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(yùn)維全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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_(kāi)發(fā)利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(yùn)維全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(guó)中長(zhǎng)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(duì)全世界大科學(xué)問(wèn)題發(fā)展進(jìn)程進(jìn)行了全面概括，也為中國(guó)重大科技發(fā)展指明了方向，然而目前人類(lèi)對(duì)于地球深部的認(rèn)知是相當(dāng)匱乏的，世界最深的庫(kù)頁(yè)島Odoptu OP-11 油井僅12 345 m[1]，中國(guó)最深的蓬深6 井深度僅9 026 m[2]，中國(guó)最深孫村煤礦僅1 510 m[3]，世界最深的中國(guó)錦屏地下實(shí)驗(yàn)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(guó)大峽谷隧道，最大埋深為1 944 m[5]。總體上，人類(lèi)工程涉及的深度相對(duì)于地球而言僅僅觸及了一點(diǎn)表皮，面向地球深處的探測(cè)技術(shù)亟待發(fā)展[6]。

同時(shí)，隨著淺部資源的開(kāi)采殆盡，千米級(jí)深部資源開(kāi)采工程已成為常態(tài)，煤炭開(kāi)采深度已達(dá)1 500 m，地?zé)衢_(kāi)采深度超過(guò)5 000 m，金屬礦開(kāi)采深度超過(guò)4 350 m，油氣資源開(kāi)采深度達(dá)8 800 m[3]。而深部巖體工程活動(dòng)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(dòng)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?jī)?nèi)源動(dòng)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(shí)際環(huán)境和不同工程活動(dòng)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(shí)，為認(rèn)知地球演變規(guī)律與深地資源開(kāi)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(wèn)題也日益突出，深地空間資源開(kāi)發(fā)與利用已成為人類(lèi)活動(dòng)的未來(lái)趨勢(shì)，也是人類(lèi)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(kāi)發(fā)利用體系。

可見(jiàn)，深地科學(xué)規(guī)律的探測(cè)與揭示以及深地資源的開(kāi)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(duì)深地科學(xué)這一領(lǐng)域形成統(tǒng)一認(rèn)識(shí)，包括在不同學(xué)科領(lǐng)域、不同專(zhuān)業(yè)行業(yè)對(duì)地球“深部”及“深地”的表述、理解及認(rèn)識(shí)各有不同；對(duì)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(shí)，并對(duì)其未來(lái)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?jī)?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(guò)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(duì)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(lèi)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(yùn)行等，因此，地球科學(xué)是一門(mén)很基礎(chǔ)、很重要的學(xué)科。按照中國(guó)國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)的定義，地球科學(xué)是理解和認(rèn)識(shí)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(duì)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(duì)象，探究發(fā)生在其中的各種現(xiàn)象、過(guò)程及過(guò)程之間的相互作用，以提高對(duì)地球的認(rèn)識(shí)水平，并利用獲取的知識(shí)為解決人類(lèi)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(wèn)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(shí)體系，更是拓展科學(xué)視野、深化地球認(rèn)知的國(guó)家戰(zhàn)略科技方向，進(jìn)而實(shí)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(gè)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(shí)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(kāi)采奠定基礎(chǔ)；③ 透明地球是目標(biāo)。實(shí)現(xiàn)地下環(huán)境與空間資源有效利用、深地能源開(kāi)發(fā)的可視化。因此，深地科學(xué)包括深地探測(cè)、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(gè)學(xué)科，涉及基礎(chǔ)科學(xué)、資源安全、能源安全、國(guó)防安全、防災(zāi)減災(zāi)等國(guó)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(shū)記在2016 年兩院院士大會(huì)和全國(guó)科技大會(huì)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(wàn)m，目前世界先進(jìn)水平勘探開(kāi)采深度已達(dá)2 500 m 至4 000 m，而我國(guó)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(wèn)題[6]”。

因此，從定義上來(lái)說(shuō)，深地科學(xué)則是以地球?yàn)楸倔w的，研究從地表巖石圈到地幔、地核的圍繞地球自身活動(dòng)的科學(xué)，相對(duì)于地球淺層而言，是人類(lèi)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(yùn)行規(guī)律，探索人類(lèi)活動(dòng)和生存發(fā)展需求以及拓展人類(lèi)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(lái)看，深地科學(xué)以地球淺層以深的深層和超深層為研究對(duì)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(lèi)現(xiàn)有科學(xué)理論和認(rèn)知水平尚未涉及、無(wú)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(dòng)力響應(yīng)等定性定量基本規(guī)律，直接服務(wù)于人類(lèi)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(wèn)題。

同時(shí)，深地科學(xué)的研究方法和理論認(rèn)識(shí)可延伸拓展并應(yīng)用于類(lèi)地行星等地外天體的深空物質(zhì)顆?；咀饔谩⑿侨佬菐r物理力學(xué)行為、深空資源能源與空間開(kāi)發(fā)利用等重大科學(xué)問(wèn)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(kāi)發(fā)利用地球資源和地下空間而進(jìn)行工程實(shí)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(duì)深度，而是一個(gè)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(jì)概念而言，不同工程領(lǐng)域?qū)τ谏畈康慕缍ㄒ灿兴煌聊竟こ?、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(guó)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(guò)6 000 m為超深井，超過(guò)9 000 m 為特深井[15]。從整體上看，對(duì)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(lèi)正處于探索階段，難度更高、情況更復(fù)雜，人類(lèi)要超前思考和探索對(duì)目前淺部和深部的層位更深的能源資源及空間利用的開(kāi)發(fā)獲取能力和技術(shù)的科學(xué)，則稱(chēng)為深地工程科學(xué)。

