资深院士何继善:为地球号脉、为国家精准找矿

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  何继善长期致力于勘探地球物理理论、方法与观测系统的研究,以及相关领域的才人培养。创立了双频道激电法,提出了伪随机信号电法和广域电磁法,发明了“流场法”,形成了具国际领先水平的地电场理论体系,自主发明并研制出系列独具特色和国际先进水平的地电场观测仪器,并在实践中获得广泛应用,是国际上少数既能提出理论、又能研制仪器,并推广应用的勘探地球物理学家,享有很高的声誉。
  何继善,一个从矿工成长为中国工程院院士的杰出地球科学家。对于他的许多故事,我是从李芳书老同学与何先生的秘书瓮晶波那儿最早听说的,他们非常了解何先生,因为他们都是何先生的学生。在他们那儿,我知道了何先生是一个为地球“号脉”,给地球做“CT”的第一人,知道了何先生是我国电(磁)法集大成者之一,中国工程院首批院士,又是杰出的工程管理学大师,还是从他们那儿,我知道了美国著名地球物理学家弗兰克·莫里森对何继善教授的高度赞誉:在地球物理学界,既懂方法原理,又懂研制仪器的,世界上只有两个人,中国的何继善是其中一个。
  推动工程管理发展的一代宗师
  首批中国工程院院士何继善教授,不仅仅是著名的地球物理学家,他也是中国工程管理学的大师。何继善教授曾经被选为中国工程院主席团成员,能源和矿业部主任和工程管理学部常委,任职多年。20年前何继善受聘为“中国工程院管理科学与工程委员会”委员,积极参与推动工程管理学部的成立。
  何继善教授长期重视并积极推动工程管理学科的发展。20多年来,对我国古代、近代,特别是现代工程管理的理论与实践,进行了大量的系统、深入的调查与研究。主持了多项中国工程院重点项目,包括“工程管理理论体系建设研究”、“中国工程管理现状与发展关键问题研究”、“我国工程管理科学发展现状研究——我国工程管理专业领域范畴界定”、“国家科学技术思想库建设研究——世界重要思想库研究”等。编写了许多研究报告并公开出版了专著和一批有影响的文章。提出了“以人为本,协同创新,天人合一,构建和谐”为核心的工程管理理论体系,提出并长期推动我国工程管理发展的 “一个学科、一个平台、一个期刊、一个学会”“四个一”战略:
  发展工程管理学科,设立工程管理硕士、博士学科点,完善工程管理专业人才的培养体系。
  创办工程管理论坛,使之成为产生重大影响的工程管理学术交流平台。
  创办一本工程管理杂志促进学术研究。
  筹建中国工程管理学会促进学术和专业交流。
  在几次采访中,何继善教授不止一次的告诉记者,当今中国的许多工程都是世界之最,所以工程管理学必须同时跟进。在发展工程管理学科方面,何先生做出了极大的努力,对大型工程管理理论与实践进行了大量的开创性研究,发表了一批研究论文,对工程管理领域和社会都产生了良好影响。
  他先后主持对 “我国工程管理科学现状” “工程管理學科专业领域范畴界定”、“中国工程管理的关键问题和发展方向”、“工程管理理论体系建设”、“工程管理方法论”等项目的研究,主持撰写《中国工程管理现状与发展》、《工程管理论》,系统的论述了我国工程管理发展的关键问题,基本构建了我国工程管理理论体系,形成了“以人为本、天人合一、协同创新、构建和谐”的工程管理核心价值观,拓宽了学科视野。
  何继善注重学科建设与人才培养,大力推进工程管理学科建设。他起草了关于设立“工程管理专业硕士学位”的文件,全面论述了设立工程管理专业硕士学位的意义和紧迫性,确立了培养目标、招生对象、培养计划、课程设置、以及试点方案等,向教育部提出了书面建议,还亲自到国务院学位委员会向主任及有关负责人进行汇报,针对一些疑虑,就有关工程管理与项目管理的关系等做了详细的论述。经过3年多的努力,该建议被教育部采纳,“工程管理专业硕士学位” 于2010起正式试点招生。目前,有105所大学开设“工程管理专业硕士学位”。
