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    熊盛青准备上飞机执行珠峰高程航空重力和遥感综合测量任务

    熊盛青

    教授级高级工程师,博士研究生导师,现任中国自然资源航空物探遥感中心首席科学家,我国第三代航空地球物理探测技术体系策划和主要创建者。首批“国家高层次人才特殊支持计划”科技创新领军人才、全国杰出专业技术人才、“新世纪百千万人才工程”国家级人选,国家工程师奖、全国创新争先奖状、李四光地质科学奖、黄汲清青年地质科学技术奖获得者,享受国务院政府特殊津贴。主持和参加国家专项、国家863计划重大项目等30多项。获国家科技进步奖特等奖1项、二等奖2项,第一作者出版专著19部,发表论文100余篇。兼任中国地质大学(北京)、成都理工大学和长安大学特聘教授与博导,中国地球物理学会常务理事和航空航天专业委员会主任等学术职务。

     

    马克思曾说,社会的劳动生产力,首先是科学的力量。在我国加快建设现代化产业体系、推进中国制造向中国创造转变的过程中,有突出创新能力、可解决复杂难题的工程师队伍必不可少。首批“国家卓越工程师”称号获得者,自然资源部中国地质调查局中国自然资源航空物探遥感中心首席科学家熊盛青便是其中的典型代表。

    熊盛青是我国航空地球物理勘探技术领域的领军人物,我国第三代航空地球物理探测技术体系策划和主要创建者。在创新的道路上,他带领团队屡次突破,打破国外关键技术垄断,实现了我国航空物探技术装备从进口到国产的飞跃;填补了青藏高原航磁空白,建立了全地域、多尺度、高精度的航空地球物理综合勘查技术体系。

    熊盛青(中)与执行青藏高原航空重磁探测的技术团队

    “我很幸运,赶上了我国航空地球物理勘探事业飞速发展的黄金时期。”采访中,熊盛青多次提到“幸运”二字,记者的感受是,能够赢得幸运之神的眷顾,与他心无旁骛的持续耕耘不无关系。他做事严谨认真,思考问题视角宏阔,勇于突破,特别对专业怀有一种执着的追求,即只要符合国家的战略需求,他会毫不犹豫地坚定做下去。他顽强而执着地坚持自己的理想,在选择的十字路口,在现实利益面前,从未动摇方向。

    “搞地质工作苦”是外界普遍的看法,采访熊盛青之后,完全颠覆了记者的刻板印象。41年间他将毕生激情倾注于事业,在挑战与超越间乐此不疲,不断攀登一个又一个科技高峰并乐在其中。令他感到非常欣慰的是,团队的科研成果极大减轻了地质工作人员野外作业的艰辛,为“中国创造”汇聚了力量。

    年少展现 学习禀赋 

    很多人问熊盛青,为什么他可以通过重重考验,被组织委以重任,成为当时“地矿”系统最为年轻的总工,并且不负众望,不断创新突破,取得诸多令人瞩目的成果。“对事业的无尽热爱”是他孜孜以求的核心动力,然而,更多具体答案并非那么容易找到。不可否认,回望一个人成长的时代和环境,必定有助于增加对他的了解。

    记者想要说明的是,熊盛青小时候的经历虽然有其独特之处,但总体上是他所成长的时代和地域的一个缩影。我们今天看来可能会认为罕见的,恰恰是那个时代背景下人们生活的常态。

    1963年,熊盛青出生于湖南省益阳市桃江县的农村。他还不满五岁便上小学,由于年龄小,家人并未抱什么期待。没想到从入学起,熊盛青就表现出浓厚的学习兴趣,成绩始终名列前茅。放学后,懂事的熊盛青从小就开始帮家里分担各种家务,从打猪草到砍柴,水稻插秧,田地除草,几乎所有的农活他都干过。

    初中学校的位置离家较远,只有不到十岁的熊盛青,每天需要赤脚走二三十里山路往返。“平时我们一年四季都是光脚上学,把鞋背到学校,到老师那里洗洗脚穿上鞋,放学后再背回去。”要是赶上雨雪天气,山路更加难行。“像雨伞、雨鞋这些用品,普通家庭买不起,下雨时一般都是戴着斗笠,披着蓑衣。”熊盛青回忆道。学校没有食宿条件,尤其是天寒地冻的冬季,无法带饭加热,只能早饭后去上学,直至放学回到家才能再吃一顿饭。常常忍饥挨饿,上初中不到一年,小小年纪的熊盛青就得了胃病。即便在这种情况下,也并未影响他的学习成绩。初中毕业后,他在家劳动了一年,通过规律饮食和劳动锻炼,慢慢地把他的胃也养好了。上高中可以住校,熊盛青的温饱问题得以解决。

    当时有一句流行语是“学好数理化,走遍天下都不怕”。熊盛青的数理化成绩都非常突出。1979年全国高考的录取率为6%,位列“文革”后恢复高考录取率的倒数第二,那时的高考真可谓是“千军万马过独木桥”。“报志愿的时候,我爸说他不懂,请物理老师帮忙参考。”没想到熊盛青去报志愿时,物理老师不在。那时很难获得关于报考院校的信息,只有墙上贴了一些招生简报。“地质工作搞不好,一马挡路,万马不能前行!”成都地质学院(2001年更名为成都理工大学)招生海报上的这句话,吸引了熊盛青的注意力。而且那时地质跟师范、农林业一样,属于免收学费专业,可以给家里减轻经济负担,于是熊盛青毫不犹豫报考了成都地质学院。“后来,我的物理老师也鼓励我,他说和传统地质工作相比,航空物探找起矿来又快又好。”

