深部資源探測核心技術(shù)研發(fā)與應(yīng)用*

底青云 楊長春 朱日祥

（中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所 北京 100029）

1 引言

礦產(chǎn)資源作為人類社會賴以生存和發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，已成為制約我國經(jīng)濟發(fā)展與國家安全保障的核心要素之一。隨著發(fā)展中人口大國工業(yè)化進程的加速，一些傳統(tǒng)的資源輸出國將轉(zhuǎn)為資源進口國，全球資源競爭將愈演愈烈，嚴(yán)重依賴進口將危及國家安全和經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展。綜合考慮中國經(jīng)濟運行與發(fā)展勢態(tài)以及發(fā)達(dá)國家所走過的工業(yè)化歷程，未來15—20年我國礦產(chǎn)資源消耗強度將會持續(xù)增加，這就要求我們尋求科學(xué)的應(yīng)對措施。資源探測技術(shù)研發(fā)是解決這一問題最為重要的戰(zhàn)略部署之一，從新中國建立之初的向科學(xué)進軍到改革開放后的“863”計劃以及一系列科技攻關(guān)項目和國家專項的實施，極大地推動了資源探測技術(shù)的進步，支撐我國發(fā)現(xiàn)了許多新礦種，增大了已有礦種的儲量，使我國發(fā)現(xiàn)礦產(chǎn)171種,其中探明儲量的有159種。我國已探明的淺層礦儲量約占世界總量的12%，僅次于美國和俄羅斯,居世界第3位[1]。

已經(jīng)探明的資源和儲量一直是我國經(jīng)濟建設(shè)的重要保障。然而，隨著國民經(jīng)濟的飛速發(fā)展，許多淺層礦已被開采殆盡，成為危機礦山。石油、鐵砂等資源對國際市場的依賴越來越強，對外依存度已高達(dá)50%—80%，超過了國家經(jīng)濟安全警戒線（40%）。盡管如此，我國的潛在資源是巨大的，發(fā)現(xiàn)深部礦和未知礦的潛力很大。主要依據(jù)是：（1）全球3大主要成礦域（環(huán)太平洋成礦域、古亞洲成礦域、特提斯成礦域）在我國都有分布（圖1），且中國大陸疊加了多期次大規(guī)模成礦作用，說明我國有很好的成礦地質(zhì)條件；（2）我國已發(fā)現(xiàn)礦床（點）20多萬處，但經(jīng)過勘探評價的礦床只有2萬多個，因裝備和技術(shù)的原因，絕大多數(shù)礦床（點）尚未探明，眾多物化探異常還有待采用新裝備和新技術(shù)進一步查證[2]；（3）我國西部地區(qū)地質(zhì)礦產(chǎn)工作程度低，不僅其深部礦產(chǎn)資源前景尚未摸清，其地表或近地表還有巨大找礦潛力尚待挖掘；（4）我國東部地區(qū)植被和紅土覆蓋區(qū)廣泛分布,還存在很多找礦盲區(qū)；（5）世界上一些礦業(yè)大國礦床勘探開采深度已達(dá)2500—4000m，而我國已有礦床的開采深度大都小于500m。采用新裝備新技術(shù)勘探開發(fā)深部（500—3000m）第二找礦空間已被國家列為資源探測新的戰(zhàn)略目標(biāo)[2-10]。

圖1 全球三大主要成礦域在我國的分布示意圖

2 國內(nèi)外資源勘查發(fā)展趨勢

實際上危機礦山不僅中國有，國外同樣有，淺層礦告罄是國際大趨勢，因此，深部礦的探測計劃被相繼提出。

板塊構(gòu)造理論的建立被認(rèn)為是地學(xué)的一次革命，這一理論改變了人類對成礦規(guī)律的認(rèn)識和找礦方向。認(rèn)識巖石圈演化的動力學(xué)過程被譽為創(chuàng)建地球科學(xué)新理論的突破口，利用各種地球物理場給地球內(nèi)部作CT的嘗試可以說是地球科學(xué)的另一個重大變革。這一技術(shù)已被廣泛應(yīng)用到資源能源的勘探與開發(fā)領(lǐng)域，這對人類認(rèn)識地球資源稟賦具有劃時代意義。

