報告！海大科研團隊成功研發探海「神器」，填補國內空白！

日前，國家高技術研究發展計劃（「863計劃」）項目「深水可控源電磁勘探系統開發」課題在北京順利結題，我國科學家自主研發的「海洋可控源電磁勘探系統」順利通過驗收。該系統的成功研發不僅填補了我國深海可控源電磁探測的空白，而且其中的核心設備1000A大功率水下電流發射系統和4000米海底電磁採集站使我國成為繼美國、挪威之後又一個有能力在水深超過3000米海域進行可控源電磁場測量和研究的國家……一系列自主創新成果的問世，既標誌著我國已躍居國際海洋電磁探測技術與裝備研製的第一梯隊，也使我國的深海油氣資源勘探與開發工作翻開了嶄新的一頁。

近日，記者實地探訪該課題技術首席、中國海洋大學李予國教授及其團隊成員，聽他們講述七年磨一劍、探海問底的曲折故事。

項目組自主研發的海底電磁採集站

源起：一心想「窺探」海底的人

1965年秋，李予國出生於甘肅省天水市一戶普通的職工家庭，在「文革」動亂的年代裡，他在母親的陪伴下轉到鄉下讀書，在西北內陸那個相對安寧平和的小山村裡，他在維繫自己學業的同時，也度過了一段難忘的童年時光。

因為中學時代酷愛數學、物理，1981年填報高考志願時，他選擇了西安地質學院（1996年更名為西安工程學院，2000年合并組建長安大學）勘查地球物理專業。「當時信息閉塞，報志願不像現在有許多可以參考的信息，我看這個專業有『物理』2字，就選了它。」李予國說。本科畢業後他留校任教，並於3年後繼續攻讀了本校應用地球物理專業的研究生，師從方文藻副教授從事電法勘探方面的研究，其碩士論文結集成《瞬變電磁測深法原理》一書出版，成為改革開放初期，該領域重要的參考書之一。

李予國教授

1993年春，正在實驗室工作的李予國接到了來自青島的電話，電話是青島海洋大學海洋地質系教授徐世浙打來的。「1990年，海大的海洋地質博士學位授權資格獲批，徐老師就寫信給我的導師，請他推薦學生，方老師舉薦了我。徐老師就把電話打到西安邀請我去一趟青島與他面談。」在青島，這位國內最早將有限元法應用於地球物理勘探的學者與這位遠道而來的西北小伙一見如故。1993年秋，李予國告別學習工作了12年之久的西安地質學院，投入到海洋的懷抱。

在青島海洋大學，李予國不僅接觸到了前沿的物探技術方法，而且也被這所因海而生的大學寬厚溫潤的文化品格所熏陶浸染著，並有幸在這裡揚帆遠行，見識外面的世界。經學校推薦和考試選拔，以及語言培訓，1996年秋天，李予國前往德國留學，在國際電磁測深研究先驅、格廷根大學地球物理所Schmucker教授名下攻讀博士學位。

在這所創建於18世紀的世界知名學府里，留下了高斯、海涅、格林兄弟、馬克斯·韋伯等多位大師的身影。徜徉校園，沐浴在偉人的榮光里，李予國暗下決心一定要學有所成，不辜負母校和國家的厚愛與支持。

不同於其他德國教授的嚴謹與嚴厲，Schmucker教授為人隨和、洒脫，不拘小節，並且樂於為學生提供寬鬆、自由的學習環境。時至今日，李予國依然記得第一次與導師見面的情景。「約的是下午4點見面，我到了之後，他正在機房裡調程序，讓我再等他一刻鐘。這一等就是3個小時，後來天都黑了，他才想起我來，他是一個時間觀念不太強的人。」當時德國地球物理學界針對電導率各向異性的研究異常火熱，李予國成功說服Schmucker教授同意他放棄之前選定的方向，轉攻這一領域。他巧妙地把在國內所學的有限單元法運用到這一領域中，歷經無數次的修改完善，他建立了二維和三維電導率任意各向異性介質中大地電磁場模擬有限元演算法，解決了該複雜條件下電磁場精確數值模擬的難題，伴隨著這一曾被德國地球物理學會電磁分會主席Ritter博士稱為「不可解決的問題」的迎刃而解，李予國順利完成了學業，這令此前擔心他不能如期畢業的Schmucker教授倍感高興。此後，他先後任職於德國弗賴貝格礦業技術大學和柏林自由大學，提出了電阻率任意各向異性介質大地電磁場二維反演方法，發展了三維電阻率有限元模擬方法……這些新穎的方法很快在實踐中得以應用並贏得了德國地球物理研究同行的認可。

