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    3月11日,第十八次李四光地质科学奖科研奖获得者、中国地质科学院矿产资源研究所(以下简称“资源所”)原副总地质师肖克炎研究员新申报的战略矿产项目“战略性矿产资源大数据综合信息预测与找矿勘查示范”通过评审。在过去的40年间,从数学地质到数字化矿产预测,从信息化大数据分析再到如今的智能化资源勘查,肖克炎始终围绕国家需求、紧盯科技前沿刻苦钻研,奋战在中国地质行业数字化、智能化研究的前沿,成为这一进程的缩影和地质科学工作者的榜样。

    肖克炎研究员获李四光地质科学奖科研奖

    理想:将“计算机+矿产预测”作为“一生的事业”

    1980年,16岁的肖克炎考入湘潭矿业学院地质系煤田地质与勘探专业。如果不出意外,他的人生轨迹也会像他的许多大学同学那样,毕业进入煤炭行业,一生从事煤田地质方面的研究和实践。

    不过,20世纪80年代初,改革开放的浪潮席卷中国大地,对“科学技术现代化”的渴望蓬勃生长。那时的湖南,一件大事正在发生。1983年12月22日,中国第一台每秒钟运算一亿次以上的“银河”巨型计算机,在位于长沙的国防科技大学计算机研究所问世。“银河”对青年肖克炎的影响是巨大的,从小头脑活跃、热爱数学的肖克炎看到了计算机在煤田矿产资源领域的巨大应用前景。

    1983年年底,他为自己的实习论文圈定了两个方向——矿产资源趋势分析、计算机应用。学校没有计算机怎么办?在学校的支持下,肖克炎在核工业二三〇研究所(原长沙铀矿地质研究所)借了一台进口巨型计算机,它几乎占据了整个屋子。有了这个“宝贝”,肖克炎花费一个星期时间,对湖南湘中盆地煤田沉积谷地的矿产资源进行了5次趋势分析,圆满完成了实习论文。

    这次成功尝试,点燃了他以数学研究地质的兴趣和志向。当然,那时的他,还不知道未来计算机技术将飞速发展,更不知道自己将以此为起点,与“计算机+矿产”打一辈子的交道。

    1984年,肖克炎考取长春地质学院数学地质专业硕士研究生,师从著名数学地质专家王世称教授,并继续攻读该专业的博士学位。

    数学地质是用数学分析及建模的手段,对地质问题进行规律性的研究。然而,把复杂的地质现象进行定量化研究实非易事,不仅需要把矿床成因、地球探测信息技术、计算机等多学科的知识进行交叉、融合,更需要具有宏观的科学视野和创造性的数理推算能力。在学习和实践中,肖克炎不断探索多元统计分析方法的应用、金铜异常区复合模型的建立以及综合信息矿产预测等领域,像海绵吸水一样,在课堂授课、实习项目和国内外资料中汲取知识和经验,并最终将自己的专业方向确定为矿产预测。这也是他坚定不移的选择,为他未来的研究奠定了坚实的基础。

    在长春地质学院学习期间,肖克炎展现出了非凡的勤奋和才华。他发表了数十篇论文,远超学校规定的数量。期间,他还参与了由王世称教授主持的《综合信息矿产预测理论与方法体系》项目,并获得了国家科学技术进步奖二等奖。

    1991年年底,肖克炎博士毕业后不久,中国地质大学开始招收博士后。在博士后流动站和长春地质学院之间,为了自己的梦想,他选择了前者,来到武汉,成为中国地质大学“矿产普查与勘探”博士后。师从我国著名数学地质学家、原地大总校校长赵鹏大教授,进一步深化对数学地质的研究和应用。1993年博士后出站,已晋升为副研究员的肖克炎,来到资源所成矿远景区划研究室(简称“区划室”)工作。

    直到现在,肖克炎都很庆幸自己的“运气”,不仅能师从于数学地质领域有着“南赵北王”之称的两位泰斗,还能在中国矿产资源顶级科研院所找到专业最对口的工作岗位。当然,这份幸运并不是偶然的,而是他坚守初心、不懈努力的结果。 

    肖克炎研究员野外工作

    使命:“成矿区划”→“潜力评价”→“深部预测”

    踏上工作岗位,正直20世纪90年代,全国地质工作陷入低谷期,而肖克炎的“好运”却并未离他而去。

    肖克炎刚刚来到资源所,就赶上了一个大项目——全国第二轮成矿区划工作,并在其中从事成矿远景区划计算机化及GIS应用研究。巧合的是,肖克炎本科和硕士期间,也曾参与过全国第一轮成矿远景区划的部分工作。

    这个项目由时任中国地质地科院院长和地质矿产部总工程师的陈毓川组织领导。此时,经过数十年的找矿,不少地区已转入隐伏矿床、盲矿床预测寻找和评价阶段,找矿难度大,必须筛选出具有较好成矿远景的重点区域,形成“以点带面、点面结合”的找矿突破。同时,当时的地质科技与成矿理论较之改革开放前有了明显的进步,急需使用新理论、新技术综合研究最新的资料,指导找矿。

    陈毓川找到肖克炎,阐述了中国成矿体系和第二轮成矿区划工作的目标,以及应用计算机技术对区域成矿规律进行研究的设想。他强调,一定要注重开展全国和区域性物化资料综合研究,进行矿产预测和评价;要瞄准世界先进水平加快发展勘查技术,加快现代计算机技术的数据处理和成图技术研究,实现“地矿工作信息化”。

    肖克炎始终认为,陈毓川院士是自己重要的伯乐和导师。通过陈毓川指导与项目实践,肖克炎的学术视野愈发开阔明朗,牢牢把成矿系列理论作为计算机技术应用的基础和出发点,成为他所坚守的、不同于其他矿产资源数字化、智能化研究团队的鲜明特点。

    在第二轮成矿区划工作中,肖克炎作为主要骨干,带领团队逐步建立了以成矿系列理论为指导、以GIS计算机技术为支撑的综合信息矿产预测方法体系,开展了不同比例尺矿产资源方法学比较研究,提出了预测底图编图综合解释模型,完善了综合信息找矿评价模型的研究内容方法,编制了首张中国矿产成矿系列图和跨世纪找矿工作部署图,建立了全国成矿远景区划数据库。

    时间紧、任务重。有时候,“活儿”要得急,肖克炎经常要加班到下半夜。好在,辛勤的汗水换来了扎实的成绩:第二轮成矿区划成果“中国成矿体系和区域成矿评价”,在2004年获得国家科学技术进步奖二等奖,肖克炎是主要完成人之一。

    大项目催生大人才。1996年,肖克炎被破格晋升为研究员,1997年开始担任资源所成矿远景区划室总工,2000年,被任命为区划室主任。2006年,原国土资源部部署全国矿产资源潜力评价国情调查工作。这次,作为学科带头人的肖克炎,毫无悬念地成为其中“全国重要矿产总量预测”项目的总负责。

    从2006年到2013年,肖克炎上满了“发条”,瞄准“总量预测”目标任务,创立了矿床模型综合地质信息矿产预测方法;研发出地质专家系统预测与综合信息预测的预测模型,总结了以计算机信息技术为手段,运用矿床模型地质参数法进行资源潜力估算的预测工作方法流程;首次提出区域预测综合信息编图的综合解释模型、矿产预测类型、矿产预测方法类型、最小预测区等概念,创新发展了矿床模型地质参数资源量估算方法;建立了全国矿产资源潜力预测评价成果数据库,为国家资源决策提供了权威国情数据。

    肖克炎研究员在野外与国际知名专家共同野外查证

    矿产资源潜力评价预测成果促进了地质工作顺应时代的发展:广泛应用于我国“十三五”各类矿产勘查规划部署,厘定了我国26个重要找矿部署区带,优选110余处国家重要整装勘查区和矿集区;支撑国家找矿突破战略行动和矿业企业的矿产勘查,推动新发现多处大中型矿产地,实现找矿工作重大突破。即使是现在,其成果仍在发挥着重要作用。

