1 原位保真取芯技术

　　深部钻探采样需要经过井内采集和地面转运2个主要过程，历经时间较长。而深部岩体的物理、化学稳定性与温度、湿度、压力状态密切相关，若取样器不具备保温保压功能，样品的原位理化性质将在取样过程中发生不可逆变化，因此需要探索形状低扰动和压力低改变的原位保真取芯技术。主要研究内容包括以下2个方面：

　　1) 深部保真原位取芯原理、技术与装备研发。开展深部岩体原位力学行为研究，需要突破一大核心技术问题，即在最大程度保真深部岩体固有赋存环境的情况下，实现原位高保真取芯。亟需突破高保真钻探取芯原理、理论与技术难题，系统研究保真(保压、保温、保质、保光)取芯的方法，在传统钻探取芯装备上研发并集成高保真技术，形成一整套深部岩体原位高保真取芯技术与工艺。

　　2) 深部原位保真测试原理、技术与配套装备研发。在实现原位高保真取芯的基础上，发展原位环境岩石试件测试分析的原理与技术。在原位保真取芯装置上集成随钻测试分析技术，集探测、保真、感知、试验为一体的多功能特性，最大程度保证岩芯取芯的保真性及岩石相关试验的原位性，突破原位监测与反馈技术难题，为实现原位力学行为研究提供支撑。系统探索原位保真取芯测试、移位保真测试、原位恢复保真测试的原理与技术，开展静动、三轴、渗透、破裂、愈合、流变等高保真岩芯力学试验与分析，从而实现对原位环境岩石试件力学行为的监测、测试与分析。

　　2 深地非常规岩石力学行为

　　深部近似三向等压静水应力状态，致使岩体具有强流变的力学非线性、非可逆特征，经典基于弹簧模型的胡克定律、基于加载试验的宏观唯象弹塑性理论将难以适用，也许可能被颠覆。然而，现有的地下实验室关于岩石力学的研究主要集中在地震监测与围岩力学行为响应等方面，从根本上缺少针对深部岩体的原位岩石力学、非常规本构理论及动力致灾机理的深地岩石力学综合性研究。世界范围内深部岩土工程实践已大大超前于力学基础理论研究，深地岩石力学体系尚未建立，深部岩体力学机理和行为还缺乏足够认知，因此需针对深部岩体开展原位、长效、精细观测，构建适用于深部环境的岩石力学模型与理论。

　　3 深地结构与开采的透明推演理论与技术

　　深部资源开采过程中，深地结构及开采引发的地质结构变化、采动应力场、能量场及岩体非连续变形破坏“看不见、摸不着”，是一个“黑箱”过程，这给准确把握深部资源开采中的基础科学规律及有效预警深部开采灾害带来诸多困难，已经成为困扰深地资源开发与空间利用的关键难题[24-29]。因此，实现深地复杂结构的透明化，建立深部岩体结构、采动应力场、裂隙场、渗流场的可视化理论与技术，进而提出深地资源开采过程和灾害防控的可视化推演技术，再现资源开采过程中能量积聚、应力释放、岩层运动、围岩变形及动力失稳的各种力学现象与过程，将彻底改变目前深部矿产资源开采随采随治的作业模式和被动局面，为深地资源开发和灾害预警与防治提供全新的技术手段[30-33]。

　　4 深地地震学与地球物理学

　　地震机制与监测预警研究，总体局限性表现在监测以地表或浅部钻孔埋设为主，监测成果很难克服地形、地貌与环境噪声的影响。地表地震监测与预报受外界因素干扰大，地震波的真实信号已经极大衰减和变异，地震预报效果极不理想。建立地下实验室能够克服浅部局限，其深部低本底环境在开展深地地震学及地球物理学研究中具有独特的地理优势，为地震监测与预警提供了新平台。通过地震动(包括微震)的观测研究、地震动的速度脉冲效应、地形效应研究，实现区域构造稳定评价;通过极深岩体高精度应变与应力积累的长期监测研究、岩石应力与振动耦合机制研究，开拓地震工程力学研究领域;与地表地震台相结合，利用地下实验室“低噪干净”环境，捕捉地磁、地脉动信号，构建地震反馈信息指标体系，为地震机制研究奠定基础。因此，建立地下实验室将为探索深地原位节理岩体应力波传播与衰减规律、深地动力学基本理论及地震孕育演化发生的机理及规律提供全新的研究平台和发展契机。