  何继善在发起和组织中国工程管理论坛方面起着重要作用。从2007年开始,发起并组织了每年一届“中国工程管理论坛”,担任学术委员会主任,组织社会各界以“重大工程管理成就与经验”、“工程管理理论与方法”等为主题展开深入研讨,为政府、学术界、实践界搭建了相互交流、学习、研讨的平台,取得了一大批丰富的理论和实践经验成果。担任中国工程管理论坛编委会主任,组织出版了论文集7本,专刊10本,引起了巨大社会反响,已成为中国工程院的品牌,有效的扩大了工程管理的社会影响力。在他的努力和积极推动下,中国工程管理论坛12年如一日,现已经成为一个在中国工程管理行业乃至在国际上影响巨大的年度盛会。
  何继善积极推动工程管理领域的国际交流与合作,促成中国工程院工程管理学部与美国工程管理学会签订了合作协议,主持将《A Guide  to  the Engineering Management Body of Knowledge》第四版翻译成中文出版。他是《Frontiers of Engineering Management》杂志主编,并担任美国《Engineering Management Journal》的编委。2017年何继善获得美国工程管理学会授予的杰出贡献奖。
  何继善筹建成立了全国第一家省级工程管理学会——湖南省工程管理学会,为成立中国工程管理学会提供先行经验和组织准备。何继善院士长期为实施“四个一”战略实施做出实实在在的贡献,实质性的推动了我国工程管理事业发展。
  创立“双频道激电法” 成为金属矿勘探和工程探测的利器
  国内的激发极化研究始于1950年代。初期都是沿用苏联的方法技术,多是在时间域进行。大约在1960年代后,国内学者开始对频率域激电方法产生浓厚兴趣,并取得了初步的应用效果,所应用的方法技术是变频法或奇次谐波法。这两个方法由于理论缺陷,存在种种问题,在我国的应用并不成功。何先生于1970年代初期开始激电法研究,并在1980年代初期正式提出双频道激发极化法,后来又发展成为以多频为特色的伪随机地电场理论。   值得一提的是,何继善先生提出双频激电法后,要研制双频激电仪,没有得到上级的资助,靠他生产的电阻自动刻槽仪、电容测试仪等积累资金和电子元件完成科研样机的研制。
  双频激电法的中心思想是把两种频率的方波电流叠加起来,形成双频组合电流,同时供入地下,接收来自地下的含有两个主频率(也含其它频率成份)的激电总场的电位差信息,经过仪器内部的放大、选频、检波等一系列步骤,一次同时得到低频电位差和高频电位差,并计算视幅频率,也可根据需要测多组双频信号以形成频谱测量。
  双频激电法与变频方案和奇次谐波方案相比有一系列重要的优点:两种频率的频差可根据需要而人为选择,二者的振幅是接近的,在减小供电功率的条件下,可准确地测量视幅频率或相对相位差;发送电流的变化对双频观测结果的影响可以忽略;双频激电的抗干扰能力强;双频激电的观测装置轻便,在同样情况下,其电流可减小50倍;双频激电法快速、灵活;双频仪稳定性好,观测精度高;双频激电法可以方便地抑制电磁耦合影响。
  “我国双频激电研究与应用”获国家科技进步二等奖,根据双频道激电理论研制的双频道激电仪已获国家发明专利、电子工业部科技进步奖、国际发明展览(北京)银奖。双频激电法经过多年的发展,形成了系列产品,包括“SQ-1双频道数字激电仪”、“SQ-2双频道数字激电仪”、“SQ-3双频道数字激电仪”、“SQ-3C双频激电仪”、“SQ-5双频道轻便型激电仪”、“DQ-1000大深度双频激电仪”、“WSJ-3伪随机信号激电仪”等。成为了金属矿勘探和工程探测利器, 双频激电法已经发展成为激电中的一个成熟的独立方法。