    把孩子送到大学校园,是每个家长都期待的时刻。但在熊盛青成长的年代,这样简单的愿望也会显得奢侈。那时没有直达火车,要从湖南经贵州再到成都。在株洲火车站,家长帮熊盛青找到几个去成都地质学院上学的同伴,不再送他,这样就可以省些路费。“我爸给我送到车厢的连接处把箱子一放,然后我坐在箱子上面一直坐了20多小时,到了成都。”

    第一次离家,进入成都地质学院放射性物探专业就读的熊盛青,学习依然出类拔萃,一直是校三好学生。毕业时,他大学期间所学36门课程平均90分以上,在全专业59名学生中,他的总分排名在前列。作为优秀毕业生,他被学校分配到了北京,来到了中国自然资源航空物探遥感中心(简称航遥中心)。

    回忆起自己的求学过程,熊盛青感慨地说“小时候确实吃了不少苦,但也是我人生的一笔宝贵财富,遇到什么困难也就难不住我了。”正是小时候的这种磨炼,造就了他坚忍不拔、锐意进取的意志。

    熊盛青参加“国家工程师奖”表彰大会

    奋发有为 备受器重 

    该如何理解航空地球物理勘探(简称航空物探)?熊盛青介绍,就是把专用物理探测仪器装载在飞机上,从空中探测地球磁场、电磁场、重力场和放射性场等各种“场”的变化,研究地球的内部结构、寻找矿产资源等,具有宏观、快速、高效、经济、不受地面条件限制等特点。航空物探是地质勘探的重要方法之一,广泛用于各种金属、非金属矿产,石油天然气的勘探,以及区域构造和大地构造等方面的研究。

    “在航空物探和遥感手段出现之前,找矿主要靠地质队员的双腿,而航空物探就相当于地质调查领域的‘空军’,发挥着战略侦察的作用。只有我们尽力缩小找矿的范围,在地面开展工作的地质队员才能少跑腿、少打钻,少一些辛苦。”熊盛青讲解道,航空物探的探测效率是地面方法的10倍至100倍,成本则仅有十分之一左右。

    不积跬步,无以至千里。1983年进入航遥中心后,熊盛青跟着师父到野外去搞飞行测量,获取数据,然后进行数据处理。之后一步一个脚印,学习数据分析和地质解释。也许在老一辈专家眼中,熊盛青这位年轻后辈虽然性格内向,言辞不多,但是具有湖南人那种“吃得苦、耐得烦”的特质,不仅善于学习,尤其身上有股难得的坚韧劲,对待每一件事都非常认真、纯粹、笃定。前辈们都很愿意去教他。

    1991年,年仅28岁的熊盛青已经作为副负责人承担国家重点攻关项目了。作为项目负责人的师父为了给他“压担子”,平时较少插手具体研究工作,在这样的锻炼下,熊盛青成长很快。

    在负责科研工作中,熊盛青发现了自己的不足,意识到需要加强自己的知识更新和储备,于是报考了中国地质大学的博士研究生。熊盛青的成绩达到了统招分数线,但他选择了定向培养,单位对于熊盛青作出上学深造的决定给予了充分支持,他也成为航遥中心送培的我国航空物探领域的第一位博士。

    20世纪90年代初,正是全国下海经商潮如火如荼的时候,熊盛青却甘守寂寞,潜心“充电”。他幽默地说“大家都下海,我选择了上山。”攻读博士研究生的三年,是熊盛青最为充实忙碌、极大开阔专业视野的三年。其间,他在科研创新方面的能力也极大提升,所负责的国家攻关课题圆满完成,后来还获得了省部级奖励。1997年毕业时,他的博士学位论文也获得优秀博士论文奖。

    求学期间,熊盛青事业与学业齐头并进,亦取得了可圈可点的工作成果。1995年,熊盛青被单位提拔为总工助理,并交给他一项特别的任务,即为单位做一份人才工程规划。熊盛青用一年时间,制定出航遥中心关于人才引进、人才培养的具体方案,并且付诸实施。以该方案为蓝本,此后不断补充完善,在航遥中心发挥了重要作用。1996年,熊盛青又被破格提拔为主任助理、副总工。

    完全出乎熊盛青意料的是,1997年他刚刚完成博士学业重返岗位,1998年3月,上级组织就任命他为单位总工程师,成为“地矿”系统内最年轻的总工。在航遥中心这个汇聚了数百名专家的高科技单位,熊盛青德才兼修,以不折不扣的实干精神获得了大家的广泛认可。

    当时航遥中心与国外矿业和石油公司的合作开始增加后,跨国公司往往要求合作方有完整的质量管理标准。就任总工后,熊盛青马上着手建立符合ISO9001国际标准的质量管理体系,全面规范航空物探和遥感勘查工作,于1999年3月率先在全国地勘系统通过了质量管理体系认证,实现质量管理与国际接轨。

    熊盛青(右三)在北京人民大会堂国家科技奖奖励大会现场

    不负冀望 担当重任 

    作为现代化高科技手段,航空物探技术也是各国科技实力比拼的热点。“航空物探就相当于为地球做CT。搭载物探仪器的飞机飞越大地,地下数千米以内的地质结构和矿藏情况就能被‘透视’。”熊盛青比喻道。“把探测的数据生成图像后,专家们要据此判断一个区域成矿的可能性。不同矿产物理性质不同,我们利用这种区别来找到不同的矿藏。我们的目标是追求快速和精准,尽量缩小寻找的范围,那么获取数据的仪器设备的作用非常关键。”

    中国航空物探起步于20世纪50年代,通过前人的不懈努力,已经从中低精度测量发展到了高精度测量,但曾经,高分辨率综合测量核心技术和关键设备却被几个发达国家掌控,成为制约我国航空物探技术发展与应用的“卡脖子”问题。