    近年来,矿产勘查逐渐向深部转移,肖克炎智能勘查技术的研发目标也“由浅入深”,在科技部深地资源勘查开采专项“深部资源预测系统技术研究与示范”项目的支持下,围绕深部资源预测需求,系统开展了深部矿产资源预测理论研究、关键技术、平台系统研究,突破了成矿空间三维结构重建机制、深部矿化定位机制及深部预测途径等关键技术瓶颈,首次建立了找矿模型—三维建模—定量预测三元大数据深部矿产资源预测理论方法,自主研制了一套具有自主知识产权的深部综合信息预测评价平台系统,创新研发了深部成矿构造、地球物理、地球化学和地质异常的时空结构解析方法与深层次信息提取新技术,解决了矿集区深部成矿空间三维结构重建、成矿地质异常空间重构以及矿化空间定位等技术难题,推动了我国深部找矿、三维预测领域的技术进步。 

    深部找矿勘查示范基地

    一个个走在科技创新“风口浪尖”的大项目,有效地支撑服务了国家矿产资源安全保障和资源管理,引领了我国矿产资源潜力定量评价与预测科学进步。它们不仅赢得了近十个国家和省部级奖项,也为肖克炎带来了诸多荣誉:俄罗斯科学院与工程院外籍院士、享受国务院政府特殊津贴,以及部百名跨世纪科技人才、原国土资源部先进个人、自然资源部科技创新人才、湘江学者、楚天学者、珠峰人才等称号,而2023年获得的第十八次李四光地质科学奖科研奖,更是对他在地质科研方面突出贡献的充分肯定。

    与此同时,肖克炎不仅在个人学术研究上取得了显著成就,更在团队建设方面展现出卓越的领导力。

    在全国矿产资源潜力评价和国家重点研发计划等项目的实施过程中,他建立了一支集成矿规律、潜力评价、数学建模、软件工具研发等全链条、多层次的高水平科研团队,形成了全国领先的大数据智能找矿“理论—方法—系统平台”完全自主知识产权的开创性成果。

    在他的指导下,团队突破学科壁垒,出色完成了全国25种重要矿产资源2千米以浅资源量预测研究,圈定了各类找矿靶区4万余处、成矿远景区2000余处、重要矿集区240余处,并科学估算了不同深度预测资源量。在山东莱州—招远金矿整装勘查区、四川会理—会东矿集区、湖南—贵州锰矿整装勘查区、贵州贞丰—普安金矿整装勘查区、甘肃玛曲—合作金矿整装勘查区、西藏冈底斯成矿带等地,开展了深部(3000 米以浅)三维预测评价及找矿预测示范,取得了多项找矿突破。由此,肖克炎科研团队在国际SCI期刊上发表了论文106篇,获得发明专利24项,软件著作权27项,6人获得省部级及以上荣誉称号;培养了博士后5人、博士50余人、硕士100余人,为相关行业、企业输送了大量高素质人才。同时,举办各类培训班40余次,培训了行业、企业技术骨干近千人,他本人还在商务部举办的“一带一路”非洲预测方法培训班中多次授课,近千名国外地质专家聆听相关课程。这些工作和成果在学术界产生了广泛的影响,为矿产预测定量化发展作出了重要贡献。

    未来:发展人工智能预测技术是“创新的高地”

    所谓矿产预测,就是在现代地质成矿理论指导下,对预测区的地质、地球物理、地球化学、重砂和遥感等各种成矿信息进行提取解译,并使用先进的多元统计方法和计算机技术进行综合,从而确定成矿有利地段和靶区,并最终估算其矿床数和资源量。

    在如今的矿产预测领域,很少有人不知道MRAS(矿产资源综合信息评价系统)和MinExplorer(探矿者软件)。这套由肖克炎带领团队在全国矿产资源潜力评价项目实施期间自主开发并拥有全部核心技术与知识产权的矿产资源预测评价系统平台,打破了国外在此领域的技术壁垒,填补了我国矿产预测信息化领域的空白,已被全国32省(区、市)的上千家地质调查单位全面应用。 

    探矿者软件(MRAS3.0)赠送仪式

    科学的探索从来都是循序渐进、厚积薄发。

    早在1996年,肖克炎申请承担的“基于GIS平台矿产资源评价辅助决策系统”,在国内首次提出将传统矿产资源评价与现代地学信息技术相结合的研究思路并研制了MRAS软件系统;2002年,肖克炎承担国家863项目“地学空间信息三维可视化系统”,通过基于GIS的资源评价分布式网格计算,开始了对“探矿者”软件核心技术的研发与积累;2006年~2013年,“探矿者”在全国危机矿山找矿专项中推广应用,形成了矿床勘探3DEM储量估算系统;之后,“探矿者”升级为v3.0版本,实现了对三维数字矿床模型及深部矿产资源的立体预测评价。

    MRAS打通了矿产资源评价的GIS工作流程,实现了多源信息变量自动赋值及预测单元自动划分,彻底地改变了以往在预测单元选择、变量研究过程中进行矿产资源统计预测的费时费力的工作环境;而探矿者软件,则是一套适合地质矿产勘查、三维可视化智能分析、三维预测评价系统,其自主研发的三维矿产勘查评价智能地质制图、三维地质建模、三维可视化等底层核心技术,实现了从二维平面预测向三维空间立体预测转化,也使传统统计预测要几个月完成的工作,缩短到几天就可以完成。

    这些,都颠覆性地提升了地质工作中矿产预测的工作模式、准确度以及经济性。

    探矿者地质矿产勘查软件系统(MRAS v3.0)

    30多年对矿产预测数字技术的研发与应用,让肖克炎深深地体会到了“大数据驱动”已成为新的科学范式,而对前沿科学极为敏感的他则清晰地意识到,发展新一代人工智能预测技术是当前资源评价领域创新高地,地质找矿工作智能化已是“奔腾的江河”,必然势不可挡、必然汹涌向前。

    如今,在“人工智能+”找矿的大趋势中,肖克炎又针对战略性矿产资源开始了新的研究探索——通过战略矿产项目“战略性矿产资源大数据综合信息预测与找矿勘查示范”,针对锂、钴、镍等11个战略性关键矿产资源,创新大数据预测评价基本理论、方法流程、预测模型及成果表达等,研发智能地质预测模型和大数据精准预测技术,创新资源评价知识驱动和数据驱动双引擎,突破智能地质模型预测计算机关键技术,形成新一代智能战略性矿产评价软件系统,解决资源评价软件卡脖子难题。

    又是一场硬仗。在今后的4年中,肖克炎将带领项目团队,完成战略性矿产超常富集机理及成矿模型研究、战略性矿产大数据综合信息提取与智能预测方法技术研究、战略性矿产数字矿床模型及预测评价系统平台研发、战略性矿产重点成矿区带资源潜力定量评价、战略性矿产重点矿集区三维预测与找矿勘查示范等课题,继续推进矿产资源大数据智能预测评价水平,为国家提供更多的找矿新靶区,尽快找大矿、找好矿、找急需的矿提供重要支撑。

    熟悉肖克炎的人都知道,他有着地质人的豪迈大气,也有着数学家的精细严谨,既有身为学者的“勇攀高峰、敢为人先”,又有作为教师的“春风化雨、玉汝于成”。30多年来,被同事、学生称为“拼命三郎”的他,始终把李四光等地质先辈的科学家精神视为榜样和指引,以服务国家需求为己任,勇于创新、勤于实践,全身心地投入到了“推动矿产预测理论技术进步”的事业中,而未来,面对国家对能源矿产资源的全新需求和日新月异数字技术的不断召唤,他以科技创新驱动大数据智能预测方法研发的步伐也将更加坚定。

     

    深耕资源评价智能化——记第十八次李四光地质科学奖...

