中国中长期科技发展规划曾提出“上天、入地、下海、登极”的科研八字方针，不仅对全世界大科学问题发展进程进行了全面概括，也为中国重大科技发展指明了方向。目前，人类的足迹已经踏上月球，“旅行者”1号太空探测器已经接近太阳系边缘，哈勃太空望远镜看到了离地球140亿光年之遥的宇宙边缘，深海潜水器已抵达深达11 km的海底。然而目前人类对于地球深部的认知是相当匮乏的，世界最深的科拉半岛超深钻孔仅13 000 m深^[1]，相对于地球而言仅仅触及了一点表皮，目前国际上ICDP^[2-3]与GFZ^[4]等研究组织已经在积极开展深地科学基本规律研究。

在2016年5月30日的全国科技创新大会、两院院士大会、中国科协第九次全国代表大会上，习近平主席以“为建设世界科技强国而奋斗”为题，指出“当今世界，新一轮科技革命蓄势待发，物质结构、宇宙演化、生命起源、意识本质等一些重大科学问题的原创性突破正在开辟新前沿、新方向，一些重大颠覆性技术创新正在创造新产业、新业态，信息技术、生物技术、制造技术、新材料技术、新能源技术广泛渗透到几乎所有领域。科技创新的战略导向十分紧要，必须抓准，以此带动科技难题的突破。当前，国家对战略科技支撑的需求比以往任何时期都更加迫切。”同时举例强调“从理论上讲，地球内部可利用的成矿空间分布在从地表到地下10 000 m，目前世界先进水平勘探开采深度已达2 500至4 000 m，而我国大多小于500 m，向地球深部进军是我们必须解决的战略科技问题。”

因此，围绕国家战略思考、资源科技发展，超前布局、积极推动深地基础前沿大科学问题探索已迫在眉睫。深地科学基本规律研究总体思路是以“国家急需，世界一流”为目标，建成中国独有、世界领先的深地基础性科学前沿研究阵地。

从当前国际能源角度来看，随着浅部资源的开采殆尽，千米级深部资源开采已成为常态。深部岩体工程活动大大超前于基础理论研究，但深部岩体力学理论尚未建立，沿用传统材料力学方法出现理论失效。深部资源开发工程活动普遍存在着一定程度的盲目性、低效性和不确定性。进入深部后，岩体材料的非线性行为更加凸显，岩体原位应力状态与地应力环境作用更加凸显，不同工程活动方式诱发的高应力和高量级灾害更加凸显。迫切需要发展适用于深部实际环境和不同工程活动方式的深部岩石力学新原理、新理论，实现深部岩体原位力学行为的研究，为深部资源开发奠定理论基础。

从人类生存角度看，地表自然灾害频发、全球变暖、环境恶化、城市综合症等问题日益突出，深地空间资源开发与利用已成为人类活动的未来趋势，也是人类可持续发展的主要途径。因此亟需探索科学利用地下空间、地热、地下水资源与生态资源，构建深地自循环生态系统的深地科学理论与技术体系，建设全新的地下生态城市。

向地球深部进军，即透明地球的实现总体有3个层次的研究构想：1) 结构透明是手段。以科学钻探为主，在物理层面实现深地岩石圈可视化。2) 行为规律透明是基础。探索不同深度的行为特征规律差异、不同深度的岩石力学特征差异、不同深度的微生物变异，揭示深部与浅部的本质特征差异，为透明开采奠定基础。3)透明地球是目标。实现地下环境与空间资源有效利用、深地能源开发的可视化。

因此，深地行为规律研究是关键，钻多深很重要，研究多深更重要！必须突破现有岩石力学理论框架，必须开展深部环境、深部应力状态下原位岩石力学研究。为此，世界范围内包括美国、英国、日本、智利等8个国家建立了涉及地球物理、岩石力学、暗物质与微生物学等研究领域的11个地下实验室，其中加拿大Sudbury Neutrino Observatory实验室^{[1, 5]}埋深达2 070 m。中国也亟需建设世界级的深地实验室开展深地基础科学研究，围绕地下空间资源开发、能源储备、核废料处置等国家长远战略所涉及的深地岩石力学、深地渗流力学、深地地震学与地球物理学、深地微生物学等开展前沿科学理论与技术的研究探索。

