用物理現(xiàn)象探測地球資源——記中國科學院礦產資源研究重點實驗室副主任梁光河

本刊記者 武光磊

每每談到地質構造、地質資源等相關知識，就令人們想到地殼運動、巖層構造、礦產資源、地震等深奧復雜的形成原理，然而遇到中國科學院礦產資源研究重點實驗室副主任梁光河后，他用“鹵水點豆腐”“燒熱的平底鍋”“煮沸的高壓鍋”等如“烹小鮮”般把那些深奧的原理簡單、生動地呈現(xiàn)出來，重燃起記者對地球研究的興趣。

勘探中的發(fā)現(xiàn)

“1980年本科在西南石油大學，后又到吉林大學讀研、在中國石油大學讀博士，因成績優(yōu)異獲中國科學院王寬誠博士后獎勵基金，1999年中國科學院地質研究所博士后出站就留下了?！绷汗夂拥那髮W經歷豐富多彩，同樣，他的足跡也遍布祖國大江南北，北起外蒙古邊境、西至新疆阿爾泰、南到海南。在這片廣袤的土地上，他用物理學原理勘查過石油，尋找過金礦，并取得了顯著成績。因為他的努力，減少了資源浪費，增加了資源的出產量。在與中海油南海東部石油研究院合作中，他利用自主研發(fā)的地震模擬軟件為珠江口盆地的HZ32-3-NE油田的發(fā)現(xiàn)做出關鍵貢獻，新增石油儲量3000萬噸；在承擔“十五”國家305科技攻關項目中的綜合地球物理勘探專題研究中，他提出的方案為新疆哈密圖拉根銅鎳礦床控制11萬噸的銅鎳資源量做出了重要貢獻。

2006年,他帶領10多人的科研團隊，裝載大量勘探裝備，不畏舟車勞頓、路途泥濘，13天跑了上萬里路來到老撾中部。他們準備利用多種地球物理方法和鉆探技術，對呵叻盆地的鉀鹽儲備狀況進行探測，“老撾的鉀鹽是古沉積礦，屬固體礦，儲備是我國的10倍以上”，他邊說邊拿出亞洲地質地圖指給記者看。

鉀是農作物生長必不可少的營養(yǎng)元素，以鹽的形式廣泛分布在陸地和海洋、湖泊中，在我國主要以湖泊鉀鹽為主。而位于老撾中部呵叻盆地的嘉西鉀鹽礦含礦面積240平方公里，鉀鹽資源量數(shù)億噸。2007年，梁光河作為勘查項目負責人指導老撾中農鉀鹽礦勘探項目。經過細致勘探，在那里建成了年產量10萬噸的鉀鹽生產線。由于效果顯著，2010年梁光河又負責指導了四川開元老撾鉀鹽礦勘探項目，探明鉀鹽數(shù)億噸，并于2012年10月投產建成年產50萬噸的采礦工程。這不僅為當?shù)剞r業(yè)發(fā)展提供了有力支持，而且為經濟發(fā)展創(chuàng)造了條件，同時也緩解了我國鉀鹽狀況緊缺的現(xiàn)狀。

偶然中存在必然性，作為一名地球物理學研究者，他不只滿足于發(fā)現(xiàn)礦床，更熱衷于研究礦床的形成、發(fā)展和變化過程，在對呵叻盆地鉀鹽礦的地質發(fā)展史、水文地質條件、礦區(qū)和礦床地質特征、工程地質條件、礦床成因和找礦標志等深入研究中，他發(fā)現(xiàn)前人在古地磁史方面有資料記載和證明，6500萬年前，即白堊紀末到現(xiàn)在，這個盆地所在的地塊位移了約1200士460公里，同時向右旋轉了約15度；另一位礦物學家曲懿華從古生物和古氣候變化也證明，該盆地在白堊紀時古緯度為23.1°±1.8°，與現(xiàn)在的緯度16.5°差6.5°，說明自白堊紀后向南移動了約700公里。

呵叻盆地屬硬質地塊，周圍沒有海洋，陸地怎么會“跑”呢？這一現(xiàn)象引起了他的興趣。從現(xiàn)象中找本質，再用本質解釋現(xiàn)象，梁光河從當前得到公認的印度板塊向北移漂現(xiàn)象，分析了海南島、日本、臺灣等島嶼后面帶有很長尾跡的現(xiàn)象，又制作了板塊復原圖和板塊運動動畫模擬圖，用圖形模擬冰島和新西蘭的板塊移動情況。為說明板塊漂移的原因，他形象地把這些板塊比喻成“平底鍋里的黃油”，他說“這些板塊下面是很熱的下地殼或上地幔，因前后所受熱力不平衡而產生移動，在移動過程中板塊后面的巖漿噴涌而上推動著這些板塊不斷前進”。鑒于地處內陸，他認為，呵叻盆地的移動不是海底擴張，而是板塊漂移造成的。他的這些關于全球大地構造的原創(chuàng)性研究，對地球科學發(fā)展產生了深遠的影響。