    (一)完全自主知识产权创新型多功能天然气水合物钻采船(大洋钻探船)初步设计完成

    (略)

    (二)自主研制国内首套深海井口吸力锚技术装备并成功应用

     

     吸力锚装船固定                                     吸力锚入水

    该成果由以广州海洋地质调查局为牵头单位,中国地质科学院勘探技术研究所宋刚为牵头人的科研团队完成。其主要创新点:

    1.2019年11月13日,国产深海井口吸力锚在我国南海试验成功,标志着我国已掌握深海井口吸力锚技术。井口吸力锚既需要较强的承载力,又需要很高的垂直精度,以确保钻井时钻杆顺利通过。

    2.结构方面采用了“上拱下锥”式的筒体结构大大提高了其承载力;监测方面采用了机电双通道姿态监控系统实现多参数监控;安装方面采用了步渐间歇式自贯和拖曳连续式负压贯入工艺实现了高垂直精度。其参数为:直径Φ6.5m,高12m,重96t,承载力超500t,安装垂直精度控制在0.17°,技术指标达国际先进水平。

    3.实现了井口吸力锚理论和安装的重大突破,打破了国外技术垄断,使我国成为拥有完全自主知识产权的深海井口吸力锚技术装备的国家。

    (三)中国海1:100万区域地质调查系统性成果集成与洋陆汇聚带地质理论创新

     

    该成果由以青岛海洋地质研究所张勇和广州海洋地质调查局李学杰共同带领的科研团队完成。其主要创新点:

    1. 首次基于我国管辖海域1:100万海洋区域地质调查全覆盖实测数据,形成了“一图一库一报告”整装成果:编制了海洋地质系列图件计3类27张;建立了包含758个数据集的海洋地质空间数据库;编纂了1套“志书”性成果报告。

    2.获得了系列原创性认识:建立了中国海域构造单元划分新方案,创新性提出“东亚洋-陆汇聚带多圈层作用”和南海“弧后扩张与左旋剪切”理论模式;厘定了中国海域中-新生代地层格架,实现跨构造单元的地层比对;刻画了中国海域地形地貌特征,新命名245地理实体并获国务院批准;创新性提出中国东部海域“陆缘条带状”和南海“多源环带状”沉积分异模式;总结了海域成矿成藏规律,引领新领域和新层系矿产资源调查。系统化和理论化的重大成果有效服务于海洋强国战略,推动了西太平洋边缘重大基础科学问题的研究。

    (四)我国中生代爬行动物研究取得重大进展

    南漳-远安动物群中的“鸭嘴兽”龙化石及素描图

    该成果由中国地质调查局武汉地质调查中心的程龙、地质科学院地质所周炫宇、成都地质调查中心安显银等组成的科研团队牵头完成。其主要创新点:

    1.在早三叠世南漳-远安动物群中新发现两件卡洛董氏扇桨龙化石,有与现生鸭嘴兽相似的头骨结构,不仅将鸭嘴兽式的捕食方式提前到早三叠世晚期,而且进一步暗示了海洋生物在早三叠世已经完成复苏,该研究成果发表在《自然》子刊《科学报告》上,后经CCTV等国内外权威媒体跟踪报道后,引起了极大的社会效应。

    2.在辽西地区九佛堂组中新发现了吕氏努尔哈赤翼龙,其牙齿生长角度为进一步揭示帆翼龙类的进食习惯和食性提供了有力证据。

    3.在西藏昌都地区首次发现海拔最高的侏罗系蜥脚类和兽脚类恐龙化石,为蜥脚类恐龙的早期演化和体型大型化生长模式提供了重要证据,对恢复昌都地区侏罗纪时期古生态和古环境具有重要意义。

    (五)中国大型锂矿成矿新机制与找矿新突破

    “多旋回深循环内外生一体化”的锂矿成矿机制示意图

    该成果由中国地质科学院矿产资源研究所的王登红为首的科研团队牵头完成。其主要创新点:

    1.提出了“多旋回深循环内外生一体化”的锂矿成矿机制新认识。在该理论的指导下,开展了以甲基卡为示范带动川西可尔因、九龙等地以锂为主的硬岩型稀有金属地质找矿工作并取得突破,其中在甲基卡矿区及外围探获Li2O(334)资源量约30万吨,马尔康矿田探获Li2O(334)资源量约13万吨。

    2.在此理论的基础上拓展了“五层楼+ 地下室”的勘查模型,进而指导川西、幕阜山—九岭矿集区及中央造山带的秦巴山区等地在寻找伟晶岩型锂辉石矿床、花岗岩体型锂铍铌钽矿床及层控热液型铍矿床等方面取得新进展,指出了新方向,打开了稀有金属找矿的新局面。

    (六)七种自然界新矿物获国际认证

     

    显微镜下的新矿物

    该成果由中国地质科学院地质研究所 熊发挥、中国地质调查局天津地质调查中心曲凯、中国地质调查局成都地质调查中心任光明、中国地质科学院矿产资源研究所简伟等科研人员牵头完成。其主要创新点:

    在我国境内铬、铂族、稀土和金矿床中发现了七种国际认可的新矿物:“经绥矿”(TiB2),“志琴矿”(TiSi2)、“巴登珠矿”(TiP)、 “太平石”((Ce7Ca2)Σ9Mg(SiO4)3[SiO3(OH)]4F3)、“氟栾锂云母”(KLiAl1.5☐0.5(Si3.5Al0.5)O10F2)、“钾绿钙闪石” (KCa2(Fe2+4Fe3+)Si8O22(OH)2)和“灵宝矿”(AgTe3)。这些新矿物的发现提高了我国矿物学基础研究水平,促进了矿物学学科发展,提升了我国学者在国际矿物学领域的影响力,也对相关矿产的基础理论研究提供了窗口。

     

    (七)石漠化调查及综合治理技术创新与应用新突破

          

                                   王研副局长考察广西平果县果化                                 岩溶峰丛洼地石漠化

                                      石漠化生态修复示范区                                   生态修复模式“果化模式”

     

    该成果由以中国地质科学院岩溶地质研究所罗为群为首的科研团队牵头完成。主要创新点:

    1.系统查明中国石漠化面积6期变化规律,创新石漠化综合治理关键技术,集成石漠化综合治理“果化模式”等3种可复制、可推广模式及其关键技术体系,获批国家标准立项3项。

    2.建立示范区6个,成果在西南60多个县推广应用,指导300多个县石漠化治理工程,形成赤苍藤、火龙果、树仔菜、黄花梨以及岩溶景观生态旅游等系列生态产业,累计间接经济效益500亿元,带动20万人脱贫致富,受益1000多万人,培训技术人员3万人次。

    3.编制石漠化相关成果报告3部,获陆昊部长批示2次,科学技术部以石漠化生态修复成果编制科技部简报报送中央,人民日报、中央电视台等73家媒体报道成果。培养省部级人才3名,获省部级二等奖1项。

     

    (八)首套3000米级轻便型声学深拖探测系统研发成功

    拖体入水

    该成果由以青岛海洋地质研究所赵铁虎为首的科研团队牵头完成,是我国首套适用于3000米水深集测深、侧扫、浅地层剖面探测功能为一体的海洋地球物理调查装备。其主要创新点:

    1. 创新深拖系统结构设计和PHINS+DVL+USBL组合航位推算/水声定位算法,首创拖体姿态舵机调节机构,拖体重量轻、结构紧凑、搭载空间大、定位精度高、作业灵活、姿态稳定,获得3项国家发明专利。

    2.可在3000米以浅水下长时间连续开展高精度地形地貌及浅地层结构以及物化参数探测,适用于海底浅表层水合物、热液硫化物等资源调查及特定目标搜索。

    3. 技术指标已通过湖试及海试验证,达到国内领先、国际先进水平,在天然气水合物赋存区完成了应用试验,取得良好探测效果。

     

    (九)国内首套小型化高精度ZAG-E型冷原子绝对重力仪研制成功并应用

    ZAG-E型冷原子绝对重力仪实物图

    该成果由中国自然航空物探遥感中心与浙江工业大学联合完成,主要完成人员林强、周坚鑫等。其主要创新点:

    1.经中国计量科学研究院检测,仪器测量精度为10μGal;经第三方鉴定,各项技术指标均达到国际先进水平。

    2.ZAG-E型冷原子重力仪的成功研制,突破了长期以来的国外技术垄断,为地质调查提供了新手段,实现了国产冷原子绝对重力测量设备从无到有的突破。

    3.该型仪器是国内首个得到国家权威机构检验认证的高精度绝对重力仪,今后将在地质调查、地震监测与预报、地壳运动及地球动力学研究、地球物理测量和军事应用等相关领域发挥不可或缺的作用。

     

    (十)地质调查“在线化”系统研发成功并全面应用

     

    地质调查项目“在线化”应用

    该成果由以中国地质调查局发展研究中心的李丰丹、霍志彬、杨旭东为首的科研团队牵头完成。其主要创新如下:

    1.地质调查项目在线化是地质云、智能化和大数据“三位一体”建设的重要基础。构建项目云上工作环境,初步实现地质调查数据的在线化采集、汇聚、存储、管理、处理与应用,支撑地质调查项目全流程在线化工作和研究,基本形成“云+端”现代化地质调查工作模式。

    2.在线化平台融合地质云各类资源,地质云在地质调查工作中的作用越发突显;在线化协同工作机制支撑调查过程数据的动态汇集与管理,为地质大数据的全生命周期管理和共享奠定基础。

    3.智能地质调查技术手段有效服务于二级项目“在线化”,推动智能化技术落地应用。野外采集从“单兵”提升为地质云“端”,提升了野外调查的工作效率和质量。基于大数据的智能管理分析与决策支持模块支撑业务管理全过程。

    4.目前,地质调查项目“在线化”平台已全面应用于2019年正在开展的地质调查二级项目。

    2019年度地质科技十大进展出炉

    北京时间8月6日,“海洋六号”船正在我国富钴结壳合同区(嘉偕平顶山群)进行多波束测量作业。经过20天的调查,已在西太平洋完成了5000多公里多波束测线,全覆盖面积近10万平方公里。这次调查使用了先进的EM122多波束系统,高效获取到了高精度地形地貌资料,进一步对声回波勘探技术的应用进行了探索,在地形测量与资源勘探两个方面实现了深海探秘提速。

    海底几多丘壑 多波束一探了然

    在寻找马航MH370事件失踪飞机过程中,我们见识了各种先进的海洋技术,也讶异于人类对深海还是所知甚少。海底是均匀平坦的?还是异常崎岖?今天,多波束测量负责人于宗泽将带领我们参加多波束值班,一探深海究竟。中午12点,随着船舶沿测线慢慢向前,多波束采集屏幕上不停地刷新出红红绿绿的水深条带。颜色从红到蓝,表示海底水深依次增大。采集电脑根据实时数据绘制出三维地形,海底起伏一下豁然开朗。

    我望着屏幕,不免出神,竟以为自己正在脚下5300米深处,独自沿着那隆起陷下行走。我们跟随多波束扫测路线,小心翼翼地穿越峡谷,再到平原放肆奔跑,半路突遇海山,一番惊奇之后,发现原来海底与陆地别无二致。游历这辽阔的海底,心情顿时舒畅,颇有些 “翻山越岭两肩霜花,风云雷电任叱咤,一路豪歌向天涯”的感觉。

    据于宗泽介绍,在19世纪,海洋测深使用的还是重物垂绳,又称打水铊;1925年,第一台单波束测深仪—Fathometer诞生,人类才进入回波测深时代;到了20世纪70年代,能一次性发射多个声波的多波束测深仪横空出世,测深效率大幅提升。此次调查使用的EM122属最新一代多波束系统,具全海深测量能力,曾于2012年飞跃马里亚纳海沟,为“海洋六号”获得中国的世界最大水深10923米;以水深6000米为例,EM122每9秒发射一次声波,单次反射432个波束,能覆盖船舶左右共20公里的海底,测深效率不言而喻。

    从原始的重物垂绳到先进的多波束系统,海洋测深经历了从点到线到面的“跨栏式”发展,人类也在探索自然的道路上越行越远。

    回波勘探新应用

    多波束测量进行中,专业助理杨永出现在仪器房,盯着屏幕,脸色严峻。“这个方向受旁浪影响,海浪产生的许多气泡在船底多波束发射器附近破裂,波束丢失,大大影响数据质量。”随着他的话,我们看到采集屏幕上实时显示的海底地形上出现了很多破洞,像极了一块烂破布。

    杨永的研究方向是利用声回波勘探新技术,提高寻找海底矿产资源的效率。“海洋六号”在往年进行资源勘探时,多大量使用箱式取样和海底摄像等调查方式,以获得多个点的数据来推算整个区域的资源分布情况。而地球物理出身的杨永,有着不同于地质专业人员的思维:先使用地球物理方法解决矿产资源在面上的大致分布,之后再采用传统手段,有目的性地进行少量点、线上的工作,提高找矿效率。

    作为测深为目的的多波束测量,同步获得有大量声回波强度数据,可以大致反映海底底质的软硬松散。杨永抓住这一点,将其用于区分海山富钴结壳与沉积物的分布,最大化挖掘科研数据应用潜力,赋予多波束以新的活力,完成了多波束勘探的“一鸡两吃”。

    当他从多波束数据中提取出那一张张黑白的海底回波强度图,兴奋立马挂满脸上,仿佛那是他了解海底特征的眼睛,是找寻深海宝藏的钥匙。

    想起中午杨永与我吃饭时聊起《西游记》,讲起他的儿子特别喜欢孙悟空,爱学里面的人物放各种法力,西北汉子的脸上有藏不住的温柔。

    如今,听他讲述完推广新技术应用的努力后,我不免想起《西游记》中的一段歌词:一片诚心,一往无前,不到灵山,不回不还!任它长路漫漫,看我跃马扬鞭。

    夜里1点,我躺在床上,船底有规律的多波束发射声听得分明。料想现在肯定还有一些人与多波束一样,正在努力工作,不停地刷新着自己的海底世界。在这些深海探梦人的前方,可能路还很长,但也许就在不远处,生命就在那儿开出了花儿等着他们,只等千锤百炼之后,给他们一个应该得到的惊喜!

    杨永与于宗泽正讨论测线布设方案

    首席科学家助理杨永在黑白信息中找到了海底异常强回波信息

    多波束显身手 深海探秘提速

     

    地震是一种自然现象,地球上每年要发生地震500多万次。在常人眼中,地震是一种可怕的自然灾害,但是人们所不清楚的是,地震也是一种非常有效的了解地下地质构造的方法。不过,这里所说的地震并非人们所熟知的天然地震(Earthquake),而是用人工方法激发地震波的地下矿产资源勘探技术,即地震勘探(Seismic Exploration)。

     

    地震勘探方法始于19世纪中叶,经过1个多世纪的发展,地震勘探已成为最有效、最普遍的石油、天然气勘探方法。

     

    常规地震勘探方法包括折射法、反射法(如图,图为各种地震波)。折射法利用人工震源激发产生的地震波,在满足下伏地层波速大于上伏地层波速的特定条件形成滑行波再折射回地面产生的折射波来研究地下的地质构造。适合研究地表浅层或深部地壳特征,故折射法的应用范围受到限制。反射法利用人工震源激发产生的地震波,在其传播过程中遇到介质性质不同的岩层界面时(地层),一部分能量形成反射波被地面接收,另一部分能量穿过界面形成透射波继续往下传播。地震勘探就是利用记录到的反射信号来描述地下的地质构造等情况。所以,地震勘探中广泛采用的是反射法。

     

    反射波的到达时间与反射面的深度有关,据此可查明地层埋藏深度及起伏。随着检波点至震源距离(炮检距)的增大,同一界面的反射波走时按双曲线关系变化,由此可确定反射面以上介质的平均速度。反射波振幅与反射系数有关,由此可推算地下波阻抗的变化,进而对地层岩性做出预测。

     

    地震勘探包括野外数据采集、室内资料处理和解释三大环节。地震勘探方法属于交叉学科,涉及到的理论知识遍及数字信号处理、岩石力学、软件编程、算法研究等方面。由于地震信号受到地下复杂地质条件(构造复杂、地形多变、岩性多样等)的影响,同时还经常会受到环境噪声的影响,地震信号的处理往往比常规信号处理专业接触到的信号更难拾取。

     

    为了提高地震有效波的信噪比,压制干扰,地震勘探(反射法)广泛采用多次覆盖技术,其原理是连续相应改变震源与检波点在排列中所在的位置,在水平界面情形下,可使地震波总在同一反射点被反射返回地面,反射点在炮检距中心点的正下方。经过相叠加提高反射波能量,从而极大地改善地震勘探的成像质量。

     

    根据观测系统的不同,可将地震勘探分为二维地震勘探与三维地震勘探方法。二维地震勘探方法是在地面上布设一条条测线,采集地下层位反射回来的反射波信息,经过室内处理后得到反映地下构造等的地震剖面图。通俗来说,一张张地震剖面就相当于沿测线向地下剖开,在深度与地面测线方向显示地下构造情况。多条测线联合使用,便可较为精准的描述地下构造,经过地质学家的解释后便可为油气勘探、井位设计服务。三维地震勘探工作流程与二维地震勘探类似,但是由于多了一个方向的观测数据,能够得到比二维地震更为清晰准确的结果。

