動的未來趨勢，也是人類可持續(xù)發(fā)展的主要途徑。因此亟需探索科學(xué)利用地下空間、地?zé)?、地下水資源與生態(tài)資源，構(gòu)建深地自循環(huán)生態(tài)系統(tǒng)的深地科學(xué)理論與技術(shù)體系，建設(shè)全新的地下空間開發(fā)利用體系。

可見，深地科學(xué)規(guī)律的探測與揭示以及深地資源的開發(fā)利用的深地工程技術(shù)攻關(guān)成為深地科學(xué)領(lǐng)域探索的重要方向。然而，學(xué)術(shù)界尚未對深地科學(xué)這一領(lǐng)域形成統(tǒng)一認(rèn)識，包括在不同學(xué)科領(lǐng)域、不同專業(yè)行業(yè)對地球“深部”及“深地”的表述、理解及認(rèn)識各有不同；對深地科學(xué)與深地工程科學(xué)及技術(shù)也有不同的表述和認(rèn)識，并對其未來發(fā)展方向還未有明確規(guī)劃，因此本文將從地球科學(xué)的視角定義深地科學(xué)的學(xué)術(shù)內(nèi)涵，理清深地科學(xué)與地球科學(xué)的區(qū)別與聯(lián)系，探討深地科學(xué)、深地工程技術(shù)與深地工程的相關(guān)關(guān)系，并進(jìn)一步明確深地科學(xué)的研究內(nèi)容與規(guī)劃，以及深地工程技術(shù)內(nèi)涵與攻關(guān)方向，以期促進(jìn)深地科學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展。

1 深地科學(xué)與地球科學(xué)的區(qū)別與聯(lián)系

地球科學(xué)是研究地球系統(tǒng)及其組成部分變化過程及相互作用的科學(xué)，以地球各圈層相互作用及其資源與環(huán)境效應(yīng)為研究對象，從數(shù)學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)、地質(zhì)學(xué)、地理學(xué)、氣象學(xué)、生物學(xué)角度研究地球的科學(xué)，具有顯著的學(xué)科交叉特征[10-12]。它和人類的生活息息相關(guān)，比如礦產(chǎn)資源、海洋資源、氣候變化、天體運行等，因此，地球科學(xué)是一門很基礎(chǔ)、很重要的學(xué)科。按照中國國家自然科學(xué)基金委員會的定義，地球科學(xué)是理解和認(rèn)識地球的形成演化歷史、資源環(huán)境效應(yīng)、人地關(guān)系基本規(guī)律、其他天體對地球影響的科學(xué)。它以地球系統(tǒng)及其組成部分為研究對象，探究發(fā)生在其中的各種現(xiàn)象、過程及過程之間的相互作用，以提高對地球的認(rèn)識水平，并利用獲取的知識為解決人類生存與可持續(xù)發(fā)展中的資源供給、環(huán)境保護(hù)、減輕災(zāi)害等重大問題提供科學(xué)依據(jù)與技術(shù)支撐。因此，地球科學(xué)的范圍很廣，涵蓋地質(zhì)學(xué)、海洋學(xué)、氣象學(xué)和天文學(xué)等眾多科學(xué)領(lǐng)域。

深地科學(xué)是研究地球本體及地表到地心更深層面已知和未知的科學(xué)，是地球科學(xué)延伸和尚未建立的知識體系，更是拓展科學(xué)視野、深化地球認(rèn)知的國家戰(zhàn)略科技方向，進(jìn)而實現(xiàn)透明地球、向地球深部進(jìn)軍的整體目標(biāo)，其中主要有3 個層次的研究需要攻關(guān)：① 結(jié)構(gòu)透明是手段。以科學(xué)鉆探為主，在物理層面實現(xiàn)深地巖石圈可視化；② 行為規(guī)律透明是基礎(chǔ)。探索不同深度的行為特征規(guī)律差異、不同深度的巖石力學(xué)特征差異、不同深度的微生物變異，揭示深部與淺部的本質(zhì)特征差異，為透明開采奠定基礎(chǔ)；③ 透明地球是目標(biāo)。實現(xiàn)地下環(huán)境與空間資源有效利用、深地能源開發(fā)的可視化。因此，深地科學(xué)包括深地探測、深地科學(xué)、深地資源、深地地下空間、深層地下工程、深地碳中和等分領(lǐng)域，包含地學(xué)、物理、化學(xué)、力學(xué)、材料科學(xué)、信息科學(xué)、工程科學(xué)、能源資源等多個學(xué)科，涉及基礎(chǔ)科學(xué)、資源安全、能源安全、國防安全、防災(zāi)減災(zāi)等國家重大需求。

2 深地科學(xué)的內(nèi)涵

2.1 深地科學(xué)的定義與本質(zhì)

習(xí)近平總書記在2016 年兩院院士大會和全國科技大會上指出：“從理論上講，地球內(nèi)部可利用的成礦空間分布在從地表到地下1 萬m，目前世界先進(jìn)水平勘探開采深度已達(dá)2 500 m 至4 000 m，而我國大多小于500 m，向地球深部進(jìn)軍是我們必須解決的戰(zhàn)略科技問題[6]”。

因此，從定義上來說，深地科學(xué)則是以地球為本體的，研究從地表巖石圈到地幔、地核的圍繞地球自身活動的科學(xué)，相對于地球淺層而言，是人類現(xiàn)有科學(xué)理論和認(rèn)知水平不能準(zhǔn)確描述與分析解譯的地球淺層以深的區(qū)域。是揭示地球內(nèi)部運行規(guī)律，探索人類活動和生存發(fā)展需求以及拓展人類生存空間、支撐可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略科技領(lǐng)域。

從學(xué)術(shù)內(nèi)涵角度來看，深地科學(xué)以地球淺層以深的深層和超深層為研究對象，旨在探索地球不同層圈和不同賦存深度(深層和超深層)的科學(xué)奧秘和基本規(guī)律、分析內(nèi)在機(jī)理，從而揭示人類現(xiàn)有科學(xué)理論和認(rèn)知水平尚未涉及、無法解譯的地球淺層以深的深層物理力學(xué)差異性行為，以及超深層的深地內(nèi)部結(jié)構(gòu)、物質(zhì)行為、內(nèi)外動力響應(yīng)等定性定量基本規(guī)律，直接服務(wù)于人類生存發(fā)展所必需的戰(zhàn)略性資源能源、空間利用與工程安全等重大科學(xué)與技術(shù)問題。

同時，深地科學(xué)的研究方法和理論認(rèn)識可延伸拓展并應(yīng)用于類地行星等地外天體的深空物質(zhì)顆?；咀饔?、星壤星巖物理力學(xué)行為、深空資源能源與空間開發(fā)利用等重大科學(xué)問題的探索。

2.2 深部/深地工程科學(xué)的定義與本質(zhì)

深部工程科學(xué)在地球科學(xué)與深地科學(xué)的研究基礎(chǔ)上，為開發(fā)利用地球資源和地下空間而進(jìn)行工程實施所需要探索的原理、理論與技術(shù)方法的科學(xué)。其中，深部不是物理尺度的絕對深度，而是一個力學(xué)狀態(tài)概念，應(yīng)綜合反映應(yīng)力水平、應(yīng)力狀態(tài)和圍巖屬性，它與復(fù)雜的地質(zhì)條件和力學(xué)狀態(tài)等因素相關(guān)，并區(qū)別于淺部工程定義和范疇[13]。

統(tǒng)計概念而言，不同工程領(lǐng)域?qū)τ谏畈康慕缍ㄒ灿兴煌?，土木工程、礦業(yè)工程等深部工程領(lǐng)域往往在1 000 m 以深，某些特殊環(huán)境下50 m 或80 m 已是深部[14]，而油氣工程達(dá)到4 500 m 進(jìn)入深層領(lǐng)域，6 000 m則屬于超深層范疇。國內(nèi)還有按鉆井深度劃分的，垂直深度4 500～6 000 m 為深井，垂直深度超過6 000 m為超深井，超過9 000 m 為特深井[15]。從整體上看，對于礦業(yè)工程、土木工程及地下工程等領(lǐng)域涉及到2 000～3 000 m 以深的深度范圍，人類正處于探索階段，難度更高、情況更復(fù)雜，人類要超前思考和探索對目前淺部和深部的層位更深的能源資源及空間利用的開發(fā)獲取能力和技術(shù)的科學(xué)，則稱為深地工程科學(xué)。