  双频激电法问世以来,得到广大物探和地质工作者的支持,已在全国推广应用。从地域来说,除台湾省外包括从黑龙江到西藏,从新疆到福建,遍及全国各地。从矿种来说,包括金、银、铜、铅、锌、钼、锡、锰、硫等,还在地震监测、地下水勘查和工程地质等方面得到了成功的应用。从所属部门来说,除原中国有色金属工业总公司外,主要有地质矿产、冶金、石油、核工业、煤炭、化工等部门。通过全国许多物探工作者的辛勤探索,已在各种地质环境、各种气候条件、不同矿种上进行了大量工作,发现了许多有价值的异常,经过验证,找到了一大批工业矿体,取得了很好的地质效果,创造了巨大的经济价值和社会效益。
  创立伪随机电磁法 为中国矿产资源可持续供给开辟新路
  何继善提出了三元素群的自封闭加法,实现了2n系列伪随机信号的快速递推编码,从而创立了双频道激发极化法,形成了包括伪随机三频电法、伪随机多频电法等在内的伪随机信号电法的理论方法体系。
  矿产资源是一个国家国民经济发展的根本保证,中国是世界上最大的有色金属和贵金属生产国和消费国,然而中国的矿产资源保有储量严重不足,许多老矿山因资源枯竭而面临破产关闭,因此必须尽快寻找新的有效勘探方法技术,在生产矿山深边部和西部中高山地区寻找新的接替资源,走资源自給之路。这就要求勘探方法技术具有抗干扰能力强、勘探深度大、分辨精度强、观测参数多,勘探设备轻便、能耗低、机动性好,能快速进行矿与非矿异常属性区分。
  何继善早在“八五”末期,就开始寻找一种能解决上述问题的地球物理方法。在广泛研究分析已有地球物理勘探方法技术和中国金属矿产资源的赋存特点的基础上,针对原有电磁法“变频”方案工作效率低、不能实现一机发送多机同时接收、观测精度难以保证;“奇次谐波”方案设备的笨重、机动性差、不适应在西部中高山区开展面积性工作;常规激电法测量参数单一、不能有效区分异常源性质等缺点,发明并提出了“2的n次幂系列均匀广谱伪随机电磁法的主动源方法技术”,并研制了相应的观测系统。
  国家科技部对伪随机信号电磁法关键技术进行充分论证后列入国家“九五”科技攻关计划,在“九五”攻关结束后又将示范应用研究列入“十五”攻关计划,同时国家863计划又将其作为海洋资源勘探的探索性研究项目列入820专题。何继善经过近十年的艰辛努力,逐步形成了“均匀广谱伪随机电磁法”技术方法体系,并于1997年、2000年、2003年将该核心技术申报了3项中国发明专利,均获得了专利授权。
  伪随机信号电法的核心是发送机将不同频率的电流合成为伪随机电流后向地下供电,接收机则同时接收这些频率电流经大地后的响应并将其分离,具有以下特点:1)波形所含的主频率均按2的n次幂步进;2)各主频率的振幅值基本相等,系统电源利用率高;3)各主频点起始相位相同,可进行每组多个频率的振幅值、绝对相位等参数测量,能实现相位谱精确测量;可根据振幅谱和相位谱特征判别地下异常源性质,进而判别“矿与非矿”异常;4)观测系统轻便,能实现一机发送多机接收工作方式,能满足西部中高山地区快速面积性探测;5)能压制生产矿山工业电磁干扰,可在生产矿山深边部开展接替资源勘探。
  简单而言,伪随机信号一次供电,便可以完成所有频率的测量,具有快速、高效、电源利用率高、仪器轻便、抗干扰能力强、相对观测精度高、异常可靠等优点。
  伪随机电磁法已在国内外成功应用,取得了令人惊叹的成果。据不完全统计到目前为止所找到的各种矿产资源量潜在经济价值已达1300多亿元人民币。
  伪随机信号电磁法为中国生产矿山深边部隐伏资源的勘探和西部中高山区的资源勘探提供了一种轻便、快速、观测精度高的新方法和一种异常源性质快速评价新技术和评价指标,是惟一由中国人发明的、在广袤的中国大地上应用的电磁勘探方法,为中国矿产资源可持续供给做出了突出贡献。