上世紀(jì)末，發(fā)達(dá)國家相繼啟動了一系列研究計劃，比如澳大利亞的“玻璃地球計劃”（圖2[11]），其目標(biāo)是使地下3000米變得“透明”，力圖建立新的成礦理論，并發(fā)現(xiàn)更多的礦產(chǎn)資源。

我國為透明化地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)和認(rèn)識大陸形成演化，從上世紀(jì)末相繼實施了大陸地學(xué)大斷面、大陸科學(xué)深鉆、華北克拉通破壞、SinoProbe、極低頻探地工程等研究計劃和國家重大專項，大大加深了我們對中國大陸深部結(jié)構(gòu)的認(rèn)識。但我國在地殼與深部探測方面，與歐美等發(fā)達(dá)國家相比仍有較大差距，特別是探測裝備嚴(yán)重依賴國外，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足社會經(jīng)濟發(fā)展和國土安全的需要。因此，亟待建立有自主知識產(chǎn)權(quán)的地殼深部探測裝備、技術(shù)方法和理論體系，為解決國家資源能源環(huán)境等重大問題提供科技支撐。

長期以來，我國大型地球物理探測裝備和核心軟件幾乎全部依賴進口。大型探測裝備的研發(fā)和生產(chǎn)處于國外少數(shù)公司掌控之中，形成市場壟斷，價格昂貴，并開始對我國實施高端產(chǎn)品技術(shù)封鎖。地球物理探測裝備與技術(shù)落后的現(xiàn)狀嚴(yán)重制約著我國礦產(chǎn)資源勘探的發(fā)展，也直接制約著我國參與國際資源競爭的能力。因而，迫切需要核心技術(shù)突破和自主研發(fā)深部資源探測裝備。鑒于此，中科院統(tǒng)一部署，集中院內(nèi)和國內(nèi)相關(guān)領(lǐng)域的優(yōu)勢隊伍，建設(shè)深部資源探測技術(shù)研發(fā)與應(yīng)用示范基地，通過持續(xù)攻關(guān)研究，實現(xiàn)地球物理探測重大裝備技術(shù)的自主研制和產(chǎn)業(yè)化，推動我國礦產(chǎn)資源“攻深探盲”取得重大突破，為我國“地下3000米地球透明計劃”的實施提供探測核心技術(shù)支撐。

圖2 澳大利亞“玻璃地球”計劃的主要技術(shù)方法

3 支撐礦業(yè)發(fā)展的深部探測核心技術(shù)

放眼全球，包括中國在內(nèi)“金磚四國”的復(fù)興和高速經(jīng)濟增長，再加上傳統(tǒng)工業(yè)化國家既有的發(fā)展需要，全球未來50年對礦產(chǎn)資源的需求將是空前的，因而國際間礦產(chǎn)資源的爭奪與再分配將是必然趨勢。在此全球礦產(chǎn)資源需求背景下，中國必須依據(jù)國情和本土固有的礦產(chǎn)資源稟賦，制定較長時間尺度、可持續(xù)的礦產(chǎn)資源國家戰(zhàn)略，進而構(gòu)筑可預(yù)見的國家礦產(chǎn)資源供應(yīng)體系。我們認(rèn)為，立足本土礦產(chǎn)勘查與資源發(fā)現(xiàn)，采用長遠(yuǎn)、柔性和互惠互利的方式，構(gòu)建一個國際化礦業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈的風(fēng)險對沖體系，應(yīng)為我國礦產(chǎn)資源戰(zhàn)略的核心。