因此，深地工程科學(xué)是針對現(xiàn)有淺部與深部工程的科學(xué)規(guī)律與技術(shù)無法適用于深地工程的難點、技術(shù)瓶頸，探索深地工程相關(guān)科學(xué)規(guī)律，突破深地工程關(guān)鍵基礎(chǔ)科學(xué)問題，匹配人類在深地工程活動中的地災(zāi)防控需求，進(jìn)而指導(dǎo)深地資源安全高效綠色開發(fā)、深地工程空間有效利用的科學(xué)。

2.3 深地科學(xué)與深部工程科學(xué)的區(qū)別與聯(lián)系

基于上述深地科學(xué)與深部工程科學(xué)的定義，深地科學(xué)是旨在探測、探索現(xiàn)有科學(xué)理論與規(guī)律不能解譯的，還處于“黑箱”或者“灰箱”狀態(tài)的深部科學(xué)規(guī)律，解決地球深部重大科學(xué)問題，揭示地球內(nèi)部運行的科學(xué)奧秘，是更普適、更廣泛的科學(xué)。而深部工程科學(xué)則是旨在服務(wù)于深部資源、空間的開發(fā)與利用，為更好利用深部地下能源資源提供科學(xué)理論與技術(shù)，從而支撐人類活動向地球深部進(jìn)軍，是更聚焦、更工程化的科學(xué)。因此，深地科學(xué)是包含深部工程科學(xué)的，深部工程科學(xué)是深地科學(xué)的重要組成部分。

同時，針對深地科學(xué)與深部工程科學(xué)的現(xiàn)有探索與研究手段和方式，應(yīng)改變?nèi)藗儸F(xiàn)有的實驗和理論研究的方式和思維定勢，充分考慮不同深度原位賦存環(huán)境(壓力、溫度、孔隙壓力、含水率、物質(zhì)組分、構(gòu)造等)對巖石本征物理力學(xué)行為及深部工程穩(wěn)定與災(zāi)變規(guī)律的影響，來實現(xiàn)理論研究考慮深部特征、室內(nèi)實驗還原深部特征、工程技術(shù)適應(yīng)深部特征，進(jìn)而探索和建立真正適用于深地科學(xué)規(guī)律研究、深部資源開發(fā)的理論與技術(shù)體系[8]。

3 深地科學(xué)研究內(nèi)容與思考

地球淺部資源已趨于枯竭，深部資源開發(fā)成為常態(tài)。向深部要能源資源已是我國當(dāng)前最緊迫的現(xiàn)實問題，也是我國重大戰(zhàn)略科技問題，更是我國重大的能源安全問題。向地球深部進(jìn)軍，需要從深地探測、深地工程科學(xué)規(guī)律、深地資源開發(fā)利用3 個層次深入開展研究(圖1)。

圖1 深地科學(xué)研究內(nèi)容與思考Fig.1 Deep earth science research content and strategic reflections

3.1 深地探測技術(shù)領(lǐng)域研究現(xiàn)狀與思考

深地探測包含3 方面思考：深地鉆探、深地探測和深地觀測。

3.1.1 深地鉆探

深地鉆探包含4 方面思考：深鉆技術(shù)、深鉆高溫鉆井液、深地智能鉆探、深地隨鉆隨測。深鉆技術(shù)是指鉆進(jìn)深度超過1 000 m 的鉆探技術(shù)與裝備。國外深鉆領(lǐng)域發(fā)展比較成熟，如鉆井結(jié)構(gòu)設(shè)計及高效破巖技術(shù)裝備、科學(xué)鉆探、油氣鉆井等。超深鉆探原理技術(shù)與裝備是我國未來重點研究方向[16]。其次，深鉆高溫鉆井液研究方面，據(jù)國際高溫高壓井合作促進(jìn)協(xié)會，鉆井過程中深部鉆井液溫度達(dá)到 149 ℃及以上屬于高溫鉆井液(超高溫為205～260 ℃、極高溫為260 ℃以上)范疇。深鉆高溫鉆井液重點攻關(guān)近萬米及以深(300 ℃左右及以上)的高溫鉆井液原理與技術(shù)(圖2)[17]。

圖2 鉆井液體系適應(yīng)的溫度與密度范圍的界定[17]Fig.2 Definition of the temperature and density range to which the drilling fluid system is adapted [17]

再次，深地智能鉆探是基于大數(shù)據(jù)、人工智能、信息工程等理論與技術(shù)發(fā)展起來的一項變革性深地鉆井技術(shù)。國外深地智能鉆探技術(shù)相對較為成熟，但國內(nèi)智能化水平相對較低，缺乏智能化鉆井的總體規(guī)劃設(shè)計理論與技術(shù)。未來仍需重點布局深地智能鉆探一體化技術(shù)、深地智慧(大數(shù)據(jù))自適應(yīng)鉆探技術(shù)和裝備等方向[18]。

最后，深地隨鉆隨測是指深地鉆井過程中實時測量并記錄地層物性參數(shù)的原理、技術(shù)與裝備，測量參數(shù)通常包括地層壓力、溫度、成分、鉆井軌跡等[19]。實時數(shù)據(jù)高效傳輸、耐高溫高壓傳感器、深地隨鉆隨測技術(shù)及實時高效采集是未來重點研究方向。

3.1.2 深地探測

深地物理探測包含深地震–電磁–重力梯度探測、空天地聯(lián)合探測、深地探測數(shù)據(jù)反演、AI 地球物理反演。其中，深地震–電磁–重力梯度探測是指通過監(jiān)測天然或人工激發(fā)的場源(地震場、電磁場、重力場等)在不同深部巖層中的傳播規(guī)律，來探測地質(zhì)體構(gòu)造形態(tài)、巖層物性特征以及地球內(nèi)部物質(zhì)密度分布等。探測手段包括深地震探測、深地電磁探測以及深地重力梯度探測[20]。未來應(yīng)重點研究深地震四維探測及信息精細(xì)化采集技術(shù)與裝備(如百萬道地震數(shù)據(jù)采集技術(shù)與裝備)、超深電磁探測技術(shù)與數(shù)據(jù)解譯、量子重力梯度探測技術(shù)與裝備等方向。

空天地聯(lián)合探測指集成航天系統(tǒng)、航空系統(tǒng)和地面系統(tǒng)，通過工業(yè)大數(shù)據(jù)、云計算、5G 通信等形成動態(tài)空天地一體化網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互與整合，服務(wù)于深地結(jié)構(gòu)、深地資源探測等的技術(shù)?？仗斓芈?lián)合探測屬于集成協(xié)同創(chuàng)新技術(shù)體系，國外相關(guān)報道甚少。近幾年，我國在此方面研究較多并逐漸形成規(guī)模，如空天地一體化立體地球物理探測體系，數(shù)字地球空天地一體化災(zāi)害探測系統(tǒng)，空天地一體化能源資源立體勘查技術(shù)等。但總體來說，該技術(shù)領(lǐng)域在世界范圍內(nèi)還處于起步階段。未來應(yīng)重點研究空天地聯(lián)合探測深地結(jié)構(gòu)及資源原理與技術(shù)等方向。

深地探測數(shù)據(jù)反演是為深地大數(shù)據(jù)提供常規(guī)處理、特殊處理以及數(shù)值模擬分析和反演成像等方面的工具包，是推測地球深部重要信息，獲得地球深部物體模型參數(shù)的重要方法與技術(shù)，主要理論包括深地震反演、深地電磁反演和深地重力梯度反演[21]。目前研究熱點集中于數(shù)據(jù)反演理論與非線性算法。未來應(yīng)重點探索深地地震反演理論及算法、深地電磁反演理論及算法、深地重力梯度反演理論及算法等方向。

AI 地球物理反演是指基于AI 深度學(xué)習(xí)的地球物性識別理論和技術(shù)，對深地物理信息深度挖掘和綜合分析的反演方法[22]。AI 地球反演技術(shù)正在從自動化向智能化過渡，如三維磁化率分類反演的算法框架/物理方程驅(qū)動的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、差分進(jìn)化算法、多智能體遺傳算法等。未來應(yīng)重點研究深地多源數(shù)據(jù)AI物理識別、反演及挖掘理論與技術(shù)等方向。

