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中国跻身世界深部探测大国行列

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  青藏高原的侧向生长与深部过程,是了解大陆碰撞变形与演化机理的关键,也是研究陆内造山过程的“金钥匙”。青藏高原东北缘是正在发育的青藏高原和正在破坏的华北克拉通之间的构造转换带。该地区晚新生代以来构造变形十分强烈,遍布全区的第四纪褶皱、逆冲和走滑断裂,表明整个地区都正在遭受着地壳缩短和水平剪切,并且伴随着垂直隆升作用,构成了青藏高原最新的、正在形成的组成部分。

记者胡其峰2月7日从中国地质科学院获悉,由中科院院士李廷栋等主持的中国岩石圈三维结构研究获得重大突破,科学家系统总结和论述了全国及重点区段岩石圈结构构造及其演化、地球物理场及地球化学场的基本特点,划分了中国岩石圈构造单元,初步建立了中国岩石圈的时空演化框架;这一研究成果大幅提高了我国岩石圈的研究水平,将在地质工作规划、资源勘查及地质环境、地质灾害评价上得到广泛应用,并为三维地质填图及深部探测计划奠定了基础。这一成果近日获得2013年度国土资源科学技术奖一等奖。它以贺兰山龙门山南北向构造带为界,把中国岩石圈划分为中亚青藏岩石圈构造域、东亚岩石圈构造域2个岩石圈构造域和6个岩石圈块体,建立了中国大陆18个代表性地区岩石圈岩石学结构柱状剖面。根据岩石圈动力学性质,把中国大陆及毗邻海域岩石圈,划分为克拉通型、造山带型、裂谷型、边缘海洋壳型、岛弧型5种类型。研究成果显示,中国地壳平均厚度为47.6千米,青藏高原地壳最厚可达80千米、平均厚度60~65千米,东部沿海地区30~35千米、厚度差约30千米,形成了我国地壳厚度西厚东薄、南厚北薄的变化趋势。据参与研究的科学家介绍,中国西部与东部岩石圈和软流圈结构也存在很大差异。西部岩石圈、软流圈层状结构明显,岩石圈很厚,软流圈较薄,反映了板块碰撞汇聚的动力学环境。东部岩石圈、软流圈,则呈块体镶嵌结构,岩石圈很薄,软流圈很厚且厚度变化大,反映了地壳拉张、软流圈物质上涌的特点。同时,根据东亚及西太平洋边缘海岩石圈、软流圈三维速度结构图像显示,中国岩石圈在结构上存在不均一性。此外,科研人员还提出了东亚型造山作用的新认识。根据地震面波层析成像反演结果,在东亚至西太平洋地区深70~250千米区段,发现了一巨型低速异常体,反映了这个区段物质组成柔性强、流体多的特点。利用Nd同位素模式年龄和橄榄岩包体的Os同位素测试结果,发现中国东部岩石圈呈明显上老下新的年龄结构。

交流会现场

  青藏高原东北缘是“南北地震带”与海原-六盘山-渭河地震带的交叉处,地震活动强烈,历史上有过多次8级以上强震,其地震灾害与地表变形和深部过程的关系,是国家近年围绕可持续发展战略而制定的重要科学目标,也是探索青藏高原岩石圈变形及向外围克拉通构造域转换过程与动力学的关键部位和绝佳实验场所。众多青藏高原隆升扩展的动力学模型都可通过该地区岩石圈结构变形研究及动力学数值模拟来甄别验证。

