谢和平院士：深地科学与深地工程技术探索与思考

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深地科学与深地工程技术探索与思考

作者：谢和平¹^{, 2,3},张茹²,张泽天²,高明忠¹^{, 2},李存宝¹^{, 2},何志强²,李聪²,刘涛²^,3

单位：1. 深圳大学深地工程智能建造与健康运维全国重点实验室/广东省深地科学与地热能开发利用重点实验室/深地科学与绿色能源研究院/土木与交通工程学院；2. 四川大学水利水电学院/深地工程智能建造与健康运维全国重点实验室；3. 四川大学新能源与低碳技术研究院

研究背景

RESEARCH BACKGROUND

中国中长期科技发展规划曾提出“上天、入地、下海、登极”的科研八字方针，不仅对全世界大科学问题发展进程进行了全面概括，也为中国重大科技发展指明了方向，然而目前人类对于地球深部的认知是相当匮乏的，世界最深的库页岛Odoptu OP-11油井仅12,345m，中国最深的蓬深6井深度仅9026 m，中国最深孙村煤矿仅1 510 m，世界最深的中国锦屏地下实验室垂直岩石覆盖达2525m，世界第一埋深公路隧道为中国大峡谷隧道，最大埋深为1944m。总体上，人类工程涉及的深度相对于地球而言仅仅触及了一点表皮，面向地球深处的探测技术亟待发展。

同时，随着浅部资源的开采殆尽，千米级深部资源开采工程已成为常态，煤炭开采深度已达1500 m，地热开采深度超过5000 m，金属矿开采深度超过4350 m，油气资源开采深度达8800 m。而深部岩体工程活动大大超前于基础理论研究，但深部岩体力学理论尚未建立，深地科学规律尚未探明，深部工程活动普遍存在着一定程度的盲目性、低效性和不确定性，地球深部内源动力、结构演变规律、致灾机理等处于“黑箱”或“灰箱”状态。迫切需要发展适用于深部实际环境和不同工程活动方式的深部岩石力学新原理、新理论，探索深地科学规律新奥秘及深地工程技术新认识，为认知地球演变规律与深地资源开发奠定理论基础。此外，地表自然灾害频发、全球变暖、环境恶化、城市综合症等问题也日益突出，深地空间资源开发与利用已成为人类活动的未来趋势，也是人类可持续发展的主要途径。因此亟需探索科学利用地下空间、地热、地下水资源与生态资源，构建深地自循环生态系统的深地科学理论与技术体系，建设全新的地下空间开发利用体系。

可见，深地科学规律的探测与揭示以及深地资源的开发利用的深地工程技术攻关成为深地科学领域探索的重要方向。然而，学术界尚未对深地科学这一领域形成统一认识，包括在不同学科领域、不同专业行业对地球“深部”及“深地”的表述、理解及认识各有不同；对深地科学与深地工程科学及技术也有不同的表述和认识，并对其未来发展方向还未有明确规划，因此本文想从地球科学的视角定义深地科学的学术内涵，理清深地科学与地球科学的区别与联系，探讨深地科学、深地工程技术与深地工程的相关关系，并进一步明确深地科学的研究内容与规划，以及深地工程技术内涵与攻关方向，以期促进深地科学领域的发展。

摘要

ABSTRACT

21世纪的深地科学进入了新的发展阶段，深地科学规律尚未探明，深部工程活动普遍存在着一定程度的盲目性、低效性和不确定性，地球深部内源动力、结构演变规律、致灾机理等仍待进一步认知。因此本文首先从地球科学的视角定义了深地科学：以地球浅层以深的深层和超深层为研究对象，旨在探索地球不同层圈和不同赋存深度（深层和超深层）科学奥秘；理清了深地科学与地球科学的区别与联系：即深地科学是在已知地球科学知识体系上的延伸，是拓展科学视野、深化地球认知的国家战略科技方向，包含于地球科学；定义了深部与深地工程科学的本质：即针对现有浅部工程的科学规律与技术无法适用于深部工程的难点，探索深部工程相关科学规律，突破深部工程关键基础科学问题，匹配人类在深部工程活动中的地灾防控需求，进而指导深部资源安全高效绿色开发、深部工程空间有效利用。

提出深地工程技术定义，即指人类为利用地球、开发地球所需要的工程实施技术与装备，为探索深地科学规律、开发深地工程必需的理论与技术手段。最后，进一步明确了深地科学的研究内容与规划，以及深地工程技术内涵与攻关方向（即深地工程岩土力学与灾变机理、超深井智能建造与能源资源高效开采、深地隧道与巨型洞室群智能建造、深地工程灾害智能防控与健康运维），以期促进深地科学领域的发展。

