香山科學(xué)會議：深地科學(xué)重大前沿問題

1、S11:深地科學(xué)重大前沿問題香山科學(xué)會議S-11學(xué)術(shù)討論會綜述以“深地科學(xué)的重大前沿問題”為主題的香山科學(xué)會議第S-11次 于2009年10月2526日在北京召開。陳和生、葛修潤、李惕碚、錢 七虎、吳世勇和許厚澤研究員擔(dān)任執(zhí)行主席，來自全國科研院所、高 等院校和二灘水電開發(fā)有限責(zé)任公司、華東勘測設(shè)計(jì)研究院等相關(guān)單 位的50多位專家學(xué)者應(yīng)邀參加了會議。中國科學(xué)院高能物理研究所 陳和生研究員作了關(guān)于“深地科學(xué)發(fā)展現(xiàn)狀及對我國深地科學(xué)發(fā)展戰(zhàn) 略的若干思考”的主題評述報(bào)告；中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所馮 夏庭研究員與二灘水電開發(fā)有限責(zé)任公司副總經(jīng)理吳世勇分別就“深 地科學(xué)重大前沿問題及建設(shè)深地科學(xué)實(shí)驗(yàn)

2、室的必要性”和“我國深地 科學(xué)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的可行性”作中心議題報(bào)告。與會專家以在錦屏山建 設(shè)深部地下科學(xué)與工程實(shí)驗(yàn)室為目標(biāo)，圍繞深地科學(xué)實(shí)驗(yàn)的重大科學(xué) 意義、錦屏山深地實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的優(yōu)勢和可行性等中心議題進(jìn)行了綜合 評述和深入討論。一、深部地下實(shí)驗(yàn)室是發(fā)展前沿科學(xué)實(shí)驗(yàn)研究的平臺一關(guān)于 暗物質(zhì)的直接探測暗物質(zhì)是構(gòu)成宇宙的重要組成部分，1933年瑞士天文學(xué)家Fritz Zwicky第一次提出了暗物質(zhì)存在的概念和證據(jù)。70多年來，天文學(xué) 家通過許多觀測確認(rèn)了暗物質(zhì)的存在，而且已經(jīng)知道，我們至今所了 解的物質(zhì)只占宇宙總能量密度的4%,而暗物質(zhì)占了 23%,暗物質(zhì)電中 性，成團(tuán)存在，不參與任何電磁相互作用，

3、它們的總質(zhì)量超出普通物 質(zhì)6倍，產(chǎn)生的引力形成了當(dāng)今宇宙可觀測到的普通物質(zhì)所構(gòu)成的星 系、星系團(tuán)、超星系團(tuán)的大尺度結(jié)構(gòu)，因此，暗物質(zhì)應(yīng)該是與宇宙共 生的。但是暗物質(zhì)究竟是什么，怎樣探測，至今還不清楚，需要粒子 物理學(xué)家來回答，因此，這一問題在國際上被稱作是籠罩21世紀(jì)初 現(xiàn)代物理學(xué)的兩朵烏云之一，在美國國家研究委員會及多個科學(xué)組織 多年的報(bào)告中列出的重大基礎(chǔ)科學(xué)問題中都位列首位。粒子物理學(xué)家認(rèn)為，非重子暗物質(zhì)可能是宇宙早期遺留下來的穩(wěn) 定的只參與弱相互作用的粒子，對于這些粒子的可能形態(tài)有眾多的理 論模型預(yù)言，預(yù)言的暗物質(zhì)也有多種，比較多的實(shí)驗(yàn)是尋找弱相互作 用重質(zhì)量粒子（WIMP）。探測方法分

4、直接探測和間接探測兩類， 前者利用空間探測器測量暗物質(zhì)粒子湮滅的產(chǎn)物，后者是在深地下測 量暗物質(zhì)粒子與探測器物質(zhì)發(fā)生彈性碰撞后的反沖原子核?，F(xiàn)在全世 界有20多個實(shí)驗(yàn)組在進(jìn)行直接探測研究，已經(jīng)有十?dāng)?shù)年的歷史，使 用的探測器主體有閃爍晶體、高純錯半導(dǎo)體探測器，和液態(tài)惰性氣體 探測器等，探測器的規(guī)模用主探測器的重量表示。直接探測的主要困 難在于暗物質(zhì)粒子與物質(zhì)發(fā)生相互作用的截面非常小，因而信號很 弱，難于探測到，只有在十分“干凈”的深地下，才有可能把其他可 能產(chǎn)生的信號排除。以液態(tài)惰性氣體探測器為例，當(dāng)前在意大利Gran Sasso國家實(shí)驗(yàn)室（1400米深）正在運(yùn)行百公斤量級的探測器，而 探測靈敏