海底電磁採集站投放入水

美國Scripps海洋研究所是世界公認的全球頂尖海洋研究機構之一，20世紀70年代末80年代初，海洋電磁技術便是在這裡起源，並很快發展成為世界一流的海洋電磁研究中心。「最初，Cox教授發明海洋電磁技術是用于海底地質構造研究，在2000年前後，有人利用此項技術在西非進行海底油氣資源勘探，竟然成功地圈閉了油氣層，瞬時間，這項技術就火了起來。」李予國說，傳統主流的地震成像技術能探測到潛在的油氣構造圈閉，但是要區分圈閉內是含油的、含氣的還是含水的，目前還沒有有效的方法。而海洋電磁技術卻可以利用導電性來判斷裡面是油還是水。「海水的電阻率非常低，油、氣的電阻率很高，兩者具有明顯的物性差異，很容易區分開來。」作為一名長期從事電法勘探研究的科技工作者，他也對這一新興領域充滿了好奇。

2004年底，他毅然離開德國，應聘到Scripps海洋研究所海洋電磁實驗室工作。在這裡，他不僅接觸到了先進的海洋電磁技術，而且實現了學術生涯的一大轉折——從陸地走向海洋。「1996年離開青島海洋大學前往德國，近10年後，又重新回到海洋研究領域，既感到親切，又覺得是一種緣分。」李予國說。

在Scripps海洋研究所工作期間，李予國不僅很快掌握了海洋電磁技術的基本原理與方法技術，並憑著出色的表現贏得了實驗室負責人Costable教授以及其他同事的認可。他詳細研究了海底地形變化對海洋可控源電磁響應的影響，將網格自動細化有限元技術應用到電磁場數值模擬領域，研發了2.5維海洋可控源電磁場有限元正演模擬演算法，基於該演算法的軟體包已提供給近30家國際石油公司和從事海洋石油勘探的地球物理公司使用，受到了一致好評。

在美工作期間，李予國所在的海洋電磁實驗室時常接待前來調研學習的各國代表團，身為中國人他覺得自己的祖國也應該有人從事這方面的研究工作。「我希望看到我們國家的代表團前來調研，因為我就在那兒工作，有這個便利條件。」李予國說，為了促成國內早日啟動海洋電磁技術的研究工作，他曾於2006年初給中國有關部門寫信呼籲此事。同年6月、7月，兩支中國代表團前往Scripps海洋研究所調研，李予國向帶隊的山東省副省長王軍民、中國科學院院長路甬祥建議儘快在國內開展這一領域的研究。

「當時，只是覺得國內應該儘早啟動這方面的工作，不要被國外落的太遠，可是沒想到後來我竟然成為國內海洋電磁研究隊伍中的一員。」時至今天，談起這段經歷，李予國也頗感意外。

海底電磁採集站4000米水深試驗成功，李予國（左五）與科研人員合影

團隊：從「光桿司令」到精英團隊

「在內心深處，一直有一種教書育人的情懷，總想培養幾個好學生；再就是不甘心歐美國家在海洋電磁技術領域對我國進行技術封鎖。」在這兩方面的驅使下，2009年，李予國開始著手辦理回國事宜。面對國內多所高校和研究機構拋出的橄欖枝，他最終選擇了自己的母校，位於青島的中國海洋大學。

