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“矿工院士”的创新之路

来源:全球矿产资源网  日期:2019年01月21日  文字:【 加粗】【高亮】【还原

1月8日,2018年度国家科学技术奖励大会在北京隆重举行。会上,大深度高精度广域电磁勘探技术与装备研发主要完成人、被称为“矿工院士”的中国工程院院士何继善登上领奖台,获得国家技术发明奖一等奖。

何继善高中没念完就失学了,迫于生计当了4年矿工,依靠自学在1956年考入长春地质学院;为了探索地球勘探的新理论、新技术,他变卖自己的衣物,筹钱买电子元件;为了实地检测,他带着自制仪器,和学生们几乎攀遍了我国的崇山峻岭;如今,已经84岁的他依然活跃在深山荒漠等勘探一线……

何继善一生致力于为地球“把脉”,创立了双频激电法、伪随机信号电法和广域电磁法等地球物理探测领域的重大理论方法,此次获奖的大深度高精度广域电磁勘探技术与装备研发,正是他在国产物探装备研发领域自主创新的一个缩影。

如果没有原创性的基础理论做支撑,国产物探装备的研发就会成为无本之木,永远不可能走出仿制的低水平发展模式

近年来,何继善在多个场合的演讲中,总会强调一个观点:中国地学人应有自己的自信心!

进入新世纪,在新一轮找矿热潮中,我国找矿界出现了这样的现象:有关部门的资质审批中明文规定“甲级物探单位必须拥有V-8、GDP-32……”,有关部门或单位在招标项目时也明确提出“参加单位必须拥有V-8、GDP-32……”,物探单位在进行自我介绍时,会骄傲地说“本单位拥有V-8、GDP-32……”,就连大学生和青年物探人员的履历或求职信中,也要特别注明“本人能熟练操作V-8、GDP-32……”。

“这是典型的不自信!”针对这一现象,何继善院士说。

在大家习以为常甚至引以为豪时,何继善为什么会大唱反调呢?

不管在什么场合、也不管下面坐着什么人,何继善都诚实向大家坦露了自己的心路历程:自己也曾是欧美物探方法技术的崇拜者!

原来,目前风靡全球并在中国大行其道的人工源频率域电磁法(CSAMT),是以1971年多伦多大学的博士生Myron Goldstein写的一篇博士论文为基础发展起来的。

“1984年我将CSAMT引入中国,1990年,我还专门写了《可控源音频大地电磁法》对此进行了专门介绍。”何继善院士自揭老底。

但在随后的研究中,何继善院士发现,欧美公司以CSAMT法研发的物探仪器,无论是V-8还是GDP-32都存在翘尾,即这两款仪器在做1500米以浅时效果较好,但一到1500米以深,其曲线就往上翘。

“对此,多数人并没有从理论和仪器本身找原因。”何继善院士说,“甚至出现了因怕别人说自己用不好仪器,刻意从地质、干扰源等因素对这翘尾进行解释的现象。”

真相到底是啥呢?带着这一疑问,何继善院士开始了“根”上的深入研究。他发现电法勘探方法本来应该严格求解电场与磁场方程,但CSAMT法通过假设在远区、将高次项省略后,形成一个简化版的视电阻率方程式。在根基粗放的基础上,欧美在仪器制造上进一步粗放,从而使深部的电磁测量结果误差越来越大。探测深度越大,翘尾也就越严重。

这一发现,让何继善坚信了一个道理,“根”上的问题不解决,CSAMT法的翘尾现象就不可能避免。更重要的是,如果没有原创性的基础理论做支撑,国产物探装备的研发就会成为无本之木,永远不可能走出仿制的低水平发展模式。

美国著名地球物理学家弗兰克·莫里森说,在地球物理学界,既懂方法原理又懂研制仪器的,世界上只有两个人,何继善是其中一个

但这注定是一条艰辛的创新之路,将极其复杂的地下电磁波方程精确求解之所以百年无人问津,主要原因就是这一过程要进行大量枯燥的数字演算、试验,一个数据、一次计算错误就得全部推倒重来。事实上,在从1996年开始的研究中,部分团队成员因此中途将何继善“炒”了。

