香山科学会议深地科学重大前沿问题

S11：深地科学重大前沿问题香山科学会议S-11学术讨论会综述以“深地科学的重大前沿问题”为主题的香山科学会议第S-11次于2009年10月25~26日在北京召开。陈和生、葛修润、李惕碚、钱七虎、吴世勇和许厚泽研究员担任执行主席，来自全国科研院所、高等院校和二滩水电开发有限责任公司、华东勘测设计研究院等相关单位的50多位专家学者应邀参加了会议。中国科学院高能物理研究所陈和生研究员作了关于“深地科学发展现状及对我国深地科学发展战略的若干思考”的主题评述报告；中国科学院武汉岩土力学研究所冯夏庭研究员与二滩水电开发有限责任公司副总经理吴世勇分别就“深地科学重大前沿问题及建设深地科学实验室的必要性”和“我国深地科学实验室建设的可行性”作中心议题报告。与会专家以在锦屏山建设深部地下科学与工程实验室为目标，围绕深地科学实验的重大科学意义、锦屏山深地实验室建设的优势和可行性等中心议题进行了综合评述和深入讨论。一、深部地下实验室是发展前沿科学实验研究的平台--关于暗物质的直接探测暗物质是构成宇宙的重要组成部分，1933年瑞士天文学家FritzZwicky第一次提出了暗物质存在的概念和证据。70多年来，天文学家通过许多观测确认了暗物质的存在，而且已经知道，我们至今所了解的物质只占宇宙总能量密度的4%，而暗物质占了23%，暗物质电中性，成团存在，不参与任何电磁相互作用，它们的总质量超出普通物质6倍，产生的引力形成了当今宇宙可观测到的普通物质所构成的星系、星系团、超星系团的大尺度结构，因此，暗物质应该是与宇宙共生的。但是暗物质究竟是什么，怎样探测，至今还不清楚，需要粒子物理学家来回答，因此，这一问题在国际上被称作是笼罩21世纪初现代物理学的两朵乌云之一，在美国国家研究委员会及多个科学组织多年的报告中列出的重大基础科学问题中都位列首位。粒子物理学家认为，非重子暗物质可能是宇宙早期遗留下来的稳定的只参与弱相互作用的粒子，对于这些粒子的可能形态有众多的理论模型预言，预言的暗物质也有多种，比较多的实验是寻找弱相互作用重质量粒子（ＷＩＭＰ）。探测方法分直接探测和间接探测两类，前者利用空间探测器测量暗物质粒子湮灭的产物，后者是在深地下测量暗物质粒子与探测器物质发生弹性碰撞后的反冲原子核。现在全世界有20多个实验组在进行直接探测研究，已经有十数年的历史，使用的探测器主体有闪烁晶体、高纯锗半导体探测器，和液态惰性气体探测器等，探测器的规模用主探测器的重量表示。直接探测的主要困难在于暗物质粒子与物质发生相互作用的截面非常小，因而信号很弱，难于探测到，只有在十分“干净”的深地下，才有可能把其他可能产生的信号排除。以液态惰性气体探测器为例，当前在意大利GranSasso国家实验室（1400米深）正在运行百公斤量级的探测器，而探测灵敏度要提高两个数量级，探测器必须达到吨级，而且必须放到更深的地下。近年来，我国科学家参加的两个国际合作实验ATIC和DAMA，都有引起国际同行高度重视的结果发表，暗物质探测的实验研究掀起了新一轮的高潮。国际上还有许多实验组正处在从预先研究转向立项研制的阶段。二、建设深部地下实验室是解决深部工程与环境安全等关键难题的必要途径深部地下工程、深部资源开采和环境安全、深部环境利用与保护都是我国未来20~50年经济建设的重要需求。近年来，我国为解决国民经济快速发展，深部地下工程日益增多，例如，锦屏二级水电站深地隧道群，引水隧洞4条，直径13米，长16.67公里，最大主应力70兆帕；西线的南水北调工程，一期工程包括了244公里隧洞,最长的一条73公里,最大埋深1100米；类似于滇藏线、川藏线等具有世界级难度的铁路工程，隧道建设的年增长150公里。