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让中国人看透地球

来源:科技日报    发布日期:2017-07-14

他以“千人”的身份,响应国家号召,回国效力;他以战略科学家的气魄,为我国地球深部探测技术运筹帷幄。他似一朵浪花撞击着梦想的礁石,又像炽热的熔岩冲出地壳,奔涌燃烧,光芒四射直至生命的最后一刻。


他就是黄大年——著名地球物理学家、国家“千人计划”专家、吉林大学地球探测科学与技术学院教授,当今中国不可多得的战略科学家。


2017年1月8日,年仅58岁的黄大年因病逝世。半年过去了,他的身影虽已远去,但他的事迹却被越来越多的人熟知。


——编者

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  “我们的工作,就好像给地球做CT。”吉林大学教授黄忠民说。6月中旬,科技日报记者在吉林大学访问科学家黄大年的同事,了解到,在黄大年等科学家的带领下,近几年中国的地球探测事业已跻身世界前列。中国目前能用无人机巡查地下世界,还能够钻出万米深洞了解地球内部。


  有一句话叫:上天容易,入地难。我们能看到百亿光年外的天体,却不知道脚底10公里的地层是什么结构、什么成分,有太多未证实的猜想。地表几百米至两千米以下,有一个鲜为人知的世界。看清地下,需要尖端技术。


  落后年代,他曾用磁力仪找矿


  40年前,中国最需要矿产资源的时候,找矿技术却非常落后。黄大年在考进长春地质学院前,曾经在广西的罗屋矿区参加“找矿大会战”。他所在的是磁场测量队伍。勘测队员要观测、计算和记录垂直分辨率、K值、磁感强度……铁矿是有磁性的,根据不同地点的磁力变化,能推断和猜测铁矿的位置和规模。


  因为仪器水平低,依赖操作者的责任心和技术。磁秤仪对温度湿度敏感,即使很小心也容易有误差。黄大年每天都要费心思,根据天气状况调整磁秤仪的K值,保证测定格值的精准度。


  事先根据矿区特点定线、定点,然后操作员扛着磁秤仪走一条直线,一个个测点,翻山涉水,绝不绕道。一般每天测120个点;记录好数据,再分析地层,算参数。每天都很辛苦。


  黄大年这样体格健壮的年轻人,也有撑不住的时候。一次他患感冒,脚上湿疹,为了多测数据又去山上。晚上就烧得起不来床。领导要他休息,他却趴在小桌子上制作表格。黄大年曾经创造了一天测160个点的单位纪录。一年后,他因为和同事们发现一座中型铁矿,获得了“工业学大庆先进生产者”称号。


  1977年,黄大年填报高考志愿前,有师傅告诉他,地质方面,物探专业是尖端的。于是他选择了长春地质学院的物探专业。在长春地院,他是最优秀的几名学生之一。


  大三时,一位叫滕吉文的地球物理专家来演讲,讲的是他刚参加的一次国际会议。滕老师描述了西方同行的技术有多么先进。此时,出国的人少而又少。黄大年听了讲座,深感自己是井底之蛙,产生了出去看看的念头。毕业后,他得到公派留学的机会,前往英国,跟随航空磁仪物探的权威专家深造。


  助中国物探5年走完别人30年的路


  黄大年在英国成为物探领域的一流人才。他的助手于平教授曾经撰文介绍说,黄大年回国前“主要从事海洋和航空移动平台探测方法、技术和装备研发工作,在快速移动条件下探测地下和水下隐伏目标。这是一种能够在海洋和陆地复杂环境和条件下,通过快速移动方式实施对地穿透式精确探测的高科技整装技术装备,被广泛应用于油气和矿产资源勘探,尤其是潜艇攻防和穿透侦查等军民两用技术领域。它是发达国家极力争夺的前沿技术制高点,是强国实力展示的重要标志”。


  于平提到,黄大年经过近10年努力,带领团队成功研制出航空重力梯度仪系统。“在近10年探明的美国深海大型油田、盆地边缘大型油气田以及北美固体矿产等成功实例中,该系统发挥了至关重要的作用,成为‘颠覆性’技术推动行业突破的典范。该系统可以精确探测位于国界和交战区地下隧道以及隐藏在民用建筑物地下的军事设施,是中东地区和‘反恐战争’标配的‘战场单向透明’关键技术设备。”于平介绍说,黄大年也因此成为行业内的国际著名专家。


  航空物探技术一开始就是军民两用,它可以探测铁矿,也可以探测金属武器。1936年,苏联应用了旋转线圈感应式航磁仪;二战期间,美国发明了灵敏度更高的磁通门式航磁仪,一开始是为了找潜艇,后来才用于勘探。