2006年,贯彻严格解电磁波方程的广域电磁法横空出世,何继善自筹经费开始仪器研制、野外试验,先后在国家自然科学基金仪器专项、国家重大科研仪器设备研制专项、湖南省科技重大专项等资助下,于2010年出版专著《广域电磁法和伪随机信号电法》,形成了中国版本的严格解电磁波方程广域电磁法理论、技术体系。以广域电磁法理论为基础研发的仪器,在贵州的地热勘探,湖北、安徽、辽宁、内蒙古等地的金属矿产勘探,四川、新疆、湖南的油气和页岩气勘探中,均获得了比欧美仪器更好的数据。

在广域电磁仪成功应用于实战并取得好成绩后,美国著名地球物理学家M. S Zhdanov 2014年在写给他的信中说:“何教授破除了将电磁波近似地划分‘近区’、‘过渡区’和‘远区’的理论禁锢,首次严格从电磁波方程表达式出发,定义了适用于广大区域(全区)的视电阻率参数,发明了广域电磁法。”“可用于大深度精细探测”;美国著名地球物理学家弗兰克·莫里森更是说,在地球物理学界,既懂方法原理又懂研制仪器的,世界上只有两个人,何继善是其中一个。

将中国智慧转化为“中国智造”,为中国向第二找矿空间、向大地深部进军提供装备支持

2002年6月,湖南继善高科技有限公司在长沙注册成立,以何继善院士研究的双频电磁法基础理论为指导,生产了双频电磁仪等产品。广域电磁法理论问世后,他们面对欧美仪器在国内市场几近饱和的情况,仍决定将这一中国智慧转化为“中国智造”,为中国向第二找矿空间、向大地深部进军提供装备支持。

对何继善院士充满自信的,还有国家相关科研管理机构,十余年来,国家火炬计划、国家创新基金等纷纷伸出援手,以项目形式给予了资金支持。

自信、原创,为继善高科用中国自己的理论造中国自己的电磁仪提供了新动能,WSJ-2型多功能均匀伪随机电磁仪、双频激电仪、大深度激电仪、广域电磁仪等系列产品也先后问世,并于2015年将其集成为高精度大深度广域电磁探测系统。

谈起自己的这个“孩子”,何继善充满了自信与自豪。他说,由于广域电磁理论解决了人工源频率域电磁法仪器“根”上的问题,这套系统的优点也非常突出。

“但这些仪器生不逢时呀!”回顾自己的研发经历,何继善院士说,新一轮找矿热出现后,国内地勘单位对物探仪器的需求也越来越强烈。率先引进西方仪器的单位,也在中国刮起了一股神化V-8的歪风。

而待到这一系统完成商业化时,市场饱和加上投入锐减,使高精度大深度广域电磁探测系统进入市场遭遇到前所未有的困难。

面对困难,广域电磁法研发团队决定用思路创新破解市场推广的难题。

2017年,江西省地矿局邀请包括继善高科在内的多家厂商参与勘探工作,要求实现3000米深度的精细勘探。由于现场地形恶劣,干扰严重,构造复杂,勘探深度大,其余厂商退出。经过广域电磁法团队的艰苦工作,获得了3000米深度范围内电阻率的精细分布,首次清晰的揭示了深部控矿岩体及控矿构造,与钻探成果一致。看到广域电磁仪的优异表现,2017年12月1日,江西地矿局聘请何继善院士为局科技顾问,并与继善高科签订战略合作协议,围绕深地战略、朱溪深部找矿以及地质勘探技术提升等,开展紧密合作。

原国土资源部在安徽冬瓜山矿区,开展了一项名为“危机矿山电磁方法有效性比对”的研究,即在已知地质资料的情况下,对国内外电磁法探测仪器有效性进行对比。包括美国、加拿大、德国等国家的电磁法仪器参赛,均宣告失败,而广域电磁仪却取得优异成绩。广域电磁法所用电流仅为欧美“先进”仪器的五分之一,却在冬瓜山轻松地测到了有效数据,与已知的地质资料吻合,并在已知矿体旁边发现了新的异常。这打破了欧美仪器的神话,广域电磁仪已成为我国找矿突破、实施深地工程的利器。

虽然已经84岁高龄,但何继善依然雄心勃勃:“广域电磁法,对勘探海洋新能源、海底构造等,大有前景,还能在开采可燃冰等能源方面发挥重要作用。只要身体允许,我会一直干下去。”

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