    工作伊始,熊盛青第一次参加野外勘查,到柴达木盆地寻找钾盐矿藏,就感受到了仪器设备的关键作用。钾盐是农业种植中钾肥的主要原材料,是农业生产不可或缺的矿产资源,探明优质钾盐矿藏,具有重要的战略意义。“当时我们引进了一套国外的仪器,我刚好赶上了这套系统正式用于生产。”在学习数据采集,熟练仪器操作的过程中,熊盛青切身感受到,“我发现我们引进的设备实际上是国外快淘汰的,而先进的肯定是买不来的,所以必须靠自己做。”熊盛青和他同事们曾试图仿制国外仪器,结果发现内部都是“黑匣子”。这更加坚定了他走自主研发之路的决心。

    2006年,“发展航空地球物理勘查技术”被列入《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020年)》,这对该领域发展意义深远。就在同一年,我国将“航空地球物理勘查技术系统”列为“十一五”国家高技术研究发展计划中的重大项目,这是当时原国土资源部国家科技项目中级别最高、经费最多、难度最大的一个科研项目。43岁的熊盛青担任了该项目的首席专家和总体专家组组长。

    “规划特别清晰”,在立项时该项目就给科技部评审组留下了深刻的印象。基于累积数年的思考,熊盛青牵头制定了航空物探装备研发详细的“路线图”。熊盛青回忆道,“当时我们确定的目标是,希望能够通过两到三个五年规划的时间,自行研制出相关的仪器设备和软件,实现航空物探装备国产化。”

    根据规划的“路线图”,一支跨学科跨行业的“航空地球物理与遥感地质创新团队”应运而生。在科技部与原国土资源部中国地质调查局的支持下,研究队伍由国内产—学—研25家单位、51个研究团队、近500名跨领域跨专业的科研人员组成。这支庞大的科研队伍为了共同的梦想,开始攻坚克难的征程。

    从基础原理到结构设计,再到仪器研制和系统集成,一个个难题不断被破解。让熊盛青印象最为深刻的一项突破,意外来自偶然的交流。一位从事其他领域研究的科研团队负责人,发愁于测量中总有消除不掉的噪声,但熊盛青却敏锐地发现,对方想要过滤的“噪声”,正是航空物探测量所需的重要信息。“我们迅速达成了合作意向,开展反向研究,把‘噪声’探测放大,就成了我们需要研制的仪器。”上机测试的结果令人惊喜,目前这台仪器与进口同类仪器的测量水平相当。

    随着自主研发的航空物探关键仪器陆续研制成功和投入应用,第三代高分辨率综合航空物探测量技术体系逐步建立。熊盛青负责的863重大项目荣获国家科技进步奖二等奖。

    从“十一五”的重大项目,到“十二五”的重点项目,再到“十三五”国家深地专项中7个项目组成的项目群,国家对航空地球物理技术研发越来越重视,资金投入力度也越来越大。

    通过连续3个“五年规划”的科技攻关,熊盛青带领团队系统性解决了航空地球物理探测理论、技术与工程难题,在国产化航空物探遥感仪器及软件研发和应用上取得了一系列重大创新成果,实现了关键仪器全系列自主研制,航空物探技术装备的工程化应用,填补了多项国内理论、技术和装备空白,打破了国外技术封锁和垄断,实现了我国航空物探技术装备从进口到国产的飞跃。国产的航空物探技术装备,已成为国家地质调查的重要装备,仪器性能指标整体达国际先进水平,大大推动了我国矿产勘查能力的综合化和现代化。

    多年来,熊盛青主持和参加国家863计划重大项目等30多项,先后获得国家科技进步奖特等奖1项、二等奖2项,省部级科技奖15项,第一作者出版专著19部,发表论文100余篇;先后荣获国家工程师奖、全国创新争先奖状、全国杰出专业技术人才、首批“国家高层次人才特殊支持计划”科技创新领军人才、李四光地质科学奖等诸多奖项和荣誉。

    熊盛青(右)与仪器专家段树岭教授研讨相关问题

    中国创造 走向世界 

    实现航空地球物理技术的国产化,不仅需要性能先进的硬件,设备的高效运转同样离不开软件技术的支撑。熊盛青带领团队进行数据处理、信息提取方法的研究和软件开发,最终打造出支持二次开发的GeoProbe Mager地球物理软件平台。

    “我们把航空物探应用的整个流程,从数据输入、数据管理,到数据处理、信息提取,以及到最后成图,全部搭建在这个平台上。不仅打破国外软件的技术垄断,实现了航空磁力、重力、电磁和伽马能谱数据及地面重磁电数据的同平台处理与综合解译,而且支持用户自行开发插件,形成模块插入原软件系统,与平台原有的其他功能同步应用,从而形成符合多样化需求的改进优化和定制服务。”熊盛青介绍,该软件目前已经升级到4.0版本,推广了1800多套。

    熊盛青带领团队打破国外软件技术垄断,自主研制的GeoProbe Mager 4.0 软件系统

    GeoProbe软件优异的专业功能和高度的实用性引起了许多国外同行的关注。尽管目前只有中文版本,但在国外同行的要求下,已经有多个国家的专业人士获得了软件使用权并参加了相应的培训。熊盛青团队正在筹划制作国际版本的软件,让中国人的原创成果更好地融入全球航空物探遥感工作,让中国科技更多地服务世界。

    “扫面”探测 透视地球 

    走进熊盛青的办公室,除了满屋的书籍和资料,最引人注目的就是一幅挂在墙上的特殊“地图”,这就是全国航磁图。“红色区域代表磁场比较强,越向蓝色演变,说明磁场越弱。”熊盛青讲解道,“这片‘红得发紫’的区域就是鞍山铁矿,青藏高原雅鲁藏布江这条带是板块碰撞区域,磁场也明显更强。”