深地科学与地球科学的区别与联系

地球科学是研究地球系统及其组成部分变化过程及相互作用的科学，以地球各圈层相互作用及其资源与环境效应为研究对象，从数学、物理学、化学、地质学、地理学、气象学、生物学角度研究地球的科学，具有显著的学科交叉特征。它和人类的生活息息相关，比如矿产资源、海洋资源、气候变化、天体运行等，因此，地球科学是一门很基础、很重要的学科。按照中国国家自然科学基金委员会的定义，地球科学是理解和认识地球的形成演化历史、资源环境效应、人地关系基本规律、其他天体对地球影响的科学。它以地球系统及其组成部分为研究对象，探究发生在其中的各种现象、过程及过程之间的相互作用，以提高对地球的认识水平，并利用获取的知识为解决人类生存与可持续发展中的资源供给、环境保护、减轻灾害等重大问题提供科学依据与技术支撑。因此，地球科学的范围很广，涵盖地质学、海洋学、气象学和天文学等众多科学领域。

其中，深地科学是研究地球本体及地表到地心更深层面已知和未知的科学，是地球科学延伸和尚未建立的知识体系，更是拓展科学视野、深化地球认知的国家战略科技方向，进而实现透明地球、向地球深部进军的整体目标，其中主要有三个层次的研究需要攻关：1)结构透明是手段。以科学钻探为主，在物理层面实现深地岩石圈可视化；2)行为规律透明是基础。探索不同深度的行为特征规律差异、不同深度的岩石力学特征差异、不同深度的微生物变异，揭示深部与浅部的本质特征差异，为透明开采奠定基础；3)透明地球是目标。实现地下环境与空间资源有效利用、深地能源开发的可视化。因此，深地科学包括深地探测、深地科学、深地资源、深地地下空间、深层地下工程、深地碳中和等分领域，包含地学、物理、化学、力学、材料科学、信息科学、工程科学、能源资源等多个学科，涉及基础科学、资源安全、能源安全、国防安全、防灾减灾等国家重大需求。

深地科学的内涵

2.1 深地科学的定义与本质

从学术内涵角度来看，深地科学以地球浅层以深的深层和超深层为研究对象，旨在探索地球不同层圈和不同赋存深度（深层和超深层）的科学奥秘和基本规律、分析内在机理，从而揭示人类现有科学理论和认知水平尚未涉及、无法解译的地球浅层以深的深层物理力学差异性行为，以及超深层的深地内部结构、物质行为、内外动力响应等定性定量基本规律，直接服务于人类生存发展所必需的战略性资源能源、空间利用与工程安全等重大科学与技术问题。

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2.2 深部/深地工程科学的定义与本质

深部工程科学在地球科学与深地科学的研究基础上，为开发利用地球资源和地下空间而进行工程实施所需要探索的原理、理论与技术方法的科学。其中，深部不是物理尺度的绝对深度，而是一个力学状态概念，应综合反映应力水平、应力状态和围岩属性，它与复杂的地质条件和力学状态等因素相关，并区别于浅部工程定义和范畴。

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2.3 深地科学与深部工程科学的区别与联系

基于上述深地科学与深部工程科学的定义，深地科学是旨在探测、探索现有科学理论与规律不能解译的，还处于“黑箱”或者“灰箱”状态的深部科学规律，解决地球深部重大科学问题，揭示地球内部运行的科学奥秘，是更普适、更广泛的科学。而深部工程科学则是旨在服务于深部资源、空间的开发与利用，为更好利用深部地下能源资源提供科学理论与技术，从而支撑人类活动向地球深部进军，是更聚焦、更工程化的科学。因此，深地科学是包含深部工程科学的，深部工程科学是深地科学的重要组成部分。

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深地科学研究内容与思考

地球浅部资源已趋于枯竭，深部资源开发成为常态。向深部要能源资源已是我国当前最紧迫的现实问题，也是我国重大战略科技问题，更是我国重大的能源安全问题。向地球深部进军，需要从深地探测、深地工程科学规律、深地资源开发利用三个层次深入开展研究（如图1所示）。

图 1 深地科学研究内容与思考

3.1 深地探测技术领域研究现状与思考

深地探测包含三方面思考：深地钻探、深地探测和深地观测。

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图 2 钻井液体系适应的温度与密度范围的界定^{^[17]}