  何继善就该理论方法发表专著3本,论文200余篇,这些专著已成为地球物理领域管理者、技术人员的必备专业书籍,大部分成为地球物理学科研究生教材。其中,《双频激电法研究》和《双频激电法》这2本专著已成为物探领域的扛鼎之作。
  建立拟合流场理论 准确探测堤坝管涌渗漏入水口
  管涌渗漏探测仪是何继善教授20年前的一项重要科研成果,至今仍然发挥重要作用。水患自古以来就是中华民族的“切肤之患”。溃堤是汛期最大的灾害。研究表明溃堤几乎都是管涌渗漏没有及时发现或处险不当引起的,因此快速准确查明管涌渗漏的进水部位是汛期处险的关键。   1998年夏季,何继善正在巴西访问,从电视中看到中国正遭受百年不遇的洪水袭击,洪水的肆虐深深地震动了他的心,深感作为一位科学家,应该为抗洪作出自己的贡献。他考虑到溃堤是汛期的最大灾害,而管涌是堤坝的“第一杀手”,90%以上的溃堤是由管涌渗漏造成的。国内外当时都没有查找管涌的科学方法和仪器,只能人工拉网式沿堤巡查或派潜水员水下摸探,不仅效率低、危险性大,而且探测结果不精确,对深水处的管涌无法查找。何继善决心利用现代技术,探索一条查找管涌的全新思路。
  何继善论证了水流场与电流密度场的理论关系,通过高精度测量流体中电流密度矢量,创立了高分辨率检测堤坝管涌渗漏入水口的“拟合流场法”,研制出了世界上第一台能在汛期恶劣环境下快速准确探测堤坝管涌渗漏入水口的仪器设备-“普及型堤坝管涌渗漏检测仪”,为病险水库隐患探测和汛期堤坝查险提供了必不可少的技术支撑和科学抢险决策依据。
  1998年11月,他得知浏阳株树桥水库严重漏水,水量达1600升/秒,居世界同类大坝第二位。该水库蓄水水位海拔160米,高过长沙100多米,由于水深达50多米,漏水上面覆盖了六、七米厚的石渣等,准确渗漏点几年都没有找到。如果大坝一旦发生险情,其后果不堪设想。1999年底,他带着几位助手,带着仪器,冒着严寒,驾船在库区测量,很快找到漏水部位,经水下电视录像和工程实践证实,准确率达100%,为水库堵漏提供了准确的信息。
  1999年、2000年汛期,从湖南到湖北、从湘、资、沅、澧、洞庭湖水系到长江、汉水流域的20多个县市的抗洪现场应用流场法堤坝管涌渗漏检测仪快速准确探测出近100个管涌渗漏的进水部位,为多个重大险情的成功抢险发挥了巨大作用。仅在湖南省汉寿县阁金口闸溃垸性特大管涌抢险过程中,就及时准确地找到了多个漏水点和闸前的集中涌漏区,为现场抢险提供了不可替代的科学决策依据。
  十几年来,何继善和他的科技小组,带着“堤坝管涌渗漏探测仪”,先后到湖南、湖北、江西、广东、海南、江苏、福建、四川、山东等十多个省市,为当地堤坝探测管涌。他们探测发现一百一十多处堤防险情和二十多处水库大坝渗漏点,准确率达到了百分之百,为这些地方及时准确地排除重大险情提供了极其重要的依据。这一方法具有灵敏度高,分辨率高,抗干扰能力强,操作简便,工作高效,可靠性强的特点。获国家发明专利授权2项,获教育部“1999年中国高校十大科技进展”、2001年获湖南省科技进步一等奖。科技部、水利部还在长沙召开堤坝隐患探测技术交流大会,重点向全国洪涝灾害地区推广堤坝管涌渗漏检测仪。“堤坝管涌渗漏检测仪”2005年被国家发改委列为重点产业化支持项目,目前已装备了中国主要省份的水利技术单位和防汛管理部门。
  “正是因为何院士方法、仪器都懂,所以他总是能第一时间将自己的想法制作出成果。”中南大学博士生导师温佩琳教授说。“这些都是老师‘想到了就要做出来’的发明,却从来没有想过要先立项,再向国家申请科研经费。堤坝管涌渗漏探测仪也是他自费弄出来的。”技术创新团队的主要骨干柳建新教授说。
  何氏“广域电磁法”为地球勘察提供了全新手段
