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踏遍青山人未老

来源:  发布时间:2019-07-26

——记2018年度国家技术发明奖一等奖获得者、中国工程院院士何继善
  
□ 蔡巧玉

  
  
  美国著名地球物理学家弗兰克·莫里森曾说:“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,中国的何继善是其中一个。”何继善是中国工程院首批院士,更是我国电磁法集大成者之一。在我国,为地球“号脉”、给地球做“CT”,何继善堪称第一人。
  历时22载,这位已誉满全球的科学家又带领团队在“大深度高精度广域电磁勘探技术与装备”项目的研究中获得丰硕成果,为推动电磁法理论、技术与仪器装备变革,增加我国能源与矿产资源储量做出了革命性贡献。2019年1月8日,在国家科学技术奖励大会上,项目摘取国家技术发明奖一等奖,这也是地球物理勘探领域首获此殊荣。
  “获奖是其次,被国家认可也就意味着我获得了更多的知音,你说这是不是一件幸福的事情?”1月9日,刚刚从北京领完大奖的85岁老院士何继善又恢复了日常工作,但那份因被认同而获得的幸福感却丝毫未减。
  
中国装备打破西方神话
  我国经济持续快速发展,对矿产资源的需求不断增加,但埋藏浅、规模大、找矿条件简单的矿产资源越来越少。“地下岩石坚硬复杂,深地探测异常艰难。30万公里外的月球探测和海洋最深的马里亚纳海沟探测均已实现,但1.3万米的地下深井探测全世界至今没有。”何继善告诉记者。
  加强深部矿产资源勘查,对于经济社会发展具有重要现实意义。何继善介绍,深地物理探测必须依赖地面装置透视地球,一是用声波,类似给地球做B超;二是用电磁波,类似给地球做CT。这两种方法用于测量不同的物理量,二者缺一不可。
  不过,由于地球由非均匀、强耗散介质组成,地下电磁波的传播方程求解困难重重。1971年,加拿大学者Goldstein将这种复杂的曲面波方程简化为平面波方程,近似获得用于反映岩石和矿石等导电性变化的视电阻率参数,从而建立人工信号源电磁勘探法测定地下电阻率理论,形成“可控源音频大地电磁法”,简称CSAMT。
  近半个世纪以来,该方法几乎垄断了所有人工源频率域电磁法勘探市场,我国的CSAMT勘探投入也超过百亿元。何继善认为,深地探测要求探得深、探得精、探得准,在方法理论、探测技术和仪器装备3个方面均存在巨大挑战,而国际领先的CSAMT已无法满足目前我国深地探测战略的需求。“唯一的出路是抛弃平面波思维,建立全新的曲面波电磁勘探理论,推动电磁勘探技术与装备的变革。”
  因创立“双频激电法”,早已在国际上声名鹊起的何继善,为了建立全新的曲面波电磁勘探理论,更深入更精准地“扫描”地球,从1996年又开始了广域电磁法研究。在没有科研经费支持的情况下,何继善一头扎进了浩瀚的数据计算中
  直至2005年,精确求解地下电磁波方程的“广域电磁法”终于被他正式提出,这一成果世界领先,技术与装备能探测地表以下数公里。“但是,你知道吗?科研成果无法转化到现实领域,这才是最郁闷的。”为了真正让研究成果向应用转化,何继善又开始了科研的长途跋涉,用这一理论研制仪器。经过长达10余年的努力,仪器制造出来了。在地下场景千变万化的情况下,该仪器能做到三维探测,在野外获取大量数据后,能把数据反演成地下的实际构造,实现精准找矿。