因此，深地工程科學(xué)是針對(duì)現(xiàn)有淺部與深部工程的科學(xué)規(guī)律與技術(shù)無(wú)法適用于深地工程的難點(diǎn)、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(wèn)題，匹配人類(lèi)在深地工程活動(dòng)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(kāi)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(cè)、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(wèn)題，揭示地球內(nèi)部運(yùn)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(kāi)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(lèi)活動(dòng)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(shí)，針對(duì)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(shí)驗(yàn)和理論研究的方式和思維定勢(shì)，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(duì)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(lái)實(shí)現(xiàn)理論研究考慮深部特征、室內(nèi)實(shí)驗(yàn)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(kāi)發(fā)的理論與技術(shù)體系[8]。

3 深地科學(xué)研究?jī)?nèi)容與思考

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

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

3.1 深地探測(cè)技術(shù)領(lǐng)域研究現(xiàn)狀與思考

深地探測(cè)包含3 方面思考：深地鉆探、深地探測(cè)和深地觀測(cè)。

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(cè)。深鉆技術(shù)是指鉆進(jìn)深度超過(guò)1 000 m 的鉆探技術(shù)與裝備。國(guó)外深鉆領(lǐng)域發(fā)展比較成熟，如鉆井結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(guó)未來(lái)重點(diǎn)研究方向[16]。其次，深鉆高溫鉆井液研究方面，據(jù)國(guó)際高溫高壓井合作促進(jìn)協(xié)會(huì)，鉆井過(guò)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(diǎn)攻關(guān)近萬(wàn)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(lái)的一項(xiàng)變革性深地鉆井技術(shù)。國(guó)外深地智能鉆探技術(shù)相對(duì)較為成熟，但國(guó)內(nèi)智能化水平相對(duì)較低，缺乏智能化鉆井的總體規(guī)劃設(shè)計(jì)理論與技術(shù)。未來(lái)仍需重點(diǎn)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(cè)是指深地鉆井過(guò)程中實(shí)時(shí)測(cè)量并記錄地層物性參數(shù)的原理、技術(shù)與裝備，測(cè)量參數(shù)通常包括地層壓力、溫度、成分、鉆井軌跡等[19]。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)高效傳輸、耐高溫高壓傳感器、深地隨鉆隨測(cè)技術(shù)及實(shí)時(shí)高效采集是未來(lái)重點(diǎn)研究方向。

3.1.2 深地探測(cè)

深地物理探測(cè)包含深地震–電磁–重力梯度探測(cè)、空天地聯(lián)合探測(cè)、深地探測(cè)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(cè)是指通過(guò)監(jiān)測(cè)天然或人工激發(fā)的場(chǎng)源(地震場(chǎng)、電磁場(chǎng)、重力場(chǎng)等)在不同深部巖層中的傳播規(guī)律，來(lái)探測(cè)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(cè)手段包括深地震探測(cè)、深地電磁探測(cè)以及深地重力梯度探測(cè)[20]。未來(lái)應(yīng)重點(diǎn)研究深地震四維探測(cè)及信息精細(xì)化采集技術(shù)與裝備(如百萬(wàn)道地震數(shù)據(jù)采集技術(shù)與裝備)、超深電磁探測(cè)技術(shù)與數(shù)據(jù)解譯、量子重力梯度探測(cè)技術(shù)與裝備等方向。

空天地聯(lián)合探測(cè)指集成航天系統(tǒng)、航空系統(tǒng)和地面系統(tǒng)，通過(guò)工業(yè)大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、5G 通信等形成動(dòng)態(tài)空天地一體化網(wǎng)絡(luò)，實(shí)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(cè)等的技術(shù)。空天地聯(lián)合探測(cè)屬于集成協(xié)同創(chuàng)新技術(shù)體系，國(guó)外相關(guān)報(bào)道甚少。近幾年，我國(guó)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(cè)體系，數(shù)字地球空天地一體化災(zāi)害探測(cè)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(lái)說(shuō)，該技術(shù)領(lǐng)域在世界范圍內(nèi)還處于起步階段。未來(lái)應(yīng)重點(diǎn)研究空天地聯(lián)合探測(cè)深地結(jié)構(gòu)及資源原理與技術(shù)等方向。

深地探測(cè)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(cè)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(diǎn)集中于數(shù)據(jù)反演理論與非線性算法。未來(lái)應(yīng)重點(diǎn)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(shí)別理論和技術(shù)，對(duì)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(dòng)化向智能化過(guò)渡，如三維磁化率分類(lèi)反演的算法框架/物理方程驅(qū)動(dòng)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(lái)應(yīng)重點(diǎn)研究深地多源數(shù)據(jù)AI物理識(shí)別、反演及挖掘理論與技術(shù)等方向。

3.1.3 深地觀測(cè)