世界范围内，地球浅部矿物资源逐渐枯竭，资源开发不断走向地球深部。目前煤炭开采深度已达1 500 m，金属矿开采深度已超过4 350 m^[6-13]。从理论上讲，开采具有极限深度；据估算，深度超过6 000 m时，目前所有的矿物开采方式将失效，6 000 m以深的矿物资源开发成为人类可望不可及的奢望。然而石油、天然气等油气资源开采深度已超过7 500 m，主要原因为后者属于流态开发，钻机钻井、人不下井。因此，人类要真正走向深部，实现深地资源开发，必须颠覆现有的开发理论与技术。为此，提出深地固体资源流态开发的技术构想，以类似深地盾构作业(TBM作业)为先导，实现对深地固体资源采、选、冶、充、电、气的原位、实时和一体化开发。未来的煤矿将不会再有人下井、煤出井、矸石成山、尘土飞扬的场景，而是清洁、安全、智能、环境协调、生态友好的电力传输和能源调蓄基地。

实现矿物资源从固体开发向流态开发的根本转变，关键在于探索一套井下采、选、冶、充、气、电、输的一体化无人作业智能采掘与转化系统，通过无人作业、智能采掘、原位利用、高效传输，将深地固体资源气化、液化、电气化、流态化，极大地提高深地资源的开发效率、运输效率和利用转换效率，颠覆传统固体资源开发的开采模式和运输模式。

深地固体资源流态开采，开采对象包含两大类型：一类是深地能源型矿物开采(如煤炭)，另一类是深地资源型矿物开采(如金属矿)；不同的类型流态开采的概念与流程也不同。深地能源型矿产建议原位能源转化利用，实现流态化开发；深地资源型矿产建议流态化输送。

对于能源型矿物资源，以煤矿开采为例，流态开发技术构想包括以下主要流程：1) 无人采掘。以智能化深地TBM破割煤岩体，通过传送设施将矿物块粒传送至分选模块。2) 智能分选。通过重力分选，将煤炭与矸石进行分离，并将矸石回填至采空区。3) 固体流态转化。利用颠覆性的等离子煤粉燃爆发电新技术进行深地原位发电，同时将煤炭进行地下燃烧和气化，获得电力资源和可利用气体资源，并传输至地表，实现固体资源的流态转换。4) 充填调控。转化后的矿渣进行混合加工，形成充填材料回填采空区，用以控制岩层运动与地表沉陷，实现安全、绿色开采。5) 电力传输与智能调蓄。地下煤炭以电力和天然气的形式输送至地表，并结合深地热能利用，使传统概念的煤矿成为电力传输和清洁能源的调蓄基地。

对于资源型矿物资源，以金矿开采为例，流态开发技术构想包括以下主要流程：1) 无人采掘。以智能化深地TBM破割矿体，并将矿物碎块传送至流态转换舱。2) 固体流态转化。通过智能重力粗选出金属矿物，并将残余岩石碎块回填至采空区，对粗选的金属矿物碎块进一步通过化学溶解或机械碎化，形成符合管路传送的颗粒尺度，从而达到管道负压流态化输送至地表的目的。3) 充填控制。转化后的矿渣进行混合加工，形成充填材料回填采空区，用以控制围岩变形与地表沉陷，实现安全、绿色开采。

全球自然灾害频发、全球变暖、环境恶化、城市综合症等问题日益突出，深地空间资源开发与利用已成为人类活动的未来趋势，也是人类可持续发展的主要途径^[14-19]。人类需要探索科学利用地下空间、地热、地下水资源与生态资源，构建深地自循环生态系统的深地科学理论与技术体系，建设全新的地下生态城市^[19-21]。

城市交通堵塞、建筑物高度密集、大气雾霾、温室效应、声光污染、自然灾害等问题，导致地面城市生存与发展环境面临巨大挑战。与之相比，地下空间具有无大气污染、抗灾害能力强、隔音、恒温、恒湿、低辐射等性能，因此向“深地”进军，向“深地”要空间，开发地下城市新型空间资源是解决当今世界城市人口、资源、环境三大危机的重要举措。

因此，需要颠覆传统空间利用概念，开发深地空间资源，向深地空间中引入模拟阳光、深地地热转换与空气循环系统、地下储能与水电调蓄系统、地下水库及地下生态植被系统、地下立体交通网络和通讯网络，形成独立的深地自循环生态系统，构建深地生态圈和新型地下生态宜居城市。具体构想有：1) 深地生态圈。构建深地模拟阳光、生态空气、洁净水、生态植被及深地农场等深地生态圈，实现温控与微气候调节。2) 深地多元能源生成及循环体系。探索深地增强型地热转换与储存、深地高落差势能水库(蓄能调节)及深地核反应电站的多元能源生成、蓄能、调节与自循环系统。3) 深地废料(气)无害化处理与存储系统。开发深地废料存储、深地CO₂捕捉与收集及空气净化系统、深地生活垃圾无害化处理系统、地下污水处理系统，实现深地生态城市循环的自平衡。4) 深地战略资源存储。充分利用深地隔音、恒温、恒湿及高抵御自然灾害能力特性，开发深地储油库、深地种子库及粮仓、深地水库、深地信息中心等，从能源安全、信息安全等角度确保深地生态城市的可持续运行。