5、度要提高兩個數(shù)量級，探測器必須達(dá)到噸級，而且必須放到 更深的地下。近年來，我國科學(xué)家參加的兩個國際合作實(shí)驗(yàn)ATIC和 DAMA，都有引起國際同行高度重視的結(jié)果發(fā)表，暗物質(zhì)探測的實(shí)驗(yàn)研 究掀起了新一輪的高潮。國際上還有許多實(shí)驗(yàn)組正處在從預(yù)先研究轉(zhuǎn) 向立項(xiàng)研制的階段。二、建設(shè)深部地下實(shí)驗(yàn)室是解決深部工程與環(huán)境安全等關(guān)鍵難題 的必要途徑深部地下工程、深部資源開采和環(huán)境安全、深部環(huán)境利用與保護(hù) 都是我國未來2050年經(jīng)濟(jì)建設(shè)的重要需求。近年來，我國為解決國 民經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，深部地下工程日益增多，例如，錦屏二級水電站深 地隧道群，引水隧洞4條，直徑13米，長16.67公里，最大主應(yīng)力 70兆帕；西線的南

6、水北調(diào)工程，一期工程包括了 244公里隧洞，最 長的一條73公里，最大埋深1100米；類似于滇藏線、川藏線等具 有世界級難度的鐵路工程，隧道建設(shè)的年增長150公里。這些重大工 程由于受地形條件限制，例如高山峽谷地區(qū)深埋5003000m的大跨 度、高邊墻的大型地下洞室群和多洞室長距離并行的長大隧道等，在 形式上表現(xiàn)為深部工程。此外，深部資源的開采與安全，隨著淺部資 源的日益減少，目前資源開采工程已逐漸由淺部轉(zhuǎn)向深部，近年以沈 陽采屯等為代表的一大批煤礦開采深度均超過1000m；在今后1020 年內(nèi)金屬礦山將進(jìn)入10002000m深度開采；因此，深部資源開采中 工程災(zāi)害的成災(zāi)機(jī)理及控制技術(shù)是深部資

7、源開采所面臨的極具挑戰(zhàn) 性的世界技術(shù)難題。而深部地下工程面臨高地應(yīng)力、高地溫、高滲透壓、強(qiáng)烈工程擾 動等極端條件（即“三高一擾動），使深部工程建設(shè)面臨極具挑戰(zhàn)性 的世界難題，既缺乏成熟的理論與方法，又無國際上的成功經(jīng)驗(yàn)可資 借鑒。通過自主創(chuàng)新，建設(shè)深部地下實(shí)驗(yàn)室，開展多學(xué)科交叉研究， 系統(tǒng)全面認(rèn)識深部工程地質(zhì)賦存環(huán)境與深部巖體的力學(xué)特征與行為， 研究深部工程地質(zhì)災(zāi)害的誘發(fā)因素與控制技術(shù)，從而建立領(lǐng)先世界的 深地巖體力學(xué)理論與深部工程技術(shù)，是攻克這一世界難題的必要途 徑。我國是一個地震災(zāi)害非常頻繁的國家。地震預(yù)報(bào)的難處 在于地震的應(yīng)力積累和孕育過程都在地殼深處，特別是地下的形變和 壓力以及孔隙流

8、體的信息，從地面很難進(jìn)行監(jiān)測。如果能夠在深部地 下實(shí)驗(yàn)室對地震波、形變場和應(yīng)力場進(jìn)行連續(xù)、直接的觀測，將能夠 提供斷層和破裂帶附近直接的能量積累過程的圖像、斷層滑移的特 征，這對地震預(yù)測研究有極為重要的作用。建立深部地球物理實(shí)驗(yàn)室， 可以布設(shè)大量的儀器，從區(qū)域上觀測地下的震動情況，靈活性高，觀 測內(nèi)容更加豐富和可靠。此外，深部地球物理觀測還有助于檢測地球 核模，地球自由振蕩等現(xiàn)象。三、在錦屏山地區(qū)建設(shè)深部地下實(shí)驗(yàn)室的優(yōu)勢和可能的國際地位 深部地下科學(xué)是前沿領(lǐng)域研究的一個重要組成部分，2000多米的 深度是研究基礎(chǔ)物理學(xué)前沿領(lǐng)域重大問題的最佳深度，既可獲得最低 的宇宙線本底計(jì)數(shù)，又可獲得較多的可

