地球深部探测技术助中国挺进地心——访吉林大学国家“千人计划”特聘专家黄大年教授

◎文/丁玉路 胡少雄

20世纪80年代，美国、欧洲、澳大利亚先后发起了COCORP地壳探测计划、美国地球透镜计划、欧洲深部探测计划和玻璃地球计划等。通过第一轮地壳探测，美国已制作出美洲大陆6万公里地壳的反射地震剖面，而中国通过地壳探测完成了5000公里的剖面，只占美国的1/12。但是，随着中国科技水平的不断提高，神舟系列飞船发射和深海潜水器“蛟龙号”7000米海试的成功，中国人逐渐实现了“上可九天揽月，下可五洋捉鳖”的梦想。由此可见，提高“入地技术”变得尤为重要。

2006年，国务院发布《关于加强地质工作的决定》，其中明确提出“实施地壳探测工程，提高地球认知、资源勘查和灾害预警水平”，堪称中国地壳探测工程的转折点。2008年，在财政部、科技部支持下，国土资源部正式启动“深部探测技术与实验研究”专项，投入经费高达12.54亿元。作为我国入地计划的先锋，“深部探测技术与实验研究”专项取得了重大进展。据了解，深部探测技术与实验研究共设置9个专项，分别是大陆电磁参数标准网实验研究、深部探测技术实验与集成、深部矿产资源立体探测及实验研究、地壳全元素探测技术与实验示范、大陆科学钻探选址与钻探实验、地应力测量与监测技术实验研究、岩石圈三维结构与动力学数值模拟、深部探测综合集成与数据管理、深部探测关键仪器装备研制与实验。

SinoProbe-09项目：自主研发超导无人机

为了推动科研项目的顺利进行，2008年12月，中共中央办公厅下发《中央人才工作协调小组关于实施海外高层次人才引进计划的意见》，决定实施“千人计划”，引进一批专业人才，即从2008年开始，用5-10年时间，在国家重点创新项目，重点学科，重点实验室、企业和金融机构，以及高新技术产业开发区为主的各类园区等，统筹资源、完善政策、健全机制，组织实施海外高层次人才引进计划，引进2000名左右人才，并有重点地支持一批能够突破关键技术、发展高新产业、带动新兴学科的战略科学家和领军人才来华创新创业。黄大年就是国家“千人计划”的受益人之一。

2010年1月1日，应国家“千人计划”第二批聘任计划邀请，作为特聘专家，黄大年教授辞去英国剑桥航空地球物理研究中心高级研究员和研发部主任职位，回国担任吉林大学地球探测科学与技术学院教授、博士生导师。四年来，黄大年一直致力于高科技人才培养和科研工作，建设国际一流研发团队和基地，推动国家大型攻关项目立项、实施和管理。作为海归高级专家的他不断增加行业高技术层面的国际交流面和深度，扩大影响力；与此同时，他还不忘履行自己教书育人的责任，为人师表，为我国培养了众多航空地球物理的尖端人才。

作为首席科学家，黄大年结合已经开展了两年多的国家“深部探测技术与实验研究专项”，抓住该项目中缺少自主研发仪器装备部署的机会，迅速组织主要来自于中国科学院和高校系统的国家高层次优秀科研人员近500多人，形成了跨学科和跨部门的联合攻关团队，为国家大型探测仪器装备项目的立项工作做好了充足的准备。他带领的“移动平台探测科技创新团队”入选了第一批国土资源科技创新团队培育计划。该团队突破和掌握核心技术，为国家地球深部探测领域研发出大功率、高效率、高精度和高性能的地震勘探系统、电磁勘探系统、无人机探测系统、超深钻探装备和深探软件平台等多部大型探测仪器装备。

怀揣中国梦“落叶归根”踏上报效祖国之路

出生在广西南宁一个普通教师家庭的黄大年，与同龄人一样拥有上大学的梦想。1978年他如愿考上了长春地质学院(现合并为吉林大学)应用地球物理系，并在1986年顺利获得该校应用地球物理系硕士学位。黄大年胸怀投身科学的理想，在1992年国家教委“中英友好奖学金项目”全额资助下，他漂洋过海，到英国LEEDS大学地球科学系攻读地球物理学博士学位。毕业后，他在英国从事高精度探测技术研究工作，随后在英国导师的推荐下加入英国剑桥ARKeX航空地球物理公司，作为终生高级研究员从事航空和海洋地球物理探测仪器装备研究、数据处理和综合解释方法和软件技术研究和多参数空间数据链构建和维护工作，一待就是12年。

