地球深部探測技術助中國挺進地心
——訪吉林大學國家“千人計劃”特聘專家黃大年教授

◎文/丁玉路 胡少雄

20世紀80年代，美國、歐洲、澳大利亞先后發(fā)起了COCORP地殼探測計劃、美國地球透鏡計劃、歐洲深部探測計劃和玻璃地球計劃等。通過第一輪地殼探測，美國已制作出美洲大陸6萬公里地殼的反射地震剖面，而中國通過地殼探測完成了5000公里的剖面，只占美國的1/12。但是，隨著中國科技水平的不斷提高，神舟系列飛船發(fā)射和深海潛水器“蛟龍?zhí)枴?000米海試的成功，中國人逐漸實現了“上可九天攬月，下可五洋捉鱉”的夢想。由此可見，提高“入地技術”變得尤為重要。

2006年，國務院發(fā)布《關于加強地質工作的決定》，其中明確提出“實施地殼探測工程，提高地球認知、資源勘查和災害預警水平”，堪稱中國地殼探測工程的轉折點。2008年，在財政部、科技部支持下，國土資源部正式啟動“深部探測技術與實驗研究”專項，投入經費高達12.54億元。作為我國入地計劃的先鋒，“深部探測技術與實驗研究”專項取得了重大進展。據了解，深部探測技術與實驗研究共設置9個專項，分別是大陸電磁參數標準網實驗研究、深部探測技術實驗與集成、深部礦產資源立體探測及實驗研究、地殼全元素探測技術與實驗示范、大陸科學鉆探選址與鉆探實驗、地應力測量與監(jiān)測技術實驗研究、巖石圈三維結構與動力學數值模擬、深部探測綜合集成與數據管理、深部探測關鍵儀器裝備研制與實驗。

SinoProbe-09項目：自主研發(fā)超導無人機

為了推動科研項目的順利進行，2008年12月，中共中央辦公廳下發(fā)《中央人才工作協(xié)調小組關于實施海外高層次人才引進計劃的意見》，決定實施“千人計劃”，引進一批專業(yè)人才，即從2008年開始，用5-10年時間，在國家重點創(chuàng)新項目，重點學科，重點實驗室、企業(yè)和金融機構，以及高新技術產業(yè)開發(fā)區(qū)為主的各類園區(qū)等，統(tǒng)籌資源、完善政策、健全機制，組織實施海外高層次人才引進計劃，引進2000名左右人才，并有重點地支持一批能夠突破關鍵技術、發(fā)展高新產業(yè)、帶動新興學科的戰(zhàn)略科學家和領軍人才來華創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)。黃大年就是國家“千人計劃”的受益人之一。

2010年1月1日，應國家“千人計劃”第二批聘任計劃邀請，作為特聘專家，黃大年教授辭去英國劍橋航空地球物理研究中心高級研究員和研發(fā)部主任職位，回國擔任吉林大學地球探測科學與技術學院教授、博士生導師。四年來，黃大年一直致力于高科技人才培養(yǎng)和科研工作，建設國際一流研發(fā)團隊和基地，推動國家大型攻關項目立項、實施和管理。作為海歸高級專家的他不斷增加行業(yè)高技術層面的國際交流面和深度，擴大影響力；與此同時，他還不忘履行自己教書育人的責任，為人師表，為我國培養(yǎng)了眾多航空地球物理的尖端人才。

作為首席科學家，黃大年結合已經開展了兩年多的國家“深部探測技術與實驗研究專項”，抓住該項目中缺少自主研發(fā)儀器裝備部署的機會，迅速組織主要來自于中國科學院和高校系統(tǒng)的國家高層次優(yōu)秀科研人員近500多人，形成了跨學科和跨部門的聯合攻關團隊，為國家大型探測儀器裝備項目的立項工作做好了充足的準備。他帶領的“移動平臺探測科技創(chuàng)新團隊”入選了第一批國土資源科技創(chuàng)新團隊培育計劃。該團隊突破和掌握核心技術，為國家地球深部探測領域研發(fā)出大功率、高效率、高精度和高性能的地震勘探系統(tǒng)、電磁勘探系統(tǒng)、無人機探測系統(tǒng)、超深鉆探裝備和深探軟件平臺等多部大型探測儀器裝備。