深地觀測(cè)包含深井井中觀測(cè)、井地聯(lián)合觀測(cè)與超高溫高壓實(shí)驗(yàn)觀測(cè)3 方面內(nèi)容。首先，深井井中觀測(cè)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(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)重力、溫度、壓力、震動(dòng)、放射性、微生物信號(hào)等，實(shí)現(xiàn)對(duì)地球深部多物理場(chǎng)長(zhǎng)時(shí)、連續(xù)、大深度、原位的實(shí)時(shí)觀測(cè)與分析[23]。國(guó)外技術(shù)較為成熟，如井中綜合觀測(cè)技術(shù)、EquiPoise 系統(tǒng)、PEM 系列深井瞬變電磁技術(shù)等[24]。我國(guó)近年也取得長(zhǎng)足進(jìn)步，如深井地球物理綜合觀測(cè)系統(tǒng)、多維高精度成像測(cè)井裝備CPLog、井下多參數(shù)在線連續(xù)測(cè)量技術(shù)、深井瞬變電磁技術(shù)等[25]。此外，在深井觀測(cè)項(xiàng)目方面，國(guó)外有日本屏風(fēng)山深井長(zhǎng)期綜合觀測(cè)臺(tái)網(wǎng)、美國(guó)圣安德列斯斷層深部觀測(cè)SAFOD 項(xiàng)目(4 000 m)等[25]；國(guó)內(nèi)有江蘇東?？h5 000 m 的深井觀測(cè)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(lái)應(yīng)重點(diǎn)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(cè)瞬變電磁技術(shù)及裝備等方向。

其次，井地聯(lián)合觀測(cè)是指通過(guò)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(cè)(地震、地磁、地電、重力等)與地面綜合觀測(cè)協(xié)同互補(bǔ)一體化體系，形成井下地面聯(lián)合觀測(cè)以提高觀測(cè)精度的系統(tǒng)[27]。國(guó)外技術(shù)較為成熟，如地震觀測(cè)技術(shù)、原位應(yīng)力探測(cè)技術(shù)等，井地聯(lián)合中的地震、地磁、地電、重力等觀測(cè)儀器可普遍商用。我國(guó)在井地聯(lián)合觀測(cè)領(lǐng)域發(fā)展慢、不均衡，如微地震井地聯(lián)合監(jiān)測(cè)技術(shù)[28]、uDAS 分布式深井光線傳感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[29]、超深井地球物理綜合觀測(cè)系統(tǒng)等。未來(lái)應(yīng)重點(diǎn)研究深井–地面聯(lián)合觀測(cè)技術(shù)及微弱信號(hào)分析方法等。

最后，超高溫高壓實(shí)驗(yàn)觀測(cè)是指基于模擬的地球深部超高溫高壓環(huán)境，開(kāi)展巖石、礦物等樣品的超高溫高壓地學(xué)實(shí)驗(yàn)，探索超高壓地學(xué)和地球內(nèi)部奧秘，檢驗(yàn)深地科學(xué)新理論、新觀點(diǎn)、新概念。國(guó)外在超高溫高壓實(shí)驗(yàn)觀測(cè)方面具有領(lǐng)先地位，如美國(guó)華盛頓的卡內(nèi)基研究所實(shí)驗(yàn)裝置(Piston Cylinder Presses, 3 GPa、1 700 ℃)[30]，美國(guó)Depths of the earth 公司高溫高壓合成裝置(4 GPa、1 800 ℃)[31]，德國(guó)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(shí)驗(yàn)研究領(lǐng)域；我國(guó)的相關(guān)研究包括地震動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研發(fā)的固體介質(zhì)三軸實(shí)驗(yàn)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(guó)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(lái)重點(diǎn)應(yīng)研究超高溫高壓實(shí)驗(yàn)及動(dòng)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(dòng)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(dòng)力學(xué)

深地動(dòng)力學(xué)包含深地動(dòng)力過(guò)程、深地內(nèi)源地質(zhì)時(shí)變與深地內(nèi)源地震孕生機(jī)理等內(nèi)容。深地動(dòng)力過(guò)程是指由地球內(nèi)動(dòng)力所引起的深地物質(zhì)大尺度運(yùn)動(dòng)行為及動(dòng)力機(jī)制、物質(zhì)與能量交換、大陸變形與內(nèi)源動(dòng)力等。國(guó)外在深地動(dòng)力學(xué)理論、板塊運(yùn)動(dòng)、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(guó)在計(jì)算地球動(dòng)力學(xué)、大地構(gòu)造學(xué)、大陸動(dòng)力學(xué)與地幔動(dòng)力學(xué)及成礦作用動(dòng)力過(guò)程等方面研究有良好基礎(chǔ)和國(guó)際影響力[34-39]。國(guó)內(nèi)外在深地力源及動(dòng)力機(jī)制，大陸構(gòu)造變形、變位與深部動(dòng)力機(jī)制等方面均處于攻關(guān)階段。未來(lái)應(yīng)重點(diǎn)研究深地力源驅(qū)動(dòng)機(jī)制與過(guò)程分析、深地內(nèi)源動(dòng)力反演與驅(qū)動(dòng)災(zāi)變機(jī)理。