「聽說他要回來，我們十分歡迎，原來我們就相識、熟悉，在一起幹事也方便。」時任海洋地球科學學院院長李廣雪的真誠邀約更加堅定了他到母校工作的決心。

有學校和學院的大力支持，加上熟悉的環境，以及師友們的幫助，他很快構建了自己的實驗室。場地有了，計算機等基礎設備也有了，可是搞研究的人去哪兒找，在組建團隊上，李予國犯了愁。

「海大在海洋地質、地震勘探等領域的研究已經十分成熟完善，但是在電法勘探領域卻少有人涉獵，更不必說在國內剛剛起步的海洋電磁技術方向了。」李予國說，從事海洋電磁技術研究首先要有這方面的硬體設備，但歐美對中國進行嚴密的技術封鎖，只提供技術服務，不提供相應設備出口服務，研究工作也就無從談起。「回國前，我曾希望Scripps的同事，把以前使用過的感測器送給我一個，都被他們拒絕了。」面對此種境地，只能走自主研發的道路，但長期以來在地球物理領域李予國主要從事數值模擬演算法和資料解釋方法的研究，談及硬體製造也是知之甚少。如此以來，他就需要多個學科的人才，來組建一支交叉融合、協同創新的團隊。「我把我的想法和科技處的同志講，請他們幫助物色合適的人選，他們給予了我很大的幫助。」

2010年春的一個夜晚，在青島市江西路上的一家茶館裡，來自中國海洋大學不同學科領域的多位專家學者聚在了一起，他們大都與李予國素未謀面，此行便是專程來聽他講述海洋電磁技術研究的意義與前景的。

「這是一個全新的領域，之前我從未接觸過，心裡沒底。當時我並沒有直接答應他要和他一起從事這方面的研究。」談起那晚的「茶館會談」亓夫軍副教授對於自己內心的那份擔憂記憶猶新。在研讀了相關學術資料，搞清了海洋電磁技術的相關原理和應用前景之後，再加上李予國回國幹事創業的精神的鼓舞與感召，這位與李予國年齡相仿的科研人員欣然加入了這一團隊。

「聽完李予國教授的介紹後，特別是他在海外工作的豐富經歷，我心裡就有主心骨了，覺得海大要想干這件事的話，一定能成。」於新生教授說，雖然之前從未接觸過海洋電磁技術，但通過這次交流他與李予國一拍即合。

「當時，王建國教授是我們團隊的負責人，即將面臨退休，他本可以不用這麼辛苦，冒這麼大風險去接這樣一個難度極大的項目，但為了團隊的發展，他還是毅然決定帶著我們去奮鬥一次。」黎明教授說。

工程學院王建國教授團隊承擔採集電路設計、王樹傑教授團隊負責數據記錄儀艙體設計加工，材料科學與工程學院付玉彬教授團隊負責電場感測器、戴金輝教授團隊負責中性浮力發射天線，信息學院亓夫軍副教授團隊負責電流發射系統，海洋地球科學學院於新生教授負責採集站投放與回收系統、李予國帶領裴建新等青年教師進行方法研究……很快一個分工明確、學科交叉的精英團隊便組建了起來。「離開母校十多年，儘管辦學環境發生了翻天覆地的變化，但是優良的文化沒有變，幹事創業的氛圍依然在。」李予國說，大家都擁護我、團結我，我很高興，他們都是想幹事、能幹事的人。

項目組自主研發的大功率水下電流發射系統

創新：七年磨一劍，鑄就探海「神器」

有了實驗室，組建了團隊，還要依託一個良好的項目開展研究工作。早在2007年前後，李予國就開始思考回國後的研究工作如何鋪開了。2010年，其正式加盟中國海洋大學後，在學校、山東省、中國地質調查局和國家自然科學基金委等多方的支持下，拉開了中國海洋大學「海洋可控源電磁勘探系統」研發的大幕。