     

    为了寻找更多的油气,近年来地震勘探方法的发展也十分迅速,野外采集方法不断进步,新的处理方法不断涌现。同时,在计算机计算能力飞速发展的背景下,以往一些理论完善但受限于计算能力的方法(如全波形反演、逆时偏移等方法)都得以实现,这些都为地震勘探的进步提供了条件,也为寻找复杂油气藏提供了新的方法。

     

    随着人类对能源需求日趋强烈,地震勘探这种有效的油气勘探方法也在日渐发挥着越来越重要的作用,各种不同的地震勘探方法和技术不断发展革新,为人类勘探地下未知世界的奥秘做出了巨大的贡献。在过去、现在以及将来,地震勘探都会是人类了解油藏分布的一把利器。

     

    (作者单位:中国地质调查局油气资源调查中心)

    地震勘探:油气勘查的“眼睛”

    3000米级轻便型声学深拖探测系统由中国地质调查局青岛海洋地质研究所牵头,联合中科院声学所、中国船舶科学研究中心共同完成。系统的研制经历了概念设计、初步设计、详细设计、部件研发、拖体成型组装、湖试、海试等几个阶段。

    设计阶段,工作人员编写了方案设计报告,按照标准化要求形成了全套设计图纸和文件,包括设备明细表、组成框图、安装图、电路图、机械图等。

    研发和组装阶段,工作人员将微地貌探测系统小型化,满足轻便型的要求;增加尾翼调节机构,提高作业灵活性;对压载器线型进行优化,提高可靠性;采用新的紧急安全系统方案,使操作更加便捷;在压载器上安装安全组件,增强系统的安全性。

    此外,工作人员还编制了质量保证大纲、实验室检测和海上试验基本方案,进行了实验室联调测试和水池测试,编写了声学深拖操作规程和用户手册,进行了湖试及海上应用试验,对系统性能进行了逐步验证,对试验中出现的问题进行改进完善。

    成果与进展

    该系统突破了狭小空间内多声学设备同步控制、多类型数据时间对准等技术难题,实现了同步采集测深、侧扫和浅地层剖面数据功能,提高了探测效率;创新了拖体设计,使拖体重量轻巧、结构紧凑,方便不同的科考船装配,增强了系统适用性;采用PHINS+DVL+USBL组合的航位推算/水声定位方式,提升了定位精度;首创了拖体姿态舵机调节机构,提高了拖体稳定性和测量精度;开展了组合导航算法研究,将系统中的导航数据进行融合处理;研究测深侧扫数据后处理方法,进行数据融合和参数校正,以得到高分辨率的探测结果。

    该系统侧扫最大覆盖单侧410米,测深最大覆盖单侧260米,测深精度达到国际海道测量组织特级标准,测深侧扫系统可探测出不小于1.3米的底物,浅地层剖面声源级205分贝,典型穿透深度不小于50米(泥底),地层分辨率优于0.2米,性能指标达到了国内领先、国际先进水平。

    该系统可在3000米以浅的水下长时间连续工作,同时可搭载磁力仪、CO2和CH4等物理化学传感器进行实时探测。该系统在我国冷泉区完成了试验性应用,同步获得了高精度地形、微地貌和浅地层剖面数据,对水合物渗漏形成的羽状流、碳酸盐岩、生物群落等强散射体特征反应清晰明显,为海底冷泉的发现提供了基础资料。

    应用与转化

    3000米级轻便型声学深拖探测系统各项指标达到了设计要求,并且在水合物区进行了应用试验,取得高质量的试验数据,为水合物等海底资源的探测增添了利器,可为浅表型水合物勘查提供技术支撑,能够较好地满足深海矿产资源调查和海洋科学使用要求。

    该系统还可应用于海洋开发和海底矿产资源调查、海洋工程等领域,以及用于深海特征物搜查和配合大型设备作业,为ROV下潜等提供准确的地形地貌资料。

    系统的研制培养了一批研发技术骨干,形成了一支稳定的技术研发团队,形成了具有独立知识产权的样机和软件。

     
    首套自主研制3000米级轻便型声学深拖探测系统问世

    2020年11月16日,自然资源部发布了《自然资源部关于公布2020年自然资源科普讲解大赛获奖名单的公告》,中国地质调查局青岛海洋地质研究所的参赛选手李嘉佩获得自然资源科普讲解大赛三等奖。

    李嘉佩是一位从事有孔虫研究的科技人员,热心科普工作,是有孔虫研学课程开发团队的成员。在科普讲解大赛的舞台上,她化身为有孔虫,以第一人称的方式向公众讲述《有孔虫-大海中的小巨人》的科学知识,传递珍惜自然、保护海洋环境的理念。

    此次科普讲解的主题来源于青岛海洋地质研究所第一批精品研学课程《有孔虫-大海中的小巨人》。该课程由王飞飞博士主持开发,研学团队依托扎实的海洋地质学基础,开展科普化研究,制作了科普讲座课件和研学手册,设计了丰富有趣的科学实验,配备了专门的体视显微镜、有孔虫放大后的3D打印模型等教具。在课程实践中,研学团队介绍有孔虫的形态、结构、种属、生活习性,讲解科学家应用有孔虫推算地层年龄和沉积环境,寻找海洋矿产等科学知识。指导学生在镜下观察、鉴别、测量有孔虫。该研学课程自2017年开发推出后,每年为中小学生提供数场研学活动,深受青岛市中小学生的喜爱,并于2019年入选青岛市市南区《基础教育海洋特色课程》教学用书。

    本次参加科普讲解大赛是有孔虫研学团队发挥专业优势,积极拓展渠道传播海洋地质科学知识的新尝试。团队以赛代练,不仅提高了科普写作和科普讲解能力,也向更多人推广宣传了研学课程。

    青岛海洋地质研究所作为国家级的科普基地,高度重视科技人员科普讲解能力的培养和海洋地质系列精品研学课程的开发,成功将海洋地质科学知识和重大成果进行科普化转化。今后,我们将继续加强科技资源科普化研究,培养更多更优秀的科普讲解人才,开发更多海洋地质系列精品研学课程,为传播科学知识、提升全民素养贡献力量。

     

     
    《有孔虫-大海中的小巨人》研学指导团队专家王飞飞博士

    《有孔虫-大海中的小巨人》研学课程进校园

    青岛海洋所有孔虫研学团队在自然资源科普讲解大赛中...

    2020年11月12日,自然资源部中国地质调查局琼中县脱贫攻坚地质调查再传捷报,在上安乡地热勘探中取得重大突破,成功钻获第二口温泉水井,水温达52.1℃、日涌水量达2148吨,不仅实现了地热资源勘探新突破,还有力支撑了上安乡温泉旅游小镇的建设,为琼中县产业扶贫探出了一条新路。

    中国地质调查局武汉地质调查中心琼中县脱贫攻坚地质调查突击队深入贯彻党中央关于决战决胜脱贫攻坚指示精神,紧密围绕支撑服务和巩固脱贫攻坚成果、衔接美丽乡村战略,全面落实自然资源部、中国地质调查局党组部署,精准对接需求,以系统地球科学理论为指导,发挥专业优势,经过多轮研讨论证,在上安乡圈定温泉水资源优势靶区5处,优选钻孔2处。继7月3日成功钻获第一口温泉水井后,再次钻获一口温泉水井,井深220米,水温52.1℃,涌水量2148吨/日(水位降深4.06米),初步推算日出水量可达3000吨以上,水质无色、透明,具硫化氢气味,水质检测样品已送相关实验室。

    下一步,武汉地调中心琼中县脱贫攻坚项目组将完善抽水试验和相关测试分析以及对地热流体来源、成因、储量、规模进行相关研究和评估,为琼中地热资源勘探开发和产业发展提供更全面的支撑。

     

    地热井出水

    抽水试验与水质检测采样

    琼中县地热勘探获重要突破

    历时122天 航程近35000公里

    历时122天,今天(23日),自然资源部中国地质调查局“海洋六号”科考船圆满完成了我国2019年深海大洋科考任务,返回广州。

    “海洋六号”船自今年5月30日从广州启航,在122天的时间中先后在西太平洋及我国富钴结壳合同区维嘉海山实施了多波束地形测量、浅地层剖面深海浅钻、海洋重力测量等多种深海地质调查。

