從地表到地下1萬米，石油、天然氣、煤炭和許多未知的礦產(chǎn)資源分布其中。近年來，隨著淺層傳統(tǒng)化石能源開采越來越困難，地?zé)帷㈨搸r氣、頁巖油等新興能源展現(xiàn)出巨大的潛力。
但受技術(shù)限制，這些藏在石頭里的新興能源很難被開采利用，開采過程中還會(huì)增加地震的風(fēng)險(xiǎn)，已有多個(gè)國家和地區(qū)關(guān)閉礦井。我國是世界上頁巖油氣儲(chǔ)量最為豐富的國家之一，但頁巖油氣大多位于地下3500米以下的深地層，開采難度極大。
深地有哪些資源可以利用？如何在利用深地資源時(shí)避免不可預(yù)知的災(zāi)害？
在江蘇徐州市區(qū)臥牛山地下100多米處，有一座深地工程領(lǐng)域全球最大的地下實(shí)驗(yàn)室——深地科學(xué)與工程云龍湖實(shí)驗(yàn)室（以下簡稱“云龍湖實(shí)驗(yàn)室”）。
深地科學(xué)與工程云龍湖實(shí)驗(yàn)基地門口。
10月15日，科技日?qǐng)?bào)記者在云龍湖實(shí)驗(yàn)室看到，四通八達(dá)的主通道兩側(cè)，是大小不一的硐室。這些硐室便是一個(gè)個(gè)科研平臺(tái)，進(jìn)進(jìn)出出的工作人員正努力“喚醒”這片“沉睡”的地下空間。
“我們對(duì)腳下的世界，尤其是深地空間知之甚少?！痹讫埡?shí)驗(yàn)室主任、中國礦業(yè)大學(xué)教授李曉昭說，地下物質(zhì)成分復(fù)雜，結(jié)構(gòu)多樣，“透視”難度大，人類目前對(duì)深地的認(rèn)知甚至比深空、深海更少。
該實(shí)驗(yàn)室成立以來，依托中國礦業(yè)大學(xué)等單位，圍繞地球深處的能源資源開發(fā)、智能建造、物質(zhì)封儲(chǔ)、安全防護(hù)等國家需求和未來產(chǎn)業(yè)方向，科研人員正不斷攻關(guān)深地科學(xué)和工程難題。
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你追我趕的深地科學(xué)計(jì)劃
我國是世界人口大國，也是能源、礦產(chǎn)資源消耗大國。一方面，我國可耕地總量嚴(yán)重不足；另一方面，隨著我國淺部資源開發(fā)殆盡，不得不在嚴(yán)苛條件下開發(fā)深地資源，以緩解油、氣、銅、鐵等戰(zhàn)略性礦產(chǎn)資源嚴(yán)重依賴進(jìn)口的窘境。
為此，向地球深部進(jìn)軍是我們必須解決的戰(zhàn)略問題。為向地球深部要資源、要空間、要安全，2021年，徐州市依托中國礦業(yè)大學(xué)等單位，將臥牛山人防工程改造為云龍湖實(shí)驗(yàn)室。
過去，世界各國已建成的地下實(shí)驗(yàn)室大多聚焦暗物質(zhì)搜尋、地球科學(xué)及放射性廢物封存等。例如，2010年成立的中國錦屏地下實(shí)驗(yàn)室主要以開展暗物質(zhì)基礎(chǔ)研究為主。
近年來，世界上很多發(fā)達(dá)國家啟動(dòng)深地科學(xué)計(jì)劃，成立相關(guān)地下實(shí)驗(yàn)室，開始把研究重點(diǎn)放在深地新興能源的高效開發(fā)利用、深地空間能源物質(zhì)儲(chǔ)存和深地空間碳廢安全封儲(chǔ)上。
例如，美國桑福德地下試驗(yàn)重大設(shè)施主要研究深地儲(chǔ)層人工與天然裂隙流體運(yùn)移規(guī)律和致震機(jī)理；瑞士格里姆瑟爾試驗(yàn)場有多達(dá)25個(gè)國際合作組織參與，是世界主要的研究深地流態(tài)物質(zhì)在天然地質(zhì)巖體和人工屏障系統(tǒng)運(yùn)移過程的原位科學(xué)試驗(yàn)平臺(tái)；英國愛丁堡地質(zhì)電池地下礦井儲(chǔ)熱設(shè)施聚焦廢棄礦井，研究如何儲(chǔ)熱并直接為周圍用戶家庭供暖；瑞典呂勒奧地下儲(chǔ)氫設(shè)施是世界首個(gè)地下硐室儲(chǔ)氫科學(xué)試驗(yàn)設(shè)施，探索氫能“制—儲(chǔ)—用”產(chǎn)業(yè)鏈高效運(yùn)行新模式。