一個國家的自然資源稟賦條件，既是客觀存在，也會隨著社會經(jīng)濟發(fā)展和需求的變化而變化。對于一個大國而言，中國的礦產(chǎn)資源稟賦盡管不算世界上最好的,但在資源總量、品種齊全度和資源潛力方面均占據(jù)重要地位。目前，我國一些大宗礦產(chǎn)資源對外依存度高于國家經(jīng)濟的安全警戒線，這一現(xiàn)狀引起我國政府的高度關(guān)注。實際上，我國有很好的成礦地質(zhì)條件，立足國內(nèi)，找礦增儲潛力巨大；問題是茫茫大地,礦在哪里（圖3）？我們認(rèn)為，出路就在研發(fā)適應(yīng)中國地質(zhì)條件的“攻深探盲”地球物理探測裝備。用這些裝備從空間、地面、海洋開展綜合的立體探測，給我們的地球作CT透視檢查。因為重、磁、電、震等地球物理場從不同側(cè)面反映了地下地質(zhì)結(jié)構(gòu)和目標(biāo)地質(zhì)體的物理性質(zhì)，不同成礦構(gòu)造、不同礦體會引起這些地球物理場各種顯著或微弱變化，只有通過多種裝備儀器，采集不同地球物理場信息并加以綜合分析，才能實現(xiàn)地下礦體分布的準(zhǔn)確識別與描述。

圖3 茫茫大地,礦在哪里？

依據(jù)礦產(chǎn)資源“攻深探盲”工作勘探流程中靶區(qū)優(yōu)選、靶區(qū)勘探、礦體精細(xì)勘查3個層面的技術(shù)需求（圖4），我們認(rèn)為，航空超導(dǎo)全張量磁梯度測量系統(tǒng)、航空瞬變電磁勘探系統(tǒng)、多通道瞬變電磁勘探系統(tǒng)、金屬礦地震勘探系統(tǒng)、深部礦床測井系統(tǒng)、海底地球物理探測系統(tǒng)等是國內(nèi)礦產(chǎn)資源勘探行業(yè)急需的裝備。同時，從構(gòu)建國家資源安全保障體系出發(fā)，重力測量系統(tǒng)和衛(wèi)星磁測載荷系統(tǒng)的研發(fā)也需要前瞻布局。這幾大系統(tǒng)面向的核心技術(shù)問題主要為：（1）高靈敏度傳感器，包括結(jié)構(gòu)設(shè)計、制備工藝、微弱信號讀出電路、ASIC芯片；（2）數(shù)據(jù)傳輸與系統(tǒng)集成，包括低功耗高效傳輸、數(shù)據(jù)無損高效壓縮、同步時鐘、快速數(shù)據(jù)存儲；（3）搭載平臺，包括飛機姿態(tài)測量、飛機姿態(tài)控制、飛行干擾消除、飛行效應(yīng)補償；（4）地球物理觀測數(shù)據(jù)成像技術(shù)，包括礦體地球物理響應(yīng)特征建模、礦體三維成像技術(shù)、軟件集成。