3.1.3 深地觀測

深地觀測包含深井井中觀測、井地聯(lián)合觀測與超高溫高壓實驗觀測3 方面內(nèi)容。首先，深井井中觀測是指在超深鉆井或深部礦井、深部隧道、地穴等深地空間原位實時監(jiān)測重力、溫度、壓力、震動、放射性、微生物信號等，實現(xiàn)對地球深部多物理場長時、連續(xù)、大深度、原位的實時觀測與分析[23]。國外技術(shù)較為成熟，如井中綜合觀測技術(shù)、EquiPoise 系統(tǒng)、PEM 系列深井瞬變電磁技術(shù)等[24]。我國近年也取得長足進(jìn)步，如深井地球物理綜合觀測系統(tǒng)、多維高精度成像測井裝備CPLog、井下多參數(shù)在線連續(xù)測量技術(shù)、深井瞬變電磁技術(shù)等[25]。此外，在深井觀測項目方面，國外有日本屏風(fēng)山深井長期綜合觀測臺網(wǎng)、美國圣安德列斯斷層深部觀測SAFOD 項目(4 000 m)等[25]；國內(nèi)有江蘇東?？h5 000 m 的深井觀測站、黑龍江井深7 018 m 的松科二井、四川汶川科探深井、錦屏2 400 m深隧[26]等。未來應(yīng)重點研究極端深地環(huán)境原位數(shù)據(jù)采集原理與技術(shù)、深井原位觀測瞬變電磁技術(shù)及裝備等方向。

其次，井地聯(lián)合觀測是指通過構(gòu)建不同深度超深鉆井及深地空間(深部礦井、深部隧道、地穴等)多參數(shù)觀測(地震、地磁、地電、重力等)與地面綜合觀測協(xié)同互補(bǔ)一體化體系，形成井下地面聯(lián)合觀測以提高觀測精度的系統(tǒng)[27]。國外技術(shù)較為成熟，如地震觀測技術(shù)、原位應(yīng)力探測技術(shù)等，井地聯(lián)合中的地震、地磁、地電、重力等觀測儀器可普遍商用。我國在井地聯(lián)合觀測領(lǐng)域發(fā)展慢、不均衡，如微地震井地聯(lián)合監(jiān)測技術(shù)[28]、uDAS 分布式深井光線傳感監(jiān)測系統(tǒng)[29]、超深井地球物理綜合觀測系統(tǒng)等。未來應(yīng)重點研究深井–地面聯(lián)合觀測技術(shù)及微弱信號分析方法等。

最后，超高溫高壓實驗觀測是指基于模擬的地球深部超高溫高壓環(huán)境，開展巖石、礦物等樣品的超高溫高壓地學(xué)實驗，探索超高壓地學(xué)和地球內(nèi)部奧秘，檢驗深地科學(xué)新理論、新觀點、新概念。國外在超高溫高壓實驗觀測方面具有領(lǐng)先地位，如美國華盛頓的卡內(nèi)基研究所實驗裝置(Piston Cylinder Presses, 3 GPa、1 700 ℃)[30]，美國Depths of the earth 公司高溫高壓合成裝置(4 GPa、1 800 ℃)[31]，德國拜羅伊特大學(xué)超高壓高溫大腔體壓機(jī)(40 GPa)，廣泛應(yīng)用于超高溫高壓實驗研究領(lǐng)域；我國的相關(guān)研究包括地震動力學(xué)國家重點實驗室研發(fā)的固體介質(zhì)三軸實驗系統(tǒng)(3 GPa、1 200 ℃)、中科院地球物理研究所研發(fā)的固體圍壓三軸流變儀(3 GPa、1 500 ℃)[32]、中國地質(zhì)調(diào)查局研發(fā)的Super HTHP Rheometer 2018 超高溫 高 壓流變儀(220 MPa、320 ℃)[33]等。未來重點應(yīng)研究超高溫高壓實驗及動力學(xué)構(gòu)造機(jī)制等。

3.2 深地科學(xué)規(guī)律領(lǐng)域研究現(xiàn)狀與思考

深地科學(xué)基本規(guī)律研究主要包含深地動力學(xué)、深地結(jié)構(gòu)演變、深地物質(zhì)循環(huán)、深地工程科學(xué)4 方面內(nèi)容。

3.2.1 深地動力學(xué)

深地動力學(xué)包含深地動力過程、深地內(nèi)源地質(zhì)時變與深地內(nèi)源地震孕生機(jī)理等內(nèi)容。深地動力過程是指由地球內(nèi)動力所引起的深地物質(zhì)大尺度運動行為及動力機(jī)制、物質(zhì)與能量交換、大陸變形與內(nèi)源動力等。國外在深地動力學(xué)理論、板塊運動、地球演化、比較行星學(xué)、地球數(shù)值模型等方面均有深入研究。我國在計算地球動力學(xué)、大地構(gòu)造學(xué)、大陸動力學(xué)與地幔動力學(xué)及成礦作用動力過程等方面研究有良好基礎(chǔ)和國際影響力[34-39]。國內(nèi)外在深地力源及動力機(jī)制，大陸構(gòu)造變形、變位與深部動力機(jī)制等方面均處于攻關(guān)階段。未來應(yīng)重點研究深地力源驅(qū)動機(jī)制與過程分析、深地內(nèi)源動力反演與驅(qū)動災(zāi)變機(jī)理。

深地內(nèi)源地質(zhì)時變是指在地球內(nèi)外地質(zhì)作用下，區(qū)域構(gòu)造運動產(chǎn)生的應(yīng)力累積，使得不同尺度的地質(zhì)體(大到地殼板塊，小到巖體巖石)在不同時間–空間尺度上發(fā)生穩(wěn)態(tài)/非穩(wěn)態(tài)的演變響應(yīng)過程[9]。當(dāng)前在全球深地地質(zhì)信息歸集解譯、深地地質(zhì)環(huán)境探測、深地多重地質(zhì)災(zāi)害與復(fù)原等方面國外研究機(jī)構(gòu)具有理論和技術(shù)裝備優(yōu)勢。我國正積極拓展基于深地原位實驗空間的深地內(nèi)源地質(zhì)時變微弱信號探測和解譯，率先開展深地內(nèi)源地質(zhì)時變前沿探索。但在深地內(nèi)源地質(zhì)時變高精度探測原理與方法、技術(shù)與裝備研發(fā)方面有待進(jìn)一步研究。未來應(yīng)重點研究深地內(nèi)源地質(zhì)時變規(guī)律與關(guān)鍵弱信號解譯。

深地內(nèi)源地震孕生機(jī)理主要研究在地球內(nèi)動力作用下深地區(qū)域地質(zhì)體發(fā)生能量快速釋放并引起振動破壞的現(xiàn)象及規(guī)律，揭示地震孕育、發(fā)生和發(fā)展過程的物理機(jī)制，解析地震災(zāi)害效應(yīng)。國外在深地內(nèi)源地震監(jiān)測、預(yù)測領(lǐng)域處于世界領(lǐng)先水平[40-44]。我國地震科技在地震預(yù)警、電磁監(jiān)測試驗衛(wèi)星探測、地震孕育發(fā)生規(guī)律等研究領(lǐng)域處于國際先進(jìn)水平[45-46]。然而，我國地震科技在基礎(chǔ)研究領(lǐng)域前沿原創(chuàng)少，對地震發(fā)生和成災(zāi)機(jī)理的認(rèn)識有待深化；在應(yīng)用研究領(lǐng)域涉及地震監(jiān)測預(yù)測預(yù)警、風(fēng)險防范和應(yīng)急處置的一些關(guān)鍵技術(shù)尚待突破，觀測技術(shù)裝備產(chǎn)業(yè)化水平較低[47]。未來應(yīng)重點研究深地內(nèi)源地震孕育機(jī)理與模型、深地內(nèi)源地震災(zāi)害識別方法與技術(shù)等。

3.2.2 深地結(jié)構(gòu)演變

深地結(jié)構(gòu)演變包含深地結(jié)構(gòu)演化與形成機(jī)理、深地結(jié)構(gòu)及模型、深地界面行為及表層響應(yīng)3 方面內(nèi)容。

深地結(jié)構(gòu)演化與形成機(jī)理主要研究地球淺部以深(深層、超深層)的不同尺度地球深地結(jié)構(gòu)的時間屬性及其在內(nèi)動力作用下時空演化規(guī)律和形成機(jī)理。國外在深地結(jié)構(gòu)探測深度、精度方面均具有明顯優(yōu)勢，通過開展深地結(jié)構(gòu)重大探測計劃，刷新了對地球結(jié)構(gòu)的認(rèn)知。我國成功研發(fā)了地殼與地幔深部探測系列技術(shù)方法，達(dá)到國際先進(jìn)水平[48-51]。但存在地殼結(jié)構(gòu)及地球內(nèi)部精細(xì)結(jié)構(gòu)探測精度不足、深地結(jié)構(gòu)的時間屬性和形成機(jī)理及結(jié)構(gòu)演變規(guī)律研究尚不深入等問題。下一步應(yīng)重點研究深地結(jié)構(gòu)相互作用機(jī)理及演變規(guī)律、深地結(jié)構(gòu)時間屬性與形成機(jī)理等。