    “海洋六号”大洋55航次首席科学家 王海峰:掌握了近40个区块的富钴结壳资源量。为我们日后海洋地质基础科学的研究,以及相应的新资源测算,提供了基础数据支撑。

    “海洋六号”船是我国自主设计、建造的第一艘现代化综合地质地球物理调查船,自2009年入列以来,已连续10年赴南海、太平洋、南极海域开展了55个航次的深海地质、大洋与极地科学考察任务,总航程将近54万千米。

    “海洋六号”深海大洋航次总首席科学家 何高文:“海洋六号”是国内第一艘集多道地震和深海浅钻作业功能于一体的综合地质地球物理科考船,应该说它既能“远观”也能“近瞧”,既能“探”也能“钻”,为我们国家后续科考船的设计建造提供了非常好的示范作用。

    “海洋六号”深海调查成果显著

    此次“海洋六号”科考完成的是中国地质调查局深海地质第8航次和中国大洋第55航次两项科考任务。在科考过程中,由我国自主研发的深海装备大显身手。

    “海马”号深海遥控潜水器是“海洋六号”的常客,自2014年起,作为我国自主研制的4500米级深海遥控潜水器作业系统,“海马”就一直与“海洋六号”一道进行了一系列开创性的深海试验。

    “海洋六号”深海大洋航次总首席科学家 何高文:我们国家首次系统的开展深海稀土资源调查,南海的天然气水合物资源调查、油气资源调查和海洋区域地质调查。所以说,“海洋六号”这十年来,在我们国家的深海探测、深海科学研究方面,都发挥了非常重要的作用。

    在本次深海大洋科考任务中,利用多套我国自主研发的深海调查装备,“海洋六号”开展了深海浅钻取样、深海摄像等调查,并首次利用图像处理技术,实现了水下视频图像的分幅智能拼接,并利用高频声学探测方式对富钴结壳的厚度进行高精度探测。

    “海洋六号”大洋55航次首席科学家 王海峰:我们测量的误差已经可以控制在1厘米以内,实现了富钴结壳调查从点到线再到面的跨越,快速查清一定区域内的富钴结壳厚度,进而推算相应的资源量。

    (央视记者 张雷)

    央视新闻客户端:“海洋六号”船完成2019年深海大洋...

    2019年10月11日,得知自然资源部中国地质调查局武汉地质调查中心在于都县下增村成功打井出水的消息后,于都县县委副书记梅扬赶到现场向自然资源部中国地质调查局及现场野外一线人员表示感谢,并共同见证了村民代表向武汉地调中心赠送锦旗。

    梅扬表示,此次打井出水有三个特点:一是技术水平高,一钻出水。当地属白垩红层缺水区,找水困难,中国地质调查局的技术人员在精准论证推算下首钻成功,一钻出水;二是水质优良。经检测达到一类水质标准,而且偏弱碱性,可放心直接引用;三是水量大水压高,呈自流状态。枯水期的水头都超过5米,可确保覆盖人群全年使用,彻底解决吃水困难问题。

    为了充分利用好这口井、把好事办好,梅扬对有关后续工作提出了具体要求:一是请武汉地调中心作技术指导,由县委县政府和村委一起想办法尽快修建蓄水池,尽快投入使用;二是将该井打造成一处景点,做好宣传栏,既要宣传党和政府的好政策,也要宣传水质水量和找水故事;三是把井水利用好,开发生态农庄,发展生态旅游服务,让游客吃的放心、玩的开心,吸引更多的游客来观光旅游,实现脱贫后“自我造血”。随后,梅扬还到茶梓村武汉地调中心正在组织施工的一口钻井现场指导工作。

    村民代表赠送锦旗

    现场接水直接饮用 

    在茶梓村钻井施工现场

    赣州于都县委相关负责人到武汉地调中心打井找水现场...

    钻探工作具有环境复杂性与多变性的特点。

    一直以来,我国存在钻探设备陈旧、技术方法落后、钻探效率低下等诸多问题。因此,大力推进钻探技术与钻探装备的现代化,研究开发先进的钻探技术与钻探装备,创新、应用、推广新技术和新设备,培养高素质的技术人员,成为当务之急。

    随着我国社会经济的快速发展,工业化与城镇化建设的步伐也不断加快,使得对地下矿产资源的需求量与消耗量也随之上升,矿产资源逐渐成为了制约我国经济发展的重要因素。作为发现和获取地下矿产资源的主要手段,地质勘查钻探设备的重要性不断上升,其设备的先进性与技术创新已经成为了我国经济发展的重点。

    中国矿业报记者从国土资源部获得的信息表明,经过地质科技工作者的努力,我国在一些关键的钻探技术研究及钻探设备的研发上,已经赶超世界水平,逐步建立起了拥有自主知识产权并具有国际先进水平的现代化深部钻探技术体系、同位素热年代学技术体系,同位素地质研究专用仪器的研发也取得重大进展,进一步拓宽了找矿空间。

     

    深部钻探技术取得长足发展

     

    钻探技术是获取地下实物地质资料信息、建立地下观测与开采通道、验证深部地质推断与解释的唯一技术方法,广泛应用于基础地质、水文地质、能源矿产、地质环境等的调查以及地球科学研究、灾害防治和资源开发利用等领域。

    记者手头掌握的资料显示,在“十一五”初步建立2000米地质钻探体系基础上,“十二五”期间,在国土资源部科技与国际合作司和中国地质调查局的统筹组织下,中国地质科学院勘探技术研究所等单位的科技工作者,充分利用国家“863”计划项目、国土资源公益性行业科研专项、地质矿产调查评价专项等项目的实施,系统地组织开展了钻探装备、技术及工艺方法的研究,全面提升了钻探工程技术与装备的能力、质量和效率,降低施工成本,使得我国的钻探技术与装备取得长足发展,整体技术水平与国际达到同步,部分达到了国际领先水平,对我国的深部地质调查和矿产资源勘探开发起到了有力的支撑。

    一是深化了新一代地质钻探装备体系的研发与应用。完成了3500米地质岩心钻机及 2500米车载水井钻机、3000米电动直驱顶驱钻机、400米轻便钻机、浅层取样钻机和600米反循环钻机等的研发;开展了永磁电机驱动、自动化检测与控制技术在钻探设备中的应用探索,新型泥浆固控离心设备在地质钻探中逐步得到推广应用,对国内钻探设备的现代化发展起到了积极的引导作用,加快了我国地质钻探装备的更新换代。

    二是结合科学钻探施工开发了钻探装备。围绕汶川地震断裂带科学钻探工程和松辽盆地资源与环境科学钻探工程的实施,随钻开展了新技术与装备的研究与应用,开发了KZ3000型深孔取心钻探设备、科学钻探复杂地层高效取心钻具、复杂地层钻进技术、大直径薄壁取心技术、海洋钻探取样技术、铝合金钻杆技术等,推动了我国深部科技钻探技术体系的发展。

    三是地质岩心钻探深孔钻探技术取得了长足的进步。先后开发了XJY-850、XJY-950高钢级钻探管材及绳索取心钻杆,薄壁绳索取心钻杆最大应用深度超过2700米,绳索取心液动潜孔锤技术得以普遍应用(最大深度达到了 4006.17米),深孔钻进用小直径涡轮钻具等研究取得了突破,深孔钻进用金刚石钻头的工作寿命和效率明显提高,深孔用高温磁中靶技术在近 3000 米深孔成功应用,新型孔内事故处理工具的推广应用提升了地质岩心钻探事故处理的能力和水平,极大地推动了我国深孔地质钻探的水平。

    四是复杂地层钻进能力明显提高。通过深入的理论研究和试验应用,开发多种地质钻探用新型泥浆体系,大大降低了复杂地质条件下的孔壁坍塌、漏失、缩径问题,提高了复杂条件下的钻探施工能力;同时开展的小直径膨胀套管技术(实体、波纹及有缝管)在国内深孔复杂地层中成功应用,提供了一种新的复杂体层护壁手段,在国内外处于领先地位。