在英国，黄大年用勤奋和天赋在所在的专业领域里取得了突出的成绩。他从事海洋和航空快速移动平台高精度地球微重力和磁力场探测技术研究工作，并致力于将该项高效率探测技术服务于海陆大面积油气和矿产资源勘探民用领域。他主要负责数据质量监控技术和系统研发，全张量地球物理场数据处理及解释方法研究以及相关软件系统研发。他所研发的技术成果主要运用于对地下——对水下的隐伏目标精确探测以及深海油气和矿产资源区块勘探项目中。他主持研发的部分公开产品有二维和三维重磁震井联合解释软件系统ARKFIELD、地球物理勘探风险分析系统等，其中多数产品已应用于中西方多家石油公司。

尽管早已获得了数不清的荣誉及由此带来的优越生活条件，但漂泊在国外的黄大年一直关注着祖国的发展，他回国效力的愿望也越来越强烈。黄大年清楚地看到，随着工业化、城镇化速度加快，中国对资源的需求量急速增长，然而地表或浅层矿产发现的机会越来越小，因此资源勘查走向深部已成为必然。当今地球科学的发展对地球深部数据的依赖程度越来越高，深部探测水平的落后是中国地学研究水平、资源探测技术、灾害预报能力落后的重要原因。黄大年意识到现在的中国处于转型期，正在从科技强国向科技大国的方向发展，这正是国家最需要人才的时候。他说，大多数在外漂泊的中国人都有类似的祖国情怀和感恩情结，都有一种希望落叶归根的心态，希望在人生发展果实累累的收获季节回报祖国。因此，2010年12月25日，黄大年教授辞去了英国的工作，毅然决然地选择携妻子一起踏上回国的飞机。

“留学报国、振兴中华”是每一位海外留学人员共同的中国梦，也是激励一批又一批海外人才归国创新创业的精神支柱和不竭动力。“千人计划”实施三年多来，2200余名各领域的顶尖人才回到中国，这无疑为中国尖端科学的发展注入了活力。从儿时的“大学梦”，到青年的“欧洲梦”，再到如今的“中国梦”，黄大年时刻谨记作为一名科研工作者的责任，他表示会努力加强科研梯队建设，培养科技创新型人才，用智慧和坚韧托起东方的中国梦。

SinoProbe-09项目：自主研制万米大陆科学钻

黄大年与钻机工作人员

从大学至今，黄大年博士致力于地球物理探测技术领域研究近34年，现如今，黄大年教授被吉林大学地球探测科学与技术学院聘为全职教授，从事教学和科研工作。同时，黄大年还担任国家“地球深部探测技术与实验研究专项”第九项目首席科学家，负责“深部探测”重型装备研发工作。由他率领的“深部探测关键仪器装备研制与实验研究”项目所属的“深部探测专项”在2011年被两院院士评为“年度中国十大科技进展”；他还带领创新团队完成科技部863“十二五”主题项目若干。2011年黄大年获得吉林大学“十一五”科技工作突出贡献奖，2012年获长春市劳动模范荣誉称号、中国侨界贡献奖“创新人才奖”，2014年获吉林省劳动模范荣誉称号。踌躇满志的他，为国家深部探测工程计划提供强大的技术支撑，在积极推进创新研发工作，扩大国际影响力方面不遗余力的贡献自己的力量。

科研硕果累累让“入地中国梦”照进现实

与国外相比，我国的深部探测起步比较晚，虽然经过建国后几十年的发展，但对地下的研究几乎还是一片空白，地震、火山等地质灾害大多只能进行灾后救援。资源缺口凸显、地质灾害频发与落后的地球科学技术相并存的局面使得开展深部探测工程的诉求日益强烈。

回国后的黄大年担任起“深部探测技术与实验研究专项”第九项目“深部探测关键仪器装备研制与实验”的首席科学家，迅速组织来自于中国科学院和高校系统的国家高层次优秀科研人员近500多人，形成跨学科和跨部门的联合攻关团队，开展国家大型探测仪器装备项目的立项工作。“深部探测关键仪器装备研制与实验”作为公益性行业专项项目于2010年正式启动，项目三年总预算额为3.26亿元，该项目的启动是吉林大学引进高端人才的成功范例，也吉林大学争取大型项目历史上国家投资额度最大，汇集我国高校、科研院所中高层次技术优势力量规模最广的项目之一。黄教授介绍道，“深部探测关键仪器装备研制与实验”共有六个主要研究内容：（1）我国首台超万道无缆地震勘探系统；（2）我国首台“超大功率陆地电磁勘探系统”；（3）我国首台“智能化无人机航空地磁场探测系统”；（4）我国首部（亚洲第一）“万米超深陆地科学钻探装备”；（5）我国首个“海量深探数据处理、解释、建模一体化”大型软件系统；（6）我国首个按照国际标准建设的“地学仪器装备野外试验示范基地”。