地面实验室因很难模拟深地原位环境的天然条件限制，而一直制约“深地”科学的探索，迫切需要建立深地实验室。宇宙有失重效应，而深地环境有增重效应(图 1)，同时具有“三无”(无宇宙射线、无太阳光、无氧气)、“三有”(高温、高压、高湿)特征。在现有的科技条件下，构想一方面在3 000 m以浅建设地下实验室，针对深地特殊环境下的深地岩石力学、深地地震学及能源储存、地热利用等一系列科学问题展开实验室研究；另一方面, 在3 000 m以深通过深地钻探技术，再延伸到深地, 建立深地空间舱，利用深地不同深度的原位极端环境开展小体量、有限空间的生命代谢及生物变异、深地微生物学与生命能量溯源及深地新材料物理化学合成等科学探索。

图1(Fig. 1)

图1 地球内部引力和密度变化规律[22] Fig. 1 Gravitational field strength and density as functions of radius inside Earth[22]

3 000 m以浅构建地下实验室开展定点、长时效、大体量、多元深地科学探索。充分利用废弃矿井等地下空间资源，建设地下实验室，开展深地科学基本规律研究，具体构想有：1) 深地岩石力学及非常规本构。突破经典岩石力学理论，探索深地环境的原位保真取芯测试原理与技术，构建适合深部的、考虑深度影响的深地岩石力学理论体系。2) 深地地震学与地球物理学研究。探索深地原位节理岩体应力波传播与衰减规律，探索地震孕育演化发生的机理及规律，探索深地高频短波预测地震的可能性。3) 深地清洁能源多元转化与储存。发展落差型地下抽水蓄能发电技术，实现能源的大规模地下存储与调蓄及可再生能源开发^[23]。4) 增强型地热系统与储能、供热和发电一体化技术。突破传统水力压裂技术中热交换体积小和联通性差的瓶颈问题，创新增强型地热热交换系统，形成地热储能、供热和发电一体化技术体系。

深地的增重效应、无宇宙射线、缺氧、高温高压高湿、极低背景噪声等极端环境为深地医学、物理化学合成、生命科学、地球科学和深部岩体力学等多学科的重大前沿领域提供了条件，提出“深地环境合成与调控空间舱”这一全新概念，在3 000 m以深构建深地延伸式深地空间舱，进行深地不同深度的科学规律探索。具体构想有：1)深地微生物学与生命能量溯源研究。探索深地极端环境下微生物的能量来源、繁衍模式、生命代谢过程，以及其对深地油、气、矿物等资源开发的影响。2)深地生物特征及生物变异。研究深地超重效应与“三无”“三有”环境作用下，生物体的生理特征、发育变化和代谢规律，以及生物体在深地极端环境下可能的生物变异行为。

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。

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。

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]。

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。

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。

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。

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。

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。

深部科学基本规律探索已迫在眉睫。开展深地基础科学问题集成、跨学科交叉融合研究、协同攻关，形成深地科学研究领域的原创性、颠覆性技术，将为深地资源开采、深地空间利用及深地实验室等研究突破带来重大机遇。

建立深地原位岩石力学理论体系，完善深地岩石动力学及地震学基础理论体系，揭示深地岩石构造特征；探索深地生命起源，推动深部生物科技发展，探索深部潜在可开发生物资源；建立深部资源开发与能源储存理论和技术体系，促进深地资源绿色开发与能源高效安全储存利用，攻关地下空间利用关键技术，这些领域的研究与进展将为中国深地工程战略提供科技支撑。

目前深地科学基本规律探索已具有充分的必要性、迫切性和可行性，应充分发挥中国特有的地理优势，就未来人类活动走向地球深部必须面对且需要优先探索的重大基础科学问题开展前瞻性科学探索，建立从基础研究、技术研发到应用转化的完整的科技平台，突破一系列深地基础学科领域研究和应用的关键科学问题，构建国际化的深地科学研究基地，从而引领世界深地科学领域的理论和技术发展。