2013年4月16-18日,深部探测技术与实验研究专项2012年度成果汇报交流会在北京召开。五年前,为落实2006年《国务院关于加强地质工作的决定》实施地壳探测工程,提高地球认知、资源勘查和灾害预警水平的战略部署,在财政部、科技部支持下,国土资源部于2008年启动了深部探测技术与实验研究专项,作为《地壳探测工程》的培育性启动计划。深部探测专项的总体目标和核心任务是,为《地壳探测工程》做好关键技术准备,研制深部探测关键仪器装备,解决关键探测技术难点与核心技术集成,形成对固体地球深部层圈立体探测的技术体系;在不同景观、复杂矿集区、含油气盆地深层、重大地质灾害区等关键地带进行实验、示范,形成若干深部探测实验基地;解决急迫的重大地质科学难题热点,部署实验任务;实现深部数据融合与共享,建立深部数据管理系统;积聚优秀人才,形成若干技术体系的研究团队;完善《地壳探测工程》设计方案,推动国家立项。五年来,专项成千上万的研究人员,跋涉在青藏高原、沙漠戈壁、森林泥沼,历尽艰难,艰苦奋斗,积极探索,研究、实验了地壳与地幔深部探测的一系列技术方法,积累了丰富经验,大大地加快了我国深部探测的进度,开创了深部探测领域的一个又一个第一,加快了我国从地质大国向地质强国迈进的步伐。专项完成了6000
km穿透地壳的深反射地震剖面,大幅度提升了我国深部探测技术能力,在资源发现、环境监测、灾害预报、地球认识等领域取得一系列开创性的重要成果,我国跻身世界深部探测大国行列。专项5年工作量超过过去的50年,使我国深反射地震剖面总长达到11000
km,与美国6万km、俄罗斯2.46万km、英国2万km,以及意大利、德国、加拿大、澳大利亚等超过1万km的国家看齐,进入世界上深反射地震剖面超过万km的大国行列。专项打破国外垄断,自主研制了一批深部探测地震、地面电磁、无人机航磁等关键仪器和万米科学钻机,实现了关键技术的重大突破,性能指标与国外同类产品相当或更优。自主研发了深部探测系统软件,数据处理能力得到很大提升。探索出一条引进、消化、吸收、再创新的深部探测装备技术途径,申请专利90项,获批发明专利51项、实用新型专利18项,获批软件著作权21项。第一次系统建立适应我国大陆复杂岩石圈、地壳的深部立体探测技术体系。对应我国大陆不同深度、不同结构、不同地质条件,成功实验了不同物性参数和方法的数据采集、信号提取到处理成像的探测技术流程,建立了阵列式、大陆电磁参数标准网高精度观测方法和精细、规范化的数据处理及反演技术,实现了共震源深地震反射和宽角反射与折射地震同时接收的联合采集,获得了高质量的探测结果。第一次建立了44覆盖全国大陆范围的大地电磁标准网,华北和青藏高原11大地电磁观测网达到世界上密度最大,获得一批高质量的全国物性基础数据。第一次按照国际标准,建立了一个覆盖全国大陆的地球化学基准网,分析测试水平达到世界领先,获得一批高质量的全国地球化学基础数据;第一次利用类似于GoogleEarth软件技术,建立了化学地球的数字表达。第一次系统建立了大型矿集区立体探测技术方法体系和示范区,形成了成矿区带深部控制因素、矿集区富集条件和矿床定位的数据采集与处理解释的技术流程,矿集区透明化技术日臻完善。建立了南岭于都-赣县、庐江-枞阳、铜陵矿集区立体探测示范区,揭示了大型矿集区三维精细结构和成矿动力学过程;经钻探验证效果显著,为在我国东部开辟第二找矿空间、实现地质找矿突破提供了有效的技术支撑。第一次系统建立了青藏高原东南缘和北京周边首都圈现今深孔地应力监测区域网,自主研发了新型地应力监测装备,取得了高质量深井地应力测试数据与原地应力随深度变化规律,探索实验地壳现今活动性监测取得重要进展。第一次建立了亚洲最大规模的地球动力学数值模拟平台,实现全球、区域、局部尺度的三维地球模拟的跨越,为我国地壳活动性监测和地震预警提供新的技术路线。科学钻探在西藏、安徽、江西和甘肃等省区打下了一个又一个的金柱子,创造了多个区域深度第一的记录,实施了全国最大深度之一的金属矿科学钻探,实现了钻探技术的多项原始创新。深部探测专项注重科学应用,发现了一批具有战略意义的找矿线索,有力支撑了我国找矿突破战略行动计划。