物化探仪器自主研发的“金光大道”

——中国地质科学院物化探研究所打造自主装备技术体系综述
　　
　　金光道，河北省廊坊市的一条大道。中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所就坐落在这条大道上。
　　
　　9月6日~8日，由中国地质调查局、中国矿业联合会地质与矿山装备分会、中国地质装备总公司主办的第四届中国(北京)国际地质技术装备展览会暨论坛在北京举行。作为参展单位之一，物化探所将带着自主研发的、代表我国地球物理装备最高水平的物化探系列装备参展。该所初步形成了具有我国自主知识产权的成套物化探装备和方法技术，推动我国的地球物理地球化学事业走上了快速发展的金光大道。为深入了解该所地球物理地球化学装备的研发情况，笔者采访了物化探所所长、党委书记韩子夜，请他介绍该所物化探仪器研发的历程。
　　
　　自1957年成立以来，物化探所就以解决我国地质找矿物化探方法技术为己任，根据国家对煤、铁、有色金属等多种矿藏的需求，先后研发了电、磁、重、震、放等系列地球物理勘探方法技术及相关仪器设备，在近乎一片空白的情况下，研发出了空中、地面、地下三大系列地球物理勘探装备，而大功率高分辨率多功能阵列式电磁法系统、三分量高温超导磁强计等更是成功突破了关键零部件、关键技术制约，为实现找矿突破准备了一套套利器。在保证我国地球物理装备总体跟上国际发展步伐的基础上，一些装备在技术性能、适应性等方面，还高于国际主流厂商生产的产品。
　　
　　勘查地球化学无论是在调查技术、分析测试元素、分析测试仪器和技术、地球化学标准物质研制等方面，还是在调查面积和找矿效果上，一直处于国际领先水平。在中国地质调查局的组织下，还成功将勘查地球化学的方法技术应用于农业、环境等领域，形成的有关调查技术方法，对解决人类面临的资源与环境两大现实课题，乃至正在探索的生态文明建设，都具有积极的借鉴意义。
　　
　　理念——
　　
　　以满足现实需要为己任
　　
　　在谈到所取得的这些成绩时，韩子夜用一句话进行了概括，即主要得益于确立了以满足现实需要为己任的研发理念。
　　
　　他说，物化探所成立后，这一理念一直贯穿于科研工作的始终。虽然在研发过程经历了从单台仪器到系统集成、配套方法技术逐步完善的过程，但以满足现实需要为己任的理念始终没变，就是地球物理学科发展和找矿突破需要什么装备和技术，物化探所就研发什么。现在，在全面总结这一经验的基础上，物化探所又确立了“研、学、产、用”一体化发展的思路，以更好地满足学科发展和找矿突破的现实需要，为学科发展和找矿突破提供更好的技术支撑。
　　
　　韩子夜以去年底通过工业化样机性能指标测试的大功率多功能电磁法系统的研发历程为例，对这一理念进行了说明。
　　
　　据他介绍，根据国际电法仪器发展的实际和国内找矿的现实需要，物化探所于1991年提出了开展天然场电法仪研制的设想，并于1992年正式开展了研发工作。在研发的过程中，研发团队从满足野外地质工作的实际需要，提高野外地质工作效率出发，先后对原型机进行了多次更新升级：如为了提高数据采集效率和质量以及野外的适应性，先后研发了有线、无线以及GPS与高精度石英钟的混合同步技术；为了满足发掘第二找矿空间潜力的需要，研发了高电压、大电流供电技术；为了提升仪器的整体功能，将AMT、SIP、CSAMT等方法技术进行了集成；为提高生产单位数据解译的效率，先后开展了音频大地电磁测深、可控源音频大地电磁测深、频谱激电测量的二三维正反演理论研究与算法等研究，初步构建了多功能电磁探测观测数据资料的解释软件系统。