深地結(jié)構(gòu)及模型主要研究基于各類地質(zhì)觀測數(shù)據(jù)的深地結(jié)構(gòu)反演分析計算方法，構(gòu)建描述深地內(nèi)部結(jié)構(gòu)、性質(zhì)和特征的物理及數(shù)值模型，形成深地結(jié)構(gòu)透明推演理論與技術(shù)，實現(xiàn)深地結(jié)構(gòu)的三維可視化。國外研究機(jī)構(gòu)在區(qū)域精細(xì)結(jié)構(gòu)反演理論與方法、非線性地球物理反演理論與非確定性反演算法[52]等方面具有明顯優(yōu)勢。國內(nèi)研究機(jī)構(gòu)在深地結(jié)構(gòu)地球物理反演理論與方法、深地結(jié)構(gòu)信息大數(shù)據(jù)挖掘及智能精細(xì)化反演理論與方法等[53]方面取得了一系列進(jìn)展，但核心反演算法和系統(tǒng)軟件與世界先進(jìn)水平尚有差距，仍需進(jìn)一步攻關(guān)。未來仍需繼續(xù)攻關(guān)深地結(jié)構(gòu)反演理論與算法、深地結(jié)構(gòu)空間拓?fù)浣＜巴该魍蒲堇碚摰取?/p>

深地界面行為及表層響應(yīng)主要研究地球不同層圈分界面的形態(tài)、運動和影響，揭示深部地幔動力和巖石圈構(gòu)造動力塑造地表地形演變、驅(qū)動地表過程的機(jī)理及表層響應(yīng)。近年，美國國家科學(xué)院提出“地形演變的成因和結(jié)果”是地球科學(xué)研究領(lǐng)域的前沿和重要挑戰(zhàn)[54]，國外在深地界面運動行為、運動軌跡及動力學(xué)機(jī)理[55]、界面運動的物理–力學(xué)–化學(xué)過程、深地物質(zhì)的受力作用后造成深地界面的變異行為、地表過程與深部地幔動力[56]、巖石圈變形相互作用[57]方面處于領(lǐng)先水平。我國在深部地幔動力與地形耦合、古地形演變及其環(huán)境氣候效應(yīng)方面達(dá)到國際先進(jìn)水平。深地界面動力行為及深地過程的表層響應(yīng)等方面仍需進(jìn)一步攻關(guān)。

3.2.3 深地物質(zhì)循環(huán)

深地物質(zhì)循環(huán)包含深地物質(zhì)組構(gòu)與相態(tài)、深地物質(zhì)運移與循環(huán)、深地生物圈、深地成礦機(jī)制4 個方面內(nèi)容。

深地物質(zhì)組構(gòu)與相態(tài)主要研究地球內(nèi)部物質(zhì)組構(gòu)及賦存狀態(tài)，加深對深地物質(zhì)的物理化學(xué)及礦物、巖石組構(gòu)與相態(tài)等方面的理解，推動深地超臨界態(tài)物質(zhì)賦存規(guī)律等科學(xué)問題的解決。我國在地球內(nèi)部物質(zhì)組成與相態(tài)研究領(lǐng)域取得了較多重要進(jìn)展與科學(xué)成果，在深地物質(zhì)組構(gòu)、相態(tài)演變及臨界行為的特征與規(guī)律等方面仍需進(jìn)一步攻關(guān)。

深地物質(zhì)運移與循環(huán)旨在系統(tǒng)研究深地內(nèi)動力作用下的深地物質(zhì)循環(huán)、運移、交互及富集過程，以及研究地球內(nèi)部碳庫與通量，加深對深地碳及其他物質(zhì)的賦存狀態(tài)、運動方式、與地表碳循環(huán)的耦合關(guān)系等方面的理解，為正確理解全球碳循環(huán)、實現(xiàn)國家雙碳計劃提供理論依據(jù)。歐美發(fā)達(dá)國家及中國陸續(xù)開展了十余項地球深部研究計劃，系統(tǒng)探索了大陸各層圈的物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)變異、運動行為、動態(tài)演化和驅(qū)動力系、深地碳循環(huán)的理論及實驗技術(shù)(以美國華盛頓卡耐基研究所為首)等深地物質(zhì)循環(huán)與運移交互規(guī)律等諸多領(lǐng)域[50]。國內(nèi)相關(guān)研究受到高精度探測核心技術(shù)裝備限制，極端條件下深地物質(zhì)運移和循環(huán)的實驗與通量計算研究大多在國外實驗室完成。通過與國際深碳觀察計劃的合作，我國在深地物質(zhì)循環(huán)研究領(lǐng)域取得了較多重要進(jìn)展，加深了人們對地球深部物質(zhì)的賦存形式、運移規(guī)律、通量以及在地表的表現(xiàn)形式等的了解，但對深部物質(zhì)循環(huán)仍缺乏系統(tǒng)性的認(rèn)識[51]。未來應(yīng)重點研究深地物質(zhì)運移富集原理及循環(huán)運移規(guī)律等。

深地生物圈是指不以陽光為能量來源的深部地下生物圈，主要由微生物組成，深地生物圈代表著地球早期極端環(huán)境下的生命，對于生命起源及火星等外星體的生命探索有重大意義。其旨在探索深地微生物的特點與分布規(guī)律，探究深地微生物差異性演化對深地物質(zhì)循環(huán)的影響，揭示深地微生物活性及對地質(zhì)過程(物質(zhì)循環(huán))的作用，包含深地微生物多樣性構(gòu)成、群落結(jié)構(gòu)與功能以及與地表生物關(guān)系等研究[58-61]。深地微生物研究主要依托深地實驗室、陸地深鉆等深地原位空間環(huán)境，開展了深地微生物的分布、生存邊界條件及其對深部物質(zhì)循環(huán)的影響等研究。依托中國大陸科學(xué)深鉆項目(CCSD)及錦屏地下實驗室，我國學(xué)者開展了深地微生物分布、群落結(jié)構(gòu)與多樣性及其深地原位生存環(huán)境的初步研究，然而深地微生物活性的地質(zhì)效應(yīng)及變異和能量溯源[62-65]、深地微生物多樣性演化與生態(tài)圈構(gòu)建相關(guān)研究尚處于起步階段，亟待深入探索攻關(guān)[66-67]。

深地成礦機(jī)制主要研究特定殼–幔結(jié)構(gòu)空間驅(qū)動含礦熱液流體運移、富集，并在地殼介質(zhì)的適宜部位(特別是在深部空間) 形成大型、超大型礦床或礦集區(qū)的作用機(jī)理，探索戰(zhàn)略性礦產(chǎn)成礦系統(tǒng)與關(guān)鍵礦產(chǎn)資源成礦機(jī)制[68]。國外礦業(yè)大國在成礦機(jī)制和找礦預(yù)測理論等方面研究較為成熟，促進(jìn)了深地礦產(chǎn)資源勘查。目前世界先進(jìn)水平勘探開采深度已達(dá)2 500～4 000 m，而我國大多小于500 m[69]。我國戰(zhàn)略性礦產(chǎn)的需求仍將持續(xù)維持在高位態(tài)勢，約2/3 的戰(zhàn)略性礦產(chǎn)還需要進(jìn)口，其中，石油、鐵礦石、鉻鐵礦，以及銅、鋁、鎳、鈷、鋯等，對外依存度已經(jīng)超過70%[70]。我國礦產(chǎn)資源約束趨緊的態(tài)勢沒有改變，資源保障正在經(jīng)受資源家底薄弱、全球市場控制力不足、話語權(quán)不強(qiáng)、中美貿(mào)易摩擦等挑戰(zhàn)，加之在本次疫情中暴露出供應(yīng)鏈安全和運輸安全等問題，使得我國礦產(chǎn)資源形勢更為嚴(yán)峻[71]。我國誕生了多個原創(chuàng)性礦床學(xué)和找礦預(yù)測理論方法，但目前對深地成礦規(guī)律和機(jī)制、戰(zhàn)略性礦產(chǎn)及關(guān)鍵礦產(chǎn)的深地成礦潛力等關(guān)鍵問題的研究有待深入[72]。

3.2.4 深地工程科學(xué)

深地工程科學(xué)包含深部工程科學(xué)范疇，重點旨在為開發(fā)利用地球資源和地下空間過程中，人類處于探索階段尚無系統(tǒng)原理、理論與技術(shù)方法解決的難度更高、情況更復(fù)雜的工程領(lǐng)域。包含深層與淺層地質(zhì)響應(yīng)互饋機(jī)制、深地原位物性規(guī)律、深地原位力學(xué)理論、深地工程韌性與透明解析4 個方面內(nèi)容。

