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发布时间：2021-07-13 16:14所属平台：学报论文发表咨询网浏览： 次
摘 要:地球是已知的唯一适合人类生存的行星，揭示地球深部奥秘对于人类生存与发展具有重大意义。随着人类社会的快速发展，地震地质灾害频繁发生，深地工程动力灾害事故更加凸显，且机理不清，难以预测和有效防控，其根本原因在于，人类无法准确认知地球科学
摘 要:地球是已知的唯一适合人类生存的行星，揭示地球深部奥秘对于人类生存与发展具有重大意义。随着人类社会的快速发展，地震地质灾害频繁发生，深地工程动力灾害事故更加凸显，且机理不清，难以预测和有效防控，其根本原因在于，人类无法准确认知地球科学基础规律及地球深部过程与浅表层过程的耦合关系;现有地球深部基础科学研究已滞后于人类深部工程实践活动，传统地质灾害信息的浅表监测存在较大局限。在此基础上，开展深地科学探索与地质灾害防控联动技术研究对解决资源保障、生命演化与可持续发展等重大科学问题具有重要意义。“深地–地表”联动战略体系以深入理解深地科学与地质灾害内在联系，进行深地科学与地质灾害领域的超前战略谋划为核心目标，通过基于典型深部工程的“深地–地表”联动科学研究平台，充分关联中国广布的地表灾害信息监测群和纵深的深地科学实验室、矿区及深地工程示范基地，借助区块链大数据技术，建设“深地–地表”智慧中心，统筹不同区域、不同类型、不同深度研究平台;最终，在此基础之上，以“深地–地表”联动为核心，建设“深地–地表”地灾防控联动探测大科学系统，全面构建深地科学规律及重大地质灾害孕灾机制战略研究体系，服务全国乃至全球的深地科学前沿探索、深地工程的安全与长期稳定性、重大地质灾害预警与防控，助力中国领跑世界深地科学和地质灾害的相关领域研究。
关键词:深地科学;地灾防控;“深地–地表”联动;战略研究
人类目前对于地球深部的认知仍然比较匮乏[1]，近百年的地球科学研究与实践表明，地表的现状与地球表层出现的各种地质现象，其根源在于地球深部，大范围、长尺度的地质现象更是如此[2]。地球深部物质与能量交换的整个地球动力学过程，是研究大陆成山、成盆、成岩、成矿和成灾等过程的核心内容[3]，是引起地球表面地貌变化、剥蚀和沉积作用的根本原因，也导致了地震、滑坡等地质灾害[4–6]。
因此，深入认识地球深部作用机理与动力学过程，及其与地质灾害形成之间的联系，对解决地球深部科学问题、提升地质灾害预警防控能力具有重要意义。制定科学的发展战略能够为解决相关科学问题提供合理的规划与有效的指导，是各类研究的前提。所以，开展深地科学探索与地质灾害防控联动技术体系研究对解决资源保障、生命演化与可持续发展等重大科学问题具有重要意义。
自20世纪70年代起，世界各国纷纷围绕“深部地球科学”开展了一系列地球深部探测计划。美国、欧洲、德国、意大利、加拿大先后发起了美国大陆探测计划(COCORP)、欧洲地球探测计划(EUROPROBE)、德国大陆反射地震计划(DEKORP)、意大利深部地壳探测计划(CROP)和加拿大岩石圈探测计划(LITHOPROBE)[7–11]。2003年，美国又启动了为期15年、投入超过200亿美元的新深部探测计划——“地球透镜计划(EarthScope)”[12–13]。英国地质调查局(BGS)提出了科技战略“GatewaytotheEarth(2019—2023)”，构建世界级地质信息库。2000年，澳大利亚联邦科学与工业研究院(CSIRO)在四维地球动力学计划(AGCRC)的基础上提出了玻璃地球计划(GlassEarth)[14];2006年，又启动了澳大利亚大陆结构与演化计划(AuScope)。
在国内，深地科学研究也已经提升到中国国家战略层面。2016年，习近平同志在全国科技创新大会上提出“向地球深部进军是我们必须解决的战略科技问题”这一重要指示[1]。《中华人民共和国国民经济和社会发展第十三个五年规划纲要(2016—2020)》中提出要“加强深海、深地、深空、深蓝等领域的战略高技术部署”[15]。《“十三五”国家科技创新规划》中，将地球深部探测列入科技创新2030–重大项目规划[16]，并实施了国家深部探测技术与实验研究专项(SinoProbe2008—2012)，这是中国历史上实施的规模最大的地球深部探测计划[17]。