客觀上說，與世界發(fā)達(dá)國家相比，我國在深地領(lǐng)域的科學(xué)研究和工程實(shí)踐方面仍存差距。例如，當(dāng)前勘探開采深度世界先進(jìn)水平已達(dá)2500米至4000米，而我國勘探開采深度大多小于1000米；2022年4月公布的數(shù)據(jù)顯示，我國頁巖油的開采成本為每桶50美元至80美元，美國的開采成本為每桶30美元。
這些數(shù)據(jù)為我國“向地球深部進(jìn)軍”指明了方向。
中國礦業(yè)大學(xué)深地工程動(dòng)力災(zāi)害真三軸模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。
李曉昭介紹，云龍湖實(shí)驗(yàn)室采用“一中心一站N基地”的總體布局。除主基地以外，實(shí)驗(yàn)室還建有野外觀測站和其他原位試驗(yàn)場等多個(gè)分基地。科研人員將在此開展深地基礎(chǔ)研究、跨學(xué)科交叉融合研究及協(xié)同攻關(guān)，旨在形成原創(chuàng)性、顛覆性技術(shù)，為深地能源開采、深地空間開發(fā)利用等帶來重大突破。
李曉昭告訴記者，深地科學(xué)不是簡單的地質(zhì)學(xué)，而是包括若干重要研究方向的前沿交叉科學(xué)，如深地空間探測開發(fā)、原位保真取芯技術(shù)、深地非常規(guī)巖石力學(xué)行為、深地結(jié)構(gòu)與開采的透明推演理論與技術(shù)、深地地震學(xué)與地球物理學(xué)、深地微生物學(xué)、深部資源開發(fā)與能源儲(chǔ)存、深地地下水賦存、運(yùn)移及水質(zhì)變化、地下生態(tài)圈等。
作為云龍湖實(shí)驗(yàn)室的主要依托單位，近年來，中國礦業(yè)大學(xué)圍繞著深部地下空間開發(fā)中的重大基礎(chǔ)理論與關(guān)鍵技術(shù)難題，持續(xù)深入開展前沿理論和前瞻技術(shù)研究。
通過多年積累，中國礦業(yè)大學(xué)已形成了涵蓋深部巖土力學(xué)、超深井建設(shè)、深部空間圍巖控制和深部動(dòng)力災(zāi)害防控等獨(dú)具特色的研究體系。云龍湖實(shí)驗(yàn)室啟動(dòng)建設(shè)之后，中國礦業(yè)大學(xué)深地工程智能建造與健康運(yùn)維全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（以下簡稱“深地國重”）在基礎(chǔ)理論、工程技術(shù)、裝備研發(fā)等方面，為云龍湖實(shí)驗(yàn)室提供全方位支撐。
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照搬國外技術(shù)肯定不行
我國有2/3的頁巖可采資源儲(chǔ)存在埋深大于3500米的地層中，大部分頁巖油氣地層的沉積環(huán)境都是陸相沉積。而美國的頁巖油氣主要來自海相沉積，分布面積大、穩(wěn)定性好、巖相類型比較單一，非常利于開采。地殼被不斷擠壓抬升，會(huì)使地質(zhì)構(gòu)造產(chǎn)生大量的斷層。如果把產(chǎn)頁巖油氣地層看作是一個(gè)盤子，美國的地層是一個(gè)完整的盤子，而我國的地層是一個(gè)掉在地上摔碎了、又被踩了幾腳的盤子。
目前，我國油氣資源的開采深度接近萬米，直接照搬國外技術(shù)肯定不行。這樣的深度下，怎樣將石油、天然氣安全抽取出來，同時(shí)又不會(huì)誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害？