懷揣中國夢“落葉歸根”踏上報效祖國之路

出生在廣西南寧一個普通教師家庭的黃大年，與同齡人一樣擁有上大學的夢想。1978年他如愿考上了長春地質學院(現合并為吉林大學)應用地球物理系，并在1986年順利獲得該校應用地球物理系碩士學位。黃大年胸懷投身科學的理想，在1992年國家教委“中英友好獎學金項目”全額資助下，他漂洋過海，到英國LEEDS大學地球科學系攻讀地球物理學博士學位。畢業(yè)后，他在英國從事高精度探測技術研究工作，隨后在英國導師的推薦下加入英國劍橋ARKeX航空地球物理公司，作為終生高級研究員從事航空和海洋地球物理探測儀器裝備研究、數據處理和綜合解釋方法和軟件技術研究和多參數空間數據鏈構建和維護工作，一待就是12年。

在英國，黃大年用勤奮和天賦在所在的專業(yè)領域里取得了突出的成績。他從事海洋和航空快速移動平臺高精度地球微重力和磁力場探測技術研究工作，并致力于將該項高效率探測技術服務于海陸大面積油氣和礦產資源勘探民用領域。他主要負責數據質量監(jiān)控技術和系統(tǒng)研發(fā)，全張量地球物理場數據處理及解釋方法研究以及相關軟件系統(tǒng)研發(fā)。他所研發(fā)的技術成果主要運用于對地下——對水下的隱伏目標精確探測以及深海油氣和礦產資源區(qū)塊勘探項目中。他主持研發(fā)的部分公開產品有二維和三維重磁震井聯合解釋軟件系統(tǒng)ARKFIELD、地球物理勘探風險分析系統(tǒng)等，其中多數產品已應用于中西方多家石油公司。

盡管早已獲得了數不清的榮譽及由此帶來的優(yōu)越生活條件，但漂泊在國外的黃大年一直關注著祖國的發(fā)展，他回國效力的愿望也越來越強烈。黃大年清楚地看到，隨著工業(yè)化、城鎮(zhèn)化速度加快，中國對資源的需求量急速增長，然而地表或淺層礦產發(fā)現的機會越來越小，因此資源勘查走向深部已成為必然。當今地球科學的發(fā)展對地球深部數據的依賴程度越來越高，深部探測水平的落后是中國地學研究水平、資源探測技術、災害預報能力落后的重要原因。黃大年意識到現在的中國處于轉型期，正在從科技強國向科技大國的方向發(fā)展，這正是國家最需要人才的時候。他說，大多數在外漂泊的中國人都有類似的祖國情懷和感恩情結，都有一種希望落葉歸根的心態(tài)，希望在人生發(fā)展果實累累的收獲季節(jié)回報祖國。因此，2010年12月25日，黃大年教授辭去了英國的工作，毅然決然地選擇攜妻子一起踏上回國的飛機。

“留學報國、振興中華”是每一位海外留學人員共同的中國夢，也是激勵一批又一批海外人才歸國創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)的精神支柱和不竭動力。“千人計劃”實施三年多來，2200余名各領域的頂尖人才回到中國，這無疑為中國尖端科學的發(fā)展注入了活力。從兒時的“大學夢”，到青年的“歐洲夢”，再到如今的“中國夢”，黃大年時刻謹記作為一名科研工作者的責任，他表示會努力加強科研梯隊建設，培養(yǎng)科技創(chuàng)新型人才，用智慧和堅韌托起東方的中國夢。

SinoProbe-09項目：自主研制萬米大陸科學鉆

黃大年與鉆機工作人員

從大學至今，黃大年博士致力于地球物理探測技術領域研究近34年，現如今，黃大年教授被吉林大學地球探測科學與技術學院聘為全職教授，從事教學和科研工作。同時，黃大年還擔任國家“地球深部探測技術與實驗研究專項”第九項目首席科學家，負責“深部探測”重型裝備研發(fā)工作。由他率領的“深部探測關鍵儀器裝備研制與實驗研究”項目所屬的“深部探測專項”在2011年被兩院院士評為“年度中國十大科技進展”；他還帶領創(chuàng)新團隊完成科技部863“十二五”主題項目若干。2011年黃大年獲得吉林大學“十一五”科技工作突出貢獻獎，2012年獲長春市勞動模范榮譽稱號、中國僑界貢獻獎“創(chuàng)新人才獎”，2014年獲吉林省勞動模范榮譽稱號。躊躇滿志的他，為國家深部探測工程計劃提供強大的技術支撐，在積極推進創(chuàng)新研發(fā)工作，擴大國際影響力方面不遺余力的貢獻自己的力量。

