追求與創(chuàng)新：在地球化學動力學前沿

本刊記者/王圣媛 萬海濱

追求與創(chuàng)新：在地球化學動力學前沿

本刊記者/王圣媛 萬海濱

2011年1月14日，在人民大會堂召開國家科學技術獎勵大會，黨和國家領導人接見并為獲得獎勵的代表頒獎。中國地質科學院礦產資源研究所張榮華研究員主持的研究項目“高溫高壓流體和流動反應原位觀測裝置、方法、整合技術”榮獲2010年度國家技術發(fā)明獎二等獎。喜訊傳來，國土資源部系統(tǒng)震動了，這是國土資源部近10年來獲得的唯一一個國家技術發(fā)明獎。

獲獎后面對本刊記者的采訪，仍是從容淡定的張榮華研究員謙虛地表示：成績屬于黨和國家，屬于支持、幫助我的各位領導、老師和專家，屬于和我一道工作的所有的同志，屬于中國地質科學院礦產資源研究所地球化學動力學實驗室的成員和客座教授。感謝國土資源部和原地質礦產部、科學技術部、國家自然科學基金委員會、中國地質調查局、中國地質科學院和礦產資源研究所長期以來的大力支持！

一、高溫高壓流體和流動反應原位觀測裝置、方法、整合技術

張榮華研究員長期從事的地球化學動力學研究，屬于國際前沿的研究領域，是研究地球內部化學反應的過程，研究各種礦物、巖石在各種地質流體中的反應速率、變化規(guī)律，以探討成礦金屬來源、遷移和堆積過程。這項研究首先需要在實驗室創(chuàng)建模擬自然界地球內部的高溫高壓條件的實驗裝置、實驗方法技術，才能實現研究高溫高壓下反應過程，取得實驗數據。

記者：請介紹一下，您所研發(fā)的這項技術在地球深部資源、能源探測技術方面，在地球化學動力學研究領域的深遠意義和戰(zhàn)略價值。

張榮華：“高溫高壓流體和流動反應原位觀測裝置、方法、整合技術”，這一發(fā)明緣于如何面對國際發(fā)展的新趨勢新挑戰(zhàn)。近20年，國際地學界，從“封閉、靜止、平衡轉向開放、流動、非平衡的研究”，從“冷鑒定”到“高溫高壓原位直接觀測”探測地球深部，這是認識地球深內部物質和運動的科學前沿。特別是高壓科學有了劃時代的突破，可以用實驗方法研究地球內部的物質。

我們的發(fā)明集中在：高溫高壓流體、流動反應動力學的原位觀測裝置方法和整合技術。實現認識與探測高溫高壓下的物質有兩種方法途徑：研制高溫高壓化學傳感器和研制帶有高溫高壓窗口的反應釜，同時實驗研究高溫高壓的反應。地殼10公里下已經達到300度，深部鉆孔打到10公里下就很難了。但是，大量的地球深部的資源和能源形成于高溫度高壓下和分布于地球深部，為此，國家需要發(fā)展能對地球深部資源能源探測的關鍵技術，發(fā)展地球科學新研究領域方面急需的新儀器、新裝置、新方法。

2011年1月14日張榮華在國家科學技術獎勵大會上

我們的發(fā)明創(chuàng)造正是處在國家需要深部探測的關鍵時刻。其深遠意義和戰(zhàn)略價值表現在兩方面：一是直接推廣應用于深部流體的探測，用于深海和深部熱水地區(qū)，極大發(fā)展和提高了深部探測的技術領域。另一方面，加快發(fā)展探測地球深部物質、資源和能源的基礎研究。用于模擬地球內部的物質狀態(tài)的這種實驗，會進一步推動地球內部物質的探索，認識金屬資源和能源的形成和分布；同時，可以配合地球物理方法對深部探測的結果進行解釋。

目前，國家提出關于國家資源和能源發(fā)展的“358”規(guī)劃，以解決國家資源和發(fā)展長期需求問題。我們這些發(fā)明技術為實現這一規(guī)劃提供了新的機遇和關鍵技術。當然，這些發(fā)明研制的儀器還要不斷發(fā)展，要形成各行業(yè)所需要的各種類型的產品和更多的新儀器設備。