深地內(nèi)源地質(zhì)時(shí)變是指在地球內(nèi)外地質(zhì)作用下，區(qū)域構(gòu)造運(yùn)動(dòng)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(shí)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(guò)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(cè)、深地多重地質(zhì)災(zāi)害與復(fù)原等方面國(guó)外研究機(jī)構(gòu)具有理論和技術(shù)裝備優(yōu)勢(shì)。我國(guó)正積極拓展基于深地原位實(shí)驗(yàn)空間的深地內(nèi)源地質(zhì)時(shí)變微弱信號(hào)探測(cè)和解譯，率先開(kāi)展深地內(nèi)源地質(zhì)時(shí)變前沿探索。但在深地內(nèi)源地質(zhì)時(shí)變高精度探測(cè)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(lái)應(yīng)重點(diǎn)研究深地內(nèi)源地質(zhì)時(shí)變規(guī)律與關(guān)鍵弱信號(hào)解譯。

深地內(nèi)源地震孕生機(jī)理主要研究在地球內(nèi)動(dòng)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(dòng)破壞的現(xiàn)象及規(guī)律，揭示地震孕育、發(fā)生和發(fā)展過(guò)程的物理機(jī)制，解析地震災(zāi)害效應(yīng)。國(guó)外在深地內(nèi)源地震監(jiān)測(cè)、預(yù)測(cè)領(lǐng)域處于世界領(lǐng)先水平[40-44]。我國(guó)地震科技在地震預(yù)警、電磁監(jiān)測(cè)試驗(yàn)衛(wèi)星探測(cè)、地震孕育發(fā)生規(guī)律等研究領(lǐng)域處于國(guó)際先進(jìn)水平[45-46]。然而，我國(guó)地震科技在基礎(chǔ)研究領(lǐng)域前沿原創(chuàng)少，對(duì)地震發(fā)生和成災(zāi)機(jī)理的認(rèn)識(shí)有待深化；在應(yīng)用研究領(lǐng)域涉及地震監(jiān)測(cè)預(yù)測(cè)預(yù)警、風(fēng)險(xiǎn)防范和應(yīng)急處置的一些關(guān)鍵技術(shù)尚待突破，觀測(cè)技術(shù)裝備產(chǎn)業(yè)化水平較低[47]。未來(lái)應(yīng)重點(diǎn)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(shí)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(shí)間屬性及其在內(nèi)動(dòng)力作用下時(shí)空演化規(guī)律和形成機(jī)理。國(guó)外在深地結(jié)構(gòu)探測(cè)深度、精度方面均具有明顯優(yōu)勢(shì)，通過(guò)開(kāi)展深地結(jié)構(gòu)重大探測(cè)計(jì)劃，刷新了對(duì)地球結(jié)構(gòu)的認(rèn)知。我國(guó)成功研發(fā)了地殼與地幔深部探測(cè)系列技術(shù)方法，達(dá)到國(guó)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(cè)精度不足、深地結(jié)構(gòu)的時(shí)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(wèn)題。下一步應(yīng)重點(diǎn)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(shí)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(lèi)地質(zhì)觀測(cè)數(shù)據(jù)的深地結(jié)構(gòu)反演分析計(jì)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(shí)現(xiàn)深地結(jié)構(gòu)的三維可視化。國(guó)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(shì)。國(guó)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(lái)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(yùn)動(dòng)和影響，揭示深部地幔動(dòng)力和巖石圈構(gòu)造動(dòng)力塑造地表地形演變、驅(qū)動(dòng)地表過(guò)程的機(jī)理及表層響應(yīng)。近年，美國(guó)國(guó)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(guó)外在深地界面運(yùn)動(dòng)行為、運(yùn)動(dòng)軌跡及動(dòng)力學(xué)機(jī)理[55]、界面運(yùn)動(dòng)的物理–力學(xué)–化學(xué)過(guò)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(guò)程與深部地幔動(dòng)力[56]、巖石圈變形相互作用[57]方面處于領(lǐng)先水平。我國(guó)在深部地幔動(dòng)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(guó)際先進(jìn)水平。深地界面動(dòng)力行為及深地過(guò)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(yùn)移與循環(huán)、深地生物圈、深地成礦機(jī)制4 個(gè)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(duì)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(dòng)深地超臨界態(tài)物質(zhì)賦存規(guī)律等科學(xué)問(wèn)題的解決。我國(guó)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(yùn)移與循環(huán)旨在系統(tǒng)研究深地內(nèi)動(dòng)力作用下的深地物質(zhì)循環(huán)、運(yùn)移、交互及富集過(guò)程，以及研究地球內(nèi)部碳庫(kù)與通量，加深對(duì)深地碳及其他物質(zhì)的賦存狀態(tài)、運(yùn)動(dòng)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(shí)現(xiàn)國(guó)家雙碳計(jì)劃提供理論依據(jù)。歐美發(fā)達(dá)國(guó)家及中國(guó)陸續(xù)開(kāi)展了十余項(xiàng)地球深部研究計(jì)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(yùn)動(dòng)行為、動(dòng)態(tài)演化和驅(qū)動(dòng)力系、深地碳循環(huán)的理論及實(shí)驗(yàn)技術(shù)(以美國(guó)華盛頓卡耐基研究所為首)等深地物質(zhì)循環(huán)與運(yùn)移交互規(guī)律等諸多領(lǐng)域[50]。國(guó)內(nèi)相關(guān)研究受到高精度探測(cè)核心技術(shù)裝備限制，極端條件下深地物質(zhì)運(yùn)移和循環(huán)的實(shí)驗(yàn)與通量計(jì)算研究大多在國(guó)外實(shí)驗(yàn)室完成。通過(guò)與國(guó)際深碳觀察計(jì)劃的合作，我國(guó)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(duì)地球深部物質(zhì)的賦存形式、運(yùn)移規(guī)律、通量以及在地表的表現(xiàn)形式等的了解，但對(duì)深部物質(zhì)循環(huán)仍缺乏系統(tǒng)性的認(rèn)識(shí)[51]。未來(lái)應(yīng)重點(diǎn)研究深地物質(zhì)運(yùn)移富集原理及循環(huán)運(yùn)移規(guī)律等。