“條件不同、情況不同，就得‘對(duì)癥下藥’，我國的頁巖油氣開發(fā)還有很長的路要走?！崩顣哉颜f。
同時(shí)，如何科學(xué)利用采空的地下礦井成為新的課題。目前，世界各國都在研究將廢棄的礦井用來儲(chǔ)存石油、天然氣、二氧化碳以及核廢料等?！袄?，在邳州石膏礦采空區(qū)，礦井埋深為50至400米，是很好的原位實(shí)驗(yàn)場地，許多技術(shù)裝備可以在這里進(jìn)行現(xiàn)場開發(fā)、驗(yàn)證，比如多功能系列實(shí)驗(yàn)艙、地下巖隙檢測等技術(shù)，一旦成熟就能立刻用于流態(tài)能源開發(fā)、地下儲(chǔ)能、熱/碳/廢安全封儲(chǔ)等領(lǐng)域?！崩顣哉颜f。
中國礦業(yè)大學(xué)千米表土凍結(jié)法鑿井模擬試驗(yàn)系統(tǒng)。
目前，將核廢料封存在地下深處是主流技術(shù)方向。
“存放核廢料的深坑經(jīng)過縝密選址，地下巖石屬于低滲結(jié)構(gòu)，要求一萬年僅有厘米級(jí)滲流。但現(xiàn)實(shí)中，誰也無法進(jìn)行那么長時(shí)間的觀測實(shí)驗(yàn)，因此低滲巖體滲流演化成為一個(gè)‘黑箱子’?！鄙畹貒貙＜摇⒅袊V業(yè)大學(xué)教授劉江峰說，實(shí)驗(yàn)室自主研發(fā)的軟件和裝備，在全球首次實(shí)現(xiàn)利用數(shù)字技術(shù)精確計(jì)算水、氣在低滲巖體一萬年的滲流演化情況，就連美歐發(fā)達(dá)國家也必須從實(shí)驗(yàn)室購買授權(quán)。
這套軟件和裝備還可用于評(píng)價(jià)我國南?？扇急鲃?dòng)性等。“可燃冰位于海底3000至4000米，想要順利開采必須進(jìn)行流動(dòng)性評(píng)價(jià)，但在數(shù)千米海底很難進(jìn)行準(zhǔn)確探測。”劉江峰說，利用這套軟件和裝備，只需采集一些巖芯，就能精確計(jì)算出這些深埋地下的能源物質(zhì)是如何流動(dòng)的。
在地下能源利用和深地空間開發(fā)過程中，“摸清家底”是首要工作。
過去，傳統(tǒng)技術(shù)依托鉆探和地震波對(duì)地下結(jié)構(gòu)進(jìn)行測繪，但都有不足之處。深地國重專家、中國礦業(yè)大學(xué)教授王勃帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)另辟蹊徑，通過對(duì)深地空間復(fù)雜控滲構(gòu)造地球物理探測機(jī)理的基礎(chǔ)研究，成功研發(fā)出“震電磁光智能監(jiān)測系統(tǒng)”設(shè)備及其配套技術(shù)。
“當(dāng)遇到突水、突泥、瓦斯突出、巖爆、沖擊地壓等災(zāi)害時(shí)，我們可以通過設(shè)備的傳感器獲取信號(hào)，提前了解哪些地方有致災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)?！蓖醪榻B說，就像給人做X光一樣，通過震電磁光智能監(jiān)測設(shè)備可對(duì)地球深處進(jìn)行探測，再根據(jù)探測結(jié)果對(duì)癥下藥，以保障深地工程的安全。
云龍湖實(shí)驗(yàn)室正在攻克極復(fù)雜構(gòu)造區(qū)川藏鐵路等重大深地工程致災(zāi)構(gòu)造精細(xì)探測技術(shù)與裝備，并圍繞深地空間能源資源封儲(chǔ)開展大量工作，在智能導(dǎo)鉆和隨鉆測井方面已取得階段性突破。
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科研平臺(tái)或是未來地下城市
電影《流浪地球》中的地下城令人印象深刻。未來，我們是否會(huì)像電影描繪的那樣，長期在地下工作生活？