近年来，地质灾害防控一直是受到广泛关注的热点问题。2020年，全国共发生地质灾害7840起，造成139人死亡(失踪)，直接经济损失50.2亿元[18]。与2019年相比，直接经济损失增加了81.23%。但通过中国近年来在地质灾害防控方面的努力，每年成功预报地质灾害次数与地质灾害总数之比，从2001年的3.99%提高到了2019年的15.34%;每年避免的直接经济损失与直接经济损失之比，从2001年的2.46%提高到了2019年的29.96%[19]。地质灾害防灾减灾工作已取得了一定的成果。
目前，深地科学研究与地质灾害防控领域已经取得不俗的成绩，但当前对于深部地球科学问题的认识尚不清晰;面临频发的地震与地质灾害，仍缺乏相应的智能灾害预警、评估及防控体系。同时，地球活动是地质灾害频发的核心诱因和重大工程安全的主要威胁，防控地质灾害的核心科学问题是准确认知地球科学基础规律及地球深部过程与浅表层过程的耦合关系。因此，亟需探索直接决定灾害孕育发生的地球内外结构特征及环境演化规律。
然而，地球浅表层探测数据噪声大、信息少、精度低，尚缺乏低干扰、多信息与高质量的深部观测数据以供研究;传统的浅表现场监测通常重点关注地球外部结构演变和信息获取，地表台站广布，虽结合空间探测技术，但实际测深通常在200m以浅，存在信号衰减变异、科学采集受限等短板，导致深地科学基础规律不明晰、重大地质灾害孕育机理不清楚及预警防控措施不及时。鉴于此，需要从“深地–地表”联动探索视角开展多尺度、多维度的深地与地表观测联动研究;规划布局“深地–地表”联动探索战略，践行原创性、突破性、战略性的顶层规划与设计布局。
1深地科学探索与地灾防控研究现状
1.1深地科学探索研究现状
1.1.1地球深部行为规律的认识历程
18世纪晚期以前，人类对于地震、火山、海岸线变动等地球内部活动的外在表现只有一些粗浅的认识，如：将构造活动解释为地下洞穴的坍塌;18世纪晚期到20世纪中叶，众多大地构造假说相继经历了“提出—淘汰—完善”这一动态更新过程;20世纪初，AlfredWegener提出了大陆漂移学说，轰动了国际地学界。
这些假说多为定性、抽象的，其普适性也较为局限。直到海底扩张学说和板块构造理论相继被提出，人类才具备了深入研究地球深部行为规律并初步识别、解释和预测地球重大地质活动的能力。然而，这些先期成果仍旧无法完全明晰地球内部构造，解释地球深部行为规律。因此，深地科学作为一门前沿的综合性学科，涉及领域广泛，旨在解决地球深部重大科学问题;开展深地科学研究将从根本上改变人类对地球深部的认识与利用。
1.1.2借助深地科学钻探，地表观测向地下深井发展
20世纪70年代起，前苏联、美国等相继进行了不同深度的大陆科学钻探。在此基础上，地球物理学界的研究手段开始从地面观测向地下深井发展，近年来已发展成深井地球科学、深井板块构造学及地球物理学等深地前沿学科[20]。其中：前苏联开展的科拉超深钻探(最大深度12262m)，建立了世界首个地球深部观测站[21];美国在圣安德烈斯断层实施了深部观测SAFOD项目(2000～2500m)[22];德国实施了KTB大陆科学钻探计划(主井深度9100m)，开展地震、地质信息深井观测[23];日本在屏風山活断层钻取科学钻井，进行地球物理信息的长期综合观测[24];中国在江苏省东海县建设了国内第一口大陆科学5000m深钻，并于2011年实施深井地震观测[25]。
可见，开展地球物理信息的深井观测已成为一种国际发展趋势。实践证明，深井长期观测相较于浅表监测，能够有效降低噪声水平，显著提高监测数据的精准性。借助科学钻探加强深地观测系统建设，开展深部地球信息的长周期、高精度、大规模、立体化观测与解译分析，可为实现地球内部结构及行为规律透明化研究提供科学指导。