这些重大工程由于受地形条件限制，例如高山峡谷地区深埋500～3000m的大跨度、高边墙的大型地下洞室群和多洞室长距离并行的长大隧道等，在形式上表现为深部工程。此外，深部资源的开采与安全，随着浅部资源的日益减少，目前资源开采工程已逐渐由浅部转向深部，近年以沈阳采屯等为代表的一大批煤矿开采深度均超过1000m；在今后10～20年内金属矿山将进入1000～2000m深度开采；因此，深部资源开采中工程灾害的成灾机理及控制技术是深部资源开采所面临的极具挑战性的世界技术难题。而深部地下工程面临高地应力、高地温、高渗透压、强烈工程扰动等极端条件（即“三高一扰动），使深部工程建设面临极具挑战性的世界难题，既缺乏成熟的理论与方法，又无国际上的成功经验可资借鉴。通过自主创新，建设深部地下实验室，开展多学科交叉研究，系统全面认识深部工程地质赋存环境与深部岩体的力学特征与行为，研究深部工程地质灾害的诱发因素与控制技术，从而建立领先世界的深地岩体力学理论与深部工程技术，是攻克这一世界难题的必要途径。我国是一个地震灾害非常频繁的国家。地震预报的难处在于地震的应力积累和孕育过程都在地壳深处，特别是地下的形变和压力以及孔隙流体的信息，从地面很难进行监测。如果能够在深部地下实验室对地震波、形变场和应力场进行连续、直接的观测，将能够提供断层和破裂带附近直接的能量积累过程的图像、断层滑移的特征，这对地震预测研究有极为重要的作用。建立深部地球物理实验室，可以布设大量的仪器，从区域上观测地下的震动情况，灵活性高，观测内容更加丰富和可靠。此外，深部地球物理观测还有助于检测地球核模，地球自由振荡等现象。三、在锦屏山地区建设深部地下实验室的优势和可能的国际地位深部地下科学是前沿领域研究的一个重要组成部分，2000多米的深度是研究基础物理学前沿领域重大问题的最佳深度，既可获得最低的宇宙线本底计数，又可获得较多的可研究对象。至今为止，世界上已有的深地实验室中，多数都在数百到一千多米深，而开展的研究课题最多，规模最大的是位于意大利GranSasso的世界实验室，深度为1400米，相当于3000多米的水深，总容量18万立方米，单个实验室的尺度达到100米长、20米宽、18米高。比GranSasso更深的曾有两个单项实验，一个是在美国Homestake（1500米深）金矿中曾经进行过的有名的戴维斯中微子实验，与日本神冈的地下中微子探测实验共获2002年诺贝尔物理学奖；另一个是在加拿大Sudbury（2000米深，6000米水当量）的SNO太阳中微子实验。近年来，由于一些重大科学问题的对测量环境的苛刻需求，越来越多的科学家转向深地下实验，追求原创性的科研成果。美国的DUSEL深地实验室计划就是一个典型例证，DUSEL计划恢复Homestake的地下实验室，并向2225米的深处建设更深的地下实验室。目前，我国没有自己的深地科学实验室，只有部分科学家参与了国际上相关领域的研究工作。为了打造面向国家战略需求的基础科技问题综合性研究平台，急需建设我国自主的深地科学实验室。四川省雅砻江锦屏二级水电工程的建设为建设我国首个深地科学实验室带来了契机，初步研究表明，锦屏山辅助洞内岩石放射性本底极低，约2500米的岩石覆盖层，宇宙线通量比著名的意大利GranSasso国家地下实验室低约100倍，与美国的DUSEL深地实验室计划相比，可提供世界上最大埋深并且是水平进入的地下实验室，是开展暗物质探测等粒子物理试验的极佳场所，有条件建成世界上最好的超低本底实验室。