深層與淺層地質(zhì)響應(yīng)關(guān)聯(lián)互饋主要探索長期內(nèi)外動力地質(zhì)相互作用過程與地災(zāi)形成機(jī)理，揭示深層–淺層地質(zhì)災(zāi)害的內(nèi)在聯(lián)系，構(gòu)建深層–淺層重大地質(zhì)災(zāi)害孕災(zāi)機(jī)制研究體系。國外較早認(rèn)識到地球深層環(huán)境正在發(fā)生深刻變化并對淺層行為產(chǎn)生重要影響。美國斯坦福大學(xué)MARK D Zoback 院士等[73]較早運用深層–淺層測量數(shù)據(jù)，分析深層結(jié)構(gòu)臨界狀態(tài)及其淺層影響。相關(guān)研究在地球內(nèi)外動力作用下的深地行為規(guī)律、地表形貌、地質(zhì)災(zāi)害孕生及預(yù)警、災(zāi)害數(shù)據(jù)智能識別等領(lǐng)域取得長足進(jìn)步，在海量地質(zhì)災(zāi)害數(shù)據(jù)多維度–多層次分析、極端地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警等領(lǐng)域尚有不足。我國陳宗基院士[74]早在20 世紀(jì)80年代就指出深層運動決定地應(yīng)力場，影響淺層工程巖體時效響應(yīng)。然而，深層內(nèi)源時變與淺層地質(zhì)響應(yīng)關(guān)聯(lián)模型；深層–淺層重大地質(zhì)災(zāi)害孕育機(jī)制與預(yù)警防控仍需進(jìn)一步研究。

深地原位物性規(guī)律主要探索攻關(guān)深地物質(zhì)原位物性、成份信息及本真行為性質(zhì)的獲取(利用深地賦存環(huán)境原位保真取心原理技術(shù)等)，來系統(tǒng)研究深地原位賦存環(huán)境的物性參數(shù)差異性特征規(guī)律，為深地資源能源的探測評估與開采以及深地空間開發(fā)利用提供理論研究基礎(chǔ)。國內(nèi)外在深地原位物質(zhì)獲取及物性規(guī)律研究方面全部依托傳統(tǒng)理論和技術(shù)手段，難以獲取考慮深地原位環(huán)境影響的本真行為性質(zhì)，必須發(fā)展獲取深地原位環(huán)境本真物性參數(shù)的技術(shù)手段，獲取新數(shù)據(jù)，建立新模型，形成新技術(shù)。國外組織和機(jī)構(gòu)探索了深地物質(zhì)“密閉型保真” 獲取原理與技術(shù)。我國借鑒國外技術(shù)也發(fā)展了 “密閉型保真”獲取方法，但兩者均無法準(zhǔn)確反映原位賦存環(huán)境的深地物質(zhì)本真屬性[75]。亟待進(jìn)一步攻關(guān)真正考慮深地原位賦存環(huán)境的物質(zhì)保真獲取理論、方法與技術(shù)，以系統(tǒng)探索研究深地物質(zhì)原位物性參數(shù)和本真行為性質(zhì)的差異性規(guī)律。但總體上，深地原位賦存環(huán)境下物性本真行為特征及差異性規(guī)律，深地原位物質(zhì)保真獲取原理技術(shù)與裝備仍需進(jìn)一步研究。

深地原位力學(xué)理論[3，6，8]主要研究深地原位賦存環(huán)境與深地工程擾動下的原位力學(xué)行為及穩(wěn)定性規(guī)律，重點研究深部原位真實賦存環(huán)境下巖石力學(xué)、環(huán)境力學(xué)、災(zāi)害力學(xué)等原位力學(xué)理論，為深地資源能源開發(fā)、深地空間利用及深地科學(xué)規(guī)律探索提供新的先導(dǎo)性基礎(chǔ)科學(xué)理論。國外較早關(guān)注并重視深部原位環(huán)境對深部工程科學(xué)與技術(shù)的影響，開展原位環(huán)境現(xiàn)場測試的技術(shù)與方法及物理實驗?zāi)M研究，但是到目前為止，仍停留在傳統(tǒng)測試手段和經(jīng)典理論上，所獲得的參數(shù)、模型、理論等與深地賦存深度無關(guān)，與深地原位環(huán)境無關(guān)，與深地工程擾動無關(guān)，亟待發(fā)展考慮深地真實賦存環(huán)境影響的原位力學(xué)理論。我國在國際上首次提出“深部原位巖石力學(xué)”創(chuàng)新構(gòu)想與學(xué)術(shù)內(nèi)涵[8]，旨在考慮深地賦存環(huán)境的原位力學(xué)行為及穩(wěn)定性規(guī)律，為探索深地工程科學(xué)規(guī)律、提升深部資源能源獲取能力提供理論支撐。但深地原位力學(xué)行為及穩(wěn)定性規(guī)律、深地極端環(huán)境原位力學(xué)理論與技術(shù)仍需繼續(xù)攻關(guān)探索。

深地工程韌性與透明解析是指在深地資源能源開發(fā)與空間利用施工運營中的安全穩(wěn)定以及抗災(zāi)害和快速應(yīng)對恢復(fù)的能力，需系統(tǒng)研究深地工程韌性的理論、技術(shù)以及深地工程的可視化、透明解析方法和技術(shù)。自20 世紀(jì)中葉，美國、日本等發(fā)達(dá)國家開始致力于重大工程災(zāi)害風(fēng)險防控等減災(zāi)理論和技術(shù)的研究；21 世紀(jì)初，倡導(dǎo)地區(qū)可持續(xù)發(fā)展國際理事會(ICLEI)在聯(lián)合國可持續(xù)發(fā)展全球峰會上提出“韌性”概念[76]。國際科研機(jī)構(gòu)(澳大利亞聯(lián)邦科學(xué)與工業(yè)研究院、美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院等)綜合運用地球物理探測、計算機(jī)模擬等技術(shù)實現(xiàn)了千米量級的地層及其地質(zhì)控制過程“透明化”，進(jìn)一步發(fā)展了深地工程韌性的理論與技術(shù)。我國倡導(dǎo)全息感知智能工程韌性體系，率先提出了基于分形重構(gòu)模型的深地工程透明解析可視化方法[77]。國內(nèi)外在深地工程尺度增韌原理與方法、相場耦合作用下透明解析等方面仍需進(jìn)一步攻關(guān)。

3.3 深地資源利用領(lǐng)域研究現(xiàn)狀與思考

深地資源利用領(lǐng)域包含深地固態(tài)資源、深地流態(tài)資源、深地空間資源、深地碳中和4 方面內(nèi)容。

3.3.1 深地固態(tài)資源

深地固態(tài)資源包含深地固態(tài)資源智能流態(tài)開采、深地戰(zhàn)略礦產(chǎn)資源集約開采、深地動力災(zāi)害防控3 個方面。深地固態(tài)資源智能流態(tài)開采主要通過深地開采環(huán)境智能感知、開采過程智能作業(yè)、開采系統(tǒng)智能管控，將深地固體礦產(chǎn)資源原位轉(zhuǎn)化為氣態(tài)、液態(tài)或氣液混態(tài)物質(zhì)，構(gòu)建深地固態(tài)資源原位采選充、熱電氣等流態(tài)化智能開采技術(shù)體系[78]。國內(nèi)外在煤炭地下氣化，以及鹽礦、鈾礦、油頁巖流態(tài)開采等領(lǐng)域已有較多研究[79-80]，當(dāng)前處于技術(shù)攻關(guān)期。國外固態(tài)資源智能開采設(shè)備、技術(shù)已較為成熟，并應(yīng)用多年。我國已初步開展了現(xiàn)場智能化開采應(yīng)用，技術(shù)還較為薄弱，處于攻關(guān)和推廣應(yīng)用階段。煤炭智能原位流態(tài)開采為中國原創(chuàng)的理論和技術(shù)[76]，國內(nèi)高校、企業(yè)進(jìn)行了初步探索，還處于起步階段。深地固體資源原位流態(tài)化智能開采原理和技術(shù)、深地固態(tài)資源原位采選充與電熱氣一體化智能流態(tài)開采原理和技術(shù)仍需繼續(xù)研究。

深地戰(zhàn)略礦產(chǎn)資源集約開采指對深地固態(tài)資源中維系國民經(jīng)濟(jì)正常運行的戰(zhàn)略性、關(guān)鍵性礦種、支撐高新技術(shù)和戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展的小礦種，在開采中利用控制手段，優(yōu)化系統(tǒng)資源組合，形成開采過程中的產(chǎn)量集中、工序集中、服務(wù)系統(tǒng)集中的集約化開采。我國多數(shù)戰(zhàn)略性稀有礦產(chǎn)為伴生礦床，品位低，開采難度大，開采貧化率、選礦回收率低；如錸、鋰、鈷、鎳等儲量低。但中國的石墨、螢石、銻、釩、鍺、鎵等儲量豐富?？傮w上深地戰(zhàn)略礦產(chǎn)資源精準(zhǔn)集約開采技術(shù)仍需進(jìn)一步研究。