    这是由熊盛青主编出版的《中国及毗邻海区航磁系列图》中的一种,是我国首次陆海统编、种类最多、精度最高的全国航磁系列图之一,已居于国际领先地位。该系列图是国家“十四五”规划的重点出版物,是我国航空物探领域数十年调查和科研成果的集成,也是他主编的第三版全国航磁图。通过对全国航磁资料的研究和地质解释,他和团队编制出版了《中国陆域磁性基底深度图》《中国陆域断裂及岩浆岩分布图》《中国陆域区域构造图》《中国陆域磁性铁矿资源潜力预测图》等系列航磁地质解释图件,为找矿勘查部署、透视地球内部结构、研究“成矿、成藏、孕灾”等地质规律提供了重要的区域地球物理基础资料和地球科学研究成果。

    这套航磁系列图的绘就完成,是我国几代地质工作者共同努力的结果。20世纪末,我国几乎实现了陆域航磁勘查全覆盖,但青藏高原中西部的110多万平方千米,由于层峦叠嶂、高寒低压,航空探测存在飞机作业难、精准定位难、航磁仪器正常运行难等障碍,仍是未知的处女地。

    初生牛犊不怕虎。当时,仅30多岁的熊盛青针对特殊复杂环境提出有效解决方案,带领团队克服重重困难实施野外作业。最终,解决了长期制约高原航空地球物理勘查的关键技术难题,突破飞行“禁区”,获取了青藏高原中西部高精度航磁数据,填补了我国陆域航磁最后一块空白区,实现了我国陆域航磁全覆盖,并获得青藏高原地质构造方面的许多新发现和新认识。其中,青藏高原中西部油气、金属矿产和地热资源远景评价成果,有力地支持了青藏高原的找矿勘查部署和找矿突破,并荣获国家科技进步奖二等奖。

    自主研制的国内首套航磁矢量勘查系统

    自主研制的国内首套航磁全轴梯度勘查系统

    聚焦找矿 勇当先锋 

    “科技创新必须‘落地’。”技术研发中,熊盛青追求先进性与实用性的平衡统一,“就像木桶效应讲的,单一技术指标就算是国际领先,如果整体技术指标不上去,不能转化应用,实际意义也不大。”

    熊盛青介绍,“以需求和实用为导向,对于新技术新方法开发,我们采取边研发、边应用、边完善的模式。”近20年来,高分辨率综合航空地球物理勘查技术与装备的研发和推广应用取得了显著的找矿效果,有力支撑了上一轮全国找矿突破战略行动的实施。

    “大冶铁矿深部富矿体、山东齐河富铁矿、新疆东天山铜镍矿、秦岭华阳川地区铀矿……”谈起航空物探技术助力找矿突破的案例,熊盛青如数家珍。几十年来,我国发现了数万处的航空物探异常,依据航空物探异常支撑发现了数以千计的矿床。熊盛青带领团队完成的基于全国磁测资料的矿产资源潜力评价摸清了全国铁矿资源“家底”,为找矿勘查部署和找矿勘查实践发挥了重要作用。

    国家“十四五”规划和2035年远景目标对战略性矿产找矿提出了新要求,明确要“实施新一轮找矿突破战略行动”。根据国家战略,熊盛青针对面临的新问题和新要求,在大量研究和实践基础上,提出了航空地球物理支撑战略性矿产找矿突破的思路。沿着这个思路,熊盛青领衔制定了中国地质调查局“星空地海井探测观测监测技术体系建设方案”,作为自然资源部专家指导组副组长、中国地质调查局勘查技术方法组组长,指导新一轮找矿突破战略行动。

    自主研制的航空重力系统应用于2020珠峰高程测量

    躬行践履 协作共进 

    透过舷窗,俯瞰世界最高峰珠穆朗玛峰的巍峨壮美,回忆起当时的景象,熊盛青至今记忆犹新。“我参加了珠峰航空重力测量5个架次中的首飞,围着珠峰飞了6个半小时。”曾经有强烈晕车晕机反应的熊盛青,经过常年的锻炼,已经对野外作业安之若素。

    2020年5月,熊盛青登上了中国地质调查局航空物探遥感综合调查飞机“航空地质一号”。机上装载的是包括我国自主研制的航空重力仪等国产化设备在内的先进装备。这一次,他的任务是参与珠穆朗玛峰高程测量,提供重力测量等关键数据。

    此次飞行,为珠峰高程测量历史写下了浓墨重彩的一笔。首先是海拔高,飞行高度为9800米~10250米,接近调查飞机10500米的极限高度。其次,飞行难度大。在珠峰地区,不仅山峰高耸、地形起伏,而且天气变化剧烈,因此要万分警惕来自众多风口的巨大侧向风。此次飞行首次获取了珠峰地区高精度航空重力、航空摄影和激光雷达数据,创新形成了适合高寒高海拔复杂地区要求的航空物探遥感综合测量方法技术体系,填补了国内空白,并达到国际领先水平,标志着我国具备了全球全地域航空探测能力。

    熊盛青回忆起第一次执行飞行任务的情景,“航空物探需要低空飞行,因为距离探测目标越近,可探测到的地下空间范围就越大,得到的数据就越精确。” “飞行高度六七十米,正好是大气层中气流运动最强烈的区域,机身颠簸得特别厉害。飞了还不到1小时,我就吐得七荤八素,整个航程4小时飞下来,感觉自己把苦胆都吐出来了。”再次试飞,情况依然如此。“师父本来想培养我专门搞仪器研发,那么必须在勘探过程中实际操作仪器。”如果当初没有强烈的晕机反应,熊盛青可能会踏上不同的专业主攻方向。