  何继善院士经过多年的潜心研究,发明了何氏“广域电磁法”。他统一了频率域电磁法全区电阻率的定义和算法,构建了包括广域三维电磁场全波形数据采集、分析、处理和信号提取、三维电磁场张量的全波形正反演理论技术体系,成功研制了广域电磁法的仪器和装备,并在油气勘查、固体矿产勘探、工程勘察等领域应用,取得了突出的地质效果和经济效益,为电磁勘探开辟了崭新的研究领域。
  广域电磁法的核心是采用电磁场的全域精确公式迭代计算提取视电阻率,这样可以在“非远区”进行测量,大大拓展了人工源电磁法的观测范围,提高了观测速度、精度和野外勘探效率,形成了独具特色的一种新的电法勘探方法。
  广域电磁法已在四川盆地、贵州六盘水、重庆巫山、新疆吐哈盆地、青海柴达木盆地、宁夏固原地区、山东招远、安徽淮南、内蒙查干、江西宜春湖南龙山、保靖、花垣等地开展了大量野外实验与研究工作,在油气藏探测、页岩气勘探、金属矿探测、煤田采空区探测等方面取得了很好的效果,为石油天然气,特别是湖南省非常规天然气勘探做出了重要的贡献。何继善就广域电磁法出版专著1本,获国家发明专利授权5项,其中一项为美国专利授权。
  新年前夕,何先生在他的实验室和楼下院内向我介绍了相关仪器设备。他很自信的说,“广域电磁法在国家能源探测利用方面具有战略意义。广域电磁法,对勘探海洋新能源、海底构造等,大有前景。还能在开采可燃冰等能源方面发挥重要作用。只要身体允许,我会一直干下去。”85岁的何继善先生兴奋地说。
  在页岩气勘探上,广域电磁法与地震勘探法展开了“PK”。结果显示,在南方地区页岩气勘探上,前者成本不足后者的1/4,但探测周期更短,探测效果良好。页岩气是我国近年来花大力气勘探开发的能源。由于南方地区地形起伏大,交通不便,地下地质构造复杂,使地震勘探受到限制。广域电磁法对地形适应性高,因此在这类复杂地形区域,优势更明显。目前,湖南5个主要页岩气区域,除一区域本身未启动勘探外,其余4区域均实施了广域电磁法勘探。
  在谈到这项新技術在页岩气勘探方面的重大进展时,何继善激动地说,“湖南省页岩气的地质资源量为十万亿立方米,可采资源量2.5万亿立方米。现在湖南每年消耗天然气只有十几亿立方米,我们国家的常规的天然气一年总产量也就是1000亿立方米多一点。想想看这是什么概念。”他告诉记者,页岩气对我们国家太重要了,这么大量的页岩气,如果我们自己能开采出来,就改变了我们国家长期以来北煤南运、西气东输的格局,这将是我国能源史上的一次革命。据不完全统计,广域电磁法在近5年内,勘探覆盖面积达30000平方公里,创造社会经济效益9000亿元。
  学识渊博的“科普院士” 诚心善教,满园芬芳
  在教育与科普领域,何继善教授数十年如一日,兢兢业业、不辞辛苦,诚心善教,可谓是芬芳满园。作为教育工作者,何继善数十年如一日恪守着他的职责。“几十年来,不管是当助教还是院士,所有的课,几乎都由他自己来备课、讲授。最辛苦的时候,每天从上午的第一节一直上到下午的最后一节。”   何继善是国内唯一连任了三届的省科协主席,现任湖南省科协名誉主席,在做好科研与教学的同时,积极推动科普教育,并强力推动了湖南省科学技术馆的建设,为全民科技素养的提高做出了突出贡献,1996年获湖南省科技兴湘奖,2002年被评为全国科普先进工作者。“站在国际科技最前沿的院士,何先生热衷于给孩子们上科普课,来讲授‘小儿科’的基础科学知识,是不是太‘大材小用’了?”何继善的回答是,“孩子们就是一张白纸,祖国的未来掌握在他们手中。我现在做的,只要能为孩子们带来一点点好的影响,哪怕再辛苦都是值得的。每做一件事,我就尽量要把它做到更好。”
  何继善学识渊博、文化底蕴极深,他不仅是一位出色的地球物理学家,而且文理兼修,爱好非常广泛,对教育学、心理学、社会学、管理学、历史、传统文化和书法艺术等方面都颇有造诣。在他案前的墙面上,挂着他泼墨挥洒而就的李太白的名句:“长风破浪会有时,直挂云帆济沧海”。这不仅是他鞭策激励自己的座右铭,更是他在科研、科普两条战线上辛勤耕耘的真实写照。何继善作为科学家,时刻不忘以提高全民族的文化科学素质为己任,他在进行科研的同时,率先向广大的群众进行科普宣传。