深地動力災(zāi)害防控主要研究在深地固態(tài)資源開發(fā)中發(fā)生的巖爆、礦震、沖擊地壓、煤與瓦斯突出、冒頂、突水、邊幫等動力災(zāi)害發(fā)生機(jī)理、超前預(yù)警和防控理論與技術(shù)。目前國內(nèi)外根據(jù)各自的地質(zhì)條件和開采方式形成了相應(yīng)的災(zāi)害發(fā)生機(jī)理及預(yù)警理論。加拿大、南非、澳大利亞等國的災(zāi)害監(jiān)測技術(shù)裝備等發(fā)展較早，被世界各國廣泛采用。國內(nèi)相關(guān)科研單位在礦山災(zāi)害監(jiān)測裝備和技術(shù)等方面已打破國外壟斷。然而，我國固態(tài)資源賦存地質(zhì)條件更復(fù)雜，現(xiàn)有的災(zāi)害理論和防控技術(shù)往往難以滿足深地固態(tài)資源開采的災(zāi)害防控需求。深地動力災(zāi)害孕育機(jī)制和防控理論與技術(shù)仍需攻關(guān)探索。

3.3.2 深地流態(tài)資源

深地流態(tài)資源包含深地流態(tài)資源勘探評價、深地流態(tài)資源高效開采、深地干熱巖低擾動開采技術(shù)3 個方面。

深地流態(tài)資源勘探評價指精準(zhǔn)勘探和計算分析深地某一特定區(qū)域(小到圈閉，大及全球)的流態(tài)資源(石油、天然氣、非常規(guī)油氣、地?zé)?、煤層氣?富集和資源儲量的技術(shù)和方法，以及評估深地該區(qū)域流態(tài)資源稟賦特征和開采策略。國內(nèi)在常規(guī)油氣資源的評價理論上與國外同步，美國地調(diào)局、加拿大地調(diào)局、中國地調(diào)局等政府機(jī)構(gòu)以及美孚、殼牌、中石化等大型油氣公司均形成各自的評價理論[81]。然而我國核心裝備落后較大，導(dǎo)致勘探評價技術(shù)和數(shù)據(jù)解讀方面還落后于國外，特別是我國在非常規(guī)、深地、超深地等關(guān)鍵領(lǐng)域的深地流態(tài)資源勘探開發(fā)技術(shù)上還大幅度落后于發(fā)達(dá)國家?？傮w上，深地(深地/超深地)儲層流態(tài)資源勘探評價理論和方法仍需進(jìn)一步研究。

深地流態(tài)資源高效開采主要研究將埋藏在深地(深地/超深地)儲層中流態(tài)資源(石油、天然氣、非常規(guī)油氣、地?zé)?、煤層氣?及其伴生物高效開采的理論、技術(shù)與裝備。國外鉆完井技術(shù)、儲層壓裂改造技術(shù)成熟，在不同深度、不同地質(zhì)條件下的流態(tài)資源儲層中均已應(yīng)用成功。我國亟需自主研發(fā)新型的深地及超深地鉆采技術(shù)和裝備。深地流態(tài)資源儲層改造理論和方法、深地流態(tài)資源高效開采技術(shù)裝備仍需繼續(xù)攻關(guān)探索[82]。

深地干熱巖低擾動開采技術(shù)主要破解目前干熱巖開采誘發(fā)地震的技術(shù)瓶頸，發(fā)展和探索深層低擾動(不誘發(fā)礦震、地震)干熱巖開采新原理、新方法和新技術(shù)。歐美發(fā)達(dá)國家對干熱巖開采已進(jìn)行了將近50 a 的研究[83]，在美國Fenton Hill[84]，法國Forge[85]等進(jìn)行了數(shù)十處干熱巖現(xiàn)場開采測試。德國、韓國為了減輕干熱巖開采誘發(fā)地震的重大社會問題[86]，探索了區(qū)別于水力壓裂的新型開采技術(shù)方法，進(jìn)行了干熱巖儲層疲勞壓裂改造，獲得大量寶貴的數(shù)據(jù)和經(jīng)驗。我國干熱巖開采基礎(chǔ)薄弱，目前僅在青海共和等進(jìn)行實驗性研究，理論和實踐均遠(yuǎn)落后于國外研究[87-94]。然而，國內(nèi)外干熱巖開采都受到誘發(fā)地震等強(qiáng)烈擾動的困擾，引起了一系列社會問題，導(dǎo)致多處干熱巖工程停工。目前全球尚無成熟的低擾動干熱巖地?zé)豳Y源開發(fā)實例。深地干熱巖儲層改造理論和方法、深地干熱巖低擾動開采原理和技術(shù)仍需繼續(xù)研究[95-98]。

3.3.3 深地空間資源

深地空間資源的開發(fā)利用的重點在深地空間生態(tài)重構(gòu)，旨在開發(fā)探索在深地空間人類生存所需要的生態(tài)環(huán)境(陽光、空氣、水、濕地、植被等)的重構(gòu)原理和技術(shù)，以滿足人類開發(fā)深地資源能源以及生存發(fā)展的需要和保障[99]。目前世界范圍內(nèi)尚未有以深地生態(tài)重構(gòu)為目的科學(xué)研究，但是國外較早發(fā)展的地下農(nóng)業(yè)可為未來研究提供路徑。有代表性的為日本的Pasona O2，法國巴黎地下花園，美國紐約曼哈頓的Lowline Lab 實現(xiàn)了地下100 余種植被為期兩年的實驗[100-102]；加拿大利用礦道建設(shè)了位于地下500 m 的地下花園，美國亞利桑那大學(xué)、美國航空航天局建設(shè)了以小尺寸密封艙，系統(tǒng)研究了密閉空間內(nèi)碳、水循環(huán)以及生物量產(chǎn)出與能源輸入關(guān)系[103-104]。我國在地下農(nóng)業(yè)方面具有一定基礎(chǔ)，其中具有代表性的中科三安，已形成了相當(dāng)?shù)钠髽I(yè)規(guī)模[105-106]。但我國目前尚未有以地下空間生態(tài)重構(gòu)為目標(biāo)的研究。深地空間生態(tài)環(huán)境重構(gòu)理論和技術(shù)仍待進(jìn)一步研究。

深地戰(zhàn)略能源儲備指利用深地空間進(jìn)行石油、天然氣等能源戰(zhàn)略儲備，以及對高壓風(fēng)、氫氣、化學(xué)品、熱能等新型能源進(jìn)行存儲。世界主要的發(fā)達(dá)國家均利用人造深地空間、廢棄油氣田、地下含水層或鹽巖井等進(jìn)行大量石油、天然氣等戰(zhàn)略能源儲備，并進(jìn)行了利用深地空間進(jìn)行儲氫、核廢料、高壓風(fēng)儲存的前沿探索[107-109]。我國能源地下儲庫主要集中在利用鹽巖等特殊地層建設(shè)天然氣地下儲庫[110-111]；石油地下儲庫發(fā)展相對較慢，我國國家石油儲備二期工程中有4 處采用地下水封洞形式建設(shè)。但是我國石油、天然氣的儲備規(guī)模與國際能源署建議的90 d 安全戰(zhàn)略儲備量差距較大，并且我國在新型能源的地下儲備方面研究幾乎處于空白[112]。深地能源儲庫長期穩(wěn)定性理論和技術(shù)、深地新型能源儲備理論和技術(shù)仍待進(jìn)一步研究。

深地微生物與醫(yī)學(xué)指深地環(huán)境對微生物生命活動的影響規(guī)律，以及地下空間環(huán)境對生命體生理和病理,以及對人體心理的影響及機(jī)制[113-114]。國外系統(tǒng)展開了深地微生物學(xué)研究，著重研究地下微生物的生存方式以及非人體細(xì)胞受深地低輻射、高溫等地質(zhì)環(huán)境的影響[115-116]。我國深地微生物研究主要來源于鉆探取得的深部微生物進(jìn)行了細(xì)菌群落分析、菌株原位含量分析、菌株分離與鑒定。在深地醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，四川大學(xué)在中國夾皮溝金礦、錦屏地下實驗室等建立了世界首個深地醫(yī)學(xué)實驗室[113-114]，系統(tǒng)研究深地環(huán)境對人體健康及心理狀態(tài)影響以及對生命體生理和病理的作用機(jī)制，目前還處于起步階段。深地微生物學(xué)、深地生物與醫(yī)學(xué)有待繼續(xù)研究。