    担任航遥中心总工程师20多载,熊盛青自觉与时代发展同频共振,将自己的科学追求融入服务国家经济社会发展中,带领团队在航空地球物理勘查和遥感领域取得系统性、创造性和实用性成果。回首往昔,熊盛青总结道,做科研首先且最重要的是瞄准国家需求,这样才能准确把握专业的发展方向;其次,要善于合作,能够团结各方力量,取长补短形成合力;第三,要有激情、有热情、有恒心。

    作为团队的负责人,熊盛青不但自身技术过硬,统筹把握专业发展方向,还极为擅长发现问题、解决问题。每当各个小组的技术难题汇集给他,他总能精准抓住问题的关键,提出解决问题的思路。

    创新之道,唯在得人。熊盛青强调,每项成果的取得,都离不开庞大团队的高效协作。如何调动团队的积极性,把每个人的专长和优势与团队的发展结合起来,让每个人都能在合适的位置上发挥最大的作用,需要知人善任和巧妙的管理智慧。他明白,要协调一个多学科、多专业、不同年龄结构组成的团队并不容易。技术出身的他拿出科研攻关中那股务实的劲头,“做事先做人,什么事都先带头做起来。”

    熊盛青十分重视年轻人的成长,不断压担子、交任务,使他们在实际工作中锻炼成长,增强团队的战斗力和竞争力。在熊盛青的带领下,“航空地球物理与遥感地质创新团队”入选首批国家重点领域科技创新团队。该团队有1人入选“国家高层次人才特殊支持计划”领军人才,15人先后入选自然资源部、中国地质调查局等省部级人才工程。

    “科研对我来说既是一个艰辛,也是一个享受的过程,特别是当一个个难题被攻克时,那种喜悦感便油然而生。”作为航遥中心首席科学家,熊盛青求索的脚步无暇停歇,他正以服务新一轮找矿突破战略行动为目标,致力于推动中国地质调查局地球系统“三测”技术体系的建立。

    《中华英才》半月刊:熊盛青:科研探索之路其乐无穷

     

     

    这是位于澳大利亚西澳州巴拉地区的中信泰富中澳铁矿项目50米深的矿坑和矿石破碎站。

     

    科学家近日发布的一项最新研究成果显示,地球上一半的铁资源与25亿年前微生物新陈代谢密不可分。这项最新研究报告发表在近期出版的《美国国家科学院院刊》上。

     

    这一发现将对采矿勘测和搜寻太空生命具有重要意义。美国威斯康星大学地球科学教授克拉克=约翰逊(Clark Johnson)和中国南京大学博士后研究员李伟强(音译)对澳大利亚西部带状铁结构进行了分析,带状铁是富含铁的一种岩石,遍布全球各地矿床。

     

    带状铁远古沉积层位于地下150米深处,有待于勘测挖掘。科学家认为,带状铁是海洋热液喷口释放高温富含矿物水流之后含铁物质沉积在海底形成的。但是,约翰逊和李伟强在研究中发现并非如此,一半的带状铁是在大陆架生活的远古微生物新陈代谢的产物。

     

    带状铁中的带状结构代表着不同类型的季节变化,约翰逊发现其成分存在长期波动,并非几十年或者几百年产生的短期波动。他们使用世界上最快的激光设备对铁和钕同位素进行了精确测量。

     

    通过在不足万分之一秒的时间内释放激光,能够在不加热样本的情况下蒸发部分样本。约翰逊说:“这就像用冰淇淋勺在未受热融化之前快速挖取一块冰淇淋,使用传统激光装置进行加热无法获得这样的结果。”

     

    李伟强说:“之前探测带状铁的来源主要聚焦于铁同位素,我们认为铁同位素或许能揭晓带状铁的真实来源。添加钕元素变化,使我们能够独立测量来自大陆浅水域中带状铁数量,这样的环境具有生命同位素迹象。”

     

    微生物新陈代谢铁元素,这听起来令人十分不解,但是25亿年前地球环境与现今存在着较大差异,大气层氧气含量很低,从而使生物体通过新陈代谢铁而不是氧,来获取身体所需能量。生物学家称:“这一过程处于地球生命进化树的底部,但直到现在我们仍然很少在岩石中发现相关证据。”

     

    约翰逊指出,这项研究对于一些领域具有深远意义。“如果你是一位地质勘探家,你会希望知道矿物质的准确位置,这项研究也将对你受益匪浅。”此外,它还有助于研究分析地球进化历史,以及用于搜寻太空生命,识别一些未知结构的神秘生命。

    地球上一半的铁来自远古微生物?

      空间物理学家 1958年7月生于湖北天门。1982年毕业于武汉大学空间物理系, 1989年于中国科学院武汉物理研究所获博士学位。2011年当选为中国科学院院士。中国科学院地质与地球物理研究所研究员,所学术委员会主任。

      主要从事电离层物理、电离层电波传播、高层大气物理等领域的研究,在电离层与大气层的耦合等重大科学问题的研究中取得了重要突破和系列成果。从实验观测中发现了我国电离层扰动的主要地域特性,提出了青藏高原的地形隆起及相关的低涡天气是我国行进式电离层扰动重要激发源的论断。从全球GPS观测数据的分析中,发现了低纬电离层总电子含量等参量的经度“四波”结构,系统揭示了电离层“四波”现象的气候学特征及其与大气非迁移潮汐不同分量的联系,论证了大气潮汐激发电离层经度结构的机理。此外,还发现了太阳风对极区电离层突发E层的控制作用。