3.2 深地科学规律领域研究现状与思考

深地科学基本规律研究主要包含深地动力学、深地结构演变、深地物质循环、深地工程科学四方面内容。

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3.3 深地资源利用领域研究现状与思考

深地资源利用领域包含深地固态资源、深地流态资源、深地空间资源、深地碳中和四方面内容。

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深地工程技术的内涵与思考

我国深地开发重大战略目标的实现亟待提高深部地下工程建设运维能力，但是深地具有更强的“高应力、高渗压、高地温”极复杂地质条件和极强构造活动区等极端条件，地下工程建设能力不足、服役寿命不长、智能化水平不高、环境感知与调控不精细等重大问题成为制约深地工程建造运维的瓶颈，亟待重点攻关深地工程技术。深地工程技术是指人类为利用地球、开发地球所需要的工程实施技术与装备，为探索深地科学规律、开发深地工程必需的理论与技术手段，进而实现深地工程的安全建造与健康运维，主要包含四个方面内容：深地工程岩土力学与灾变机理、超深井智能建造与能源资源高效开采、深埋隧道与巨型洞室群智能建造、深地工程灾害智能防控与健康运维。

4.1 深地工程岩土力学与灾变机理

建立深地岩土体基本力学理论，特别是其深地工程响应及灾变规律，是开展深地工程建设的科学基础。面对国家深地工程向1000 m 深厚土层、3000 m 岩层以深挺进的重大需求，深地工程建设中高地应力、高地温和高渗透压等愈发严重，构造活动及工程扰动愈发剧烈，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将面临着难以预见的复杂严苛的地质环境与工程条件。

4.2 超深井智能建造与能源资源高效开采

井筒是沟通地表与深部地下空间的咽喉要道，须下穿待建地下空间之上的各种土层与岩层，其重要性位居各种深地工程之首。在深厚含水不稳定土层、微孔（裂）隙高压富水岩层、高应力破碎岩层、强烈构造活动区岩层等极复杂地质与水文地质条件下建造井筒，是极具挑战性的世界难题。因冻结法适用性广，迄今为止在深厚不稳定土层和深厚富水复杂岩层中，90%以上的井筒须采用冻结法建造，我国已具备用冻结法在750 m 深厚土层和1000 m 深厚富水岩层中建造立井井筒的能力，居世界领先水平。需针对深部极复杂工程地质与水文地质条件，建立超深井建造理论技术，同时建立并完善深部能源资源安全高效开发理论技术，提升深部能源资源获取能力。

4.3 深地隧道与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体，肩负着国土空间扩容、疆域纵深拓展的重任。随着固体矿产资源开采、交通水利国防基础建设重大地下工程向3000 m 以深极端复杂环境，以及埋深大于35m 巨型硐室群极大规模发展，深部地下工程面临着高地应力硬岩掘进效率低、开挖后围岩时效大变形稳定控制难，以及大跨巨型硐室群高效安全建造方案控制因素多等严峻挑战，亟需研发变革性新技术和新材料，在重大工程中进行集成创新。

4.4 深地工程灾害智能防控与健康运维

极复杂地质环境和极强烈构造活动区的超深井、巨型洞室群、深埋隧道群等深地工程，建造过程中必然面临着岩爆、突水等重大工程灾害难题，同时面临着动力灾害演化机制与动力响应规律不清、深地工程动力灾害防控基础薄弱等科学难题。深地工程运维过程面临着大量的安全难题，包括通风-空调、灾变控风、突发灾害应急救援等难题，以及开裂、渗水、大变形或坍塌防控等重大安全风险。本方向将重点研究超深井、巨型洞室群、深埋洞室群等特殊场景可能出现的岩体破裂、灾情探测、智能预警、安全管控等，研究深地工程建造与运维动力响应理论与技术，发展灾害探测与智能预警新理论，研发深地工程动力灾害智能预警防控、降振减振、安全管控、健康运维、应急联动等新技术和新装备。

结语

21世纪的深地科学进入了新的发展阶段，深地科学规律尚未探明，深部工程活动普遍存在着一定程度的盲目性、低效性和不确定性，地球深部内源动力、结构演变规律、致灾机理等仍待进一步认知。

（1）本文提出深地科学的定义与本质，即以地球浅层以深的深层和超深层为研究对象，旨在探索地球不同层圈和不同赋存深度（深层和超深层）的科学奥秘和基本规律、分析内在机理，从而揭示人类现有科学理论和认知水平尚未涉及、无法解译的地球浅层以深的深层物理力学差异性行为，以及超深层的深地内部结构、物质行为、内外动力响应等定性定量基本规律，直接服务于人类生存发展所必需的战略性资源能源、空间利用与工程安全等重大科学与技术问题。