  回望来时路,历时22年,这场推动电磁法理论、技术与仪器装备走向变革的创新终于“开花结果”:团队严格求解了电磁波在地下的传播方程,创立了全新的广域电磁法理论,发明了有源周期电磁信号有效信息高效提取技术,搭建起高精度电磁勘探技术装备及工程化系统,解决了传统人工源电磁法只能近似计算视电阻率的世纪难题,实现了强干扰环境下电磁信号的高信噪比测量,探测深度、分辨率和信号强度分别是CSAMT的5倍、8倍和125倍,实现了人工源电磁法探测深度由1500米到8000米的跨越,为油气勘探、深部找矿、地质灾害防治、城市物探、潜艇探测等提供了全新的技术手段。
  收获虽丰,可在早年的实际应用中却没有几个工程单位对此次电磁法理论、技术与仪器装备带来的变革表示出极大的信心。“国外的技术一定强于中国”的执念仍坚不可摧地盘踞在不少人心中。
  2006年至2012年,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对比”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的有效性进行对比,对于广域电磁勘探技术与装备来说,机会来了。
  全国14家单位参与进来,试验了5大类电磁法,通过10种国内外仪器在现场1公里深的地下进行勘探,形成了47个采集方案,美国、加拿大、瑞典等国家的电磁法仪器前来参赛,均以失败告终,项目报告写道,“所有商用仪器均不能在强干扰地区获得有效数据”。2013年,何继善的第三代广域电磁法仪器“横空出世”,众目睽睽之下,这台中国人自己发明的仪器却在冬瓜山轻松地测到了有效数据,不仅与已知的地质资料完全吻合,更在已知矿体旁边发现了新异常。
  “唯有我们的方法是成功的。”作为自己一生中最为难忘的一次勘探,当提及此事时,何继善不无自豪,他说,“广域电磁法所用电流仅为西方先进仪器的1/5,却在冬瓜山轻松测得有效数据,平均测量误差0.96%,是CSAMT的1/64,西方仪器不再是无法突破的神话,这一下子打破了很多人的偏见,证明了中国人一样有实力。”
  此后,随着广域电磁勘探技术和装备的推广应用,何继善的科研成果助力我国很快又陆陆续续找到了诸多地下资源。截至目前,利用该成果提交页岩气资源量3千多亿方,地质储量1千多亿方,常规油气地质储量1.86亿吨,生物气储量80亿方,释放2千余万吨煤炭资源,潜在经济价值超过1.5万亿元。
  长庆油田彭阳地区一直以来油气储层描述不清,钻井成功率不高,该发明优选出9个新的勘探目标区,提交地质储量1000万吨;朱溪钨铜矿储量世界第一,但第二找矿空间的关键地质问题未能得到有效解决,该发明揭示了矿区控岩控矿构造,为深部找矿提供了关键依据
  虽然此项发明早已被列入国家行业技术标准,并在全国成功推广应用,但谈及未来的规划时,年过八旬的老院士仍然雄心勃勃:“最新的第六代设备已经实现了智能远程监控,‘坐在家中’就可接收数据。但科技永无止境,我们也只是在路上,我希望这个技术能做到海陆空三管齐下,真正实现深海、深地探测,为提升国防军事综合实力做出更大贡献。”
  