该项目着重攻关核心技术，扭转高端装备长期依赖进口和国外垄断局面，对提升我国重型装备在深部探测和找矿中的技术水平、为下阶段更好地实施国家《地壳探测计划》、促进能源和矿产资源勘探开发，提供了坚实基础和技术支撑。

目前，SinoProbe-09进入结题验收阶段，总体进展顺利，成果显著，获得了国内外同行和央视等大型媒体的极大关注和积极评价。SinoProbe入选由两院院士评比的“2011年中国十大科技进展新闻”，并在2012年春晚科技频道节目公布；入选“2012年度中国地质科学院十大科技进展特别进展”；入选由国土部、科技部、教育部、中科院、国家自然基金委25位院士组成的评委会选出的“中国地质学会2013年度十大地质科技进展”。在黄大年带领下，“深部探测关键仪器装备研制与实验”项目利用软件技术实现多数据和多信息融合分析，提高了探测目标发现率，减少勘探风险，为“地壳探测工程”提供技术支撑，推动我国深部探测和超深钻探技术发展，促进地球科学观测技术进步和地球科学理论创新。

作为首席专家，黄大年还负责策划、协调和组织中国科学院、高校和军工企业高科技资源形成高科技联合攻关团队；完成立项、执行和管理科技部863“十二五”主题项目，开展军民两用敏感技术研究。作为863项目科研亮点，黄大年研发的军民两用某型号探测传感器系统取得了重大突破，为加速发展我国高效率和高精度航空联合探测技术奠定基础。该项目中期汇报成果被有关专家和科技部领导评为“无论是中期或是将要取得的最终科研成果，都将是最能体现国家863项目特点的成果亮点，非常令人鼓舞”。

在高科技探测重点研究领域中的硬件方面，黄大年成功申请到国家大型项目支持，其研发的“智能化无人机搭载平台”备受学界关注。在软件方面，黄大年针对移动平台多参数和海量探测数据以及发现隐伏目标难度等难点，研发了高效率和高分辨率处理解释；针对计算机软硬件环境，设计出面向地质对象的综合数据处理解释一体化软件平台，突破了跨操作系统平台以及大型机并行计算、图形图像、数据库管理和安全存储等关键技术，实现了多方法、多功能、多领域专家信息融合。

不辱使命探测专项技术助中国挺进地心

中国所面临的资源挑战，是启动深部探测工程的最大动因。黄大年在英国工作的近20年中，主要研究车载、舰载、机载和星载“快速移动平台探测技术”。所谓“快速移动平台探测技术”就是能够高效率探测空间分布的重力场、磁场、电磁场、放射性能谱和光学现象等地球物理信息的技术手段，进一步揭示地下隐伏目标的信息处理技术和方法。在国内外，该技术已被广泛用于大面积能源资源快速探测评价以及军事探测工程和国防安全目的，尤其是近年发展的无人机探测技术，更是展示了其巨大的应用潜力，对完善国家资源分布战略格局起到了关键性的推动作用。

从国家“千人计划”的特聘专家到项目首席科学家，黄大年倍感肩上担子的沉重，更深知这份责任和使命的重大。2010年，在国土资源部、科技部、教育部有关部门鼓励支持下，作为学科带头人的黄大年组建了“吉林大学移动平台探测技术研发中心”团队。该团队主要由15位中青年教师和6位博士后以及研究生组成，多数人员具有海外留学经历且有从事攻关研究的扎实基础。该团队接受国际一流专家进行的封闭式高强度培训和国际资质认证，系统性掌握与先进探测技术相关的研发思路和技能，充分利用所掌握的成功经验，借鉴国际重大前沿技术运作过程和组织方式，加速团队和研发的基础建设，通过完善研发环境建设、技术装备升级、组织形式以及规范化管理等方式，最终形成能够面对各种挑战的科研团队。

该团队突破国外技术封锁，推进研发创新和集成创新软硬件技术和配套产品，研发移动平台探测集成装备：（1）设计和研发新一代智能化无人机搭载平台，研发、引进和集成先进的机载探测传感器和相关设备，形成机载一体化高精度和高效率联合探测系统；（2）针对与此相配套的海量探测数据处理和多元信息分析需求，充分利用计算机科学发展的最新技术，在大型集群机和微型机硬件设备上研发大型软件分析平台技术，面向三维地质目标,实现重、磁、电、震和井中探测多方法信息融合，减小勘探风险。研制出的探测装备和软件系统充分体现高效率、高精度、低成本、高发现率、多信息融合、以及提高解决实际地质问题的能力等各项指标。