記者：從陸地和海洋的深部能源探測上講，這項技術與國外同領域的相關技術相比存在哪些特點和長處？

張榮華：目前在陸地和海洋的深部能源探測方面，這些發(fā)明的技術方法有獨特的優(yōu)點和創(chuàng)新點。例如，高溫高壓化學傳感器可以直接用于對陸地和深海的熱水和含礦流體的探測。我們研制的高溫高壓化學傳感器可用于400度流體的酸堿度，水中的硫化氫、氫氣、氧化還原電位測量。相比國外的同類研究的技術設備，它們體積更小、更耐用、更適合極端條件下大溫度范圍直接地投放使用和長期監(jiān)測。

這些傳感器可以置于高溫400度高壓流動反應裝置里，用于高溫高壓化學動力學過程的實時和原位測量。這些裝置國際市場上沒有產品。歐美的實驗室也在研制中。

我們發(fā)明的有窗口的反應腔可在400度高溫下連接紫外可見譜儀和一個流動體系，除測量溫度、壓力，還可以獲得反應產物的成分和結構；而國外的市場產品是不能在高溫大于100度情況下測量的，而且不能測量壓力。

這些發(fā)明已經做到對高溫高壓流體和流動反應過程原位測量，可以同時測量化學性質、測量物種的結構、測量反應動力學過程，實現多種方法技術的整合。發(fā)明研制使我們在這些領域走在國際前沿。更重要的是我們可以擺脫高新技術受國外發(fā)達國家控制的局面，意義是非常重大的。

二、國家重點實驗室要特別重視研制新實驗儀器設備，要鼓勵中國人自己的創(chuàng)新，學科才能發(fā)展

張榮華介紹說，國家級重點實驗室和國家測試中心應當是有區(qū)別的，前者是發(fā)展新學科，后者是要有專業(yè)的測試方法手段。現在存在一種傾向，我國很多的大學和研究所都在爭辦國家級實驗室，其中只有少數實驗室是下大力創(chuàng)新發(fā)明研制的，而有相當多的實驗室都在花大錢買國外儀器，不惜重復引進。

我們的國家級實驗室考核的指標里沒有發(fā)明研制的內容。但是，同類型的美歐實驗室里，實驗設備常常是自己研制的?？繃馐袌錾腺I來的儀器不可能有劃時代的科學發(fā)現。我認為，國家級實驗室要特別重視研制新實驗儀器設備，要鼓勵中國人自己的創(chuàng)新，不要搞成外國儀器的展臺，但目前這項工作還沒有引起足夠的重視。

2004年張榮華等研制的集成化高溫高壓化學傳感器連接拖體裝置，在我國南海進行試驗。

2004年張榮華等研制的集成化高溫高壓化學傳感器連接定點投放裝置，在我國南海投放到3100米海底深處試驗。

高溫高壓化學傳感器檢測標定實驗平臺

張榮華還談到，沒有儀器發(fā)明，就沒有科學發(fā)現，這是百年物理學的經驗。我們很難設想依靠在國際市場上采購的儀器能觀測到超前的、別人沒有觀測到的現象。在科學越來越依賴于研究手段的今天，實驗手段的進步為科學家打開了新的窗口，不僅有助于理論突破，甚至可以改變科學家思路，開辟新的研究領域。美歐國家重視儀器方法發(fā)明，應當引起我們高度關注。

記者：你是怎樣創(chuàng)建地球化學動力學開放研究實驗室的？在20多年研究過程中，您遇到的最大困難來自哪些方面？您又是如何克服這些困難的？

張榮華：上世紀80年代初，我赴美國，先后在加利福尼亞大學伯克利、普林斯頓大學學習和合作累計五年，我感到國外地學研究領域有很多值得學習的地方，其中很重要的方面就是，科學家一旦有了科學的靈感，認定自己“想要做什么”，為實現它，就會非常努力地去創(chuàng)造條件，建立自己所需要的設備，研制或改造儀器；有了條件，自己動手做實驗，取得實驗數據，不斷改進……才有了新的科學發(fā)現。當然這需要科學家有雄厚的數理化基礎，有堅韌不拔的頑強精神，才能實現這一點。