深地生物圈是指不以陽(yáng)光為能量來(lái)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(duì)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(diǎn)與分布規(guī)律，探究深地微生物差異性演化對(duì)深地物質(zhì)循環(huán)的影響，揭示深地微生物活性及對(duì)地質(zhì)過(guò)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(shí)驗(yàn)室、陸地深鉆等深地原位空間環(huán)境，開(kāi)展了深地微生物的分布、生存邊界條件及其對(duì)深部物質(zhì)循環(huán)的影響等研究。依托中國(guó)大陸科學(xué)深鉆項(xiàng)目(CCSD)及錦屏地下實(shí)驗(yàn)室，我國(guó)學(xué)者開(kāi)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(dòng)含礦熱液流體運(yùn)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(guó)外礦業(yè)大國(guó)在成礦機(jī)制和找礦預(yù)測(cè)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(kāi)采深度已達(dá)2 500～4 000 m，而我國(guó)大多小于500 m[69]。我國(guó)戰(zhàn)略性礦產(chǎn)的需求仍將持續(xù)維持在高位態(tài)勢(shì)，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(duì)外依存度已經(jīng)超過(guò)70%[70]。我國(guó)礦產(chǎn)資源約束趨緊的態(tài)勢(shì)沒(méi)有改變，資源保障正在經(jīng)受資源家底薄弱、全球市場(chǎng)控制力不足、話語(yǔ)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(yùn)輸安全等問(wèn)題，使得我國(guó)礦產(chǎn)資源形勢(shì)更為嚴(yán)峻[71]。我國(guó)誕生了多個(gè)原創(chuàng)性礦床學(xué)和找礦預(yù)測(cè)理論方法，但目前對(duì)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(wèn)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(diǎn)旨在為開(kāi)發(fā)利用地球資源和地下空間過(guò)程中，人類(lèi)處于探索階段尚無(wú)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(gè)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(zhǎng)期內(nèi)外動(dòng)力地質(zhì)相互作用過(guò)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(guó)外較早認(rèn)識(shí)到地球深層環(huán)境正在發(fā)生深刻變化并對(duì)淺層行為產(chǎn)生重要影響。美國(guó)斯坦福大學(xué)MARK D Zoback 院士等[73]較早運(yùn)用深層–淺層測(cè)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(dòng)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(shí)別等領(lǐng)域取得長(zhǎng)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(cè)預(yù)警等領(lǐng)域尚有不足。我國(guó)陳宗基院士[74]早在20 世紀(jì)80年代就指出深層運(yùn)動(dòng)決定地應(yīng)力場(chǎng)，影響淺層工程巖體時(shí)效響應(yīng)。然而，深層內(nèi)源時(shí)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(lái)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(cè)評(píng)估與開(kāi)采以及深地空間開(kāi)發(fā)利用提供理論研究基礎(chǔ)。國(guó)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(guó)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(guó)借鑒國(guó)外技術(shù)也發(fā)展了 “密閉型保真”獲取方法，但兩者均無(wú)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(dòng)下的原位力學(xué)行為及穩(wěn)定性規(guī)律，重點(diǎn)研究深部原位真實(shí)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(kāi)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(guó)外較早關(guān)注并重視深部原位環(huán)境對(duì)深部工程科學(xué)與技術(shù)的影響，開(kāi)展原位環(huán)境現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的技術(shù)與方法及物理實(shí)驗(yàn)?zāi)M研究，但是到目前為止，仍停留在傳統(tǒng)測(cè)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(wú)關(guān)，與深地原位環(huán)境無(wú)關(guān)，與深地工程擾動(dòng)無(wú)關(guān)，亟待發(fā)展考慮深地真實(shí)賦存環(huán)境影響的原位力學(xué)理論。我國(guó)在國(guó)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(kāi)發(fā)與空間利用施工運(yùn)營(yíng)中的安全穩(wěn)定以及抗災(zāi)害和快速應(yīng)對(duì)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(guó)、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家開(kāi)始致力于重大工程災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)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(guó)際理事會(huì)(ICLEI)在聯(lián)合國(guó)可持續(xù)發(fā)展全球峰會(huì)上提出“韌性”概念[76]。國(guó)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(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院等)綜合運(yùn)用地球物理探測(cè)、計(jì)算機(jī)模擬等技術(shù)實(shí)現(xiàn)了千米量級(jí)的地層及其地質(zhì)控制過(guò)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(guó)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(guó)內(nèi)外在深地工程尺度增韌原理與方法、相場(chǎng)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(kāi)采、深地戰(zhàn)略礦產(chǎn)資源集約開(kāi)采、深地動(dòng)力災(zāi)害防控3 個(gè)方面。深地固態(tài)資源智能流態(tài)開(kāi)采主要通過(guò)深地開(kāi)采環(huán)境智能感知、開(kāi)采過(guò)程智能作業(yè)、開(kāi)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(kāi)采技術(shù)體系[78]。國(guó)內(nèi)外在煤炭地下氣化，以及鹽礦、鈾礦、油頁(yè)巖流態(tài)開(kāi)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(guó)外固態(tài)資源智能開(kāi)采設(shè)備、技術(shù)已較為成熟，并應(yīng)用多年。我國(guó)已初步開(kāi)展了現(xiàn)場(chǎng)智能化開(kāi)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(kāi)采為中國(guó)原創(chuàng)的理論和技術(shù)[76]，國(guó)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(kāi)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(kāi)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(kāi)采指對(duì)深地固態(tài)資源中維系國(guó)民經(jīng)濟(jì)正常運(yùn)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(kāi)采中利用控制手段，優(yōu)化系統(tǒng)資源組合，形成開(kāi)采過(guò)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(kāi)采。我國(guó)多數(shù)戰(zhàn)略性稀有礦產(chǎn)為伴生礦床，品位低，開(kāi)采難度大，開(kāi)采貧化率、選礦回收率低；如錸、鋰、鈷、鎳等儲(chǔ)量低。但中國(guó)的石墨、螢石、銻、釩、鍺、鎵等儲(chǔ)量豐富?？傮w上深地戰(zhàn)略礦產(chǎn)資源精準(zhǔn)集約開(kāi)采技術(shù)仍需進(jìn)一步研究。