（2）定义了深地工程科学的内涵，即人类要超前思考和探索对目前浅部和深部的层位更深的能源资源及空间利用的开发获取能力和技术的科学。深地工程科学从深层与浅层地质响应互馈机制、深地原位物性规律、深地原位力学理论、深地工程韧性与透明解析四个方面进行重点攻关，旨在构建深层-浅层重大地质灾害孕灾机制研究体系，获取深地物质原位物性、成份信息及本真行为性质，发展考虑深地真实赋存环境影响的原位力学理论，提高深地资源能源开发与空间利用施工运营中的安全稳定性以及抗灾害和快速应对恢复的能力，为探索深地工程科学规律、提升深部资源能源获取能力提供理论支撑。

（3）定义了深地工程技术的内涵，即深地工程技术是指人类为利用地球、开发地球所需要的工程实施技术与装备，为探索深地科学规律、开发深地工程必需的理论与技术手段。深地工程面临更强的高应力、高地温、高渗压、强扰动复杂环境和岩爆、大变形等动力灾害严峻挑战，深地工程技术从深地工程岩土力学与灾变机理、超深井智能建造与能源资源高效开采、深埋隧道与巨型洞室群智能建造、深地工程灾害智能防控与健康运维四个方面进行重点攻关，旨在解决深地工程原位环境与物性保真测试、深埋隧洞围岩稳定控制、复杂岩土层超深立井建造、深地工程灾害智能预警防控与健康运维关键科技问题。

作者简介

谢和平，力学与能源工程专家，2001年当选中国工程院院士。现任深圳大学特聘教授,深地科学与能源研究院院长、广东省深地科学与地热能开发利用重点实验室主任、国务院学位委员会委员、教育部科学技术委员会主任、国务院学位委员会学科评议组（矿业工程、石油与天然气工程组）召集人、四川省科协名誉主席等职务。曾任原煤炭工业部科技教育司司长、中国矿业大学校长和中国矿业大学（北京校区）校长、四川大学校长、四川省科协主席，为中共十七届中央候补委员、十二届全国人大代表。为《Geomechanics and Geoengineering》国际期刊荣誉主编、《Geomechanics and Geophysics for Geo-Energy and Geo-Resources》、《Deep Underground Science and Engineering》和《Energy Reviews》国际期刊主编、《工程科学与技术》期刊主编，并兼任岩石力学领域顶级期刊《International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences》等10余种期刊编委。

谢和平院士是国家973项目首席科学家（2次），国家自然科学基金委“创新研究群体”首席科学家，国家重点研发计划“深部岩体力学与开采理论”项目负责人，国家自然科学基金委重大科学仪器研制项目“深部岩体原位保真取芯与保真测试系统”项目负责人。谢和平曾荣获国家自然科学二等奖（2007）、国家科技进步二等奖（2000）、国家科技进步三等奖（1999）、国家自然科学三等奖（1995），及首届“中国青年科学家奖（技术科学）”（1992）、孙越崎能源大奖（2001）、何梁何利基金科学与技术进步奖（2004）和省部级二等以上奖励多项。2007年被德国克劳斯塔尔工业大学授予荣誉博士学位，2008年入选香港理工大学“杰出中国访问学人奖励计划”，2012年10月被香港理工大学授予荣誉博士学位，2012年11月被英国诺丁汉大学授予荣誉博士学位，2017年5月被牛津大学圣艾德蒙学院授予“牛津大学圣艾德蒙Fellow”学术称号，2018年9月获得“IET杰出大学校长奖”，2018年9月获得国家教学成果特等奖。

研究方向

深地科学与绿色能源

主要成果

谢和平院士长期致力于深地科学与绿色能源领域的基础研究与工程实践。1982年起，创造性引入分形方法，在国际上开创了岩石力学分形研究新领域；在我国最早建立了裂隙岩体宏观损伤力学模型，开拓了裂隙岩体损伤力学研究新领域。在国际上首次提出了深部原位岩石力学和工程扰动岩石动力学构想并构建了其理论框架。深入探索了低碳技术与CO2矿化及综合利用，形成一系列CO2资源化、能源化利用的高效耦合技术原理和方法。目前正深入开展深地深海深空保真取芯探矿与测试基础、粤港澳大湾区地热勘探开发利用、中低温地热发电原理和技术、工程扰动岩石动力理论与技术、低碳与海水制氢技术、月基能源资源探测前沿技术以及深部固体资源流态化开采理论和技术等方面的研究。研究成果已出版10余本中英文专著、发表500余篇论文。

来源：现代石油人