回國后，我的科研工作就是努力這樣做的。

1984年回國后，我提出的第一個自然基金項目：礦物在熱液系統(tǒng)內的化學動力學和物質遷移。那時候，在國外和國內這項研究都是新領域、空白領域。當時，高溫高壓下礦物的化學動力學問題實驗研究，在美國剛從其他領域如化學化工領域的方法運用到地學。我們作出的高溫高壓下礦物的溶解反應動力學數據都是空白領域的數據。當時，普林斯頓大學的David Crerar教授寫給中國地質科學院李廷棟院長的信上說：“榮華正在做的是一個沒有資料可查的新領域……是先鋒研究。”

建立地球化學動力學研究新領域，開展高溫高壓開放體系地球化學動力學實驗和理論研究，以及極端條件下（高溫超高壓）物質及相互作用研究，必須先創(chuàng)建一個新的科學實驗領域，必須發(fā)明一系列新的儀器或裝置，因為沒有現成的儀器可買到可使用。建立一個跨地學與物理、化學、力學的新科學領域，必須先有多學科實驗技術的集合。我們需要與國際地學界同時進行這一創(chuàng)新發(fā)明實驗裝置的探索性研究。國際同行認為，高溫高壓流體和流動反應原位觀測裝置、方法、技術是現代科學技術的一場革命。

回顧我所走過的道路，我遇到的最大困難還在于發(fā)明研制的深遠意義常常不是被人們理解的。所以在開始的時候是最困難的，得到的經費是不足的，我們一方面要自籌經費，艱苦奮斗，把發(fā)明研制工作堅持做下去；另一方面，要做出成績，取得更多的理解和支持。

我曾用自己節(jié)省下的錢從國外買回部分實驗設備；最初是在地下室研制成功我國第一套開放流動體系的化學動力學實驗裝置，并進行了實驗，取得了數據；我也經歷了自籌經費運行部級開放研究實驗室的時期。但同時，我也得到了許多專家，許多科技管理部門的領導和同志，尤其是得到我部我院各級領導的理解和大力支持。經20年的艱苦探索和鍥而不舍追求，先后建立了我國第一個地球化學動力學開放研究實驗室和第一個高溫超高壓流體實驗室，形成了自己的專業(yè)特色和獨特發(fā)展方向。

1991年，我作為地質礦產部基礎項目的首席科學家，用研制的流動反應裝置發(fā)現了固-液反應的自組織現象。張炳熹院士在一次地質學會的總結大會上鼓勵說：“外國人做到的，我們中國人能做到，外國人不能做到的，我們中國人也能做到！張榮華不就做到了嗎！”，張炳熹老師和許多專家的支持鼓勵和期望，激勵我不斷克服困難，不斷前進。

科學家的創(chuàng)新思想往往不被多數人理解，是少數派。要發(fā)明研制、要申請資助常常遇到“表決關”，往往被傳統(tǒng)的表決方式所否定。在當前國家有越來越多的經費投入科研項目的時期，應當為“發(fā)明”開辟“綠色通道”，不拘一格，用一切辦法鼓勵創(chuàng)新性研究，為它建立特殊的立項機制。

2004年海試前張榮華等自主研制的集成化高溫高壓化學傳感器裝載在大洋一號拖體上

1995年張榮華已經研制出帶傳感器的高溫高壓反應釜

三、國外地學研究領域有很多值得學習的地方

記者：您認為當前國內地學研究上還存在什么突出問題？

張榮華：基本物質的科學概念在國際學界走到一個新階段。物理科學的進步、儀器發(fā)明的進步已經深入到每一個領域。從“超導”到“哈勃望遠鏡”的發(fā)展深刻影響了國際地學研究；但是，80年代我回國時，國內的地學還多是處在描述科學階段，缺少現代科學成就的應用。要有新的實驗研究和新思路，需要更真實地靠近自然界地球內部的條件，開辟從“封閉—靜態(tài)—平衡”走向“開放—流動—非平衡”的領域研究，需要擺脫“冷鑒定”的高溫高壓原位的實驗觀測。目前，尚需要加強實驗研究。

