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向地球深处寻找答案

来源:  发布时间:2023-04-11

——记中南大学地球科学与信息物理学院副教授陈儒军

张锦玉

 

1910年的一天,德国地球物理学家魏格纳卧病在床。他看着床对面的世界地图,有了很多奇妙的想法:为什么大西洋两边大陆的轮廓线是那样相似?几内亚湾能否填补巴西亚马孙河口突出的大陆轮廓?如果把它们并合在一起,是不是就是一个完整的大陆?1912年,在法兰克福地质学会上,魏格纳作了题为《大陆与海洋的起源》的讲演,首次提出了大陆漂移的假设,引起了学术界的轰动和震惊。但当时那些传统的地质学家没有一个人相信魏格纳的假说。

直到魏格纳去世30年后,古地磁学为魏格纳的假说提供了有力的证据,大陆漂移学说席卷全球,最终成为板块构造理论的基础。由此可见,地球科学是一个需要猜想的科学,即使到了今天,人类也主要依赖地表观测来推测地球的运动、地球的历史及未来。如何根据非常有限的信息了解地球潜藏的矿产和油气资源,对地球物理勘探研究者来说,仍然是一项巨大的挑战。

让地球物理勘探研究者获得更多的信息是中南大学地球科学与信息物理学院副教授陈儒军的主要研究方向,他先后主持和参与伪随机多频激电仪、直接油气检测电磁系统、精密工程地震仪和三维精密激电仪等地球物理仪器的研发工作。他说自己研发先进的仪器设备,是为了提供更多的数据信息,帮助人们更好地发现矿藏、发现油气、预测地震。这是一条没有指南针,纯靠摸索的道路,陈儒军希望自己能走出一条新的路,为地球物理勘探的发展添砖加瓦。

 

知识改变命运

 

陈儒军对地球物理最初的理解来自他对这4个字的“望文生义”。“那个时候提倡‘学好数理化,走遍天下都不怕’,我地理学得比较好,感觉这是一个文科和理科相合的专业。”高考填志愿时,陈儒军并不了解地球物理具体是学什么的,糊里糊涂就选了。不过父亲告诉陈儒军,“三百六十行,行行出状元”,只要肯干,一定能有所成就。陈儒军把父亲的话听进了心里,既然选择了地球物理专业,他一定会好好学习。

事实上,在陈儒军人生的每一次抉择时刻,父亲都是对他影响最大的人。

初中一年级下学期,陈儒军的母亲因病去世,家里的经济状况也每况愈下。初中毕业后,陈儒军没有考上重点高中,当时他有两个选择:一是补习一年考中专,早点工作;二是去读普通高中。考虑到自己的家庭条件,陈儒军执意选择了前者。

陈儒军初中三年级的班主任黎之贵老师主动找到了他的父亲。黎老师说:“你应该送你儿子去读高中,他肯定能考上大学。”听到这句话,陈儒军的父亲说什么都要坚持送他去读普通高中。陈儒军不同意,父亲就把他的亲朋好友全部找来,劝说他。最终,陈儒军被朋友说服,决定去读普通高中,考大学。

“那个时候没有电话,他要走很远的山路一个一个把人找来劝我。”父亲爱得深沉,陈儒军带着这份感动重新踏上求学之旅。1992年,努力刻苦的陈儒军不负父亲的期望,以优异的成绩考上了中南工业大学(现中南大学)。

在中南大学,陈儒军顺利完成了本科和硕士的学习。硕士毕业后,他依然面临着两个选择:一是去江苏的勘探单位工作,专业对口,待遇也很不错;二是继续读书,报考何继善院士的博士研究生。这个时候,陈儒军想到了他的父亲。

父亲年轻时曾在思南师范学校读书,本来可以当老师,但遇上三年自然灾害,学校停课,他就去学了木工。后来国家经济形势好转后,父亲因为学到了一门好手艺就放弃了回学校读书。再后来,陈儒军的爷爷和母亲都去世了,家中情况每况愈下,父亲更是度日如年。“父亲本来有机会继续读书,但是他放弃了,一生的命运由此改变。”父亲的亲身经历让陈儒军知道唯有知识才能改变命运。1999年,陈儒军考取了何继善院士的博士研究生,学术科研之路,将会是他往后人生中最漫长的路。

 

好学的力量

 