1.1.3国内外加强深地实验室建设，抢占深地领域战略研究先机
深地实验室可为一个国家提供重大基础科学综合研究平台，建设和发展深地实验室对于提升国家的基础科学研究水平具有重要意义。针对深地科学基础规律、地质信息深地监测、深地工程安全及深地科学前沿等领域，美国、加拿大、中国等11个国内外研究机构已经构建地下实验室并开展相关研究，主要涉及岩石力学、地球物理科学、地震监测、暗物质探测等。
1.2地质灾害防控研究现状
1.2.1地质灾害早期识别技术日新月异，大量数据
亟待智能识别针对地质灾害频发区域，进行地质灾害隐患点早期识别是有效的灾害防控手段。传统早期识别方法主要有遥感解译、地表形变分析、地下位移分析、地下间接因素分析、诱发因素分析和综合分析6种[34]。然而，山区环境恶劣，地形复杂，传统的地质灾害早期识别技术容易受到交通、气象和人力条件的限制，识别能力有限。近年来，国内利用高精度卫星遥感技术、无人机航测和3维激光雷达等新兴手段使早期识别技术得到迅速发展，为开展地质灾害早期识别研究提供了重要支撑[35–36]。
同时，这些手段为直观地查明地质灾害早期变形、物源分析和变化特征分析提供了高清的照片、精细的地形。尤其是无人机摄影测量和3维激光雷达技术，无周期时间、空间限制，能够满足不同作业需求，在复杂条件下地质灾害的早期识别领域具有显著的优势。伴随着高精度监测技术的应用，将会产生海量光学、SAR影像和内观监测数据，涉及2维、3维多种数据格式。如何对这些遥感数据进行智能识别和处理，是当前研究的一个重要方向。同时，将早期识别与机器学习、深度学习等人工智能方法结合，基于地质灾害大数据库对地质灾害隐患点的图像、变形等进行智能识别，可以提高早期识别的速度和精度。
1.2.2地质灾害数据缺乏智慧分析，制约了地质灾害风险评估研究
在地质灾害早期识别的基础上，需要对潜在的地质灾害隐患点进行风险评估，具体内容包括易发性[37–40]、危险性[41–43]和易损性[44–45]，既有定性评价，也有定量评价[46]。定量评价具有精度高和应用性强的优点，适用于单体重大地质灾害的风险评估[47–49]。可靠的定量评价结果依赖详实的调查资料和坚实的研究基础。
伴随着监测的持续进行和研究资料的积累，多源地质灾害信息十分庞大，空间数据结构和类型复杂，严重制约了地质灾害信息的定量分析处理和空间综合风险模型的建立。已有的数据储存形式和管理方式已经不能满足高效实时获取风险定量评价所需参数的需要。因此，如何高效、智能地对海量地质灾害数据进行储存和管理，对已获取数据进行多维度、多层次分析，已经成为重大地质灾害研究的难点。
1.2.3极端气候、地震等突发事件所导致的地质灾害监测预警仍是难题
监测预警是地质灾害防控的重要手段，其目的是及时获取地质灾害临近爆发前的特征信息，提前预报地质灾害的发生和发展趋势，准确发出预警信息，以便采取有效防灾避险措施。崩塌、滑坡、泥石流等地质灾害常与极端气候诸如降雨、地球活动，以及地震等突发事件紧密联系。相较于地震预报，降雨预报具有更强的可操作性。美国[50]、日本[51]、波多黎各[52]、意大利[53]等国很早就已陆续开展对降雨型滑坡的实时预报。在国内，四川雅安[54]、浙江省[55]、三峡库区[56]也都建立了各种形式的降雨滑坡预报系统。针对地震滑坡，许多国内外学者也初步建立了一些预测模型，大部分是利用地震参数的位移判别法[57]。
对极端气候、地震等突发事件诱发的地质灾害进行预测，是未来的研究重点与难点。但由于尚缺乏对气象数据与地灾信息进行综合处理的手段，使得对于极端气候导致的地质灾害规律尚缺乏深入的研究。同时，对深地科学问题与地质灾害发生之间的诸多规律尚不明晰，地球活动导致的诸如地震滑坡等地质灾害的产生机理还存在许多未知之处，使得对区域范围内地球活动导致的地质灾害的监测预警十分困难。
1.3深地科学探索与地灾防控发展态势
纵观国际深地科学探索的发展历程，以地球内部构造与行为规律研究为核心贯穿始终。从早期大陆漂移假说的提出，到国际海洋科学钻探的兴起进而验证海底扩展、建立板块构造理论，到后来实施大陆科学钻探开展深地信息观测，再到建设深地实验室进行深地前沿科学问题探索，对于地球结构及演变机制研究从假说已发展成理论乃至一门科学。