深地動(dòng)力災(zāi)害防控主要研究在深地固態(tài)資源開(kāi)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(dòng)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(guó)內(nèi)外根據(jù)各自的地質(zhì)條件和開(kāi)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(guó)的災(zāi)害監(jiān)測(cè)技術(shù)裝備等發(fā)展較早，被世界各國(guó)廣泛采用。國(guó)內(nèi)相關(guān)科研單位在礦山災(zāi)害監(jiān)測(cè)裝備和技術(shù)等方面已打破國(guó)外壟斷。然而，我國(guó)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(kāi)采的災(zāi)害防控需求。深地動(dòng)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(píng)價(jià)、深地流態(tài)資源高效開(kāi)采、深地干熱巖低擾動(dòng)開(kāi)采技術(shù)3 個(gè)方面。

深地流態(tài)資源勘探評(píng)價(jià)指精準(zhǔn)勘探和計(jì)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(chǔ)量的技術(shù)和方法，以及評(píng)估深地該區(qū)域流態(tài)資源稟賦特征和開(kāi)采策略。國(guó)內(nèi)在常規(guī)油氣資源的評(píng)價(jià)理論上與國(guó)外同步，美國(guó)地調(diào)局、加拿大地調(diào)局、中國(guó)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(píng)價(jià)理論[81]。然而我國(guó)核心裝備落后較大，導(dǎo)致勘探評(píng)價(jià)技術(shù)和數(shù)據(jù)解讀方面還落后于國(guó)外，特別是我國(guó)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(kāi)發(fā)技術(shù)上還大幅度落后于發(fā)達(dá)國(guó)家?？傮w上，深地(深地/超深地)儲(chǔ)層流態(tài)資源勘探評(píng)價(jià)理論和方法仍需進(jìn)一步研究。