　　
　　韩子夜说，回顾航空物探工作站的研发历程同样可以发现，满足现实需要的理念贯穿于研发始终。建所伊始至1962年，物化探所便研制成功我国第一台大型航空物探仪器——402型△T饱和式航磁仪并投入物探勘查工作。此后科研人员不断根据现实需要对仪器进行更新改进，研制成功由Y-5翼尖硬架式航电系统和航磁仪组装成的HDY-202单频航空电磁/磁综合测量站。1980年，该所研制成功安装在国产Y-11飞机上的HDY-301双频翼尖硬架式航电系统，仪器的主要技术指标达到当时同类仪器的国际先进水平。1981年~1991年，研究人员将Y-11双频翼尖硬架式航电系统与航磁仪组装成Y-11航空电磁/磁综合测量站，成为国内唯一应用于科研和较长期承担正式勘查任务的全部国产化的航空物探(电磁/磁)综合测量站，平均年飞行一万测线千米左右。1998年，物化探所研发的三频翼尖硬架式航电系统〔Y-11B(电/磁)综合站〕、VLF系统以及与此配套的航空物探(三频电磁/VLF电磁/磁)综合测量站数据处理软件系统又投入勘查飞行，取得良好找矿效果，有力地促进了地质找矿生产工作，显示了航空电法的广阔应用前景。就这样，物化探所的技术团队始终没有停止研发的步伐，始终跟踪综合站的使用情况，及时了解生产单位在使用中遇到的困难和问题，研究找矿对航空物探装备的需要，先后开发了航磁仪、单频航空电磁系统、双频和三频航空电磁系统、电/磁/放综合测量系统等设备，并以此为基础，在突破频率域航空电磁系统技术难题后，现在由他们自主研发的时间域航空电磁系统也已进入最后冲刺阶段；在实现固定翼航空器搭载成功后，现在已着手开发直升机、无人机搭载的科研技术攻关，并取得实质性进展。
　　
　　“以满足需要为己任，其实就是自我加压、不断创新的过程。”韩子夜说，“也正因为坚持了这一理念，才使物化探所成为我国地球物理地球化学从装备研发系统集成，从硬件生产到软件配套的成套方案提供者。”
　　
　　创新——
　　
　　让国产装备性能更好
　　
　　坚持满足现实需要理念，目前，物化探所在物探装备的研发上，已基本形成了以电/磁/放综合站为主的航空物探装备系列，以大功率高分辨率多功能阵列式电磁法系统、瞬变电磁系统、三分量高温超导磁强计等为主的地面物探装备系列，以地下电磁波CT系统、无线电波坑道透视仪等为主的地下物探装备三大物探装备系列，以及塞曼测汞仪、全自动进样氢化物发生双道原子荧光光度计等为主的化探装备系列。
　　
　　四大系列装备的成功研发，在为我国地球物理地球化学学科和找矿突破提供坚实支撑的同时，也使我国的同类地质装备在总体性能上跟上了国际发展潮流，有些装备的相关指标还超过国际同类主流装备的技术水平。
　　
　　其中，大功率高分辨率多功能阵列式电磁法系统、电磁放航空物探综合站、三分量高温超导磁强计、地下电磁波CT系统、无线电波坑道透视仪等装备，物化探所均为我国唯一的研发生产单位。
　　
　　大功率高分辨率多功能阵列式电磁法系统与国外同类仪器相比，具有测量深度更大、同步手段更为丰富、频率更宽、实现天然场和人工场混合测量等优势；电/磁/放航空物探综合站在经过进一步改进后，现已基本实现无人机和直升机搭载，在更为贴近地面飞行后将大大提高探测灵敏度和深度；频率域激发极化普查型幅相仪一次观测可同时获取频、时两域多激电参数，既轻便又高效，远领先于国外同类仪器；高温超导磁强计的成功研发，使我国成为目前世界上仅有的两个能生产同类产品的国家，在地球物理勘查中的应用实践证明，这一产品较国外产品具有更好的适配性、更加灵敏的低阻区采集性能，也使我国在高温超导磁强计研制及应用研究领域居世界领先地水平；瞬变电磁系统可实现重叠回线、大定源、偶极等多种装置的测量，具有高密度、高分辨率、大动态范围快速采样，测量精度高等特点。