目前，该团队的科研建设和取得的上升能力获得国内外同行积极评价。2013年6月，项目研发团队入选了“第一批国土资源科技创新团队培育计划”，成为吉林大学唯一入选的科研队伍。黄大年教授表示，科研人员应进一步完善和规范管理指标、技术配备、人员训练和工程管理协调，以稳健务实的科学态度，提升我国重型深部探测装备研发的技术水平，为我国开展地球深部探测和深部找矿战略计划提供有效的技术支撑。

黄大年接受电视台采访

黄大年（右）与斯伦贝谢测井工程师

目前最直接的探测地球深部的手段是科学钻探，科学钻探是获取地球深部物质、了解地球内部信息最直接、最有效和最可靠的方法，是地球科学发展不可缺少的重要支撑，也是解决人类社会发展面临的资源、能源、环境等重大问题不可缺少的重要技术手段，被誉为人类的“入地望远镜”。深部大陆科学钻探装备的水平，一定程度上反映一个国家科技发达的程度。黄大年作为SinoProbe第九项目的负责人，将万米钻探项目列为其中的第五个研究课题。

团队合影

我国多块体多阶段拼贴的地质构造演化历史长，导致地壳的结构与组成十分复杂，地质地貌景观差异巨大，加之大陆科学钻探的能力有限，因此，钻探深度成为深部探测中首要解决的科学难题。“研制适合复杂地层取心钻进的多工艺钻进方法的深部钻探专用钻机”成为黄大年带领的第九项目组万米钻机研究团队的目标。但实际上，根据立项时的计划，钻机的最初设计深度只是5000米。黄大年表示，在整个钻探过程中，受岩石环境、温度等影响，井孔刚打的时候很大，一周之后会因为巨大的压力而缩小，并且“将我们想要的东西从地球深部10公里深度的地方拿出来，这并不容易。钻杆在地面上看起来很硬，但到了那么远的地方后，就像一根面条一样，用这根面条头把里面的芯取出来，很难。”

地壳深部探测工程迫切需要重型探测装备技术，面对众多复杂的技术难题，黄大年带领吉林大学研发团队夜以继日地攻关克难，在不到两年的时间研制出了“适合复杂地层取心钻进、多工艺钻进方法的深部钻探专用钻机”，并且在现有的石油钻探设备基础上，自主研发出数套关键技术。“地壳一号”万米大陆科学钻机的研制是吉林大学所承担的“深部探测技术与实验研究专项”中“深部大陆科学钻探装备研制与实验”子课题的重要组成部分，科研人员通过对全液压顶驱动、仿生钻头等装置的攻关，获得了我国首台自主研发和生产的万米超深科学钻探装备。据悉，“地壳一号”实现了所有部件国产化，整套装备高60米、重1000吨、占地约1万平方米，该钻机在深部钻探全液压钻机整机设计理论、装备制造及配套钻具研制、数字化设计、智能化与自动化钻进装备等领域实现了重大突破。2011年“地壳一号”万米大陆科学钻探钻机主体在四川诞生并顺利通过验收，成为国内最大的大陆科学钻探钻机。自此，我们向地球深部又迈入了一大步。

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“吉林大学移动平台探测技术研发中心”成立背景及团队介绍

我国疆域幅员辽阔，蕴藏丰富矿产资源，为国民经济持续高速度发展提供了潜在资源储备。然而，在复杂环境条件下有效实施大面积资源勘探调查实现重大找矿突破目标，迫切需要一系列先进的科学探测技术手段形成有效的技术支撑。

在此需求背景下，2010年10月，在国土资源部、科技部、教育部有关部门鼓励支持下，由吉林大学引进的“千人计划”国家特聘专家黄大年和殷长春教授牵头，联合校内其它相关学科优势科研力量、成立了“吉林大学移动平台探测技术研发中心”。在中心主要负责人黄大年教授和殷长春教授等人的积极组织下成立了一支强有力、高精尖的研发团队，团队成员主要由具有丰富经验的国际一流的资深专家按学科方向进行分类和协调引领，由年青的高学历教师和工程师按梯次配备形成高效率技术组合，同时包括吸引有科研潜力的研究生加入到技术组合中。团队中的多数成员具有长期和短期在海外留学和技术合作经历，具有从事“移动平台技术”研究和技术攻关的经验，由此奠定了能够迅速掌握全套敏感性技术的人员基础条件。中心团队承担的“深部探测技术与实验研究专项”（简称SinoProbe）取得了重大突破，入选由国土部、科技部、教育部、中科院、国家自然基金委25位院士组成的评委会选出的“中国地质学会2013年度十大地质科技进展”。目前SinoProbe已进入结题验收阶段。

黄大年