中国地学人的自信
  对何继善来说,科研过程中最大的困难是知音难遇。他回忆起一次带着广域电磁法科研成果去国外讲学的经历,有人对他说:“CSAMT确实存在不足,但是我们从没想过推翻它,只想做一些改进。”“在国内,我们也都是先学习了国外已有的电磁法体系后直接拿来使用。”何继善说。
  即便大多数的“不敢言”和“不敢为”充斥耳旁,何继善和他的团队却从未放弃过变革的念头。近年来,何继善在多个场合的演讲中,都会强调一个观点: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(物探电磁法仪)”,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,何继善都诚实地向大家坦露自己的心路历程:他也曾是欧美物探方法技术的崇拜者!
  “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》对此进行了介绍。”何继善自揭老底。
  但在随后的研究中,他发现,欧美公司以CSAMT研发的物探仪器,无论是V-8还是GDP-32都存在翘尾现象,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。”
  真相到底是什么?带着这一疑问,何继善开始了“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定了一个信念,“根”上的问题不解决,CSAMT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。
  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,部分团队成员因受不了枯燥的、大量的试验工作,也因无经费支持,感觉看不到希望,中途将何继善“炒”了但这并没有动摇何继善的决心。
  “研制两弹一星时,那些数据都是专家们用手摇计算器算出来的。何院士他们也是一样,他曾在何梁何利高峰论坛上展示过那些资料,看到后我非常感动。”湖南省科技厅科技奖励工作办公室的一位官员曾在一次会议上提及此事。
  板凳一坐十年冷,演算的稿纸更是装满了一个个麻袋,终于,一个领先世界的“中国创造”——“广域电磁法”诞生了。它将电磁法探测的深度延伸到了地下8公里,且具有较强的抗干扰能力,实现了真正的三维电磁法勘探。然而,对何继善来说,理论从来都需要实践的检验,他没有忙着出论文、搞讲座。“因为在理论上突破之后,我们看到了它广阔的应用前景,所以我们需要研制自己的仪器来验证并实现这个理论。当时我们得出了一个结论,就是广域电磁法探测深度比国外的深5倍以上。说实话,我们自己也不太敢确定,因为这只是在理论上的认识。别人更不敢相信,他们可能会问‘你们怎么比国外的还强呢?’认为我们超过人家1%、10%就不错了。”在这种情况下,研制仪器设备便成为一件迫在眉睫的事情,可他们却遇到了最大的困难——拿不到经费。
  工程应用需要大笔经费,出去试验人和设备要用钱,做仪器更需要钱,但他们缺的就是钱。翻看仪器研制初期的项目申请记录,相关的支持经费一笔没有。何继善回忆,当初大部分的经费其实来源于其他项目里结余的钱,正是这些资金支持他们慢慢起步。
  作为团队的领头雁,为了帮助团队度过最初的那段困难时光,何继善更是竭尽全力。提起这些,熟悉他的中南大学温佩琳教授告诉记者:“何院士的每项科研成果都是先提出理论、再发明仪器,然后在野外运行成功,都是领先世界的原始创新。他搞科研,认准了方向,不管有没有经费都做。比如他的双频激电法研究,没有经费,他就动手做别的仪器出售、给企业打点工,自筹经费启动研究。广域电磁法仪器制作,开始也没有经费,他就自掏了20万元用于项目的启动。”