    五是钻探工程信息化水平不断提升。随着现代化信息技术和网络技术的迅速发展,为钻探工程的信息化提供了良好的基础。“十二五”期间建立了探矿工程(岩土钻掘工程)技术网络服务平台,建成的数据库包括从业机构、装备制造、行业词汇、行业论文等数据库,为开展更深层次的探矿工程信息化和社会化服务提供了基础条件。开展了钻探参数采集与传输技术的研究,初步实现了将钻探施工的各类信息实时记录在统一规范的数据库中,为管理、统计分析及生产和科研工作提供数据服务,对提高钻探工程的管理水平和施工技术优化、促进钻探技术学科进步等具有重要意义。

    记者了解到,“十二五”期间,上述钻探技术成果在地质调查及矿产资源勘探开发领域得到了广泛的应用,覆盖了地质调查、地球科学研究、深部矿产资源勘探开发等领域,解决了深部及复杂地质条件下的钻探技术难题。

    此外,上述钻探成果在汶川地震断裂带科学钻探工程、松辽盆地资源与环境深部钻探工程、中国岩金勘查第一深钻、庐枞及铜陵矿集区深部矿产资源勘查及各类地质钻探工程中均发挥了关键作用。部分钻探新装备与技术与我国地勘单位走出国门,全液压地质岩心钻机由进口转向了对外出口。

    专家称,这些成果对提高钻探施工能力和效率,降低工程风险,增强竞争力,提升地质勘查工程管理水平与效益发挥了重要作用,意味着已成功建立起了拥有自主知识产权并具有国际先进水平的现代化深部钻探技术体系。

    据了解,相关技术成果获得国土资源科学技术奖一等奖1项、二等奖2项,河北省科技进步奖1项,通过国家科技进步奖二等奖初评1项。研发的钻探新装备与新工艺技术得到使用单位的高度评价,大幅度提升了我国深部钻探技术能力和水平,并为相关产品生产企业带来了良好的社会效益和经济效益。

     

    同位素热年代学为找矿新技术支撑

     

    同位素热年代学是一门集同位素年代学、构造地质学、岩石矿物学、计算机模拟技术等为一体的综合性学科。据了解,同位素热年代学方法不仅能够提供地质事件年龄值等时间信息,而且能提供所测定矿物、岩石形成的温度、经历的构造作用以及可能的形成深度等深层次的地质信息,已经成为国际地学界关注的热点之一,近年来在国际上得到了快速发展。

    “十二五”期间,中国地调局中国地质科学院地质研究所同位素热年代学研究团队在中-低温热年代学技术方法研发和示范应用两方面开展工作,完善和新开发了多种同位素热年代学分析技术,初步构建了中-低温同位素热年代学实验技术体系,并在东天山成矿带、南天山造山带、库车含油气盆地等地开展示范性应用研究,取得了一系列创新性研究成果。

    专家表示,这些成果不仅为我国的同位素热年代学研究提供了分析测试实验平台条件,而且揭示出同位素热年代学理论和技术在造山带造山历史研究、沉积盆地热历史研究、金属矿床成矿作用过程和抬升剥露过程研究等方面具有巨大的应用潜力,为我国的地质科研和矿产资源勘查工作提供了新的技术支撑。

    一是建成了我国第一家(U-Th)/He 同位素定年实验室,为我国的低温热年代学研究提供了分析实验技术平台条件。

    二是研制出新生代Ar-Ar同位素定年标准物质,解决了我国长期以来缺少新生代氩同位素定年分析标准物质的问题,为新生代地质样品精确定年分析提供了技术保障。

    三是揭示了天山东段地区晚古生代以来构造热演化历史及金属矿床成矿和抬升揭顶过程。

    四是精细刻画出南天山造山带中段构造热演化历史与隆升过程,重建了南天山中段晚古生代以来的构造热演化历史及隆升剥蚀历史。

    五是库车盆地构造热演化及天然气成藏史研究取得重要进展。

    记者了解到,以Ar-Ar法和(U-Th)/He法定年技术为主构建的中-低温同位素热年代学技术平台,已经成为我国最主要的热年代学分析测试实验基地。所研制的标准物质为国内相关实验室共享,其量可供我国所有的Ar-Ar法同位素定年实验室使用数10年。

    专家称,同位素热年代学在我国是一门新兴的学科,中国地质科学院地质研究所同位素热年代学研究团队开展示范应用研究取得的一系列创新性研究成果,不仅深化了对天山乃至中亚造山带地质演化过程的认识,为了解天山地区金属矿床成矿规律、进行成矿预测及实现区域找矿突破等提供了新的科学依据,对指导库车盆地油气勘探具有重要的实用价值,同时充分显示同位素热年代学理论和技术在造山带造山历史研究、沉积盆地热历史研究、金属矿床成矿作用过程和抬升揭顶过程研究等方面具有巨大的应用潜力。

     

    同位素地质研究专用仪器成功研发

     

    我国大型高端质谱仪器一直以引进为主,受国外技术封锁,一些用于高精度同位素分析和核科学研究的质谱仪器引进十分困难,且价格高昂。

    为了推动我国高端质谱仪器的自主研发,针对目前宇宙样品及地球化学珍贵样品稳定同位素、稀土元素微区原位分析的难题,国家重大科学仪器设备开发专项设立“同位素地质学专用 TOF-SIMS(飞行时间二次离子质谱)科学仪器”项目,由中国地质科学院地质研究所国家科技基础条件平台北京离子探针中心牵头实施。

    据了解,根据记者掌握的情况,项目研制的两台分别用于稳定同位素分析和稀土元素分析的TOF-SIMS-SI和TOF-SIMS-REE仪器,将为岩石成因学、矿床成因学、地球环境、气候变化、月球及行星演化等热点研究领域提供最先进的技术支撑。

    专家称,用于高精度同位素丰度分析的 TOF-SIMS 是一项全新的技术,它的成功研制,将是质谱学技术划时代的里程碑,同时将进一步推动地球化学和宇宙化学向更微的空间发展。像 SHRIMP 的诞生一样,这项新技术的诞生将带来一系列重要的科学成果,特别是将直接为我国探月工程在获得月球样品后的分析研究工作奠定坚实的技术基础。

    据介绍,经过近4年的技术攻关,北京离子探针中心联合中国科学院大连化学物理研究所和吉林大学等单位完成了两台 TOF-SIMS仪器的整体设计,对一次离子源等关键部件进行了设计加工和单独调试,并完成了TOF-SIMS专用系统控制软件和数据处理软件的开发和优化。

    自2014年8月起,项目组开始对两台TOF-SIMS整机进行总装配和总调试工作。2015年6月,TOF-SIMS整机的质量分辨率可达 12000(m=106)。截至2015 年初,项目共取得新装置 12套、核心部件20个;新申请专利 33项,获专利授权8项(其中发明专利2项);登记软件著作权3项;发表论文24篇,取得了重要的阶段性成果。

    一是首次将飞行时间二次离子质谱(TOF-SIMS)技术应用于精密同位素分析和元素丰度测定。近年来,随着离子接收系统在技术上取得突破性进展,北京离子探针中心和相关合作单位在国内率先尝试将 TOF技术应用于高精度同位素分析仪器的研发。

    二是开发了一套适用于珍贵地质样品(如月岩、宇宙颗粒等)高灵敏度、高分辨率同位素分析的小束斑氧离子一次源和离子光学系统。

    三是开发了提高地学样品分析灵敏度的二次中性粒子激光后电离技术。实验结果表明,在优化条件下,飞秒后电离技术可使信号提高60 倍。

    四是研发了高分辨TOF质量分析器。有效解决了双聚焦SIMS质谱的低离子通过率、体积庞大、成本高昂的不足。

    五是开发了一套满足超高真空环境下高精度同位素分析要求的创新型三维样品台及样品传送系统。

    项目组专家表示,该科研项目尽管取得了一定的成效,但该仪器目前尚处于研发阶段,待目标仪器的技术指标达到任务书的设计要求后,项目组将启动以下两项应用示范研究工作:一是应用TOF-SIMS-SI仪器分析金属硫化物(黄铁矿、闪锌矿等)的硫同位素,探讨典型铜矿床铜的富集和矿床形成机理;二是应用TOF-SIMS-REE仪器对月岩和月球陨石样品中锆石的稀土含量和配分模式进行分析,以探讨月岩中锆石的成因;测定月岩样品和月球陨石中锆石的Ti 元素含量,估算其结晶时的温度,从而推算撞击事件的温度。