万卫星院士

7月23日12时41分,我国在海南岛东北海岸中国文昌航天发射场,用长征五号遥四运载火箭成功发射首次火星探测任务天问一号探测器,迈出了我国行星探测第一步。

那么,地质学家对我国即将开启的火星探测有着怎样的期待?记者采访了中国工程院院士、中国地质科学院赵文津研究员及其科研团队——

火星探测窗口期 多国发布“追星”计划 

“地质学是与开展深空探测关系最为密切的基础性学科之一。”早在2005年,赵文津便与多位同事从行星地质的角度关注深空探测、思考研究月球与火星的相关地质问题。在他的倡议下,自然资源部中国地质调查局组织开展了月球遥感地质、月球重力场、月球编图、月球与火星实验场选址研究、微型钻机研究等工作,取得了重要进展。

他认为,一系列重要地质问题既是火星探测的基础科学问题,也是探测的目标,而更加广泛的行星地质研究,则是人类更多地了解地球自身演化以及与邻近星球相互关系的钥匙。“研究火星等类地行星,有助于思考地球有关的环境、资源及灾难等重大科学问题。”

赵文津科研团队成员杨宏伟博士告诉记者,人类对于火星的探测始于1960年,到目前为止,人类实施的火星探测活动已达50次,其中,21次成功进入火星轨道、15次成功登陆火星,而成功开展实地调查的仅为10次,最近的一次是2018年5月5日发射、11月27日着陆的美国“洞察号”。

基于数十年的探测数据和影像,人们已对火星的基本地形地貌、地质构造、表面及次表面岩石矿物、磁场、重力场、大气成分及变化等有了初步的了解。

比如,火星地貌最突出的特点是南北半球的强烈对比:北方是被熔岩填平的低矮平原,南方则是充满陨石坑的古老高地,最大的撞击盆地为海拉斯坑,直径达2300千米;赤道附近有萨希斯盾形火山区、水手大峡谷、艾丽斯米火山群;南北极有以干冰和水冰组成并呈旋扭形状结构的极冠;整个星球表面由沙丘地貌、侵蚀沉积地貌和流体冲刷与沉积地貌组成。

 

从火星北极上空看Borealis盆地的影像

再比如,火星的火山和地球上的不太一样,除了重力较小使盾形火山能长得很高不易崩塌之外,因缺乏明显的板块运动,火星内部的热量只能集中从以热点分布的火山释放,熔岩的不断堆积也使火山越来越高。海拔约22千米的火星最高峰——奥林帕斯盾形火山就是由于大量熔岩喷发层叠堆积而形成的。

火星最高山峰与地球上最高山峰对比

然而,这颗红色星球的更多奥秘还并不为人所知。

“在今年7月下半月开始的短短几周时间内,是发射火星探测器的窗口期。此时,地球与火星之间的距离最短,如果发射探测器,大约7个月之后就可抵达火星。”赵文津告诉记者,“这一窗口时间相隔26个月。如果错过这次机会,就要等2022年的下一个窗口期。”

也正因为如此,今年的火星探测尤为热闹,美国、中国、阿联酋等多个国家都公布了火星探测器发射计划。

按照之前美国宇航局公布的计划,美国新一代火星探测车“毅力号”(Perseverance)将于7月30日发射,并预计在2021年2月降落在杰泽罗陨石坑的着陆点。“毅力号”将搭载X射线荧光谱仪、紫外拉曼光谱仪、测地雷达、钻头等一系列先进科学仪器,重点搜索古代生命存在的迹象,在岩石和土壤中钻取样本,测试从火星大气层中提取氧气的实验装置,并释放人类首架火星直升机——“机智号”小型自动旋翼飞行器,测试火星大气层能否支持飞行。

阿联酋的“希望号”火星探测器已经于7月20日发射升空,预计2021年第一季度抵达火星轨道。其主要任务是研究火星大气和环境,以及火星液态水消失的原因。

我国的火星探测器由长征五号运载火箭发射升空,2021年到达火星后一次性完成“绕、落、巡”三大任务,即探测器先围绕火星运行探测火星的整体概况,然后释放登陆器在预定着陆点降落,之后登陆器释放火星巡视车,对火星表面重点地区进行巡视勘查。

选择最佳着陆点 瞄准火星关键地质问题 

在多国掌握发射、测控、入轨、登陆火星能力的情况下,获得新的科学发现和新的认知是国家综合实力最有显示度的内容和标志。

据介绍,长期以来,人们最为关注的是火星上是否存在生命。因为,火星与地球的相似性高,使之被认为是太阳系中除地球外最可能存在生命的星体。但是,到目前为止,仍没有确切证据证明生命曾出现在火星地质历史中。所以,重新审视生命存在的条件以及火星历史上是否可能存在生命存在的条件,成为当前火星生命探测的另一种思路。

赵文津认为,选择好着陆点有着至关重要的意义。“一方面是考虑降落条件,确保登陆的成功几率;另一方面则与火星探测行动的科学目标密切关联。”

据杨宏伟介绍,在已成功登陆的火星探测器中,“凤凰号”降落在靠近北极的地方,并首先在北极的次表层发现水冰;“海盗2号”选择在北纬50°附近着陆,在火星表面直接开展土壤、岩石样品分析,不仅发现火星上存在大量的玄武岩和硫酸盐类矿物,还发现火星历史上曾存在大量水;“好奇号”和“洞察号”的着陆点都在艾丽斯米火山省南部的赤道附近,“好奇号”发现了硫、氮、氧、磷、碳等生命必要元素,火星大气中甲烷周期性增加的规律,以及古代河流的证据;“洞察号”重点了解了更深层地震波速度变化、陨石撞击频度,以及火星内部活动情况;另外,包括2台火星车在内的5台探测器则集中在水手大峡谷等多个峡谷谷口的大型冲积扇地带。

好奇号着陆点地面显示的成层岩层

赵文津表示,许多有重大科学意义的地区都可以在未来的探测行动中着重考虑,如西部萨希斯大火山岩省、年代最新的奥林帕斯火山区、亚马逊大平原、水手大峡谷、南半球的大型海拉斯盆地,以及从未探测过的南北过渡带深部和南极地区。