　　5 深地微生物学

　　地球生命起源、寻找外太空生命、宇宙暗物质与暗能量等自然谜团是人类一直持续不断探究的重大科学命题。极端环境微生物是解决地球生命起源、寻找外太空生命的钥匙，每年以美国国家航空航天局(NASA)为首的国际主流研究机构均投入相当力量研究极深地层与陨石中的极端环境微生物，持续报道于《Nature》《Science》等核心期刊。GFZ钻孔研究发现：在地下500 m及更深处生存着大量微生物，除显微镜下勉强能看到的细胞以外，还有更小的病毒存在。深部生物圈处于极端特殊的条件下，高温、高压而且生存空间极小，新陈代谢极端缓慢，实际上处于休眠状态，但已经存活了几十万年。它们在生物技术上的价值不可估量，可向人类提供现在完全不了解的基因库，而且在生物学理论上也有极大意义，对于推动生物科学，探索新的可开发生物资源有着重要意义。

　　6 深部资源开发与能源储存

　　中国当前煤炭开采深度1 500 m，深部开发将成为必然[34]，深部开采及深部能源地下储备研究已经成为紧迫的任务，需要研究建立深部资源开发与能源储存理论和技术体系。深部开采条件的未知性和复杂性所带来的挑战前所未有，开发难度和灾害事故数量随开发深度急剧增大，严重威胁着资源开发和能源储存的安全性和高效性。面对深部复杂极端环境条件，如何实现安全、高效、低成本深部资源开采，如何安全可靠地开展深部能源储存，需寻求理论和技术的重大突破。

　　7 深地地下水赋存、运移及水质变化

　　在深地层的能源、矿物开发中，钻开地层过程中不可避免地要使用工作液。对于深地层而言，这些外来的液体中所含有的聚合物、无机盐等，会改变原地下水的水质，可能引起地层垢的形成，导致地层渗透率的变化，改变深地层中物质输运的途径和路线。此外，地下水回注是当今世界各国广泛采用的增加地下淡水补给的措施，一些地方也将深地层回注作为废水排放的一种重要处理方式。随着回注水的增加，将改变原地下水的输运扩散、温度和水质。回注废水中的污染物，特别是有机污染物在深地层中的扩散输移转化规律和机理是一个重大科学难题，该问题的解决对保障地下水源的安全性与资源可持续性具有重大的意义。同时，废水回注导致深地层水中生源物质含量增加，可能会导致深地层中微生物(如硫酸还原菌)数量的变化，从而导致深地层生态系统的变化，这种变化不仅会改变微生物的种群和数量，使深地层中的生态系统结构发生变化，同时可能会导致深地层中岩石结构和水气比产生变化。因此，开展深地层中微生物对生源物质的响应研究，对于探索极限条件下生态系统稳定性有重大意义。

　　8 地下生态圈及地下空间生态、能量循环系统

　　地下空间具有隔音、隔震、恒温、恒湿、低辐射、抗灾害能力强等优点，开发地下城市空间，能够有效降低或解决城市交通拥挤、大气雾霾、温室效应、声光污染及干旱、洪水、台风、地震等自然灾害等问题，且能够充分利用人类地下矿产资源开发所遗留的巨大地下空间资源，是一举多得的创新思路，也是比太空定居更为现实和可行的途径。

　　构建新型地下生态宜居城市必须解决两大技术难题：一是，地下生态圈如何建立;二是，地下城市能量系统如何循环。因此需要探索如阳光模拟、空气恒温与循环、水净化、生态植被、地下生态景观等深地生态问题，需要探索深地地热资源利用、地下水库储能与发电、深地核电站及深地废料无害化处理等能量循环问题，实现深地生态圈和生态城市的自适应、自平衡。

参考文献：《深地科学领域的若干颠覆性技术构想和研究方向》