深地流態(tài)資源高效開(kāi)采主要研究將埋藏在深地(深地/超深地)儲(chǔ)層中流態(tài)資源(石油、天然氣、非常規(guī)油氣、地?zé)帷⒚簩託獾?及其伴生物高效開(kāi)采的理論、技術(shù)與裝備。國(guó)外鉆完井技術(shù)、儲(chǔ)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(chǔ)層中均已應(yīng)用成功。我國(guó)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(chǔ)層改造理論和方法、深地流態(tài)資源高效開(kāi)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(dòng)開(kāi)采技術(shù)主要破解目前干熱巖開(kāi)采誘發(fā)地震的技術(shù)瓶頸，發(fā)展和探索深層低擾動(dòng)(不誘發(fā)礦震、地震)干熱巖開(kāi)采新原理、新方法和新技術(shù)。歐美發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)干熱巖開(kāi)采已進(jìn)行了將近50 a 的研究[83]，在美國(guó)Fenton Hill[84]，法國(guó)Forge[85]等進(jìn)行了數(shù)十處干熱巖現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)采測(cè)試。德國(guó)、韓國(guó)為了減輕干熱巖開(kāi)采誘發(fā)地震的重大社會(huì)問(wèn)題[86]，探索了區(qū)別于水力壓裂的新型開(kāi)采技術(shù)方法，進(jìn)行了干熱巖儲(chǔ)層疲勞壓裂改造，獲得大量寶貴的數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)。我國(guó)干熱巖開(kāi)采基礎(chǔ)薄弱，目前僅在青海共和等進(jìn)行實(shí)驗(yàn)性研究，理論和實(shí)踐均遠(yuǎn)落后于國(guó)外研究[87-94]。然而，國(guó)內(nèi)外干熱巖開(kāi)采都受到誘發(fā)地震等強(qiáng)烈擾動(dòng)的困擾，引起了一系列社會(huì)問(wèn)題，導(dǎo)致多處干熱巖工程停工。目前全球尚無(wú)成熟的低擾動(dòng)干熱巖地?zé)豳Y源開(kāi)發(fā)實(shí)例。深地干熱巖儲(chǔ)層改造理論和方法、深地干熱巖低擾動(dòng)開(kāi)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(kāi)發(fā)利用的重點(diǎn)在深地空間生態(tài)重構(gòu)，旨在開(kāi)發(fā)探索在深地空間人類(lèi)生存所需要的生態(tài)環(huán)境(陽(yáng)光、空氣、水、濕地、植被等)的重構(gòu)原理和技術(shù)，以滿足人類(lèi)開(kāi)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(guó)外較早發(fā)展的地下農(nóng)業(yè)可為未來(lái)研究提供路徑。有代表性的為日本的Pasona O2，法國(guó)巴黎地下花園，美國(guó)紐約曼哈頓的Lowline Lab 實(shí)現(xiàn)了地下100 余種植被為期兩年的實(shí)驗(yàn)[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(guó)亞利桑那大學(xué)、美國(guó)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(guó)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(guó)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(chǔ)備指利用深地空間進(jìn)行石油、天然氣等能源戰(zhàn)略儲(chǔ)備，以及對(duì)高壓風(fēng)、氫氣、化學(xué)品、熱能等新型能源進(jìn)行存儲(chǔ)。世界主要的發(fā)達(dá)國(guó)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(chǔ)備，并進(jìn)行了利用深地空間進(jìn)行儲(chǔ)氫、核廢料、高壓風(fēng)儲(chǔ)存的前沿探索[107-109]。我國(guó)能源地下儲(chǔ)庫(kù)主要集中在利用鹽巖等特殊地層建設(shè)天然氣地下儲(chǔ)庫(kù)[110-111]；石油地下儲(chǔ)庫(kù)發(fā)展相對(duì)較慢，我國(guó)國(guó)家石油儲(chǔ)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(guó)石油、天然氣的儲(chǔ)備規(guī)模與國(guó)際能源署建議的90 d 安全戰(zhàn)略儲(chǔ)備量差距較大，并且我國(guó)在新型能源的地下儲(chǔ)備方面研究幾乎處于空白[112]。深地能源儲(chǔ)庫(kù)長(zhǎng)期穩(wěn)定性理論和技術(shù)、深地新型能源儲(chǔ)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(duì)微生物生命活動(dòng)的影響規(guī)律，以及地下空間環(huán)境對(duì)生命體生理和病理,以及對(duì)人體心理的影響及機(jī)制[113-114]。國(guó)外系統(tǒng)展開(kāi)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(guó)深地微生物研究主要來(lái)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(guó)夾皮溝金礦、錦屏地下實(shí)驗(yàn)室等建立了世界首個(gè)深地醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)室[113-114]，系統(tǒng)研究深地環(huán)境對(duì)人體健康及心理狀態(tài)影響以及對(duì)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(chǔ)碳固碳負(fù)碳、深地“地?zé)?”零碳負(fù)碳能源2 個(gè)方面。