科研碩果累累讓“入地中國夢”照進現實

與國外相比，我國的深部探測起步比較晚，雖然經過建國后幾十年的發(fā)展，但對地下的研究幾乎還是一片空白，地震、火山等地質災害大多只能進行災后救援。資源缺口凸顯、地質災害頻發(fā)與落后的地球科學技術相并存的局面使得開展深部探測工程的訴求日益強烈。

回國后的黃大年擔任起“深部探測技術與實驗研究專項”第九項目“深部探測關鍵儀器裝備研制與實驗”的首席科學家，迅速組織來自于中國科學院和高校系統(tǒng)的國家高層次優(yōu)秀科研人員近500多人，形成跨學科和跨部門的聯合攻關團隊，開展國家大型探測儀器裝備項目的立項工作。“深部探測關鍵儀器裝備研制與實驗”作為公益性行業(yè)專項項目于2010年正式啟動，項目三年總預算額為3.26億元，該項目的啟動是吉林大學引進高端人才的成功范例，也吉林大學爭取大型項目歷史上國家投資額度最大，匯集我國高校、科研院所中高層次技術優(yōu)勢力量規(guī)模最廣的項目之一。黃教授介紹道，“深部探測關鍵儀器裝備研制與實驗”共有六個主要研究內容：（1）我國首臺超萬道無纜地震勘探系統(tǒng)；（2）我國首臺“超大功率陸地電磁勘探系統(tǒng)”；（3）我國首臺“智能化無人機航空地磁場探測系統(tǒng)”；（4）我國首部（亞洲第一）“萬米超深陸地科學鉆探裝備”；（5）我國首個“海量深探數據處理、解釋、建模一體化”大型軟件系統(tǒng)；（6）我國首個按照國際標準建設的“地學儀器裝備野外試驗示范基地”。

該項目著重攻關核心技術，扭轉高端裝備長期依賴進口和國外壟斷局面，對提升我國重型裝備在深部探測和找礦中的技術水平、為下階段更好地實施國家《地殼探測計劃》、促進能源和礦產資源勘探開發(fā)，提供了堅實基礎和技術支撐。

目前，SinoProbe-09進入結題驗收階段，總體進展順利，成果顯著，獲得了國內外同行和央視等大型媒體的極大關注和積極評價。SinoProbe入選由兩院院士評比的“2011年中國十大科技進展新聞”，并在2012年春晚科技頻道節(jié)目公布；入選“2012年度中國地質科學院十大科技進展特別進展”；入選由國土部、科技部、教育部、中科院、國家自然基金委25位院士組成的評委會選出的“中國地質學會2013年度十大地質科技進展”。在黃大年帶領下，“深部探測關鍵儀器裝備研制與實驗”項目利用軟件技術實現多數據和多信息融合分析，提高了探測目標發(fā)現率，減少勘探風險，為“地殼探測工程”提供技術支撐，推動我國深部探測和超深鉆探技術發(fā)展，促進地球科學觀測技術進步和地球科學理論創(chuàng)新。

作為首席專家，黃大年還負責策劃、協(xié)調和組織中國科學院、高校和軍工企業(yè)高科技資源形成高科技聯合攻關團隊；完成立項、執(zhí)行和管理科技部863“十二五”主題項目，開展軍民兩用敏感技術研究。作為863項目科研亮點，黃大年研發(fā)的軍民兩用某型號探測傳感器系統(tǒng)取得了重大突破，為加速發(fā)展我國高效率和高精度航空聯合探測技術奠定基礎。該項目中期匯報成果被有關專家和科技部領導評為“無論是中期或是將要取得的最終科研成果，都將是最能體現國家863項目特點的成果亮點，非常令人鼓舞”。