記者：您認為國外地學研究領域有哪些值得我們學習的地方？

張榮華：多年在美國大學和實驗室里的學習研究經歷，我感到國外地學研究領域有很多值得學習的地方。我在美國，先后在加利福尼亞大學伯克利、普林斯頓大學進修和合作研究；后又與康乃爾大學等許多科學家合作。還到過哈佛大學、麻省理工大學等十多所大學和實驗室。這些大學都是美國的一流大學，名列前茅的大學。在美國學習和合作累計五年期間，取得了成績，與許多有科學貢獻的學者們建立了密切的合作關系。尤其在前十名的大學里，在那里你會感受到一種氣氛：大家都很勤奮。很努力地追逐一種新東西，新實驗結果、新數據、新科學發(fā)現。大家在想新問題在哪里？實驗室里自己搞儀器研制和組裝實驗設備是非常平常的事。博士生之間和研究人員之間、科學家之間的科學研究，從不愿意重復別人的工作，特別強調要講“標新立異”。在一個研究單位里，幾乎找不到兩個人用同一思路、同一種方法做雷同題目，不喜歡去跟別人做“熱門”的科研。實驗室不豪華，生活也不講究，甚至表面有些亂。也沒有人議論SCI收錄的事。追逐科學真理才是生活目標。當前，我們的第一需要應當是在實驗室里建立一種科學精神、科學氣氛。

從地學科學研究上具體地說，國外重視高溫高壓實驗，重視把數學物理化學的新進展用在地學領域里，再發(fā)展新的東西。物理和化學里的許多原理，到了地學領域里就是高溫高壓問題，或超高溫超高壓問題，其原理也需要發(fā)展。例如凝聚態(tài)物理問題，到地學就是極端條件下的凝聚態(tài)物理問題，同樣也是地學前沿領域的問題。

四、為了祖國的強大和科學的發(fā)展

記者：這次獲獎對您個人的研究事業(yè)、對于您所在的中國地質科學院礦產資源研究所意味著什么？

張榮華：獲獎對個人的研究成果來講，是得到了國家的評價、認可和肯定，是對我從80年代從美國回國后所做的科研工作的肯定。

這是國土資源部和原地質礦產部的榮譽、中國地質科學院的榮譽、礦產資源研究所的榮譽。我剛從國外歸來時期，如果得不到應有的支持，是不可能在國內創(chuàng)建起一個新的研究領域并取得研究成果的。

科學研究事業(yè)從來都是社會的發(fā)展動力，而不是個人的事業(yè)。我們說發(fā)明研制從不是與本國發(fā)展現況比較，而是從國際發(fā)展去比創(chuàng)新的。所以說，本次獲獎最重要的意味著什么？我認為，最重要的是意味著我們的國家在這一研究領域有了自己的獨立的知識產權，達到國際領先的研究水平。

張榮華在美國同步輻射光源前

1988年張榮華研制成功的第一套開放流動體系實驗裝置

張榮華，研究員、教授、博士生導師，1963年畢業(yè)于北京大學地質系地球化學專業(yè)，1966年中國地質科學院研究生院畢業(yè)后開始從事礦床研究。上世紀80年代初，他赴美國先后在加里福尼亞大學伯克利、普林斯頓大學進修和合作研究；后又與康乃爾大學等許多科學家合作，累計五年，在美國探索地學前沿。回國后，創(chuàng)建了我國第一個具有國際先進水平的“地質礦產部地球化學動力學開放研究實驗室”，任實驗室主任和實驗室學術委員會副主任，是我國地球化學動力學學科帶頭人。他的專著主要有《礦物在熱液內化學動力學和物質遷移》、《開放體系礦物流體反應動力學》、《重要金屬礦來源、遷移和堆積過程和化學動力學》、《長江中下游典型火山巖區(qū)水-巖相互作用》；在國內外發(fā)表論文220多篇，其中SCI收錄36篇，SCI引用180多次，EI收錄11篇。獲得6項國家發(fā)明專利和2項實用新型國家專利，另外申請1項美國發(fā)明專利。