深地儲(chǔ)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(shí)現(xiàn)其與大氣的長(zhǎng)期隔絕或永久性儲(chǔ)存。國(guó)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(kāi)采技術(shù)在深地儲(chǔ)碳的同時(shí)產(chǎn)生一定的經(jīng)濟(jì)效益[117-119]。美國(guó)能源部、歐洲、日本已進(jìn)行了多處的現(xiàn)場(chǎng)工程測(cè)試，積累了豐富的深地儲(chǔ)碳工程經(jīng)驗(yàn)[120-121]。同時(shí)，日本、冰島、美國(guó)等對(duì)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(guó)國(guó)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(kāi)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(guó)對(duì)深地微生物，特別“深古菌”的代謝機(jī)制及其對(duì)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(guó)的研究與國(guó)際同步，均處于起步階段。深地儲(chǔ)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(kāi)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(guó)際上地?zé)衢_(kāi)發(fā)主要分為直接利用和地?zé)岚l(fā)電，美國(guó)、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(guò)1 GW)，但受限于常規(guī)地?zé)岚l(fā)電技術(shù)，各國(guó)地?zé)岚l(fā)電總量占比很小[129-132]；同時(shí)，美國(guó)、歐洲、日本等主要針對(duì)太陽(yáng)能與其他能源結(jié)合的多能互補(bǔ)系統(tǒng)開(kāi)展了大量研究[133]，比如太陽(yáng)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(lái)，受限于中低溫地?zé)岚l(fā)電效率低的技術(shù)難題，我國(guó)地?zé)崮馨l(fā)電規(guī)模和體量與世界地?zé)岽髧?guó)相距甚遠(yuǎn)、進(jìn)展緩慢；“雙碳”背景下，我國(guó)深部地?zé)衢_(kāi)發(fā)與多能互補(bǔ)綠色園區(qū)建設(shè)正處于試驗(yàn)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(guó)深地開(kāi)發(fā)重大戰(zhàn)略目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)亟待提高深部地下工程建設(shè)運(yùn)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(dòng)區(qū)等極端條件，地下工程建設(shè)能力不足、服役壽命不長(zhǎng)、智能化水平不高、環(huán)境感知與調(diào)控不精細(xì)等重大問(wèn)題成為制約深地工程建造運(yùn)維的瓶頸，亟待重點(diǎn)攻關(guān)深地工程技術(shù)。深地工程技術(shù)是指人類(lèi)為利用地球、開(kāi)發(fā)地球所需要的工程實(shí)施技術(shù)與裝備，為探索深地科學(xué)規(guī)律、開(kāi)發(fā)深地工程必需的理論與技術(shù)手段，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)深地工程的安全建造與健康運(yùn)維，主要包含4 個(gè)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(kāi)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(yùn)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(kāi)展深地工程建設(shè)的科學(xué)基礎(chǔ)。面對(duì)國(guó)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(dòng)及工程擾動(dòng)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(jiàn)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(kāi)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(chǎng)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(cè)試原理技術(shù)[144]、深地工程擾動(dòng)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(yùn)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(kāi)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(dòng)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(guó)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(duì)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(shí)建立并完善深部能源資源安全高效開(kāi)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(jì)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(jì)理論、超深井智能掘砌技術(shù)、超深井智能探測(cè)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(kāi)展深地固態(tài)資源智能流態(tài)開(kāi)采、深地戰(zhàn)略礦產(chǎn)集約開(kāi)采、深地動(dòng)力災(zāi)害防控、深地流態(tài)資源高效開(kāi)采、深地戰(zhàn)略能源儲(chǔ)備、深地儲(chǔ)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(kāi)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(guó)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(kāi)采、交通水利國(guó)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(kāi)挖后圍巖時(shí)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(shí)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(shí)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(yùn)維

極復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境和極強(qiáng)烈構(gòu)造活動(dòng)區(qū)的超深井、巨型洞室群、深埋隧道群等深地工程，建造過(guò)程中必然面臨著巖爆、突水等重大工程災(zāi)害難題，同時(shí)面臨著動(dòng)力災(zāi)害演化機(jī)制與動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律不清、深地工程動(dòng)力災(zāi)害防控基礎(chǔ)薄弱等科學(xué)難題[176-178]。深地工程運(yùn)維過(guò)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(kāi)裂、滲水、大變形或坍塌防控等重大安全風(fēng)險(xiǎn)。本方向?qū)⒅攸c(diǎn)研究超深井、巨型洞室群、深埋洞室群等特殊場(chǎng)景可能出現(xiàn)的巖體破裂、災(zāi)情探測(cè)、智能預(yù)警、安全管控等，研究深地工程建造與運(yùn)維動(dòng)力響應(yīng)理論與技術(shù)，發(fā)展災(zāi)害探測(cè)與智能預(yù)警新理論，研發(fā)深地工程動(dòng)力災(zāi)害智能預(yù)警防控、降振減振、安全管控、健康運(yùn)維、應(yīng)急聯(lián)動(dòng)等新技術(shù)和新裝備。

圍繞深地工程動(dòng)態(tài)響應(yīng)理論與技術(shù)，研究深地工程動(dòng)力學(xué)響應(yīng)測(cè)試技術(shù)與方法、深地工程建造與運(yùn)維期動(dòng)態(tài)響應(yīng)規(guī)律、深地工程擾動(dòng)動(dòng)力學(xué)理論，建立深地工程建造與運(yùn)維期的巖石動(dòng)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(cè)技術(shù)、深地工程災(zāi)害智能辨識(shí)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(yùn)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(yùn)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(yùn)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(guó)深地資源開(kāi)發(fā)和深地空間利用能力，引領(lǐng)國(guó)際深地工程技術(shù)發(fā)展。

5 結(jié) 語(yǔ)

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(dòng)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?jī)?nèi)源動(dòng)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(duì)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(lèi)現(xiàn)有科學(xué)理論和認(rèn)知水平尚未涉及、無(wú)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(dòng)力響應(yīng)等定性定量基本規(guī)律，直接服務(wù)于人類(lèi)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(wèn)題。

(2)定義了深地工程科學(xué)的內(nèi)涵，即人類(lèi)要超前思考和探索對(duì)目前淺部和深部的層位更深的能源資源及空間利用的開(kāi)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(gè)方面進(jìn)行重點(diǎn)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(shí)賦存環(huán)境影響的原位力學(xué)理論，提高深地資源能源開(kāi)發(fā)與空間利用施工運(yùn)營(yíng)中的安全穩(wěn)定性以及抗災(zāi)害和快速應(yīng)對(duì)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(lèi)為利用地球、開(kāi)發(fā)地球所需要的工程實(shí)施技術(shù)與裝備，為探索深地科學(xué)規(guī)律、開(kāi)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(dòng)復(fù)雜環(huán)境和巖爆、大變形等動(dòng)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(kāi)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(yùn)維4 個(gè)方面進(jìn)行重點(diǎn)攻關(guān)，旨在解決深地工程原位環(huán)境與物性保真測(cè)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(yùn)維關(guān)鍵科技問(wèn)題。

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