圖4 “攻深探盲”勘探流程示意圖

4 示范工程

圖5 地球物理探測揭示的目前開采的淺部礦體與深部隱伏礦體示意圖

礦產(chǎn)資源匱乏已經(jīng)成為限制我國經(jīng)濟發(fā)展的瓶頸，那么我國的礦產(chǎn)資源能否自給？要回答這個問題，必須首先解決礦產(chǎn)資源勘探的瓶頸問題?，F(xiàn)已查明，我國重要資源探明程度僅為12.5%—35%，遠(yuǎn)低于礦業(yè)發(fā)達(dá)國家60.5%—73%的平均值，表明我國資源找礦潛力巨大，而待探明礦產(chǎn)資源主體應(yīng)該在深部。只要加強基礎(chǔ)地質(zhì)研究和提高勘查裝備技術(shù)水平，在我國再發(fā)現(xiàn)一大批新礦床、再增加一大批新儲量是完全可能的（圖5）。為此，在加強裝備研發(fā)的同時，還必須注重基礎(chǔ)地質(zhì)和成礦規(guī)律研究。深部探測裝備要求在復(fù)雜自然條件下具備穩(wěn)定性、可靠性和一致性，這就要求新研發(fā)的裝備必須在野外現(xiàn)場反復(fù)應(yīng)用示范，才能達(dá)到上述“三性”而實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，破解我國長期以來裝備“研而不發(fā)”的尷尬局面。因此，我們提出以新研制的地球物理探測裝備為依托，選擇我國典型的地質(zhì)、地貌條件（覆蓋區(qū)、地形復(fù)雜區(qū)）和埋藏深度的代表性已知礦區(qū)，進行綜合地球物理勘探試驗，檢驗裝備的探測能力，反饋其在實際應(yīng)用中出現(xiàn)的問題，以完善其性能。研究不同類型礦床成礦背景、過程和分布規(guī)律，明確控礦要素和找礦標(biāo)志及其地球物理表征，建立礦床預(yù)測模型、優(yōu)選示范區(qū)，為研制裝備和技術(shù)的檢驗與應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。研究礦床形成的理論深度、成礦規(guī)律和礦床地質(zhì)模型；不同控礦要素的地球物理場響應(yīng)特征與分布預(yù)測；礦床三維模型的地質(zhì)、地球物理表征。在所選示范區(qū)內(nèi)開展綜合地球物理探測，對研制裝備進行檢驗和應(yīng)用，推動裝備與技術(shù)的實用化和產(chǎn)業(yè)化。因此，選擇我國三大成礦域中的甘肅北山—阿拉善、長江中下游、三江地區(qū)中南段，特色成礦系統(tǒng)中的塔里木—天山等區(qū)塊為示范區(qū)，利用新研制裝備技術(shù)進行不同類型礦床的 “攻深探盲”示范性勘查研究工作。

位于古亞洲洋閉合形成的中亞造山帶中部的甘肅北山—阿拉善，大地構(gòu)造上屬于華北地塊、塔里木地塊和西伯利亞地塊三者的交接部位，曾長期受板塊俯沖的影響和改造，導(dǎo)致北山—阿拉善地區(qū)構(gòu)造非常復(fù)雜。從前寒武紀(jì)到燕山期都有巖漿侵位或火山噴發(fā)活動，與之有關(guān)的成礦作用形成了數(shù)量眾多的銅-鎳-鉑族礦床、銅-金礦床、銅-鉛-鋅-銀礦床。 其東有蒙古國超大型的歐玉陶勒蓋斑巖銅金礦床 （距中蒙邊界約50公里），銅儲量達(dá)到2000萬噸，金儲量達(dá)到1300噸，形成時代約為370 Ma，屬于古亞洲成礦域。西側(cè)烏茲別克斯坦的黑色巖系中穆龍?zhí)捉鸬V（金儲量5000噸）和阿克泰佩銀礦（銀儲量約2.5萬噸）所探明的儲量分別與我國保有金礦和獨立銀礦總儲量相當(dāng)，哈薩克斯坦楚-薩雷蘇和錫爾達(dá)林鈾礦省探明可地浸砂巖鈾礦儲量達(dá)85.8萬噸，居世界首位。同屬古亞洲成礦域的中國境內(nèi)甘肅北山—阿拉善等地段則沒有發(fā)現(xiàn)類似的礦床。難道超大型礦床真的不過國界嗎？從基礎(chǔ)研究的角度看，造山帶與主要成礦區(qū)帶的宏觀地質(zhì)格架與地質(zhì)演化歷史不明以及與成礦有關(guān)的深部作用不清是制約我們認(rèn)識中亞型造山帶礦產(chǎn)資源潛力的關(guān)鍵科學(xué)問題。針對不同的地貌景觀條件和不同的礦床類型，如何研發(fā)并應(yīng)用針對性的技術(shù)方法，實現(xiàn)面上快速縮小靶區(qū)和點上定位勘查突破則是關(guān)鍵技術(shù)手段問題，亟待新的深部探測裝備給以解答。