　　
　　谈到这些成绩，韩子夜认为，关键一点就是科技人员在研发中敢于创新、勇于创新。
　　
　　以地下物探仪器地下电磁波CT系统和无线电波坑道透视仪为例，自上世纪60年代开始研发至今，物化探所先后与国内几十家科研单位、高等院校和生产单位紧密配合，开展了跨孔电磁波层析技术的创新研究，研究内容涉及理念分析、模式实验、仪器制造、层析算法、软件研制、解释和应用等多个方面。经过持续不断的技术创新，系统已由当初的1型更新升级到现在的6型，各项性能指标都得到大幅度提升。
　　
　　在进行装备研发创新的同时，该所还进行了适用范围的创新探索。现在，除在金属矿床勘探中得到广泛应用外，在他们的指导推广下，这二大系统已广泛应用到采煤工作面的采前预报、城建地质、水文地质、工程地质、环境地质和考古等众多领域。
　　
　　以地下坑道透视仪为例，在进行井下采掘工作面设计时，能够提前弄清采区断层、陷落柱、岩石岩性等地质状况，井巷的布置就会更为科学合理。河北唐山某煤矿在物化探所科研人员的指导下，就利用坑道透视仪准确检测到预采工作面的水包、气包等情况，从而避免了井下透水、瓦斯突出事故的发生。
　　
　　“尽管受地下地质条件的影响，坑道透视仪对地下断层、水包、气包的检出率还不是特别高，但只要加强相关的基础研究、信息解释研究，再据此进行产品性能提升，利用这一装备提前弄清预采工作面的情况是完全可能的。”负责产品应用转化的物化探所开元公司经理高一峰说，“而这一产品在煤炭生产企业的推广应用，将大大节省前期生产投资及事故救援投资，提高安全生产的能力。”
　　
　　孵化——
　　
　　让成套方案变成现实生产力
　　
　　瞄准现实需要搞研发，使物化探所的一个个装备研发室变成了科技成果转化的孵化器，且这种转化贯穿于装备升级更新的全过程。
　　
　　以航空电磁系统为例，当这一系统在上世纪80年代还在Y11时代时，利用这一系统在山东半岛开展了1∶5万航空电磁综合站测量，圈定的航空电磁异常(带)就多达数百个。截至1989年，山东地矿局、武警黄金部队等单位对这些异常开展了地面查证。其中，山东地矿部门共检查航空电磁异常(带)19个，3处见金矿、1处见金矿化，见矿率达到了17%，发现一个8吨的中型金矿床；武警黄金部队共检查航空电磁异常(带)23处，见矿10处，见矿率为43%，其中找到中型金矿1个。
　　
　　大功率高分辨率多功能阵列式电磁法系统在尚未投入工业化生产前，就已被用来直接进行金矿区勘查钻孔的设计。内蒙古一家地勘单位在陈家杖子矿区先后进行多年地质工作，打了多个钻孔，但仅发现近地表矿化。物化探所的科研人员带着尚未完全定型的大功率高分辨率多功能阵列式电磁法系统赶赴矿区，根据系统提供的信息设计了600米深的钻孔孔位。按照新的设计钻孔施工后，这家地勘单位在310米~350米处钻遇近40米厚金矿体，金最高品位达25克/吨，平均品位也达4克/吨。在这一成果鼓励下，这家地勘单位继续钻进，直到超过设计深度100米后才停钻。结果显示，在地下350米~700米内，连续钻遇多个薄层高品位金矿体。
　　
　　在产品定型后，物化探所为了尽快将科研成果转化为现实生产力，先后探索了两种成果转化的孵化模式。
　　