  各国对于航空物探设备出口都严防死守。黄大年在英国时参与对水下潜伏目标和深水油气的高精度探测工作,他所在的英国剑桥ARKeX航空地球物理公司长期与美国洛克希德·马丁公司合作,研发新一代舰载和机载快速移动探测系统。


  黄大年回国后的科研工作,被普遍认为对于中国国防意义重大。他回国后与同事们共同努力,使中国物探技术用5年走了发达国家30年的路,研制出自己的高水平仪器,打破了垄断。一些采用了暂不能透露的前沿技术的设备尚在研发当中,如果成功将使中国在物探领域位居世界前列。


  造灵敏仪器难,飞行探测更难


  航空物探,也就是用飞机和轮船搭载电、磁、重力仪器,让它们替人走一条直线,又快又好地完成任务——用黄大年的话说:“坐在机库里喝咖啡,喝完了工作也做完了。”但前提是,得有高灵敏的仪器。


  装在飞机上勘测地球的仪器主要分3类:测磁、测电、测重力。前两者有点像是安检用的金属探测仪。


  磁力仪可以测量铁矿。超导干涉磁力仪,是根据磁场达到一定强度就破坏金属超导状态的原理;氦光泵磁力仪,根据的是放置在强磁场中的光源谱线会分化的原理。以上两种高精度的仪器,在黄大年的组织下,中国近几年都成功研制出来了。


  电测量仪则是读取地下电阻的变化,从而寻找铜、铅、锌等金属硫化矿,还可以找到富含地下水的片区。吉林大学“千人计划”专家殷长春告诉科技日报记者,这需要大功率发射装备和灵敏的接收装备。中国在这一领域进步飞速。除了航空物探,它也用于海底物探。轮船可以拖拽着大功率天线巡查海底,寻找油气田方面的潜力极大。


  黄大年专长的重力仪,则是用另一种原理隔空探物。它测量重力效应变化,绘制出密度分布图。如果地下有空腔,或者重物,它都能测出来。除了探矿,重力仪还被用于寻找地下工事和古代遗迹。


  除了组织全国技术力量研制新一代测量仪器,黄大年还与同事们制造出无人机物探平台。听上去容易,但无人机内多少有磁性物质,飞行一变速或者转向,都会产生磁场,让高精度仪器的读数失去意义。科研人员必须研制补偿系统,来抵消这一误差。无人机太小,不能搭载补偿系统硬件,于是就要用软件来纠正,这要依靠许多次飞行积攒的数据。因此,只有几个发达国家有本事用无人机做物探。


  在黄大年的组织下,无人直升机、无人固定翼飞机和无人飞艇都成功加入了中国航空物探的队伍。飞艇物探的好处是不太需要动力,所以在无风条件下可以长时间工作。


  让中国钻向地球更深处


  黄大年在回国后,领导了中国的“地球深部探测”专项,代号为“SinoProbe-09”。


  此前世界强国都有专门的科研项目,向地球深处进军。美国有“地球透镜计划”,通过地震波监测、断裂带地层取样、地壳变形和卫星上的合成孔径雷达来全面了解地球,这也是引领世界的高水平研究;欧洲也有类似的深部探测计划来回答地球演变的问题;俄罗斯有长期的深部探测科研积淀,拥有世界上最深的12000多米的科拉半岛钻孔。


  中国在2008年启动地球深部探测专项前,深反射地震剖面相当于美国的十二分之一,钻洞深度不到俄罗斯纪录的一半。中国科学家在找矿、地震预报和地球科学领域都表现平平。


  中国的深部探测计划雄心勃勃,准备建立全国的地球物理参数基准网和地球化学的基准网。在造山带、油气盆地和矿区等多种地质下部署了研究点。


  黄大年带领团队研发了世界上最先进的地学软件,为深部探测计划奠定了数据框架。他作为专项的首席科学家,组织全国的技术力量发挥各自所长,帮助中国的深部探测水平一飞冲天,并培养了一支年轻的技术队伍。


  吉林大学研制的超深钻探设备“地壳一号”,钻深能力达到万米,亚洲第一。它的井架高60米,设备有150头大象重。这套设备首先在大庆附近实验成功,未来将给中国科学家提供更多的深地数据。


  “中国是一个大国,我们不可能总是通过购买别人的仪器来推进各项灵活多样的科学研究。”黄大年曾经这样说。他见证和引领了中国在地球探测领域的崛起。


编辑:王瑞文
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