在一份建议中,赵文津和杨宏伟分析提出了未来任务5个可供参考的着陆点及其科学目标:

——乌托邦平原区及四周,着重推动地下水冰探测。

——萨希斯大火山岩省南部布格负异常区,着重了解喷出的火山岩岩性和年龄及火山喷出残留气体等。

——水手大峡谷附近,了解岩石岩性剖面与裂谷张裂的机理,探讨深部岩浆活动、岩性和年龄。

——海拉斯盆地,以盆地为中心进行探测。

——奥林帕斯山等年轻火山区的河口地带,转换思路探寻生命存在的遗迹。

火星探测与地球上的探测手段相同,均为重点地区探测研究与区域性的综合调查相结合。“我们地质科学工作者应重点研发适用于火星自然条件下的地质调查技术,同时加强对深空探测数据的科学研究。”赵文津强调。

火星地质调查 六大科学热点有待深化 

道阻且长,行则将至。

赵文津认为,火星地质有6大科学研究热点有待深化和扩展:

一是水的问题。

水,作为生命之源,始终是各国火星探测和研究的重要对象之一。那么,火星水是否存在?如果存在,其经历了怎样的演化历史?

火星极区水冰的存在、盐类矿物的分布、冲击地貌、沉积环境,以及在非高纬度地区的地下发现的大量液态水,都说明了火星表面曾经有大量水覆盖地表。一要就已发现水冰存在的地区进一步证实其为水冰或是其他地质因素引起的现象;二要研究火星的水去了哪里?为什么会消失?地球上的水未来是否也会消失?三要着手研究极区的冰帽,了解其发生、发展、变化情况。

二是火星的大气。包括大气成分和结构特征、火星的气候变化等。

火星大气结构特征、循环机制等仍是主要科学问题。火星大气的挥发过程、二氧化碳的来源及演化过程、甲烷的来源等,都是目前关注的热点。

三是火星生命。也就是过去和现在是否有生命存在的可能性,以及火星环境的宜居性研究。

从地球生命角度来说,火星地表温度与昼夜温差变化为生命的存在提供了可能。然而,至今火星的探测者们只发现了碳的有机分子、水存在的痕迹和地表黏土等现象,没有直接证据证明火星上曾经存在生命。而大气甲烷、历史上的温暖气候、太阳风的辐射作用,以及一些地段出现的高氯酸盐类强烈氧化剂等,都对生命的产生和存在不利。目前,美国正着力在几个古老的火山岩区的大型峡谷口大面积冲积扇地区进一步探寻生命存在。

四是火星的地表成分、岩性特征和地质地貌特征。

美国地质调查局依据多次火星探测的资料编制了一张小比例尺的火星地质图,但是重点地区需要有更多了解。“如在地表以玄武质火山岩为主的地区,发现了辉石、橄榄石等矿物,盐类矿物的大面积分布也很突出,这也是我国建立青海大浪滩火星实验场的缘由。下一步,可以重点探究奥林匹斯山、水手大峡谷侧壁出露岩层、海拉斯坑底部等的岩性和年代,并加强对火星壳岩性、年代、热状态的探测,以便深化认识,并向深部推演。”

全火星地质及岩性特征图(2014年美国地质调查局)

五是火星壳及内部结构特征。

通过火星布格重力场可以了解火星内部结构特征,但是还需要有其他数据对重力分层和深度的控制,所以很需要有地震探测数据和各大区域的典型地质断面的建立。美国已在月球上安设了6个地震台,取得了十分可贵的深部分层数据,而2018年发射的“洞察号”火星探测器也承担了地震探测的任务——安装了一台地震仪和一台热流计,开始了对火星深部结构的探测。如果火星深部存在分层现象,说明火星的演化的程度已进了一步,那火星壳、幔、核的结构和成分特征如何?这些都需要进一步探究。此外,还需要对火星磁场特征和产生原因进行研究解译,因为地球磁场的来源反映了地球地质历史中内核的形成和进行的运动。

六是火星火山特征及热状态和演化历史、陨石撞击频率及其影响。

根据已有数据,火星表面温度在最大照度下赤道为17℃,极区降至-43℃,一个点上昼夜温差可达到51℃,比月球的温差要小。而火星三大火山岩省分布的众多火山口,可能存在深部物质,加强相关探测和研究,很有可能由此揭开“火星体温”的秘密,了解火星现在热状态及其热演化历史。

赵文津认为,作为我国迈向火星乃至更加遥远太空的第一步,这对了解行星具有更加重大的意义。“我们希望在各种技术越来越成熟的背景下,天问系列能帮助人类获得更多来自火星的第一手资料,真正开启火星地质调查和深化认识的新阶段。但任何科学目标都不可能一蹴而就,就像‘天问’之名,表达的便是一种坚韧执着的科学精神——对自然和宇宙的探索征途漫漫、永无止境。”

院士赵文津详解:火星地质调查六大科学热点

7月,全国各地可以用两个字来形容“炙热”。

7月23日至29日,由中国地质学会主办的2018年全国青少年地学夏令营开启了“北上科考之旅”。

为办好此次夏令营,中国地质学会与黑龙江省国土资源厅、黑龙江省地质学会、黑龙江科技大学等单位多次协商、部署、采点,最终选择了太阳岛江漫滩性湿地、漠河北极光、五大连池火山地貌、嘉荫古生物化石采集等最具地学科考价值的几个地区为考察点,来自全国各地的近200余名营员与带队老师,开启了为期7天的地学之旅。