起步階段，許多工作都是從零開始，猶如摸著石頭過河。李予國把自己想要的設備的形狀、功能、參數講出來，然後團隊成員根據自己的理解和認知去琢磨、去試驗、去實現。「團隊剛剛組建，都有一個交流磨合的過程，如何讓大家儘快理解我的意圖，實現我的想法，也是我常思考的問題。」因為團隊成員分屬不同學院，平時還有各自的教學和科研任務，專門聚到一起比較困難，李予國就利用吃飯的時間和大家交流探討研發過程中的難題。「中午吃飯時，李老師就給我打一個電話，一起吃飯吧，我們就邊走邊聊、邊吃邊聊。」亓夫軍說，日久天長，團隊成員都習慣了這種獨特且高效的研討方式。

2011年秋，「863計劃」項目「深水可控源電磁勘探系統開發」課題論證評審會在北京舉行。中國海洋大學提交的項目申請和研究規劃獲得了專家的一致好評，因項目涉及能源資源勘探與開發，國家倡議進行產學研用結合，走強強聯合之路，由潛在用戶單位組織執行，並指定東方地球物理公司作為牽頭單位，中國海洋大學負責總體技術方案的實施。

有了國家重大項目的支持，大家幹事創業的信心更足了，但也開始面對創新路上的艱難險阻。

2011年1月21日深夜，自動化及測控系實驗室的燈依然亮著，王建國教授正在帶領團隊成員對海底電磁採集站的總體設計方案進行研討，並最終敲定。「7年來，我們雖然做了很多改進，但總體框架一直沒有變化。王老師的專註、執著、敬業一直是我們項目組的精神標杆。」黎明說，雖然以前開展過高精度測量研究，但是面對這種頗具挑戰性的「超低頻、寬頻、低雜訊放大器」還是首次。7年時間裡，他們共設計了5個版本的海底電磁採集站的主控板，最終使各項性能指標均達到了設計要求。

為了確保海底電磁採集的數據更精確、更可靠，於新生教授獨闢蹊徑，設計了一套依靠熔斷絲觸發的冗餘釋放系統，成功避免了以往機械式釋放產生的電磁干擾，並實現了100%成功回收。

儘管走得艱難曲折，但終歸是在一點一滴的突破，且每天都有看得見的收穫，就在他們以為勝利指日可待時，卻遇到了最大的「瓶頸」。

項目申報時，李予國參考美國Scripps海洋研究所研製的海洋可控源電磁勘探系統最大輸出功率為500A的案例，也給自己設定了500A的研發目標，但在最後的論證評審時，專家委員會建議提升到1000A。「目前，世界上只有挪威的EMGS公司達到了1000A的水平，專家說要做就做世界領先的，但是科研經費不能增加。」談及答辯時的情景，他依然印象深刻。

「填報計劃時，所有的技術指標、參數都是按照500A準備的，突然要翻倍，我整個人都懵了。」亓夫軍說，因為這根最硬的骨頭由他來啃。「當時還想分兩步走，能不能先搞一個500A的，再去做1000A的；再就是能不能通融下把1000A降到750A。專家組不同意，必須一步到位。」

承壓艙，是一個長度不到3米，內徑不到0.6米的密閉艙體，可以承受深海里的超大壓強，被稱為大功率水下電流發射系統在「海底的家」。「從500A增加到1000A，意味著其輸送功率要增加3倍，發熱量也會增加3倍，如何提高電子元器件的耐熱指標，以及把熱量散出去是個不小的挑戰。」亓夫軍說。

大功率可控源電磁發射系統拖曳體

大功率水下電流發射系統是整個海洋可控源電磁勘探系統的核心設備，如果突破不了，不僅項目無法結題，而且他們前期的付出和努力也將付之東流。「因為該難關遲遲攻不下來，我們甚至受到了項目辦的批評和通報。」李予國說，海洋可控源電磁勘探裝備研製是一項研究性強、難度大，具有一定挑戰性的高科技研發。在研發過程中，出現方案的調整、設計思想的完善和改進是正常的，也是符合科研規律的，甚至個別部件研究計劃的提前或滯後也是可以理解的。「科學研究應該有序穩妥地推進，不可能一蹴而就，更不能急於求成。」