  长期以来来,何继善先生根据不同的对象,针对不同的问题,深入基层,作各种科普报告200多场,足迹不仅遍及三湘四水,而且报告还作到了北京、甘肃、黑龙江、湖北、四川、重庆、广东、江苏等地。
  科普报告应该力求形象生动、明了易懂,于是何继善购买了许多科普教育书籍,充实自己。早在10多年前,他就筹集了6万元,购制了一套多媒体放映系统和数码照相机,每到一地,都要将当地情况和有关图景添加到讲稿里,力争使所作报告亲切感人,直观感强。
  在何继善开展科普过程中有许多感人的故事。 2000年中秋节晚饭后,本应在家休息的他又来到了办公室,精心准备去北京的一个科普报告。忙至深夜,下楼时一脚没踩稳,摔倒在地,造成左脚严重骨折!北京的报告在中秋节后的第二天,怎么办呢?他身边的工作人员都认为:何老师这次是不会去北京了。可他却认真地说:“不去怎么行呢!这是早就定好了的,那么多人等着我,不能因为我一个就浪费那么多人的时间”。结果,只好派人背着他上下飞机,并一路从长沙护送到了北京的开会地点,顺利完成了那次报告会。在他脚骨折期间,住医院治疗的他仍没有间断作科普报告和讲座。这期间,他在不到一个多月的时间里,坐着轮椅先后为中南大学的大学生、湖南省望城县一中全校师生及有关单位和人员作了6场科普报告!为了查阅每一篇资料、翻阅每一本书,他都是艰难地从轮椅上站起来,慢慢地挪动着手中的拐仗,在办公室的书架上搜寻着……在这段时间,每次作报告,他拄着拐仗艰难地走上讲台时,许多听众感动得热泪盈眶,会场上长时间响起雷鸣般的掌声。何继善凭着这种精神,为20万人次的听众作科普报告和讲座。他的报告深入浅出,形象生动,深受广大听众的喜爱。在这些听众中,有省市一级的高层领导,有干部、职工、工人、农民,而更多的是青少年和学生。
  何继善很喜欢青少年学生,跟他们在一起,使何继善忘记了自己的年龄,感到一种青春的涌动,青少年学生的成长他看的很重,只要是学生们的邀请,他就是再有困难,也一定出席他们的活动。看到青少年学生挤满教室、趴满窗户情形,何继善内心感到无比的快乐,也感到培养青年学子的责任重大。
  爱国,是一个人成才的首要条件。在纪念“七·七事变”71周年的特殊日子里,何继善花费10年心血译著的中美共同抗击日本帝国主义的《虎口拔牙》一书免费赠送给大学生们。他带着这本书到了省内部分大中小学校,开展“纪念‘七·七事变’,发扬飞虎队精神”的巡回演讲及赠书活动,目的就是为了更多学子受到爱国主义教育的熏陶。
  何继善常说,“我们要在青少年的心目中,播下科学的种子,为未来的科研事业培养后备军。”
  何教授还结合国史国情,积极撰文著书,宣传科技。他先后主编了《现代科技写作》、《继续教育科目指南丛书》等科普丛书,并在《科学中国人》、《送你一朵蓝玫瑰——科苑撷英》书刊上发表了一系列富有新意、有深度的科普文章;并根據实际,撰写了发展高技术及高技术产业考查报告,为提高湖南经济增长的质量和效益提供了重要决策,他关于建立湖南水利体系与防洪决策系统等建议作为湖南省领导及有关部门重要参考。早在20年前,何继善和几位院士发起成立了湖南省院士专家联谊会,为湖南经济发展出谋划策。
  何继善从事高等教育60年,亲自指导博士后、博士80多人,硕士30多人,他的学生遍布相关的管理、教学、科研岗位,其中不少在国内已晋升为教授、副教授,成为所在单位的骨干力量和相关领域的领军人物,也有不少在国外做出了突出的成绩。由于何继善在教书育人方面的杰出贡献,先后被授予“全国高等院校先进科技工作者”,地质学界最高荣誉奖-第三届“李四光地质教师奖”和“宝钢教育特等奖”。
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