平峒型的洞室建设，可提供相对于DUSEL竖井-平硐型洞室更为便捷的施工条件及实验条件；即将建成的锦屏二级水电站，可为深地实验室建设提供优质的基础设施；水电站建设期间的地质状况调查和深地隧道建设所积累的经验，可以大大缩短实验室的建设周期，大幅度降低建设和运行费用.锦屏山的“地利”优势，已经引起了国内外物理学界的关注，国外有些著名的实验组表示了合作的愿望，国内中国科学院、清华大学、上海交大等单位的需求日益迫切；业主二滩公司十分支持深地科学实验室计划，已经和清华大学合作准备先建一个可提供暗物质预先研究的小型实验室，并表示愿意成为深地国家实验室建设的合作组成员。此外，2004年“建设国家深地科学和工程实验室”列入了国家中长期科技发展规划的基础研究规划。所以，我国的深地科学和工程技术研究面临着前所未有的发展机遇和挑战。四、深地实验室建设的战略思路与当前工作建议与会专家在广泛交流和深入讨论的基础上，提出了建设我国深地实验室的战略思路并对当前工作提出了建议：1．深地科学与工程实验室因其能提供低宇宙线本底和低噪音环境而成为研究基础物理重大科学前沿问题的理想场所；深地环境的高地应力、高地温、高渗透压、强烈工程扰动等极端条件下的深地工程建设与资源开发利用的需求，要求深部岩体力学研究提供科学依据和方法；深地地球物理测量为地震机理与预报提供直接的重要的参数。深地科学涉及领域很广，包括粒子物理，核天体物理，引力波测量，地球物理，岩体力学，微生物学等多个学科。建设我国自己的深地科学与工程实验室，开展深地科学实验和工程技术研究是我国国民经济发展的迫切需求，并对提升我国在国际科技相关前沿领域的地位具有重大意义。2．四川雅砻江锦屏山地区具有得天独厚的地理优势，锦屏水电站的深地隧道群，为我国深地科学与工程实验室建设提供了理想的环境与条件。“天时、地利、人和”，条件具备，我们应当抓住机遇，多学科、多单位合作，欢迎国际合作，目标是把锦屏山深地实验室建设成为一个国家实验室，一个国际一流的对国内外高度开放的深地科学和工程技术多学科交叉研究平台。3．实验室的建设应当采取“科学规划，统筹安排，分步实施”的方针。一方面是各学科和项目需求，另一方面是实验室洞室和基本工作环境的建设，需要科学地规划深地实验室的近期、中期和远期的发展，统筹安排、分步实施。认真部署相关领域的实验，重要实验项目的形成要有地面实验和预先研究的基础，努力在实验探测技术上有新的方法、有创新和发展，争取我国在深地实验研究方面实现跨越式的发展。在现有条件下尽快启动一些先期工作，例如，岩石力学和地球物理研究的先期研究，暗物质探测技术的预先研究等。对震动，噪音，干扰和地下水等方面也需展开进一步研究。4．建立和加强业主、设计和施工单位与科研机构和大学等各方之间的沟通和合作，共同做出贡献，分享成果。建议组成多学科工作组，将各学科的需求分析与工程可行性论证做好。5．建议工作组能尽快开始工作，根据各学科的需求，协调和规划深地实验室建设的有关事宜。当前最主要的是在水电站隧道建设过程中，为深地实验室的建设预留出工作面，以保证在今后的实验室建设中，与水电站的运行互不影响。为此，需要尽快启动相关的规划和设计，必要的勘测和可行性的分析。总之，深地实验室是一个重要的机遇，给相关学科发展提供很好的平台和基础。同时要对深地实验室建设任务的艰巨性和长期性有充分的思想准备，实现各学科的科学目标和工程目标更是巨大的挑战，需要共同的努力与合作。