香山科學(xué)會(huì)議：深地科學(xué)重大前沿問(wèn)題

1、S11：深地科學(xué)重大前沿問(wèn)題    香山科學(xué)會(huì)議S-11學(xué)術(shù)討論會(huì)綜述以“深地科學(xué)的重大前沿問(wèn)題”為主題的香山科學(xué)會(huì)議第S-11 次于2009年10月2526日在北京召開(kāi)。陳和生、葛修潤(rùn)、李惕碚、錢(qián)七虎、吳世勇和許厚澤研究員擔(dān)任執(zhí)行主席，來(lái)自全國(guó)科研院所、高等院校和二灘水電開(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司、華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院等相關(guān)單位的50多位專(zhuān)家學(xué)者應(yīng)邀參加了會(huì)議。中國(guó)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(duì)我國(guó)深地科學(xué)發(fā)展戰(zhàn)略的若干思考”的主題評(píng)述報(bào)告；中國(guó)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(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司副總經(jīng)理吳世勇分

2、別就“深地科學(xué)重大前沿問(wèn)題及建設(shè)深地科學(xué)實(shí)驗(yàn)室的必要性”和“我國(guó)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(huì)專(zhuān)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(shì)和可行性等中心議題進(jìn)行了綜合評(píng)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(tái) - 關(guān)于暗物質(zhì)的直接探測(cè)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(lái)，天文學(xué)家通過(guò)許多觀測(cè)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

3、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，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(cè)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(cè)，至今還不清楚，需要粒子物理學(xué)家來(lái)回答，因此，這一問(wèn)題在國(guó)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(guó)國(guó)家研究委員會(huì)及多個(gè)科學(xué)組織多年的報(bào)告中列出的重大基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)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(lái)的穩(wěn)定的只參與弱相互作用的粒子，對(duì)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

4、弱相互作用重質(zhì)量粒子（）。探測(cè)方法分直接探測(cè)和間接探測(cè)兩類(lèi)，前者利用空間探測(cè)器測(cè)量暗物質(zhì)粒子湮滅的產(chǎn)物，后者是在深地下測(cè)量暗物質(zhì)粒子與探測(cè)器物質(zhì)發(fā)生彈性碰撞后的反沖原子核。現(xiàn)在全世界有20多個(gè)實(shí)驗(yàn)組在進(jìn)行直接探測(cè)研究，已經(jīng)有十?dāng)?shù)年的歷史，使用的探測(cè)器主體有閃爍晶體、高純鍺半導(dǎo)體探測(cè)器，和液態(tài)惰性氣體探測(cè)器等，探測(cè)器的規(guī)模用主探測(cè)器的重量表示。直接探測(cè)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(hào)很弱，難于探測(cè)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(hào)排除。以液態(tài)惰性氣體探測(cè)器為例，當(dāng)前在意大利Gran Sasso 國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（1400米深）正在運(yùn)行

5、百公斤量級(jí)的探測(cè)器，而探測(cè)靈敏度要提高兩個(gè)數(shù)量級(jí)，探測(cè)器必須達(dá)到噸級(jí)，而且必須放到更深的地下。近年來(lái)，我國(guó)科學(xué)家參加的兩個(gè)國(guó)際合作實(shí)驗(yàn)ATIC 和DAMA，都有引起國(guó)際同行高度重視的結(jié)果發(fā)表，暗物質(zhì)探測(cè)的實(shí)驗(yàn)研究掀起了新一輪的高潮。國(guó)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(kāi)采和環(huán)境安全、深部環(huán)境利用與保護(hù)都是我國(guó)未來(lái)2050年經(jīng)濟(jì)建設(shè)的重要需求。近年來(lái)，我國(guó)為解決國(guó)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(jí)水電站深地隧道群，引水隧洞4條，直徑13米，長(zhǎng)16.6

6、7公里，最大主應(yīng)力70兆帕；西線的南水北調(diào)工程，一期工程包括了244公里隧洞, 最長(zhǎng)的一條73公里, 最大埋深1100米；類(lèi)似于滇藏線、川藏線等具有世界級(jí)難度的鐵路工程，隧道建設(shè)的年增長(zhǎng)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(zhǎng)距離并行的長(zhǎng)大隧道等，在形式上表現(xiàn)為深部工程。此外，深部資源的開(kāi)采與安全，隨著淺部資源的日益減少，目前資源開(kāi)采工程已逐漸由淺部轉(zhuǎn)向深部，近年以沈陽(yáng)采屯等為代表的一大批煤礦開(kāi)采深度均超過(guò)1000m；在今后1020年內(nèi)金屬礦山將進(jìn)入10002000m深度開(kāi)采；因此，深部資源開(kāi)

7、采中工程災(zāi)害的成災(zāi)機(jī)理及控制技術(shù)是深部資源開(kāi)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(dòng)等極端條件（即“三高一擾動(dòng)），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(wú)國(guó)際上的成功經(jīng)驗(yàn)可資借鑒。通過(guò)自主創(chuàng)新，建設(shè)深部地下實(shí)驗(yàn)室，開(kāi)展多學(xué)科交叉研究，系統(tǒng)全面認(rèn)識(shí)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(guó)是一個(gè)地震災(zāi)害非常頻繁的國(guó)家。地震預(yù)報(bào)的難處在于地