自然资源部中国地质调查局副局长王研在开营仪式上致辞

第一站 美丽的太阳岛

上世纪90年代,一首《太阳岛上》唱响了祖国的大江南北,让大家熟知了太阳岛这个美丽的地方,但对于它是国内唯一一个位于城市中心的江漫滩湿地草原型沿江生态区却了解的不多。

7月24日,随营的中国地质大学教授江满容在太阳岛上向营员们讲解了江漫滩湿地的形成过程,以及立在太阳岛正门前的那块标志性的大石头的来历。黑龙江营的郭子川说:“虽然我是土生土长的哈尔滨孩子,太阳岛也来过不知多少次了,与这块大石头也没少合影,但到今天我才知道,这块大石头的学名叫日光石,是因为它体内的赤铁矿、针铁矿等对光就会呈现出‘日光效应’,又被称为太阳石。”

为让营员们勿忘国耻,营员们还一同参观了侵华日军第七三一部队遗址,牢记日军当年所犯下的罪行。

中国地质学会2018年全国青少年地学夏令营总指挥长、中国地质学会副理事长兼常务副秘书长朱立新为营员们授课

第二站 神秘北极光

7月25日一早,大家抵达中国最北极——大兴安岭地区漠河市漠河乡的北极村。

这里是中国观察北极光最佳的地点,冬季这里的极地冰雪也是让人向往之地。这次虽然没能亲眼目睹到神秘的北极光,但营员却了解到北极光的形成,它是太阳风、地球磁场和大气层共同的杰作。随队的老师为大家讲解了北极光和如何写好科考报告的讲座。

营员认真采集化石

同时,大家还来到最北邮局,在明信片上盖上邮戳;到北极广场,与“北”的标志合影留念,在一片“我找到北了”的欢笑声中,结束了第二站的愉快“寻北”之旅。

专家在采集化石现场授课

第三站 火山与冷泉

7月26日一早,团队抵达五大连池世界地质公园。

五大连池世界地质公园位于黑龙江省五大连池市,是由14座火山堆中间蜿蜒曲折的河串起大大小小5个堰塞湖组成,主景点有老黑山,岸边是火山石。

营员们坐在电瓶观光车上,一路凉风习习,听着车内播放的风景简介和老黑山历史,让这个炎热的夏天多了些惬意。

科普专家为营员普及火山知识

到了山脚下,大家开始爬山,栈道两边火山岩形成的石海,形态各异,非常壮观。营员们不时驻足观看,听取老师讲解。大约半个小时左右,抵达老黑山的火山口,一个大大的漏斗状火山坑便呈现在大家眼前。火山坑直径约350米,深约140米,俯视口底还是会让令人望而生畏。在周围的山坡上分布着众多的浮石、熔岩砾、火山弹等,营员们寻找着标本,乐在其中。

中国地质大学教授曾广策为营员讲解化石

与老黑山相邻的南北泉,是世界三大冷泉之一,于1954年发现,是饮用矿泉。从景区进门的一条主道可以走到一个小广场,广场上有一个个水池,龙头里放出来的泉水可以直接饮用。营员与老师们都先喝上一大口,然后都纷纷拿出早已准备好的空瓶接上满满的一瓶。营员说:“这水凉凉的,还有汽,像汽水一样,不过喝下之后有股铁锈味,还是处理过的五大连池水好喝。”

在这里,你也可以看到当地的居民拎着大桶、暖瓶打水的,还有在这做水疗的。

第四站 恐龙之乡

7月27日,营员们来到汤旺河国家地质公园,这里是以其稀有的花岗岩石林地貌景观和完善的原始生态为特征。

在这里营员们不仅领略了大自然的风光,还在老师们的带领下,认识了地质中岩石“三兄弟”——岩浆岩、沉积岩、变质岩,了解了这“三兄弟”并不是一成不变的,在一定条件下,三大岩石可以相互转换;知道了汤旺河的花岗岩是一种火成岩,而汤旺河石林是目前国内发现的唯一一处类型最齐全,发育最典型,造型最丰富的地质遗迹。

营员认真撰写论文

7月28日,营员们来到了嘉荫恐龙国家地质公园——孩子们的乐园。

还没到公园,远远的就看到了有两个巨大的恐龙像标志的大门,走进去,你会看到四周各种恐龙的塑像,宛如走进了侏罗纪公园。进入博物馆,讲解员向大家一一介绍了展出的展品由来。营员们不时的记录、拍照。

解说介绍,嘉荫是我国第一块恐龙化石的发生地。目前,从这里出土的化石,已经被装成了10具恐龙化石骨架。两年前,多国古生物学家和地质学家在嘉荫野外考察时,发现了新的大规模恐龙化石群,除鸭嘴龙、虚骨龙外,还发现了甲龙化石等,使“恐龙之乡”的名声更加远扬。

为使营员们进一步了解古生物化石,中国地质学会还联系到化石采集点,让全体营员有机会亲自去寻宝,采集化石。在化石采集点不时听到营员们兴奋的声音,“看,树叶化石”“老师,这是不是鱼骨化石”……

全体营员

七天的夏令营在大家的收获中圆满结束。

此行的总指挥长、中国地质学会副理事长兼常务副秘书长朱立新说:“这次选择在黑龙江举办夏令营,一是这几个地域具有很强的地学科考价值,二是夏季黑龙江的气候宜人。为了使这次地学夏令营突出科考性,我们特别邀请了中国地质大学的五位专家作为随团老师,并为营员准备了科谱书籍及详细的活动手册。”

就像营员南昌三中的李昕怡在科谱小论文中写到,感谢这次夏令营,让她不仅欣赏到祖国的秀美河山,更真切地体会到大自然的神奇,了解了许多地学知识,更加懂得珍惜保护这些地质遗迹的重要性,这些都是自己旅游无法体会的。

北上科考之旅