近年来，随着人类在地质灾害防控、深部工程安全及深地前沿科学等领域的需求日益增强，可预见深地科学探索在未来较长一段时间内仍会围绕“地球结构及行为规律透明化”这一核心主题深入发展，全面建设深地实验室进行深地科学基础规律探索将成为世界各国深地科学研究的必然趋势，而深部地球信息的长周期、高精度、大规模、立体化观测与解译分析将会是解决这些深部地球重大科学问题的重要手段。
在地质灾害防控发展方面，通过系统调研，中国地质灾害的总体分布与发育规律现已逐渐明晰，相应的管理信息系统和监测预警系统已经初步建立，以应急管理部为主的应急管理领导体系正在逐步完善中。通过大量研究工作，已积累了海量的地灾监测信息，发展了一系列风险评估分析方法与理论模型，形成了一些地质灾害防控预警技术体系，为深入研究地质灾害及灾害链的形成、发展与防治奠定了坚实的基础。
2深地科学与地灾防控“深地–地表”联动
内涵与科学问题国内外研究综述表明，当前深地科学基础规律的研究尚不明晰，对重大地质灾害孕育机理的认识尚不清楚，根源在于传统的浅表监测测深通常在200m以浅，存在信号衰减变异、科学采集受限等短板，只能获取地球外部结构演变信息。其核心关键科学问题是如何准确认知地球科学基础规律及地球深部过程与浅表层过程的耦合关系。
然而，深地科学探索与地质灾害防控广泛涉及岩石力学、地质学、地理学、大气科学、海洋科学、地球化学、地球物理学等大量科学领域，既有广布的实验平台之间仍缺乏充分联动，所获取的地球科学与地质参数种类庞大，单纯的“点对点”式参数互联方式已难以满足地球复杂的系统分析。因此，研究团队首次提出深地科学与地质灾害“深地–地表”联动探索学术思想，深入理解深地科学与地质灾害内在联系，进行深地科学与地质灾害领域的超前战略谋划;以“平台区块–空间纵深–时间历程–数据挖掘”四大模块联动为核心。
1)“深地–地表”平台区块联动体系。针对现有深地科学与地质灾害监测台站相互独立运行的现状，创新引入区块链技术，实现锦屏地下实验室、川藏铁路等四川独有的深地观测平台及大量现有地表监测台站联动，组建跨学科、多区域的“深地–地表”立体智联区块链监测网，实现平台间数据实时共享、有机交互及多元联动，为后续时空互联及数据挖掘提供坚实基础。
2)“深地–地表”空间纵深联动体系。针对传统地球科学与地质灾害监测难以考虑深度效应的难题，创新考虑不同深度“原位赋存环境→原位岩石特性→工程耐久性→地质灾害行为”差异性联动规律，科学解译不同深度地质构造活动的物质基础、力学机理与演化趋势，实现不同深度区域的“点→面→体”地球信息与重大地质灾害立体联动监测。
3)“深地–地表时间历程联动体系。面向深部环境及地灾演化规律预测及深部工程长期安全评估的重大科技需求，构建深地科学与地质灾害“历史—当前—未来”时间联动分析主轴，采用深地长时观测的方法探索长期内外动力地质相互作用过程与地灾形成机理，创新关联地球“板块历史运动–古地质–古气候”、深地工程灾害“历史演变–实时监测”、地质灾害“活跃历程–实时监控”，实现深部科学规律及重大地质灾害的长时域科学认知与准确评估。
4)“深地–地表”数据挖掘联动体系。
针对当前深地科学研究、深地工程安全预测及地质灾害防治仍存在大量黑箱问题亟待解决的现状，基于“平台区块–空间纵深–时间历程”三大模块联动结果，创新引入机器学习与人工智能等技术，实现海量数据信息智慧挖掘与解译、地球深部科学规律及工程稳定性联动分析与反馈、重大地质灾害孕育机制及链生灾害智能预判与防控。
据此，依托既有的深地科学和深部工程示范基地，以全国不同赋存深度地质体为研究服务主体，以时效影响下地质构造的时空演化规律为核心，利用数据挖掘，从不同类型、不同参数、不同区位和不同监测时长的全国各大监测台站实时监控数据出发，创新引入机器学习与人工智能等技术，构建深地科学大数据库，分析复杂地质条件下深地科学规律及深部工程稳定性;基于全国各大地质地貌监测站数据，构建地灾风险及其链生灾害风险智能识别平台。