在高科技探測重點研究領域中的硬件方面，黃大年成功申請到國家大型項目支持，其研發(fā)的“智能化無人機搭載平臺”備受學界關注。在軟件方面，黃大年針對移動平臺多參數和海量探測數據以及發(fā)現隱伏目標難度等難點，研發(fā)了高效率和高分辨率處理解釋；針對計算機軟硬件環(huán)境，設計出面向地質對象的綜合數據處理解釋一體化軟件平臺，突破了跨操作系統(tǒng)平臺以及大型機并行計算、圖形圖像、數據庫管理和安全存儲等關鍵技術，實現了多方法、多功能、多領域專家信息融合。

不辱使命探測專項技術助中國挺進地心

中國所面臨的資源挑戰(zhàn)，是啟動深部探測工程的最大動因。黃大年在英國工作的近20年中，主要研究車載、艦載、機載和星載“快速移動平臺探測技術”。所謂“快速移動平臺探測技術”就是能夠高效率探測空間分布的重力場、磁場、電磁場、放射性能譜和光學現象等地球物理信息的技術手段，進一步揭示地下隱伏目標的信息處理技術和方法。在國內外，該技術已被廣泛用于大面積能源資源快速探測評價以及軍事探測工程和國防安全目的，尤其是近年發(fā)展的無人機探測技術，更是展示了其巨大的應用潛力，對完善國家資源分布戰(zhàn)略格局起到了關鍵性的推動作用。

從國家“千人計劃”的特聘專家到項目首席科學家，黃大年倍感肩上擔子的沉重，更深知這份責任和使命的重大。2010年，在國土資源部、科技部、教育部有關部門鼓勵支持下，作為學科帶頭人的黃大年組建了“吉林大學移動平臺探測技術研發(fā)中心”團隊。該團隊主要由15位中青年教師和6位博士后以及研究生組成，多數人員具有海外留學經歷且有從事攻關研究的扎實基礎。該團隊接受國際一流專家進行的封閉式高強度培訓和國際資質認證，系統(tǒng)性掌握與先進探測技術相關的研發(fā)思路和技能，充分利用所掌握的成功經驗，借鑒國際重大前沿技術運作過程和組織方式，加速團隊和研發(fā)的基礎建設，通過完善研發(fā)環(huán)境建設、技術裝備升級、組織形式以及規(guī)范化管理等方式，最終形成能夠面對各種挑戰(zhàn)的科研團隊。

該團隊突破國外技術封鎖，推進研發(fā)創(chuàng)新和集成創(chuàng)新軟硬件技術和配套產品，研發(fā)移動平臺探測集成裝備：（1）設計和研發(fā)新一代智能化無人機搭載平臺，研發(fā)、引進和集成先進的機載探測傳感器和相關設備，形成機載一體化高精度和高效率聯合探測系統(tǒng)；（2）針對與此相配套的海量探測數據處理和多元信息分析需求，充分利用計算機科學發(fā)展的最新技術，在大型集群機和微型機硬件設備上研發(fā)大型軟件分析平臺技術，面向三維地質目標,實現重、磁、電、震和井中探測多方法信息融合，減小勘探風險。研制出的探測裝備和軟件系統(tǒng)充分體現高效率、高精度、低成本、高發(fā)現率、多信息融合、以及提高解決實際地質問題的能力等各項指標。

目前，該團隊的科研建設和取得的上升能力獲得國內外同行積極評價。2013年6月，項目研發(fā)團隊入選了“第一批國土資源科技創(chuàng)新團隊培育計劃”，成為吉林大學唯一入選的科研隊伍。黃大年教授表示，科研人員應進一步完善和規(guī)范管理指標、技術配備、人員訓練和工程管理協(xié)調，以穩(wěn)健務實的科學態(tài)度，提升我國重型深部探測裝備研發(fā)的技術水平，為我國開展地球深部探測和深部找礦戰(zhàn)略計劃提供有效的技術支撐。

黃大年接受電視臺采訪

黃大年（右）與斯倫貝謝測井工程師

目前最直接的探測地球深部的手段是科學鉆探，科學鉆探是獲取地球深部物質、了解地球內部信息最直接、最有效和最可靠的方法，是地球科學發(fā)展不可缺少的重要支撐，也是解決人類社會發(fā)展面臨的資源、能源、環(huán)境等重大問題不可缺少的重要技術手段，被譽為人類的“入地望遠鏡”。深部大陸科學鉆探裝備的水平，一定程度上反映一個國家科技發(fā)達的程度。黃大年作為SinoProbe第九項目的負責人，將萬米鉆探項目列為其中的第五個研究課題。