5 結(jié)論

主要以高靈敏度傳感器與系統(tǒng)集成、地球物理觀測數(shù)據(jù)成像技術(shù)、控礦要素的識別及其地球物理場表征和“攻深探盲”勘探流程構(gòu)成的深部資源探測核心技術(shù)，是未來我國資源可持續(xù)供給和國家資源戰(zhàn)略安全的重要保障。只要我們堅持將這些探測裝備核心技術(shù)研發(fā)與區(qū)域地質(zhì)、成礦理論和找礦實踐密切結(jié)合，我們自主研發(fā)的深部探測裝備一定會實現(xiàn)從技術(shù)研發(fā)、工程應(yīng)用、產(chǎn)業(yè)化到實用化的目標(biāo)。通過“攻深探盲”，實現(xiàn)找礦勘查4個轉(zhuǎn)變：即探測方式從二維向三維轉(zhuǎn)變；從以淺部礦、露頭礦勘探為主向深部礦、隱伏礦勘探轉(zhuǎn)變；從陸地礦產(chǎn)勘探向海域勘探拓展；從簡單地質(zhì)條件向復(fù)雜地質(zhì)條件的轉(zhuǎn)變。

通過優(yōu)化整合已有技術(shù)平臺和新研發(fā)的技術(shù)平臺，組建具有國際競爭力的深部探測裝備技術(shù)研發(fā)隊伍和實用化深部資源勘探儀器。同時聯(lián)合國內(nèi)優(yōu)勢科研資源，建成具有國際影響力的“深部資源勘探裝備研發(fā)中心”，為未來我國實施“地下3000米地球透明計劃”提供理論和技術(shù)保障。

致謝衷心感謝劉建明、秦克章、李獻(xiàn)華、于連忠、王妙月研究員的大力支持和對本文的認(rèn)真修改!

1 曾培炎.國務(wù)院關(guān)于礦產(chǎn)資源合理利用、保護和管理工作的報告.全國人民代表大會常務(wù)委員會公報，2007，（1）：104-110.

2 陳毓川.我國礦產(chǎn)資源形勢與對策.全國第三屆成礦理論和找礦方法學(xué)術(shù)討論會大會報告.?？?2007.

3 雷涯鄰.我國礦產(chǎn)資源安全現(xiàn)狀與對策.新浪財經(jīng)，2008.7.17.

4 國土資源部.急需大宗礦產(chǎn)資源保障策略.2008.

5 汪民.在全國地質(zhì)勘查行業(yè)管理座談會上的講話.呼和浩特,2008.

6 袁愛國,王慶飛,徐浩.國內(nèi)金屬礦產(chǎn)資源供應(yīng)力的現(xiàn)狀與對策分析.資源與產(chǎn)業(yè)，2007，9（2）：68-71.

7 中國商品網(wǎng).2007年我國礦產(chǎn)品貿(mào)易形勢分析.2008.9.8.

8 新華網(wǎng).2007年我國外貿(mào)進出口總值首次超過2萬億美元.2008.1.11.

9 劉玉強,喬繁盛.我國礦產(chǎn)資源及礦產(chǎn)品供需形勢與建議.礦產(chǎn)與地質(zhì)，2007，21：1-7.

10 徐紹史.統(tǒng)籌規(guī)劃，加強調(diào)控，不斷提高礦產(chǎn)資源對經(jīng)濟社會發(fā)展的保障能力.在全國礦產(chǎn)資源規(guī)劃編制工作座談會上的講話,2007.

11 劉樹臣.發(fā)展新一代礦產(chǎn)勘探技術(shù)——澳大利亞玻璃地球計劃的啟示.地質(zhì)與勘探，2003,39（5）：53-56.