首次确认了含铬铁矿高压蛇绿岩套新类型,为铬铁矿找矿突破提出新方向;证实南岭成矿带五层楼+地下室的找矿模式,发现厚大矿体,具有重要的战略指导作用;在庐枞火山岩铁硫矿集区,发现深部正长岩上百米厚铀元素富集带,为深部找铀、重新认识火山岩型成矿体系和建立成矿模式提供重要线索;发现并圈出北方巨型的稀土元素地球化学异常块体,指示了超大型矿床的突破空间位置;穿透大庆盆地在含油的白垩纪盆地之下发现残存的沉积盆地,为大庆之下找大庆提供战略依据。专项注重原始创新,取得了一批重大科学发现和重要认识,解决了我国大陆地壳与岩石圈构造长期悬而未决的一些重大科学问题:专项首次获得青藏高原的莫霍反射界面,发现青藏高原腹地的地壳厚度为60-65
km,比原来估计的厚度为浅;揭示了东北岩石圈东部古太平洋板块向西、西部鄂霍茨克洋向东的双向相对俯冲的结构,首次为松辽盆地大地构造背景和演化提供了全新的深部科学依据;四川盆地发现了扬子克拉通内部的古俯冲带,将现今地壳结构时间记录延伸到元古代;华南雪峰山中地壳发现连续强弧形反射层,可能揭示了更古老的隐伏造山带;西秦岭造山带下地壳和莫霍面叠置的缩短结构,挑战了青藏高原东北缘物质逃逸的下地壳隧道流模式;华北深地震反射剖面揭露了板块汇聚、大陆地壳增生的深部过程;大地电磁观测发现鄂尔多斯岩石圈异常导电性结构,为研究正在破坏的华北克拉通演化机理提供了重要依据;首次发现我国楚雄-兰坪盆地白垩纪/古新纪界面铱异常,可能提供小行星撞击证据;大陆科学钻探发现一系列深部地幔物质,提出了金刚石成因分类的第三种类型:蛇绿岩型金刚石;流动体系高温高压流体与岩石反应动力学实验,揭示了中地壳出现高导-低速层的可能成因;中国大陆地壳演化研究取得新进展。据不完全统计,专项共发表论文510多篇,其中SCI论文150多篇,EI论文30多篇。深部探测专项的成功实施,是我国地球科学发展历史上的一件大事,也在国际地球科学界产生了巨大的反响,中国入地计划得到全球地学界的关注。专项实施开放政策,通过美国地球物理学会年会、国际地质大会、欧洲地球科学联盟大会等国际超级平台交流,与国际主要地球探测计划和机构合作,我国深部探测专项计划已经成为目前世界上规模最大的地球深部多学科联合探测的科学活动,多名顶级科学家担任专项的科学顾问;联合国教科文组织科学总干事,国际地科联主席、秘书长,国际岩石圈计划主席,国际地学计划秘书长,国际大陆科学钻探计划秘书长,美国科学基金委地学部主任、大陆动力学计划主任,美国地震学联合会主席,美国地球探测计划负责人和美国地质学会前主席等国际组织负责人先后专访深部专项。2011年11月,专项与ICDP、ILP、
IRIS联合,在北京成功召开国际岩石圈深部探测研讨会;美国、加拿大、德国、澳大利亚、意大利、爱尔兰等国际深部探测计划的首席科学家悉数出席,聚首北京,反映了全球发展需要更加紧密合作的动向,也显示了中国地质独特的东亚地域优势的号召力。在深部探测研究领域,中国基本实现了与世界同行。深部探测技术与实验研究开启地学新时代,成为中国科学院和中国工程院两院院士评选的2011年中国十大科技进展新闻。深部探测专项探索实践大科学计划管理运行模式,集中了国内深部探测领域的优势力量,坚守国家目标为先的顶层设计、高端综合部署原则,坚持自上而下、逐层分解的目标落实路线;坚持技术先导、多学科合作的技术途径;坚持国家专项、部门合作的合作原则;实施目标责任、分级管理运行模式、野外检查、财务监审的监督办法;制定科学探测与科学普及并行的成果表达方式;实施集中探测、数据共享的共享原则;实行国内平台、国际合作的开放模式。专项实现了技术组合创新、技术进步与重大科学发现的并举,适应我国地质地貌条件和地壳岩石圈结构特征,初步形成了具有不同层次、不同尺度、不同精度探测空间组合的深部探测技术方法体系,建立了若干各具地质特色的探测试验基地,引进和自主研制装备了一批国际最先进探测仪器,得到了前所未有的海量数据,深部探测数据处理能力得到极大提升,实现了关键技术的重大突破。我国深部探测能力已经得到大幅度提升,数据采集和处理技术已经成熟,为地壳探测工程的正式启动与组织实施奠定了坚实的基础。