时间倒回27年前,1996年,还是研究生的陈儒军就已经开始跟着学院的老师参与到多项大地电磁野外数据采集和基桩完整性检测的工作中。

在此过程中,陈儒军接触到了许多进口的勘探仪器,它们都涉及数字信号处理技术。虽然那时智能手机、MP3MP4、数码相机等体现数字技术的电子产品没有普及,但这些发现使他意识到数字信号处理和计算机技术未来将在地球物理勘探中发挥非常重要的作用。

于是,陈儒军开始学习和数字信号处理技术相关的知识,利用研究生的课余时间,他从图书馆借了3本英文专著,把书上介绍的各种数字信号处理算法全部编程实现了。陈儒军并没有满足于掌握书本上的知识,他开始将知识转化成实际的行动。为此,他开发了包含数字滤波、自适应滤波、小波变换和各种现代谱估计算法的软件系统,并将这套系统应用于多频激电信号的处理中。

充实的学习生活让3年的研究生学习过得很快。在陈儒军研究生快毕业时,他偶然了解到,何继善院士用新研制的仪器采集数据算出来的激电参数出了问题。于是他主动帮助编程,对参数进行处理和校正,取得了不错的效果,获得了何继善院士的高度肯定和赞扬。

何继善院士长期致力于为地球“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。在何院士的指导下,陈儒军对伪随机信号和多频电磁法有了更多的认识。

一次,陈儒军去石油物探仪器总厂调试海底大地电磁探测仪器,他负责编写采集程序。经过陈儒军调试后的仪器,在探测时取得了不错的效果,他的编程能力得到了时任石油物探仪器总厂总工程师罗维炳的认可。罗维炳认为陈儒军很有培养潜力,于是做了他的副导师,和何院士一起指导他。在他们的指导下,陈儒军进步很快,他学到的数字信号处理和计算机技术在仪器研制中进一步发挥了作用。

由于之前学习了信号与系统和数字滤波器,陈儒军也顺利掌握了仪器中模拟信号处理技术和国外主流电法仪器的基本原理。就这样,陈儒军顺利完成了博士论文《伪随机多频电磁法观测系统》,还获得了两个特优评价。

 

探测地球的深处

 

2004年,美国神经科学家杰夫·霍金斯出版了《人工智能的未来》一书,他指出,“人工智能的技术力量正以指数级规模快速发展”。此时,刚刚博士毕业的陈儒军认识到人工智能可能对地球物理仪器和方法产生革命性影响,于是他找到了我国人工智能教育之父蔡自兴教授,在他的门下做博士后研究。“我认为地球物理仪器发展的下一步方向一定是高度智能化,未来希望能将人工智能应用在地球物理仪器中。”将知识转变为行动,是陈儒军擅长的事情,他把学习到的人工智能知识活学活用,设计了一款融入智能控制思想的电法仪器,这一研究总计获得10项国家发明专利。蔡教授也对陈儒军的研究思路表示了高度肯定。

4年后,陈儒军考虑到在学校内从事的研究内容有限,于是来到国内最大的地球物理勘探公司——中国石油集团东方地球物理公司,在教授级高级工程师何展翔和蔡自兴教授联合指导下从事企业博士后研究。

“何展翔老师是国内数一数二的电磁勘探专家,他发明的时频电磁勘探技术是油气勘探中一个非常重要的方法。”在两位非常出色的老师指导下,陈儒军也提出了新的思路,他开发了一种基于物联网、智能控制和功能可编程的通用型物探仪器,可以通过修改采集软件来实现特定的采集功能。此外,陈儒军还研发了油气直接探测电磁系统,不仅能实现大地电磁数据采集,而且能采集何展翔教授发明的时频电磁探测中的各种电磁信号。通过多次对比试验,陈儒军最终证实了自主研制的仪器性能优于进口仪器。

2012年,从事了十年博士后研究的陈儒军回到了中南大学。中南大学的刘继顺教授知道他在地球物理勘探仪器研发上颇有成果,希望他能够解决1000米深度的找矿问题。“我觉得这是一个很好的方向,也容易投入实际找矿过程中使用。并且中南大学在有色金属找矿上的科研力量很强,有教育部的重点实验室,物探和地质可以互相配合。”于是,陈儒军和他的学生开始研究满足大型深部金属矿勘探需要的仪器。

如今,陈儒军团队经过十余年研究,在仪器和方法上进行了大量创新,建立了一套勘探技术体系,成功研发出扩频激电探测技术与装备。这个装备实现了大深度(>1000米)、高精度、高效率、低成本的频谱激电测量。技术装备经长沙巨杉智能科技有限公司产业化,已在批量生产并销售给多个勘探单位,并在西藏林周县某铜锌矿、云南小石桥锂矿、内蒙古白云鄂博稀土矿、贵州亚都铅锌矿、湖南金元水库水源、中南大学岳麓山水源等探测中获得成功应用。2021年,“阵列式扩频激电法关键技术研究及应用”项目获得了中国有色金属工业科学技术奖一等奖。