地震后的玄機

“2011年2月22日，四川平武縣南壩鎮(zhèn)文家壩村的山體發(fā)生冒煙現(xiàn)象，平武縣位于北川和青川之間，經地質專家勘測和監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，此處山體含大量硫、磷、錳、鐵等礦物質，是受汶川地震影響的山體垮塌，導致埋于地下的礦物質裸露，造成自燃”。這則不起眼的消息引起梁光河極大的關注。

汶川地震后，梁光河對研究天然地震成因產生了濃厚興趣，他說：“過去都是通過放炮引起的地震波來勘測礦產資源的，我從物理學方面研究汶川地震發(fā)現(xiàn)，怎么可能是因為板塊斷裂摩擦產生的能量形成8級那么大的威力？”從此，他對地震方面的研究一發(fā)不可收拾，他搜集地表、鉆井等方面的監(jiān)測資料，應用地球物理原理研究、分析地震的隱爆成因機制。他認為，地震就是一個在板塊下面引爆的爆炸過程，具體說這個地震過程就像“打槍”，其中板塊斷裂運動相當于手槍的板機激發(fā)，真正有強烈破壞的是板塊下的能量釋放，這似火藥的威力，主要來源于地殼下累積的負電荷放電即地下雷電和高壓流體相變爆炸，即體積膨脹兩種能量。他解釋說，由于地殼下存在流體而且壓力特別大，就像正在燒水的高壓鍋鍋蓋突然打開會發(fā)生爆炸，鍋里的水從高壓流體瞬間升華成氣體且體積膨脹上千倍，致使上面的板塊扭曲斷裂大量釋放能量引發(fā)地震。這項地震成因機制的研究結果將會對地震的預測和預防提供堅實的理論基礎。

對汶川地震的研究，是梁光河長期走南闖北的見識，也是一名科學工作者對研究的執(zhí)著。發(fā)散的思維讓他創(chuàng)新性地從成礦機理出發(fā)，聯(lián)想到“老本行”——地震與成礦有什么關系？“眾所周知板塊運動過程會使板塊邊界常發(fā)生地震，而礦產富集的地區(qū)又往往集中在地震帶，特別是以斑巖礦為主的金屬礦。從地球物理學方面可解釋這一現(xiàn)象，地震斷裂帶下是不斷生成的熱流體，這些熱流體把深藏于地下最深層的礦物質融解、流動，在地震的爆發(fā)過程中，瞬間的降溫降壓使礦物質富集下來。”他介紹了最近的研究發(fā)現(xiàn)，“我們知道，一個成礦的形成是需要數(shù)百萬年的時間，在幾百萬年的時間里一個地震帶會發(fā)生無數(shù)次地震，所以說每次地震相當于對成礦聚集的一點貢獻?！?/p>

研究成功與否關鍵在于與實際的結合程度。多年的經歷讓他深切地感受到勘探裝備落后之痛，他介紹說：“目前我國多數(shù)金屬礦山的開發(fā)深度小于500米，而現(xiàn)在南非的開發(fā)深度已經大于3000米，與之相比，說明我國在攻深探盲方面還存在巨大發(fā)展空間?！倍畈刻降V最有效的手段就是地球物理技術。我國在這個領域一直是購買國外不斷升級換代產品，致使我國地球物理裝備技術距離國際先進水平越來越遠，儀器長期依賴進口，受制于人。事實上，我國的深部礦產資源還遠未探明，其直接后果是造成諸如鐵礦、石油等大宗戰(zhàn)略礦產資源的嚴重短缺。由此，他呼吁，開發(fā)具有自主知識產權的地球物理勘查設備，包括金屬礦探測系統(tǒng)意義重要。

老撾鉀鹽礦考察

作為中科院礦產資源研究重點實驗室領導者，梁光河明白，團隊與科研的發(fā)展相輔相成。為研發(fā)出具有自主知識產權的勘探裝備，一方面他積極加強團隊建設，把原來分散的部門重新整合組建地球物理勘探綜合實驗室，大力發(fā)展重磁、電震等技術，從空中、海洋等不同尺度進行金屬礦勘探；另一方面針對我國大部分金屬礦成礦于山區(qū)，復雜的地表條件不利于野外數(shù)據(jù)采集以及金屬礦礦床具有非層狀特征而不利于地震波的有效成像和資料處理的問題，他率領團隊夜以繼日設計方案。

目前，在科技部和中科院深部資源探測核心裝備研發(fā)支持下，他們已開展金屬礦地震儀器的前期研發(fā)，擁有了多項國家發(fā)明專利。他希望，盡快研制出適用于山地等復雜地區(qū)的高精度地震儀器和專用處理解釋軟件，這不僅可以解決我國裝備中核心芯片長期依賴進口的狀態(tài)，而且還將填補國內外金屬礦專用高精度地震勘探儀器系統(tǒng)空白，為我國礦產資源的深度開發(fā)和增加礦產儲量做貢獻。