  资金压力虽大,但困难终让他们咬着牙克服了。当项目推进渐入佳境时,国家自然科学基金仪器专项向他们伸出了橄榄枝,打破了之前几乎没项目资金支持的困局。“我觉得自然科学基金是一件很好的事,它没有年龄上的限制,申请时,我年纪已经很大了,将近80岁,但国家还是批给了我们这个项目。”提及此事,何继善不无感慨。
  之后,在国家重大科研仪器设备研制专项、湖南省科技重大专项等的资助下,项目更是进入了平稳、迅速发展的轨道。2010年,专著《广域电磁法和伪随机信号电法》的出版,标志着我国形成了中国版本的严格解电磁波方程的广域电磁法理论、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在2014年写给何继善的信中说:“何教授首次严格地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。研制的广域电磁仪更是可用于大深度精细探测,何教授的研究让电磁波近似地划分‘近区’、‘过渡区’和‘远区’的理论禁锢获得了前所未有的解放。”
  面对赞誉,这位满头银发、风度翩翩的老人总是儒雅一笑,对于广域电磁法的成功他有自己的认识。他常说,广域电磁法的诞生只是改革开放洪流中的一朵小小的浪花。他认为,自己和团队是幸运的,是改革开放的洪流推动团队不断向地球最深处的探索发出了挑战,是改革开放的时代大背景让大家逐渐认识到广域电磁法的重要性,更是大家的鼎力支持才让它脱颖而出。
  随着改革开放的不断深入,经济的持续、快速发展,我国对能源的需求不断增加,能源自主对国家有着重大的政治和军事意义。要满足一个大国十几亿人口的能源需求,有两条途径:一是对煤的清洁利用,二是对包括页岩气在内的非常规天然气的利用。美国自2000年开采页岩气100亿立方米以来,到2016年的产量已达3000亿立方米,基本实现能源自主。我国页岩气地质资源与美国相当,所以不能捧着金饭碗讨饭吃。
  “而我国的页岩气都在山区,用国外的地震法在崇山峻岭中进行探测,难度非常大,而广域电磁法却可以克服地形的限制。这里要感谢国家自然资源部对我们的支持,虽然到现在我跟那里的领导或工作人员都不是很熟,但他们发现我们的方法在应用中的有效性后,即无私地对这个方法进行了推广,这对广域电磁法的广泛应用起到了很重要的促进作用。2018年6月27日,自然资源部在北京又召开了广域电磁法的专门推介会,向业界继续推广广域电磁法。”谈起这些,何继善很感激,“到2018年已是第5年了,广域电磁法作为页岩气探测的标准方法,国家每年都会拿出经费来招标,这对我们既是鼓励也是推进,我非常感谢国家对我们的支持。”
  除国家的支持外,来自业界的支持更让广域电磁法不用做广告,单靠口口相传,就获得了好口碑,收获了广泛的市场影响力。“我们的理论取得突破后,需要做出仪器,更需要去应用,但能不能被应用还需要整个业界的支持。所以我非常感谢业界的同志们对方法和仪器的支持,靠他们一传十、十传百,越来越多的企业愿意应用我们的设备,并愿意提供相应的试验经费,这为广域电磁法被越来越多的业内人士知晓搭建了有效的信息通道。”
  何继善说,广域电磁法是一种非常简洁的探测方法,探测油气、金属矿,并不会直接接触到这些矿藏,用它来探测海底是否有潜艇时也一样,并不会直接去接触潜艇,而是探测潜艇经过时海底电磁场是否有变化。所以有这样优势的同时它也会有另外的缺点,会因不是直接接触而出现判断错误。对此,他做了近一步解释:“听人的声音你可以知道这是张三或李四,事实上这也是一种物探,属于声音探测,耳朵听到声音之后做分析并判断出是谁的声音。但也可能存在一种情况,就是另一个人讲话的声音和李四很相似,这就会发生判断错误,因此还需要应用者因地制宜地去完善这些应用,所以我还要非常感谢那些应用者,是他们在应用的时候,因时因地地正确使用了广域电磁法,让它尽可能最大化地发挥出应有的效用。没有他们,广域电磁法无法被越来越多人认可,感谢他们!”
  