9、研究對象。至今為止，世界上 已有的深地實(shí)驗(yàn)室中，多數(shù)都在數(shù)百到一千多米深，而開展的研究課 題最多，規(guī)模最大的是位于意大利Gran Sasso的世界實(shí)驗(yàn)室，深度 為1400米，相當(dāng)于3000多米的水深，總?cè)萘?8萬立方米，單個實(shí) 驗(yàn)室的尺度達(dá)到100米長、20米寬、18米高。比Gran Sasso更深的 曾有兩個單項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，一個是在美國Homestake（ 1500米深）金礦中曾 經(jīng)進(jìn)行過的有名的戴維斯中微子實(shí)驗(yàn)，與日本神岡的地下中微子探測 實(shí)驗(yàn)共獲2002年諾貝爾物理學(xué)獎；另一個是在加拿大Sudbury（2000 米深，6000米水當(dāng)量） 的SNO太陽中微子實(shí)驗(yàn)。近年來，由于一些 重大科學(xué)問題的

10、對測量環(huán)境的苛刻需求，越來越多的科學(xué)家轉(zhuǎn)向深地 下實(shí)驗(yàn)，追求原創(chuàng)性的科研成果。美國的DUSEL深地實(shí)驗(yàn)室計(jì)劃就 是一個典型例證，DUSEL計(jì)劃恢復(fù)Homestake的地下實(shí)驗(yàn)室，并向2225 米的深處建設(shè)更深的地下實(shí)驗(yàn)室。目前，我國沒有自己的深地科學(xué)實(shí)驗(yàn)室，只有部分科學(xué)家參與了 國際上相關(guān)領(lǐng)域的研究工作。為了打造面向國家戰(zhàn)略需求的基礎(chǔ)科技 問題綜合性研究平臺，急需建設(shè)我國自主的深地科學(xué)實(shí)驗(yàn)室。四川省 雅礱江錦屏二級水電工程的建設(shè)為建設(shè)我國首個深地科學(xué)實(shí)驗(yàn)室?guī)?來了契機(jī)，初步研究表明，錦屏山輔助洞內(nèi)巖石放射性本底極低，約 2500米的巖石覆蓋層，宇宙線通量比著名的意大利Gran Sasso國家

11、地下實(shí)驗(yàn)室低約100倍，與美國的DUSEL深地實(shí)驗(yàn)室計(jì)劃相比，可 提供世界上最大埋深并且是水平進(jìn)入的地下實(shí)驗(yàn)室，是開展暗物質(zhì)探 測等粒子物理試驗(yàn)的極佳場所，有條件建成世界上最好的超低本底實(shí) 驗(yàn)室。平峒型的洞室建設(shè)，可提供相對于DUSEL豎井-平硐型洞室更 為便捷的施工條件及實(shí)驗(yàn)條件；即將建成的錦屏二級水電站，可為深 地實(shí)驗(yàn)室建設(shè)提供優(yōu)質(zhì)的基礎(chǔ)設(shè)施；水電站建設(shè)期間的地質(zhì)狀況調(diào)查 和深地隧道建設(shè)所積累的經(jīng)驗(yàn)，可以大大縮短實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)周期，大 幅度降低建設(shè)和運(yùn)行費(fèi)用.錦屏山的“地利”優(yōu)勢，已經(jīng)引起了國內(nèi)外物理學(xué)界的關(guān)注，國 外有些著名的實(shí)驗(yàn)組表示了合作的愿望，國內(nèi)中國科學(xué)院、清華大學(xué)、 上海交大等單