  在既有工作基础上,补充关键地区的地质观测和高分辨率地球物理探测资料数据,并利用高分辨率超大规模并行有限元数值模拟技术,对该区域既有和全新的概念性演化模型进行充分甄别、检验、进一步完善和提升,从而获得四维地球动力学时空演化模型,推进青藏高原隆升过程及其对周缘演化和陆内造山机制的认识,提升我国地球动力学界在国际学术界的影响力,并为我国防震减灾工作奠定新的理论基础。

  一、科学目标

  通过青藏高原东北缘构造演化的时空过程恢复、结合高分辨率地球物理探测、开展多时空尺度的三维有限元建模与数值模拟,厘清深部结构与岩石圈变形行为、浅部构造演化与深部时空演化形变之间的关系,阐明青藏高原侧向生长及陆内造山的地球动力学过程和机理,探索青藏高原东北缘地区构造演化和地震孕育环境之间的内在联系,实现地表构造变形、断层地震活动与深部三维构造活动相联系的定量化模型计算,探索统一的大陆地球动力学解释。

  二、研究内容

  (一)东北缘构造变形几何结构、运动图像完善与演化过程恢复。

  通过对不同走向和不同性质活动构造相互关系的研究,给出青藏高原东北缘构造格架和平衡转换关系;通过综合不同位置新生代地层年代序列、磁性特征和变形特征,结合现今GPS观测资料,分析不同时间尺度构造变形速率,给出青藏高原东北缘构造变形速度场;利用低温热年代学和地貌面定年新技术,通过盆地消亡、山脉隆升及区域地貌面的年代确定,结合现代地貌分析,给出青藏高原构造变形随时间的演化过程。

  (二)东北缘壳幔结构宽频带地震台阵高分辨率地球物理探测。

  利用密集地震台阵观测系统和现代地震学方法,获得青藏高原东北缘及其周边地区高分辨率三维地壳、上地幔速度结构,变形图像和物性参数特征,为青藏高原东北缘地区构造运动、地壳上地幔变形和演化研究提供观测依据和构造控制参数。

  (三)东北缘岩石圈断面结构与变形高分辨率深地震精细探测研究。

  通过加密观测的人工地震测深剖面,揭示岩石圈/软流圈精细结构,约束主要构造边界的变形样式,追踪边界断裂的延伸行为,掌握高原物质向外扩展的证据,并揭露扩展的深部过程。深地震反射剖面垂向空间分辨率地壳部分为百米级,深地震测深(广角反射与折射)地壳底部为1-2
km。

  (四)时空多尺度青藏高原及其东北缘三维有限元数值模拟实验分析。

  基于深浅构造观测与探测结果,构建青藏高原东北缘三维高分辨率多尺度热-粘弹塑性耦合大规模并行有限元数值模型和时空演化地球动力学模型,建立地表变形与深部演化、断层地震活动与深部构造的三维定量化计算模型,研究青藏高原东北缘横向扩展的过程和机理,探索主要断裂带、造山带与相邻构造单元之间的关系及对该地区动力学机制,明确浅部构造变形与深部热过程和动力学演化的关系,厘清控制青藏高原东北缘的整体变形和演化形式的构造、物性、流变结构等关键参数。

  采用构造地质力学的分析方法,结合材料参数和几何约束,重点分析青藏高原东北缘陆内造山带新生代褶皱冲断带的内部变形历史,剥露历史、断层活动的传播及与地震周期的相互关系。

  (五)分析与综合。

  在概念模型基础上结合地表地质、深部地球物理探测,通过集成开展定量化数值实验,甄别和验证既有或新提出的概念性模型,讨论可能的机制和控制因素及这些模型所必须满足的关键性参数、条件和约束等。对比观测和探测结果,考证这些关键性参数、条件和约束是否正确合理,得到统一的地球动力学解释,解决长期困扰科学界的青藏高原东北缘隆升和扩展机制这一科学难题。同时根据观测数据进行数值模拟,对青藏高原东北缘的未来演化趋势和地球动力学意义、地震孕育机理及其影响等做出科学合理的预测。

  三、资助期限  5年(2016年1月至2020年12月)

  四、资助直接费用  1700万元

  五、申请注意事项     

  (一)申请书的附注说明选择“青藏高原东北缘新生代构造演化与深部动力学过程”(以上选择不准确或未选择的项目申请不予受理)。

  (二)本项目由地球科学部负责受理。

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