現(xiàn)實(shí)中，隨著土地資源日趨緊張，開發(fā)利用地下空間，建造地下交通、商業(yè)、文娛、倉儲(chǔ)、調(diào)蓄水等設(shè)施，改善地表生態(tài)環(huán)境，已成為重要發(fā)展趨勢。
目前，城市地下空間開發(fā)深度普遍在50米以內(nèi)；50米至200米深層地下空間的開發(fā)利用，已成為一項(xiàng)重大課題。
云龍湖實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部。
云龍湖實(shí)驗(yàn)室的一期工程已建成深地裝備、數(shù)字深地、深地開發(fā)和深地環(huán)生等4個(gè)綜合科研平臺(tái)。它們與深地空間高效利用密切相關(guān)，科研人員每天都在這里探索研究基礎(chǔ)理論、解決工程難題。
記者乘著擺渡車來到實(shí)驗(yàn)室主控中心。這里如同一個(gè)高大寬敞的劇場，雖然身處地下，但空氣清新、溫度適宜。
工作人員介紹說，實(shí)驗(yàn)室充分利用了地?zé)崮茉矗ㄟ^抽取礦井中的冷熱能源，對(duì)實(shí)驗(yàn)室的環(huán)境進(jìn)行調(diào)控。
云龍湖實(shí)驗(yàn)室主控中心的服務(wù)器也與其他算力中心不同。這里充分利用了地下的免費(fèi)能源結(jié)合液冷技術(shù)，大幅降低了系統(tǒng)能耗。“我們把地下的冷能收集起來給算力設(shè)備降溫，服務(wù)器散發(fā)的熱量還可以在礦井中跨季節(jié)存儲(chǔ)，滿足清潔供暖的需求。”李曉昭說，隨著AI技術(shù)的快速發(fā)展，算力中心的耗能越來越大，這些試驗(yàn)為算力中心節(jié)能減排提供了全新的思路。
出了主控中心左轉(zhuǎn)幾十米就是深地空間環(huán)控及生物轉(zhuǎn)化平臺(tái)。南京大學(xué)的科研團(tuán)隊(duì)正在這里模擬地下生態(tài)循環(huán)系統(tǒng)，比如將廚余垃圾直接轉(zhuǎn)化成畜牧業(yè)的飼料和農(nóng)業(yè)的肥料，轉(zhuǎn)化率可達(dá)95%。未來可以把生活垃圾直接用管道傳送到地下處理，不再占用地面空間，也不會(huì)帶來污染。
云龍湖實(shí)驗(yàn)室深地空間環(huán)控及生物轉(zhuǎn)化平臺(tái)。
對(duì)于在地下作業(yè)的礦工等群體，如何保障其身心健康？云龍湖實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目管理部副部長凌云志指著環(huán)境艙里一具“暖體出汗假人”向記者介紹，假人模擬了人體散熱、出汗、呼吸、運(yùn)動(dòng)等生理特征，能夠測試在高溫、高濕的地下環(huán)境中，人體各項(xiàng)生理參數(shù)的變化。“對(duì)于需要長期在地下作業(yè)或者生活的人而言，這些數(shù)據(jù)能夠?yàn)檠邪l(fā)更加舒適安全的智能穿戴裝備提供參考?！绷柙浦菊f。
在深地空間部署超算中心、工業(yè)生產(chǎn)設(shè)施，便利使用地下能源，同時(shí)高效散熱；工業(yè)和生活廢棄物通過管道直接送入深地空間，高效轉(zhuǎn)化再利用或安全儲(chǔ)存……李曉昭告訴記者，隨著深地科學(xué)與工程的不斷進(jìn)步，實(shí)驗(yàn)室正在研究的場景都有望在未來成為現(xiàn)實(shí)。
未來5年，云龍湖實(shí)驗(yàn)室將繼續(xù)圍繞深地空間流態(tài)物質(zhì)運(yùn)移、深地工程圍巖力學(xué)響應(yīng)、深地空間環(huán)境演化災(zāi)變開展研究，實(shí)現(xiàn)深地空間儲(chǔ)熱與高效利用、深地空間碳廢二氧化碳與廢物封儲(chǔ)、礦山地下空間協(xié)同開發(fā)與國土空間優(yōu)化。