12、位的需求日益迫切；業(yè)主二灘公司十分支持深地科學(xué)實(shí) 驗(yàn)室計(jì)劃，已經(jīng)和清華大學(xué)合作準(zhǔn)備先建一個可提供暗物質(zhì)預(yù)先研究 的小型實(shí)驗(yàn)室，并表示愿意成為深地國家實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的合作組成員。 此外，2004年“建設(shè)國家深地科學(xué)和工程實(shí)驗(yàn)室”列入了國家中長期 科技發(fā)展規(guī)劃的基礎(chǔ)研究規(guī)劃。所以，我國的深地科學(xué)和工程技術(shù)研 究面臨著前所未有的發(fā)展機(jī)遇和挑戰(zhàn)。四、深地實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的戰(zhàn)略思路與當(dāng)前工作建議與會專家在廣泛交流和深入討論的基礎(chǔ)上，提出了建設(shè)我國深地 實(shí)驗(yàn)室的戰(zhàn)略思路并對當(dāng)前工作提出了建議：深地科學(xué)與工程實(shí)驗(yàn)室因其能提供低宇宙線本底和低噪音環(huán)境 而成為研究基礎(chǔ)物理重大科學(xué)前沿問題的理想場所；深地環(huán)境的高地 應(yīng)力、

13、高地溫、高滲透壓、強(qiáng)烈工程擾動等極端條件下的深地工程建 設(shè)與資源開發(fā)利用的需求，要求深部巖體力學(xué)研究提供科學(xué)依據(jù)和方 法；深地地球物理測量為地震機(jī)理與預(yù)報(bào)提供直接的重要的參數(shù)。深 地科學(xué)涉及領(lǐng)域很廣，包括粒子物理，核天體物理，引力波測量，地 球物理，巖體力學(xué)，微生物學(xué)等多個學(xué)科。建設(shè)我國自己的深地科學(xué) 與工程實(shí)驗(yàn)室，開展深地科學(xué)實(shí)驗(yàn)和工程技術(shù)研究是我國國民經(jīng)濟(jì)發(fā) 展的迫切需求，并對提升我國在國際科技相關(guān)前沿領(lǐng)域的地位具有重 大意義。四川雅礱江錦屏山地區(qū)具有得天獨(dú)厚的地理優(yōu)勢，錦屏水電站 的深地隧道群，為我國深地科學(xué)與工程實(shí)驗(yàn)室建設(shè)提供了理想的環(huán)境 與條件?！疤鞎r、地利、人和”，條件具備，我們應(yīng)

14、當(dāng)抓住機(jī)遇，多 學(xué)科、多單位合作，歡迎國際合作，目標(biāo)是把錦屏山深地實(shí)驗(yàn)室建設(shè) 成為一個國家實(shí)驗(yàn)室，一個國際一流的對國內(nèi)外高度開放的深地科學(xué) 和工程技術(shù)多學(xué)科交叉研究平臺。實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)應(yīng)當(dāng)采取“科學(xué)規(guī)劃，統(tǒng)籌安排，分步實(shí)施”的 方針。一方面是各學(xué)科和項(xiàng)目需求，另一方面是實(shí)驗(yàn)室洞室和基本工 作環(huán)境的建設(shè)，需要科學(xué)地規(guī)劃深地實(shí)驗(yàn)室的近期、中期和遠(yuǎn)期的發(fā) 展，統(tǒng)籌安排、分步實(shí)施。認(rèn)真部署相關(guān)領(lǐng)域的實(shí)驗(yàn)，重要實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目 的形成要有地面實(shí)驗(yàn)和預(yù)先研究的基礎(chǔ)，努力在實(shí)驗(yàn)探測技術(shù)上有新 的方法、有創(chuàng)新和發(fā)展，爭取我國在深地實(shí)驗(yàn)研究方面實(shí)現(xiàn)跨越式的 發(fā)展。在現(xiàn)有條件下盡快啟動一些先期工作，例如，巖石力學(xué)和地球 物理研究的先期研究，暗物質(zhì)探測技術(shù)的預(yù)先研究等。對震動，噪音， 干擾和地下水等方面也需展開進(jìn)一步研究。建立和加強(qiáng)業(yè)主、設(shè)計(jì)和施工單位與科研機(jī)構(gòu)和大學(xué)等各方之 間的溝通和合作，共同做出貢獻(xiàn)，分享成果。建議組成多學(xué)科工作組， 將各學(xué)科的需求分析與工程可行性論證做好。建議工作組能盡快開始