8、震的應(yīng)力積累和孕育過(guò)程都在地殼深處，特別是地下的形變和壓力以及孔隙流體的信息，從地面很難進(jìn)行監(jiān)測(cè)。如果能夠在深部地下實(shí)驗(yàn)室對(duì)地震波、形變場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行連續(xù)、直接的觀測(cè)，將能夠提供斷層和破裂帶附近直接的能量積累過(guò)程的圖像、斷層滑移的特征，這對(duì)地震預(yù)測(cè)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(cè)地下的震動(dòng)情況，靈活性高，觀測(cè)內(nèi)容更加豐富和可靠。此外，深部地球物理觀測(cè)還有助于檢測(cè)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(shì)和可能的國(guó)際地位深部地下科學(xué)是前沿領(lǐng)域研究的一個(gè)重要組成部分，2000多米的深度是研

9、究基礎(chǔ)物理學(xué)前沿領(lǐng)域重大問(wèn)題的最佳深度，既可獲得最低的宇宙線本底計(jì)數(shù)，又可獲得較多的可研究對(duì)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(kāi)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(wàn)立方米，單個(gè)實(shí)驗(yàn)室的尺度達(dá)到100米長(zhǎng)、20米寬、18米高。比Gran Sasso更深的曾有兩個(gè)單項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，一個(gè)是在美國(guó)Homestake（1500米深）金礦中曾經(jīng)進(jìn)行過(guò)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(cè)實(shí)驗(yàn)共獲2002年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)；另一個(gè)是在加拿大Sudbury（2000米

10、深，6000米水當(dāng)量） 的SNO太陽(yáng)中微子實(shí)驗(yàn)。近年來(lái)，由于一些重大科學(xué)問(wèn)題的對(duì)測(cè)量環(huán)境的苛刻需求，越來(lái)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(guó)的DUSEL 深地實(shí)驗(yàn)室計(jì)劃就是一個(gè)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(guó)沒(méi)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(guó)際上相關(guān)領(lǐng)域的研究工作。為了打造面向國(guó)家戰(zhàn)略需求的基礎(chǔ)科技問(wèn)題綜合性研究平臺(tái)，急需建設(shè)我國(guó)自主的深地科學(xué)實(shí)驗(yàn)室。四川省雅礱江錦屏二級(jí)水電工程的建設(shè)為建設(shè)我國(guó)首個(gè)深地科學(xué)實(shí)驗(yàn)室?guī)?lái)了契機(jī)，初步研究表明，錦屏山輔助洞內(nèi)巖石放射性本

11、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(guó)家地下實(shí)驗(yàn)室低約100倍，與美國(guó)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(kāi)展暗物質(zhì)探測(cè)等粒子物理試驗(yàn)的極佳場(chǎng)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(duì)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(jí)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(shì)，已經(jīng)引起了國(guó)內(nèi)外物理學(xué)界的關(guān)注，

12、國(guó)外有些著名的實(shí)驗(yàn)組表示了合作的愿望，國(guó)內(nèi)中國(guó)科學(xué)院、清華大學(xué)、上海交大等單位的需求日益迫切；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(gè)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(guó)家實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的合作組成員。此外，2004年“建設(shè)國(guó)家深地科學(xué)和工程實(shí)驗(yàn)室”列入了國(guó)家中長(zhǎng)期科技發(fā)展規(guī)劃的基礎(chǔ)研究規(guī)劃。所以，我國(guó)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(huì)專(zhuān)家在廣泛交流和深入討論的基礎(chǔ)上，提出了建設(shè)我國(guó)深地實(shí)驗(yàn)室的戰(zhàn)略思路并對(duì)當(dāng)前工作提出了建議：1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

13、為研究基礎(chǔ)物理重大科學(xué)前沿問(wèn)題的理想場(chǎng)所；深地環(huán)境的高地應(yīng)力、高地溫、高滲透壓、強(qiáng)烈工程擾動(dòng)等極端條件下的深地工程建設(shè)與資源開(kāi)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(cè)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(cè)量，地球物理，巖體力學(xué)，微生物學(xué)等多個(gè)學(xué)科。建設(shè)我國(guó)自己的深地科學(xué)與工程實(shí)驗(yàn)室，開(kāi)展深地科學(xué)實(shí)驗(yàn)和工程技術(shù)研究是我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的迫切需求，并對(duì)提升我國(guó)在國(guó)際科技相關(guān)前沿領(lǐng)域的地位具有重大意義。2四川雅礱江錦屏山地區(qū)具有得天獨(dú)厚的地理優(yōu)勢(shì)，錦屏水電站的深地隧道群，為我國(guó)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

14、與條件。“天時(shí)、地利、人和”，條件具備，我們應(yīng)當(dāng)抓住機(jī)遇，多學(xué)科、多單位合作，歡迎國(guó)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(gè)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室，一個(gè)國(guó)際一流的對(duì)國(guó)內(nèi)外高度開(kāi)放的深地科學(xué)和工程技術(shù)多學(xué)科交叉研究平臺(tái)。3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(cè)技術(shù)上有新的方法、有創(chuàng)新和發(fā)展，爭(zhēng)取我國(guó)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(dòng)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(cè)技術(shù)的預(yù)先研究等。對(duì)震動(dòng)，噪音，干擾和地下水等方面也需展開(kāi)進(jìn)一步研究。4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。5建議工