法国国家科学院一级教授、自然指数期刊《地球物理研究杂志-固体地球》(Journal of Geophysical Research -Solid Earth)编辑、美国地球物理学会会士安德烈·雷维尔教授高度评价了陈儒军在频谱激电仪器及频谱激电信号处理方面的研究,认为他在激电研究方面作出了惊人的贡献。他研发的仪器能够实现扩频激电勘探深度大于1000米、精密电磁法勘探深度大于3000米,有着优异的勘探效果。

值得一提的是,最近两年,陈儒军团队进一步融合扩频激电和物联网电磁的优点提出了电磁激电新技术。这项技术可进一步提升地下目标的探测精度和分辨率,在江苏省的深部隐伏金属矿勘探中取得极大成功,极有可能在江苏发现首个特大型深部隐伏金属矿(相关勘探工作正在开展,首个验证钻孔在1000米深度范围内已经发现了多层富矿体)。相关技术可以用于解决传统勘探手段无能为力的勘探难题,在1500米深度范围内实现地下目标的精细探测,从而实现重大找矿突破和解决重大工程地质难题。

 

朝着梦想迈进

 

近年来,支撑人工智能方法的软硬件得到极快发展。如何把人工智能和地球物理仪器结合起来正是陈儒军今后研究的主要目标。“人工智能可以让地球物理仪器像智能手机相机一样发挥极限能力,并且在地球物理信号处理中实现最佳信号处理。”陈儒军说。

目前,陈儒军负责向湖南省教育厅申报的中南大学AIoT(人工智能物联网)和地质地球物理创新创业教育中心已经获得批准。下一步将向学校申请成立中南大学AIoT(人工智能物联网)与地质地球物理实验室。“这个实验室实际上是一个跨学科的交叉融合平台,我们还是想从人才培养方面做一点事情。”

虽然实验室还在筹备之中,但是陈儒军也组建了自己的小团队,主攻方向是人工智能和物联网在地质和地球物理中的应用。现在团队拥有高级职称研究人员5人、工程师2人、研究生十余人、大学生创新创业团队成员5人。

在陈儒军的规划里,他希望通过实验室这个平台,从本科生开始,培养一批既懂地球物理,又懂人工智能和物联网的创新型人才。“因为地球物理实际上是基于观测的学科,必须采集大量的数据,才能得到相应的结论。”

除了建立实验室这一长远目标外,陈儒军也格外看重对学生的日常培养。从2013年开始,陈儒军就制订了一份近乎“企业化管理”的研究生学习准则:学生上午7点至晚上11点,手机必须处于开机状态;5小时内必须回复短信或电话;离开校园超过20小时需要向他请假;每周日晚9点前需要提交一份一周的学习科研总结及下周的学习科研计划……

这样“严格到令人窒息”的学习准则引起了不少争议。对此,陈儒军解释说:“越来越多的人只为‘混文凭’,我希望通过‘强硬’一点的方法来遏制这种现象,逼着学生看文献、搞科研,而这也是及时和学生交流沟通的方式。”毕竟在陈儒军看来,他在地球物理学科开展的研究属于应用性研究,他希望学生通过这样的管理能够很快适应入职后企业的要求。

让人意外的是,陈儒军每年招收的学生都没有被这份准则“吓跑”。“我每年虽然只招2个研究生,但通常会有6个人报我的研究生。”更重要的是,陈儒军指导的研究生最后取得的成绩都很不错,2020年毕业的两名研究生拿到了中兴通讯和华为的录用通知书,2021年毕业的两名学生则拿到了华为、中兴微电子、VIVO、海康威视、紫光展锐、TP-Link等知名企业的录用邀请。“这也为国家的通信事业输送人才,发挥了一点作用。”陈儒军为自己的学生感到骄傲。

路漫漫其修远兮,吾将上下而求索。未来,陈儒军还有很多时间专注于地球物理领域的科研工作,“我最大的梦想就是有朝一日,全世界都在使用我研发的地球物理仪器”。有梦就有动力,只要还有问题没有解决,陈儒军就会不停地思考问题,解决问题,继续前进,直到实现他的梦想。

(责编:黄雪霜)


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2024年5月

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