3.3.4 深地碳中和

深地碳中和指深地儲碳固碳負(fù)碳、深地“地?zé)?”零碳負(fù)碳能源2 個方面。

深地儲碳固碳負(fù)碳指利用深地特殊地質(zhì)環(huán)境(咸水層、油氣田、煤層等)和深地生物圈等將CO2封存到地下或轉(zhuǎn)化為方解石、石膏等礦物, 實現(xiàn)其與大氣的長期隔絕或永久性儲存。國外已形成了CO2地下封存較為完善的研究和工業(yè)應(yīng)用體系，特別是在CO2強(qiáng)化油氣開采技術(shù)在深地儲碳的同時產(chǎn)生一定的經(jīng)濟(jì)效益[117-119]。美國能源部、歐洲、日本已進(jìn)行了多處的現(xiàn)場工程測試，積累了豐富的深地儲碳工程經(jīng)驗[120-121]。同時，日本、冰島、美國等對深地微生物的碳匯作用及其與地表碳匯的相互聯(lián)系有較深入的研究。由中國國家能源集團(tuán)、中海油、中石化、中石油等在CO2地下封存和驅(qū)替油氣方面開展了工程示范；目前，中石油、中石化和華能集團(tuán)等都發(fā)布了深地CCUS 規(guī)劃[122-126]。我國對深地微生物，特別“深古菌”的代謝機(jī)制及其對碳匯的地球化學(xué)功能進(jìn)行了研究。四川大學(xué)、深圳大學(xué)等在CO2礦化發(fā)電、CO2能源化資源化利用、空氣中直接捕集CO2等方面進(jìn)行了前沿性探索[127]。在深地固碳負(fù)碳方面，我國的研究與國際同步，均處于起步階段。深地儲碳固碳負(fù)碳原理和技術(shù)仍待進(jìn)一步研究。

深地“地?zé)?” 零碳負(fù)碳能源指以深部開采“中、高、低”地?zé)岚l(fā)電后的常溫地?zé)岷虲O2培養(yǎng)生物、深古菌等，創(chuàng)新集成地?zé)岚l(fā)電+微藻固碳的生物質(zhì)負(fù)碳能源技術(shù)，建成與地面風(fēng)光電多能互補(bǔ)的“地?zé)?”零碳負(fù)碳能源技術(shù)體系[128]。國際上地?zé)衢_發(fā)主要分為直接利用和地?zé)岚l(fā)電，美國、印尼、菲律賓、土耳其和新西蘭地?zé)岚l(fā)電裝機(jī)量位于世界前列(均超過1 GW)，但受限于常規(guī)地?zé)岚l(fā)電技術(shù)，各國地?zé)岚l(fā)電總量占比很小[129-132]；同時，美國、歐洲、日本等主要針對太陽能與其他能源結(jié)合的多能互補(bǔ)系統(tǒng)開展了大量研究[133]，比如太陽能與熱泵相結(jié)合，但尚未出現(xiàn)以地?zé)釣榛A(chǔ)能源的多能互補(bǔ)智慧能源系統(tǒng)。近年來，受限于中低溫地?zé)岚l(fā)電效率低的技術(shù)難題，我國地?zé)崮馨l(fā)電規(guī)模和體量與世界地?zé)岽髧嗑嗌踹h(yuǎn)、進(jìn)展緩慢；“雙碳”背景下，我國深部地?zé)衢_發(fā)與多能互補(bǔ)綠色園區(qū)建設(shè)正處于試驗探索階段，仍需攻關(guān)“地?zé)?”零碳負(fù)碳能源技術(shù)[134-137]。深地“中、高、低”地?zé)岚l(fā)電變革性原理與技術(shù)、深地地?zé)?微藻固碳與多能互補(bǔ)零碳負(fù)碳技術(shù)仍待進(jìn)一步研究。

4 深地工程技術(shù)的內(nèi)涵與思考

我國深地開發(fā)重大戰(zhàn)略目標(biāo)的實現(xiàn)亟待提高深部地下工程建設(shè)運維能力，但是深地具有更強(qiáng)的“高應(yīng)力、高滲壓、高地溫”極復(fù)雜地質(zhì)條件和極強(qiáng)構(gòu)造活動區(qū)等極端條件，地下工程建設(shè)能力不足、服役壽命不長、智能化水平不高、環(huán)境感知與調(diào)控不精細(xì)等重大問題成為制約深地工程建造運維的瓶頸，亟待重點攻關(guān)深地工程技術(shù)。深地工程技術(shù)是指人類為利用地球、開發(fā)地球所需要的工程實施技術(shù)與裝備，為探索深地科學(xué)規(guī)律、開發(fā)深地工程必需的理論與技術(shù)手段，進(jìn)而實現(xiàn)深地工程的安全建造與健康運維，主要包含4 個方面內(nèi)容：深地工程巖土力學(xué)與災(zāi)變機(jī)理、超深井智能建造與能源資源高效開采、深埋隧道與巨型洞室群智能建造、深地工程災(zāi)害智能防控與健康運維。

4.1 深地工程巖土力學(xué)與災(zāi)變機(jī)理

建立深地巖土體基本力學(xué)理論，特別是其深地工程響應(yīng)及災(zāi)變規(guī)律，是開展深地工程建設(shè)的科學(xué)基礎(chǔ)。面對國家深地工程向1 000 m 深厚土層、3 000 m 巖層以深挺進(jìn)的重大需求，深地工程建設(shè)中高地應(yīng)力、高地溫和高滲透壓等愈發(fā)嚴(yán)重，構(gòu)造活動及工程擾動愈發(fā)劇烈，深地工程不可或缺的超深井、巨型洞室群和深埋隧道群等建造將面臨著難以預(yù)見的復(fù)雜嚴(yán)苛的地質(zhì)環(huán)境與工程條件[138-143]。

為達(dá)到深地工程安全、低損和高效建設(shè)的要求，必須系統(tǒng)深入地開展深地工程巖體力學(xué)、深地工程土/凍土力學(xué)理論及深地工程重大災(zāi)害災(zāi)變機(jī)理方面的研究，掌握與建立極復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境中深部巖土體非線性力學(xué)行為和多場多相耦合效應(yīng)、災(zāi)變演化機(jī)理等方面的基礎(chǔ)理論。圍繞深地工程原位巖石力學(xué)理論，研究深地原位環(huán)境保真取心與測試原理技術(shù)[144]、深地工程擾動巖石力學(xué)響應(yīng)規(guī)律[145-149]、深地原位環(huán)境巖石本構(gòu)理論，建立深地工程原位巖石力學(xué)全新理論體系，為深地工程建設(shè)與運維以及深地災(zāi)害預(yù)警防控提供理論支撐[150-154]；圍繞極復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境深地工程災(zāi)變機(jī)理，研究深地工程高烈度巖爆災(zāi)變機(jī)理、深地工程高壓突水災(zāi)變機(jī)理、深地工程大變形災(zāi)變機(jī)理，為深地工程災(zāi)害預(yù)警提供理論依據(jù)[143,155-158]。

4.2 超深井智能建造與能源資源高效開采

井筒是溝通地表與深部地下空間的咽喉要道，須下穿待建地下空間之上的各種土層與巖層，其重要性位居各種深地工程之首。在深厚含水不穩(wěn)定土層、微孔(裂)隙高壓富水巖層、高應(yīng)力破碎巖層、強(qiáng)烈構(gòu)造活動區(qū)巖層等極復(fù)雜地質(zhì)與水文地質(zhì)條件下建造井筒，是極具挑戰(zhàn)性的世界難題[159-162]。因凍結(jié)法適用性廣，迄今為止在深厚不穩(wěn)定土層和深厚富水復(fù)雜巖層中，90%以上的井筒須采用凍結(jié)法建造，我國已具備用凍結(jié)法在750 m 深厚土層和1 000 m 深厚富水巖層中建造立井井筒的能力，居世界領(lǐng)先水平[163]。需針對深部極復(fù)雜工程地質(zhì)與水文地質(zhì)條件，建立超深井建造理論技術(shù)，同時建立并完善深部能源資源安全高效開發(fā)理論技術(shù)，提升深部能源資源獲取能力。