團隊合影

我國多塊體多階段拼貼的地質構造演化歷史長，導致地殼的結構與組成十分復雜，地質地貌景觀差異巨大，加之大陸科學鉆探的能力有限，因此，鉆探深度成為深部探測中首要解決的科學難題?！把兄七m合復雜地層取心鉆進的多工藝鉆進方法的深部鉆探專用鉆機”成為黃大年帶領的第九項目組萬米鉆機研究團隊的目標。但實際上，根據立項時的計劃，鉆機的最初設計深度只是5000米。黃大年表示，在整個鉆探過程中，受巖石環(huán)境、溫度等影響，井孔剛打的時候很大，一周之后會因為巨大的壓力而縮小，并且“將我們想要的東西從地球深部10公里深度的地方拿出來，這并不容易。鉆桿在地面上看起來很硬，但到了那么遠的地方后，就像一根面條一樣，用這根面條頭把里面的芯取出來，很難。”

地殼深部探測工程迫切需要重型探測裝備技術，面對眾多復雜的技術難題，黃大年帶領吉林大學研發(fā)團隊夜以繼日地攻關克難，在不到兩年的時間研制出了“適合復雜地層取心鉆進、多工藝鉆進方法的深部鉆探專用鉆機”，并且在現有的石油鉆探設備基礎上，自主研發(fā)出數套關鍵技術。“地殼一號”萬米大陸科學鉆機的研制是吉林大學所承擔的“深部探測技術與實驗研究專項”中“深部大陸科學鉆探裝備研制與實驗”子課題的重要組成部分，科研人員通過對全液壓頂驅動、仿生鉆頭等裝置的攻關，獲得了我國首臺自主研發(fā)和生產的萬米超深科學鉆探裝備。據悉，“地殼一號”實現了所有部件國產化，整套裝備高60米、重1000噸、占地約1萬平方米，該鉆機在深部鉆探全液壓鉆機整機設計理論、裝備制造及配套鉆具研制、數字化設計、智能化與自動化鉆進裝備等領域實現了重大突破。2011年“地殼一號”萬米大陸科學鉆探鉆機主體在四川誕生并順利通過驗收，成為國內最大的大陸科學鉆探鉆機。自此，我們向地球深部又邁入了一大步。

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“吉林大學移動平臺探測技術研發(fā)中心”成立背景及團隊介紹

我國疆域幅員遼闊，蘊藏豐富礦產資源，為國民經濟持續(xù)高速度發(fā)展提供了潛在資源儲備。然而，在復雜環(huán)境條件下有效實施大面積資源勘探調查實現重大找礦突破目標，迫切需要一系列先進的科學探測技術手段形成有效的技術支撐。

在此需求背景下，2010年10月，在國土資源部、科技部、教育部有關部門鼓勵支持下，由吉林大學引進的“千人計劃”國家特聘專家黃大年和殷長春教授牽頭，聯合校內其它相關學科優(yōu)勢科研力量、成立了“吉林大學移動平臺探測技術研發(fā)中心”。在中心主要負責人黃大年教授和殷長春教授等人的積極組織下成立了一支強有力、高精尖的研發(fā)團隊，團隊成員主要由具有豐富經驗的國際一流的資深專家按學科方向進行分類和協(xié)調引領，由年青的高學歷教師和工程師按梯次配備形成高效率技術組合，同時包括吸引有科研潛力的研究生加入到技術組合中。團隊中的多數成員具有長期和短期在海外留學和技術合作經歷，具有從事“移動平臺技術”研究和技術攻關的經驗，由此奠定了能夠迅速掌握全套敏感性技術的人員基礎條件。中心團隊承擔的“深部探測技術與實驗研究專項”（簡稱SinoProbe）取得了重大突破，入選由國土部、科技部、教育部、中科院、國家自然基金委25位院士組成的評委會選出的“中國地質學會2013年度十大地質科技進展”。目前SinoProbe已進入結題驗收階段。

黃大年