从而，充分关联中国广布的地表灾害信息监测群及纵深的深地科学及工程示范基地，结合“平台区块–空间纵深–时间历程”三大联动模块基础，以“数据挖掘联动”为智囊中枢，系统形成“深地–地表”4维联动探索平台战略框架。采用“深部工程(点)+重点区域(面)+不同赋存深度(体)+时间”的4维思路，全面构建深地科学规律及重大地质灾害孕灾机制战略研究体系，打造基于典型深部工程的“深地–地表”联动科学研究平台、基于区块链大数据技术的“深地–地表”智慧中心、“深地–地表”联动探测大科学系统等标杆性研究平台，服务全国乃至全球的深地科学前沿探索、深地工程的安全与长期稳定性、重大地质灾害预警与防控。
3深地科学与地灾防控“深地–地表”联动技术体系展望
当前，全球自然灾害频发，城市化问题等日益突出，既有科学研究已难以满足日益增长的深地科学前沿及地质灾害防控的重大需求。据此，面向深地科学前沿、典型频发重大地质灾害问题及深地科学与地质灾害防控战略需求，率先提出深地科学与地质防控“深地–地表”联动战略体系。
通过基于典型深部工程的“深地–地表”联动科学研究平台，充分关联中国广布的地表灾害信息监测群及纵深的深地科学实验室、矿区、深地工程示范基地，借助区块链大数据技术建设“深地–地表”智慧中心，统筹不同区域、不同类型、不同深度的研究平台，最终在此基础之上，以“深地–地表”联动为核心，建设“深地–地表”地灾防控联动探测大科学系统，全面构建深地科学规律及重大地质灾害孕灾机制战略研究体系，助力中国领跑世界深地科学和地质灾害的相关领域研究。
工程论文投稿期刊：工程科学学报是由北京科技大学主办、面向国内外专家征稿的综合性学术科技期刊，双月刊，国内外公开发行。本刊主要刊载矿业与资源工程、冶金科学与工程、材料科学与工程、机械工程、信息工程、数学、物理、化学等学科的最新研究成果。目前，该刊已经被《EI pageone》，《CA》，日本《科学技术文献速报》，俄罗斯《文摘杂志》，《中国学术期刊文摘》，《中国学术期刊(光盘版)》等中外检索机构收录。
4结 语
21世纪的深地科学进入了新的发展阶段，从对各领域相对孤立的探索转而强调地球深部与地球浅表各部分之间的内在联系，达成了地球运行的源动力来自地球内部，地球内部作用控制了表层系统演变的共识。深地科学与地灾防控“深地–地表”联动战略体系旨在解决如何准确认知地球科学基础规律及地球深部过程与浅表层过程的耦合关系这一核心科学问题。据此，贯彻“深地–地表”平台区块联动、“深地–地表”空间纵深联动、“深地–地表”时间历程联动、“深地–地表”数据挖掘联动的科学内涵，提出3个“从0到1”的大科学研究战略：
1)依托既有的深地科学和深部工程示范基地，以全国不同赋存深度地质体为研究服务主体，以时效影响下地质构造的时空演化规律为核心，建立基于典型深部工程的“深地–地表”联动科学研究平台。
2)引入区块链与大数据技术，从不同类型、不同参数、不同区位和不同监测时长的全国各大监测台站实时监控数据出发，实现多层级部门或单位的深地科学与地质灾害多源信息的实时上传与共享，使各深地相关单位均存储所有节点数据，建立基于区块链大数据技术的“深地–地表”智慧中心。
3)提出“深地–地表”地灾防控联动探测大科学系统的创新构思与战略规划，充分关联中国广布的地表灾害信息监测群及纵深的深地科学与工程示范基地，实现在地球深部人类可以涉及的深度下进行原位监测、原位取芯及现场实验，对人类无法涉及的深度(如万米以深)进行原位环境模拟，进行先导性与创新性研究与探索，服务全国乃至全球的深地科学前沿探索、深地工程的安全与长期稳定性、重大地质灾害预警与防控。
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作者：谢和平1,2,3，张 茹1,2*，邓建辉1,2，高明忠1,2,3，李怡航1,2，何治良1,2，张泽天1
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《基于“深地–地表”联动的深地科学与地灾防控技术体系初探》