发展靠自己 永远在路上
  有人会问,广域电磁法概括起来到底实现了哪些突破?其实主要在三方面:一是变革了方法理论,二是创新了探测技术、仪器装备,三是建立了完整的工程化管理技术体系。尤其是最后一个方面,如今回想起来,何继善仍感到很欣慰。
  其实,在他那里,研制仪器的想法一出,另外一个考虑——建立一套完整的工程化管理技术体系同时也被提上了日程。因为只有建立了这套体系,将来研制的广域电磁仪才能顺利向全国推广应用。
  而想要建立一套完善的工程化管理技术体系,最好的路径就是产学研结合。何继善说:“成果转化不是一件容易的事,它主要牵涉两个问题,一是成果的成熟度,另一个是知识产权。一个成果即使拿了奖,但是如果它不成熟,拿去转化就很难,就需要第二次把它完善,在这中间就会牵涉知识产权的归属问题。所以最好是待成果成熟后自己去成立公司,自己去推广。当然这有很多很成功的案例,但更多的是不成功的,因为搞技术研发的人常常不懂得公司运作,而懂公司运作的又不懂技术研发,所以成果想要更好地转化,就需要有一家成熟的学科型企业。”湖南继善高科技有限公司(以下简称“继善高科”)正是这样的一家企业。
  谈起公司创立的背景,继善高科的董事长李芳书向记者回忆:“我和先生是2000年认识的,当时先生讲他有很多的技术成果,发表过文章,有技术专利,评过奖,成果放到保险柜里面去了,没有带来生产力的转化,太可惜了。先生想要成立一家学科型的公司,让成果产业化,我们一拍即合,2002年6月,继善高科在长沙就注册成立了。”
  创立后,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。以何继善研究的双频电磁法基础理论为指导,公司首先生产了双频电磁仪,接着WSJ-2型多功能均匀伪随机电磁仪、大深度激电仪等系列产品也相继问世,并且得到了广泛应用,为国家找到了一大批资源。广域电磁法理论问世后,继善高科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。
  2006年,由中南大学和继善高科合作开始了仪器装备的试制并进行了推广实验。2014年,继善高科正式推出广域电磁仪成套商业化装备,形成了具有完全自主知识产权的“中国智造”,并于2015年将其集成为高精度、大深度广域电磁探测系统。
  “其实任何一个搞电磁仪器的工厂都可以生产这种仪器,但如果我们把成果委托另外的工厂来生产,他们对地球物理的应用如果不是很理解,那么在整个工程化的推进过程中就会困难一些。像继善高科这样的学科型公司,员工懂得一个地球物理仪器要注意到这样一个环境,仪器是在野外的条件下应用,它要在泥里滚,每天回来的时候脏兮兮的,在这样有干扰的条件下,要让数据的质量可靠,对于不了解这些的企业来说很难做到。”谈起继善高科在产业化过程中的优势,何继善这样说。
  “但这些仪器生不逢时呀!”话题一转,何继善提到了广域电磁仪产出后在市场遇冷的窘境。彼时,恰逢新一轮找矿热出现,国内地勘单位对物探仪器的需求也越来越强烈,纷纷引进西方仪器,“神化”V-8在中国成为一时风潮。等广域电磁仪完成商业化时,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了前所未有的困难。
  面对困难,广域电磁法研发团队和继善高科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,其余厂商纷纷退出。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,清晰地揭示了深部控矿岩体及控矿构造,与钻探成果一致,为江西省重要的塔前—赋春矿集区提供了勘探利器。
  看到广域电磁仪的优异表现后,2017年12月1日,江西地矿局聘请何继善为局科技顾问,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了紧密合作。
  此后,继善高科先后在四川、贵州、湖北、安徽、辽宁、内蒙古、新疆、湖南等地不同地质环境下,开展了不同矿产的探测实践,证明了这一装备可广泛应用于油气藏、页岩气、地热、金属矿等矿产的探测上,且具有绿色、高效、低成本等突出特点。
  就是这样,通过在野外各种地质条件下进行试验,然后再研究、再改进,如今继善高科已研发了3代发射器、6代接收系统,完成了比较完整的工程化装备体系,开发出了面向金属矿深部,面向石油、天然气、页岩气、地热勘探的仪器装备,目前正在研究页岩气的压裂监测装备。
  考虑到我国仪器的勘探规程都是按照国外的仪器建立的情况,为让整个行业了解我们国家自己的技术,使用我们自己的装备,近年来,广域电磁法研发团队和继善高科团队更是走遍了20多个省区,自筹资金进行理论方法、技术、野外试验的培训推广。
  目前,装备已被中石油、中石化、中国地调局、华东有色局、国家煤炭总局等50多个单位成功应用。2015年起,装备被列入中国地质调查局招标体系。2016年,国家能源局将装备和技术列入油气行业标准。同时,装备在土哈油田、柴达木盆地、松辽盆地、四川盆地、重庆涪陵、安徽铜陵、山西平朔等地的常规油气、页岩气、金属矿勘探中取得了丰硕成果,为国家找到了更多的资源。
  2017年年底,继善高科总结以往的推广经验,对30千瓦、100千瓦、180千瓦、200千瓦发射系统实现了初步的产业化,2018年已经实现成套设备采购16套,目前收到2019年采购意向30余套,计划要在初步产业化的基础上,在2019年实现仪器装备的全面产业化。
  “进入新时代,何先生常跟我们讲,地球物理的高地在中国,他说要把资源、能源的勘探技术和方法牢牢掌握在中国人自己的手里,助力中国梦,服务国家‘三深’战略。他已经年过80,但是还在亲自带着我们干。按照老人家的构想,继善高科正向建设资源勘探类智能装备领航企业的方向稳步迈进。发展靠自己,我们永远在路上。”李芳书坚定地说。
  

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2019年9月上

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