儘管李予國一如既往地對團隊成員進行鼓勵與安慰，但是作為項目首席技術負責人他心裡也承受著很大的壓力。那段時間，亓夫軍帶領研究生在實驗室里持續奮戰，除了中午約他吃飯，李予國還會在上午、下午過去轉兩圈。「我去了什麼也不說，只是看看就走。他們都在埋頭工作，我不能再傳輸壓力了。但是，我想我身上的壓力他們也能感受得到。」

經過夜以繼日地奮戰，在與青島海洋地質研究所的聯合攻關下，他們率先突破了500A級，但要想達到1000A的目標，還需再接再厲。2015年11月11日，是一個在中國海洋電磁技術發展史上值得記錄的日子。在青島海域，我國自主研發的融合了1000A級大功率水下電流發射系統和4000米水深電磁採集站的「海洋可控源電磁勘探系統」淺海聯調測試獲得成功。中國成為繼挪威之後，世界上第二個擁有最大輸出功率為1000A級的海洋可控源電磁勘探系統的國家，也標誌著我國的海洋電磁探測技術研究已經達到世界領先水平。同年，該成果入選「2015中國海洋與湖沼十大科技進展」。

突破了整個項目中最大的技術難點，一年半時間裡壓在李予國和整個團隊身上的石頭終於落地了。此後，他們又進行了多次海試，並創造性地研發了集拖曳式可控源電磁發射系統、海底固定電磁採集站和拖曳式電場接收系統為一體的立體探測模式。

2017年3月21日，在南海海域，利用該系統成功獲取了我國首條深海可控源電磁探測剖面，參與海試的「863計劃」評審專家給予高度評價，並打出了97分的高分。首條剖面的成功獲取，不僅標誌著我國在海洋電磁技術創新和裝備研製領域步入了世界先進行列，而且也為我國深海油氣資源勘探與開發工作翻開了嶄新的一頁。

海底電磁採集站回收 （劉邦華攝）

展望：瞄準深海6000米直至覆蓋全海域

2017年6月8日上午，北京裕龍大酒店，「863計劃」項目「深水可控源電磁勘探系統開發」課題順利結題。

歷時7年的研究告一段落，但李予國絲毫沒有要歇一歇的意思，他正在繪製更長遠的發展藍圖。

海洋油氣開採成本高昂，打一口探井動輒花費過億資金，惟有儘可能找准海底含油構造，才會減少資金浪費。「依靠傳統方法，在海底打三口井，只有一口含油氣，另外兩口往往是水井或乾井，浪費了大量資金。依靠海洋電磁探測技術，可能打三口井有兩口含油氣，就能節約上億資金。」李予國說，我不想只做一個樣機，項目結題了就把它束之高閣。既然行業有需求，我們就要儘快推動實施產業化，為我國的海洋油氣資源勘探與開發做貢獻，為生產服務。

聚焦當下，在青島海洋科學與技術國家實驗室、中國地質調查局的支持下，他們正在朝著6000米水深發起衝擊，下一步是10000米海深，直至南北極，實現全海域覆蓋。「在這一領域，既然我們已經代表國家進入世界第一梯隊，就要保持住這種優勢。」李予國說，除了用于海洋油氣資源、天然氣水合物的勘探以外，該技術還可應用于海底地質構造研究、硫化物等深海固定礦藏勘探。

當記者問起海洋電磁探測技術的不足時，他說，這一方法主要通過判別海底構造內部電阻率的高低來區分是含油氣，還是含水，但電阻率高不一定就100%是油氣，也有可能是碳酸鹽、玄武岩等其它物質。這就需要在具體實施中，與海洋地震等多種探測方法互為補充、相互印證，進行綜合判斷。「目前來看，這只是海洋油氣勘探的一種新穎方法，但它絕不是什麼靈丹妙藥，這一技術的成熟與完善還需廣大地球物理工作者堅持不懈地努力。」

回首來時路，在歸國的7年多時間裡，李予國孜孜以求、為之奮鬥的初心，正是尋找那枚打開海底油氣寶藏的「金鑰匙」。

風勁帆滿，他依然在破浪前行。

作者 / 馮文波

編輯 / 劉蒞

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！