香山科學會議：深地科學重大前沿問題

1、S11:深地科學重大前沿問題香山科學會議S-11學術(shù)討論會綜述以“深地科學的重大前沿問題”為主題的香山科學會議第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)有限責任公司、華東勘測設(shè)計研究院等相關(guān)單 位的50多位專家學者應(yīng)邀參加了會議。中國科學院高能物理研究所 陳和生研究員作了關(guān)于“深地科學發(fā)展現(xiàn)狀及對我國深地科學發(fā)展戰(zhàn) 略的若干思考”的主題評述報告；中國科學院武漢巖土力學研究所馮 夏庭研究員與二灘水電開發(fā)有限責任公司副總經(jīng)理吳世勇分別就“深 地科學重大前沿問題及建設(shè)深地科學實驗

2、室的必要性”和“我國深地 科學實驗室建設(shè)的可行性”作中心議題報告。與會專家以在錦屏山建 設(shè)深部地下科學與工程實驗室為目標，圍繞深地科學實驗的重大科學 意義、錦屏山深地實驗室建設(shè)的優(yōu)勢和可行性等中心議題進行了綜合 評述和深入討論。一、深部地下實驗室是發(fā)展前沿科學實驗研究的平臺一關(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 家通過許多觀測確認了暗物質(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)生的引力形成了當今宇宙可觀測到的普通物質(zhì)所構(gòu)成的星 系、星系團、超星系團的大尺度結(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 物理學家來回答，因此，這一問題在國際上被稱作是籠罩21世紀初 現(xiàn)代物理學的兩朵烏云之一，在美國國家研究委員會及多個科學組織 多年的報告中列出的重大基礎(chǔ)科學問題中都位列首位。粒子物理學家認為，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 論模型預言，預言的暗物質(zhì)也有多種，比較多的實驗是尋找弱相互作 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多個實驗組在進行直接探測研究，已經(jīng)有十數(shù)年的歷史，使 用的探測器主體有閃爍晶體、高純錯半導體探測器，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，當前在意大利Gran Sasso國家實驗室（1400米深）正在運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，探測器必須達到噸級，而且必須放到 更深的地下。近年來，我國科學家參加的兩個國際合作實驗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)探測的實驗研 究掀起了新一輪的高潮。國際上還有許多實驗組正處在從預先研究轉(zhuǎn) 向立項研制的階段。二、建設(shè)深部地下實驗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 都是我國未來2050年經(jīng)濟建設(shè)的重要需求。近年來，我國為解決國 民經(jīng)濟快速發(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)金屬礦山將進入10002000m深度開采；因此，深部資源開采中 工程災害的成災機理及控制技術(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)驗可資 借鑒。通過自主創(chuàng)新，建設(shè)深部地下實驗室，開展多學科交叉研究， 系統(tǒng)全面認識深部工程地質(zhì)賦存環(huán)境與深部巖體的力學特征與行為， 研究深部工程地質(zhì)災害的誘發(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。我國是一個地震災害非常頻繁的國家。地震預報的難處 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，從地面很難進行監(jiān)測。如果能夠在深部地 下實驗室對地震波、形變場和應(yīng)力場進行連續(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，這對地震預測研究有極為重要的作用。建立深部地球物理實驗室， 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)深部地下實驗室的優(yōu)勢和可能的國際地位 深部地下科學是前沿領(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 已有的深地實驗室中，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的世界實驗室，深度 為1400米，相當于3000多米的水深，總?cè)萘?8萬立方米，單個實 驗室的尺度達到100米長、20米寬、18米高。比Gran Sasso更深的 曾有兩個單項實驗，一個是在美國Homestake（ 1500米深）金礦中曾 經(jīng)進行過的有名的戴維斯中微子實驗，與日本神岡的地下中微子探測 實驗共獲2002年諾貝爾物理學獎；另一個是在加拿大Sudbury（2000 米深，6000米水當量） 的SNO太陽中微子實驗。近年來，由于一些 重大科學問題的

10、對測量環(huán)境的苛刻需求，越來越多的科學家轉(zhuǎn)向深地 下實驗，追求原創(chuàng)性的科研成果。美國的DUSEL深地實驗室計劃就 是一個典型例證，DUSEL計劃恢復Homestake的地下實驗室，并向2225 米的深處建設(shè)更深的地下實驗室。目前，我國沒有自己的深地科學實驗室，只有部分科學家參與了 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實驗室。四川省 雅礱江錦屏二級水電工程的建設(shè)為建設(shè)我國首個深地科學實驗室?guī)?來了契機，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、地下實驗室低約100倍，與美國的DUSEL深地實驗室計劃相比，可 提供世界上最大埋深并且是水平進入的地下實驗室，是開展暗物質(zhì)探 測等粒子物理試驗的極佳場所，有條件建成世界上最好的超低本底實 驗室。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驗條件；即將建成的錦屏二級水電站，可為深 地實驗室建設(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，可以大大縮短實驗室的建設(shè)周期，大 幅度降低建設(shè)和運行費用.錦屏山的“地利”優(yōu)勢，已經(jīng)引起了國內(nèi)外物理學界的關(guān)注，國 外有些著名的實驗組表示了合作的愿望，國內(nèi)中國科學院、清華大學、 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實 驗室計劃，已經(jīng)和清華大學合作準備先建一個可提供暗物質(zhì)預先研究 的小型實驗室，并表示愿意成為深地國家實驗室建設(shè)的合作組成員。 此外，2004年“建設(shè)國家深地科學和工程實驗室”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，我國的深地科學和工程技術(shù)研 究面臨著前所未有的發(fā)展機遇和挑戰(zhàn)。四、深地實驗室建設(shè)的戰(zhàn)略思路與當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 實驗室的戰(zhàn)略思路并對當前工作提出了建議：深地科學與工程實驗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，要求深部巖體力學研究提供科學依據(jù)和方 法；深地地球物理測量為地震機理與預報提供直接的重要的參數(shù)。深 地科學涉及領(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，微生物學等多個學科。建設(shè)我國自己的深地科學 與工程實驗室，開展深地科學實驗和工程技術(shù)研究是我國國民經(jīng)濟發(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，為我國深地科學與工程實驗室建設(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、當抓住機遇，多 學科、多單位合作，歡迎國際合作，目標是把錦屏山深地實驗室建設(shè) 成為一個國家實驗室，一個國際一流的對國內(nèi)外高度開放的深地科學 和工程技術(shù)多學科交叉研究平臺。實驗室的建設(shè)應(yīng)當采取“科學規(guī)劃，統(tǒng)籌安排，分步實施”的 方針。一方面是各學科和項目需求，另一方面是實驗室洞室和基本工 作環(huán)境的建設(shè)，需要科學地規(guī)劃深地實驗室的近期、中期和遠期的發(fā) 展，統(tǒng)籌安排、分步實施。認真部署相關(guān)領(lǐng)域的實驗，重要實驗項目 的形成要有地面實驗和預先研究的基礎(chǔ)，努力在實驗探測技術(shù)上有新 的方法、有創(chuàng)新和發(fā)展，爭取我國在深地實驗研究方面實現(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，巖石力學和地球 物理研究的先期研究，暗物質(zhì)探測技術(shù)的預先研究等。對震動，噪音， 干擾和地下水等方面也需展開進一步研究。建立和加強業(yè)主、設(shè)計和施工單位與科研機構(gòu)和大學等各方之 間的溝通和合作，共同做出貢獻，分享成果。建議組成多學科工作組， 將各學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