　　一是内部市场化运作的孵化推广模式。为及时将自主研发的装备推向市场，形成现实生产力，物化探所以原有的试验生产工厂为主体，组建了廊坊开元高技术开发公司，在承担有关物化探专用仪器研制的同时，从事市场推广和产品销售、售后服务与技术支持，并利用自己在装备研发、技术上的优势，开展从水、工、环地质勘查技术服务，到地质灾害危险性评估、地下资源勘探技术服务等业务，初步构建了“研、学、产、用”一体化的孵化平台。
　　
　　借助这一平台，物化探所先后将自主研发的XGY系列原子荧光光度计、XG系列塞曼测汞仪、CBT系列便携式探矿磁力仪、WKT系列无线电波坑道透视仪、地温仪、XBG系列光导式比色计、JQW系列井中无线电波透视仪、WDC系列瞬变电磁仪、DST系列井下声波仪、大地岩性测探仪等装备推向市场。据不完全统计，自物化探所开元公司设立以来，物化探所已向市场推广1100余套产品，让分布于地勘、海洋、煤炭、有色金属、城市给排水、食品、出入境检验检疫局、制药等行业的上百家单位分享了他们的成果所带来的实惠与便利。其中，仅XBG-2型光导比色计就在地勘单位推广应用400多台，大大缩短了找矿单位在野外对化探异常找矿前景的评价周期。
　　
　　二是专业厂家孵化推广模式。大功率高分辨率多功能阵列式电磁法系统通过测试后，物化探所与中国地质装备总公司签订战略合作协议，由专业地质仪器生产厂家负责产品的生产、市场推广及销售，物化探所负责提供技术支撑，实现了双方优势的互补：厂家利用自己的产品销售渠道、市场推广经验，进行更有效的产品推广；物化探所的科研人员则根据找矿的现实需要、电磁法技术发展的趋势，专心进行产品的升级及配套软件的研发。
　　
　　谋划——
　　
　　瞄准世界前沿描绘未来
　　
　　进入“十二五”后，我国经济社会发展将继续保持较高的速度，对资源的刚性需求也将继续保持一定的强度。地质找矿要实现重大突破，地质装备的研发面临新的挑战，即在向更深更难更险的空间或地域发展要矿产资源的努力中，对找矿方法技术手段的支撑也提出了更新更高的要求。
　　
　　韩子夜说，在全面分析这一形势后，全所上下已凝聚成共识，即今后将继续坚持国家需求为主线，加大对地球物理地球化学成套装备和方法技术的研发力度，在学科发展和找矿突破战略行动中发挥好支撑和引领作用。在开展研发的同时，继续做好成果转化，将物化探所打造成我国地球物理地球化学成套装备和方法技术的集散地和辐射源，以适应我国地质工作从传统向现代、从单一向综合、从二维向三维转变的形势。
　　
　　为此，在未来的发展中，物化探所在物探领域将重点发展分布式、抗干扰、高密度的混场源电磁数据采集技术、三维数据反演解释和可视化技术，建立实时的三维电法勘探技术系统，充分发挥最新科学技术对地质调查现代化的技术引领和支撑作用；开展分布式多参数高密度三维电磁探测系统的研发，进一步提高电法仪探测深度和空间分辨率，以期更精确刻画地下目标体，在地球物理电磁法勘查技术领域争取取得更大的成绩；在化探领域，将重点开展地球化学基准值与地球化学填图技术、穿透覆盖层的地球化学勘查新方法新技术、生态环境地球化学、土壤碳循环与全球变化、特殊景观区区域地球调查技术、油气地球化学勘查技术、特殊矿种矿床和近海地球化学勘查、隐伏矿/盲矿地球化学勘查技术、地球化学样品分析测试与标准物质研制技术等研究。
　　
　　韩子夜表示，在全所的共同努力下，物化探所在未来一定会形成更多的新成果，对我国地球物理地球化学的发展和找矿突破战略行动、358目标的实现，提供更多更丰富的成套解决方案。