    据中国矿业报记者了解到,2015年8月,项目组已将TOF-SIMS-REE仪器应用于纯金属样品铜和银的同位素丰度分析,分析精度可达 1%。

     

    技术创新,找矿突破的坚实支撑

    摘要:柴达木盆地西部发现大储量新型砂砾富钾卤水资源,估算资源量3.5亿t,可望成为新的钾 矿后备基地。研究表明,勐野井钾盐成矿时代为中侏罗世,建立“二层楼”成钾模式。同时,发现 塔里木盆地古新统含钾石盐矿层。揭示,四川盆地三叠系富钾卤水和杂卤石开发利用前景大。

    1.项目概况

    中国的国土具有由若干小陆块(克拉通)、微陆块和造山带拼合而成的地质构造背景,造就成中国海、陆相盐盆地的成矿构造环境,成 盐成钾具有某些特殊性,且成矿难度大。中国地质科学院矿产资源研究所、柴达木综合地质 矿产勘查院、中化地质矿山总局地质研究院等 单位,在地质矿产调查评价专项“钾盐资源调 查评价”(我国油钾多能源资源综合调查评价) (2010—2014年)、国家自然科学基金项目“中 国西南地区钾盐矿成矿机理及开发”(2009— 2013年)资助下,采取多学科联合和油钾兼探, 取得了钾盐找矿重要进展。

    2.成果简介

    (1)柴达木盆地西部深层富钾卤水资源综合调查取得突破。2008—2010年“青海柴达木 西部第三系上新统富钾硼锂深循环卤水矿产普 查”项目,其目标层位仅限于上新统。基于古 气候和盐沉积构造背景研究,揭示柴达木盆地为新近纪一第四纪盐谷,将找钾目的层从新近 系扩大到下更新统,经地震和钻探得以验证。 对梁ZK05孔等岩心进行古地磁测年,推算其 上部新型砂砾富钾卤水层堆积时间为2.58~2Ma (图1)。该新型砂卵砾石富钾卤水的发现,大 幅度扩大了柴达木西部钾盐资源远景,且揭示一种新构造成钾机制。通过该区地震资料重新处理一解释一反演,预测该套储卤层沿北 部阿尔金山前从西边大浪滩凹地向东至察汗 斯拉图,呈条带状分布(图1)。KCl品位在 0.31 %~ 1.56%之间,为氯化物型卤水。根据25个钻孔所控制范围,推算KCl资源量 3.5 亿 t(图2)。

    (2)滇西南成钾时代新认识一一二层楼成钾模式。在对滇西勐野井地表和矿山深入的实地调查表明,勐野井推覆构造十分复杂,钾盐 矿层呈马尾丝状,与周围碎屑层直接接触,缺 乏任何化学沉积物过渡。同时,对西部新特提斯沉积构造的演化分析表明,该区古新统无可 靠的海相沉积的证据等。由此对以往认为的勐 野井成矿时代提出了质疑,并根据对勐野井盐 体构造受F3断层控制的特征,推测勐野井钾盐 矿体是由深部挤上来,其时代可能不是前人所 认为的古近纪。进而通过地球物理和钻探验证, 在勐野井矿外围MIK-1井深部中侏罗统花开左 组发现含钾盐层(垂厚70m)。在岩心中所见 含钾矿物主要为钾石盐,与石盐共生,呈橘 红色,具不规则条带状或脉状,穿插在泥砾 中,呈交织角砾结构,反映其受构造挤压作 用(图3)。

    (3)塔里木盆地库车凹陷古新统发现厚 层钾石盐。通过油钾兼探,取得了66个含盐钻孔(累计进尺7万余米)岩屑样品和相应完 井报告,首先发现羊塔4井含钾石盐岩层厚达百米,其中达到KCl工业品位(7%~10%)厚 41m(图4)。

    在探索“古凹今隆”找中浅部钾盐矿的同 时,从实际出发打破国外钾盐水采深2000m的 下限,探索5000m以上溶采可行性。目前,我 国重庆采盐(NaCl)深度已达3188m;山东东 营在建NaCl溶采达4300m;四川平落坝已在深 5000余米处采卤提钾,卤水上涌堵孔已得到技术解决。由于KCl溶解度比NaCl大,因此在库 车坳陷5200m溶采钾石盐具有可能性。

    (4)开拓上扬子盆地找钾新方向。上扬 子盆地三叠系业经50多年找钾未获突破,经过 综合分析认为,该区是一种特殊的多级次盐盆地成钾模式。既是最后的浓缩次盐盆,又是四 周海水频繁补给的次盐盆地,且成盐后期变化 大,因此中深部多成溶滤液体矿,全盆地含卤 层面积达13万km2,且KCl含量很高,值得高度 重视。如仅对13个储卤构造的富钾卤水矿进行资源量评估,获富钾卤水资源量32.60亿m3,氯 化钾(KCl)资源量4916.93万t。在上扬子中东 部和西南局部地区,产出巨量“准可溶性”杂 卤石矿石。据估算1(2〇资源量逾90亿t,是一种 可利用的缓释硫酸钾镁肥。通过多年不同温压、 溶剂实验和当地矿业公司工业性试采表明,上扬子盆地杂卤石是一种宝贵的缓释钾肥,是富 钾卤水的重要来源。在溶采动力作用和高温压 条件下有利于杂卤石中钾的溶解,尤其赋于石 盐中分散状杂卤石更易溶于水中。上扬子盆地富钾卤水和巨量杂卤石,具 有远大的开发利用前景。

    (5)进一步缩小陕北盐 盆找钾靶区。近期地质地球物理资料综合研究表明,陕 北盐盆含钾目的层马五6亚段 沉积期总体表现为“两坳夹 一隆”的构造分异格局,次 级成盐凹陷有5个,揭示陕北 盐盆既不是“平底锅”,也不是单一的“尖底锅”,而是由 多个次级凹陷组成的“复底 锅”。据此,初步锁定了有利 成钾区,提出钾盐钻探靶区, 范围已从盐盆地的50000km2 缩小至2000 km2以内。

    3.成果意义

    基于柴西新近纪一第四纪盐谷的成盐观 点,引领该区新型砂砾型富钾卤水大资源量的发现,揭示该区Q「N2有较大的钾资源潜力,有 望成为我国最大钾盐矿山察尔汗的后备基地, 成为中国地质调查局实现“358”钾盐储量重点 靶区之一。深入实际调查和实践,发现大量新的科学问题和疑点,从中国成盐地质构造实际 出发,不为国内外传统成钾观点所限,从而提 出滇西南勐野井成钾时代为中侏罗世的“二层 楼”成钾模式,并得到钻探初步验证;通过岩屑录井发现库车凹陷古新统厚大钾盐矿层,并 打破国外钾盐水采下限2000m深的禁区开展深 层钾矿层试采研究;推进上扬子盆地富钾卤水 和巨量杂卤石的应用研究新进展等,使长期困 扰我国海相钾盐找矿难题崭露突破的曙光,对于我国急缺矿产找矿研究有一定的启发意义。(中国地质科学院矿产资源研究所 郑绵平侯献华张震供稿)


    成盐理论引领钾盐找矿取得重要进展
        近日,“北京岩溶水资源勘查评价工程入渗试验场建设及试验观测”项目第一眼钻孔在北京市房山区佛子庄乡红煤厂村大石河道底部开钻,并于3月26日下午4时许成功揭露含水层,初见水位34米,目估出水量约10m3/h。

        该钻孔的成功实施为后期工作的开展奠定了坚实的基础,为研究黑龙关泉域的补径排条件、精确推算黑龙关泉域的大气降水入渗系数提供了技术支撑,进而为综合计算评价北京地区岩溶地下水天然资源量和可采资源量提供科学依据。

        据悉,该项目旨在通过对北京岩溶裸露区和浅埋区内建立一系列入渗试验场地,开展降水入渗补给系数的试验研究,计算北京不同岩溶地区降雨入渗补给系数,为北京市岩溶地下水资源评价提供基础参数支撑。


    钻孔施工


    钻孔揭露含水层

    北京岩溶项目第一眼钻孔成功出水