圍繞深厚不穩(wěn)定土層凍結(jié)法建井，研究超深土層凍結(jié)井設(shè)計理論、超深土層智能凍結(jié)技術(shù)、超千米凍結(jié)深井智能掘砌技術(shù)，突破超千米土層凍結(jié)法建井重大技術(shù)瓶頸；圍繞復(fù)雜巖層超深井智能建造，研究超深井封水井壁設(shè)計理論、超深井智能掘砌技術(shù)、超深井智能探測堵水技術(shù)，攻關(guān)突破3 000 m 超深井智能高效建造重大技術(shù)瓶頸[164-168]；開展深地固態(tài)資源智能流態(tài)開采、深地戰(zhàn)略礦產(chǎn)集約開采、深地動力災(zāi)害防控、深地流態(tài)資源高效開采、深地戰(zhàn)略能源儲備、深地儲碳固碳負(fù)碳等理論技術(shù)攻關(guān)，研究建立深地資源(深地固態(tài)資源、深地流態(tài)資源、深地空間資源及深地碳中和等)安全高效開發(fā)理論技術(shù)體系。

4.3 深地隧道與巨型洞室群智能建造

隧道、巷道和巨型洞室群是深地工程的主體，肩負(fù)著國土空間擴(kuò)容、疆域縱深拓展的重任。隨著固體礦產(chǎn)資源開采、交通水利國防基礎(chǔ)建設(shè)重大地下工程向3 000 m 以深極端復(fù)雜環(huán)境，以及埋深大于35 m 巨型硐室群極大規(guī)模發(fā)展，深部地下工程面臨著高地應(yīng)力硬巖掘進(jìn)效率低、開挖后圍巖時效大變形穩(wěn)定控制難，以及大跨巨型洞室群高效安全建造方案控制因素多等嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，亟需研發(fā)變革性新技術(shù)和新材料，在重大工程中進(jìn)行集成創(chuàng)新[169-171]。

圍繞深埋隧道智能高效掘進(jìn)，研究深地復(fù)雜圍巖智能辨識技術(shù)、深地智能掘進(jìn)高效破巖技術(shù)、深埋隧道掘進(jìn)智能監(jiān)控技術(shù)，形成深埋隧道智能高效掘進(jìn)全新技術(shù)體系[172-173]；圍繞深地巨型洞室群智能建造，研究巨型洞室群圍巖穩(wěn)定控制理論、巨型洞室群全域協(xié)同智能建造技術(shù)、巨型洞室群災(zāi)害智能感知與防控技術(shù)，實現(xiàn)深地巨型洞室群機(jī)械化、智能化建造的技術(shù)集成創(chuàng)新[174-175]；圍繞深地圍巖大變形穩(wěn)定控制，研究深地圍巖大變形理論與控制方法、深地圍巖大變形自適應(yīng)支護(hù)新技術(shù)、深地圍巖原位改性新技術(shù)，形成深地圍巖大變形控制理論與技術(shù)體系。

4.4 深地工程災(zāi)害智能防控與健康運維

極復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境和極強(qiáng)烈構(gòu)造活動區(qū)的超深井、巨型洞室群、深埋隧道群等深地工程，建造過程中必然面臨著巖爆、突水等重大工程災(zāi)害難題，同時面臨著動力災(zāi)害演化機(jī)制與動力響應(yīng)規(guī)律不清、深地工程動力災(zāi)害防控基礎(chǔ)薄弱等科學(xué)難題[176-178]。深地工程運維過程面臨著大量的安全難題，包括通風(fēng)–空調(diào)、災(zāi)變控風(fēng)、突發(fā)災(zāi)害應(yīng)急救援等難題，以及開裂、滲水、大變形或坍塌防控等重大安全風(fēng)險。本方向?qū)⒅攸c研究超深井、巨型洞室群、深埋洞室群等特殊場景可能出現(xiàn)的巖體破裂、災(zāi)情探測、智能預(yù)警、安全管控等，研究深地工程建造與運維動力響應(yīng)理論與技術(shù)，發(fā)展災(zāi)害探測與智能預(yù)警新理論，研發(fā)深地工程動力災(zāi)害智能預(yù)警防控、降振減振、安全管控、健康運維、應(yīng)急聯(lián)動等新技術(shù)和新裝備。

圍繞深地工程動態(tài)響應(yīng)理論與技術(shù)，研究深地工程動力學(xué)響應(yīng)測試技術(shù)與方法、深地工程建造與運維期動態(tài)響應(yīng)規(guī)律、深地工程擾動動力學(xué)理論，建立深地工程建造與運維期的巖石動力學(xué)新理論與新技術(shù)；圍繞深地工程災(zāi)害智能預(yù)警與防控，研究深地工程災(zāi)害源智能探測技術(shù)、深地工程災(zāi)害智能辨識預(yù)警技術(shù)、深地工程災(zāi)害精準(zhǔn)防控技術(shù)，建立深地工程災(zāi)害智能預(yù)警與防控全新技術(shù)體系；圍繞服役期安全智能感控與健康運維，研究深地工程安全智能感知理論與技術(shù)、深地工程多災(zāi)種精準(zhǔn)防控技術(shù)、深地工程生命線與應(yīng)急技術(shù)，構(gòu)建深地工程健康運維智能技術(shù)體系，保障深地工程安全與健康服役。

以期形成大深度隧道、礦井及大跨度巨型洞室群等地下工程智能建造與健康運維理論技術(shù)體系，建立健全深地工程技術(shù)理論與裝備框架，提升我國深地資源開發(fā)和深地空間利用能力，引領(lǐng)國際深地工程技術(shù)發(fā)展。

5 結(jié) 語

21 世紀(jì)的深地科學(xué)進(jìn)入了新的發(fā)展階段，深地科學(xué)規(guī)律尚未探明，深部工程活動普遍存在著一定程度的盲目性、低效性和不確定性，地球深部內(nèi)源動力、結(jié)構(gòu)演變規(guī)律、致災(zāi)機(jī)理等仍待進(jìn)一步認(rèn)知。

(1)筆者提出深地科學(xué)的定義與本質(zhì)，即以地球淺層以深的深層和超深層為研究對象，旨在探索地球不同層圈和不同賦存深度(深層和超深層)的科學(xué)奧秘和基本規(guī)律、分析內(nèi)在機(jī)理，從而揭示人類現(xiàn)有科學(xué)理論和認(rèn)知水平尚未涉及、無法解譯的地球淺層以深的深層物理力學(xué)差異性行為，以及超深層的深地內(nèi)部結(jié)構(gòu)、物質(zhì)行為、內(nèi)外動力響應(yīng)等定性定量基本規(guī)律，直接服務(wù)于人類生存發(fā)展所必需的戰(zhàn)略性資源能源、空間利用與工程安全等重大科學(xué)與技術(shù)問題。

(2)定義了深地工程科學(xué)的內(nèi)涵，即人類要超前思考和探索對目前淺部和深部的層位更深的能源資源及空間利用的開發(fā)獲取能力和技術(shù)的科學(xué)。深地工程科學(xué)從深層與淺層地質(zhì)響應(yīng)互饋機(jī)制、深地原位物性規(guī)律、深地原位力學(xué)理論、深地工程韌性與透明解析4 個方面進(jìn)行重點攻關(guān)，旨在構(gòu)建深層–淺層重大地質(zhì)災(zāi)害孕災(zāi)機(jī)制研究體系，獲取深地物質(zhì)原位物性、成份信息及本真行為性質(zhì)，發(fā)展考慮深地真實賦存環(huán)境影響的原位力學(xué)理論，提高深地資源能源開發(fā)與空間利用施工運營中的安全穩(wěn)定性以及抗災(zāi)害和快速應(yīng)對恢復(fù)的能力，為探索深地工程科學(xué)規(guī)律、提升深部資源能源獲取能力提供理論支撐。

(3)定義了深地工程技術(shù)的內(nèi)涵，即深地工程技術(shù)是指人類為利用地球、開發(fā)地球所需要的工程實施技術(shù)與裝備，為探索深地科學(xué)規(guī)律、開發(fā)深地工程必需的理論與技術(shù)手段。深地工程面臨更強(qiáng)的高應(yīng)力、高地溫、高滲壓、強(qiáng)擾動復(fù)雜環(huán)境和巖爆、大變形等動力災(zāi)害嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，深地工程技術(shù)從深地工程巖土力學(xué)與災(zāi)變機(jī)理、超深井智能建造與能源資源高效開采、深埋隧道與巨型洞室群智能建造、深地工程災(zāi)害智能防控與健康運維4 個方面進(jìn)行重點攻關(guān)，旨在解決深地工程原位環(huán)境與物性保真測試、深埋隧洞圍巖穩(wěn)定控制、復(fù)雜巖土層超深立井建造、深地工程災(zāi)害智能預(yù)警防控與健康運維關(guān)鍵科技問題。

致謝本文形成過程中，很多學(xué)者如中國地質(zhì)大學(xué)(北京)王成善院士、南京大學(xué)董樹文教授等參與討論并提出建議，在此一并致謝。