业渝光教授和海洋天然气水合物模拟实验室

2007-8-6 阅读次数:次

　　初春，明媚的阳光挥洒在雪松环绕的青岛海洋地质研究所，使主楼前那座雕塑显得格外奇特绚丽，光彩夺目。

　　这座彩钢铸成的天然气水合物分子结构，包笼在象征中国海和世界大洋水中的雕塑造型，展示着海地人追踪国际前沿，探索天然气水合物这种未来新能源的意志与渴望；述说着这里的学科带头人、博士生导师业渝光教授勇于开拓，大胆创新，带领课题组在国内首创具有自主知识产权的先进的海洋天然气水合物模拟实验室，率先人工合成沉积物中的天然气水合物获得成功并点燃，为我国海洋地质研究和能源开发写下的新篇章。

　　钟情科技创新

　　在强调科技要为国家重大经济建设服务的今天，为什么业渝光教授能在不到１年时间，取得令科技界如此关注和引起社会轰动的成果？他的高速度和效益来自何方？

　　青岛海洋地质研究所所长刘守全告诉记者：“江泽民同志指出，创新是一个民族进步的灵魂。业渝光教授最大的特点就是大胆开拓，勇于创新。他的创新体现在：稀释法１４Ｃ测年技术、应用ＥＳＲ测年技术和天然气水合物模拟实验技术。这是他在科技创新道路上迈出的三大步，是对海洋地质研究工作和天然气水合物的勘查开发做出的重大贡献；他同时又是实验检测中心的主任，是一位杰出的管理者。在他的带领下，实验检测中心初步形成了朝气蓬勃的科技团队。”

　　１９８２年，业渝光调入海地所以来，一直埋头苦干，刻苦钻研。他先后主持承担了国家基金、地质大调查和“８６３”计划等１０余项科研项目。他在完成大量实验研究报告之外，出版了两部著作，还在中外刊物上发表论文８０余篇，其中有近３０篇被ＳＣＩ、ＥＩ和ＧｅｏＲｅｃｆ所收录和检索，被国内外学者广泛引用；他还肩负着中国地质调查局海洋地质实验检测中心常务副主任、党支部书记，国土资源部海洋沉积开放研究室副主任及博士生导师等工作。他获得多项部级科研成果奖，并荣获青岛市劳动模范和山东省富民兴鲁个人、中国地质调查局系统优秀共产党员的光荣称号，以及国务院颁发的政府特殊津贴。

　　这些成绩和荣誉，是他长期从事地质年代学研究，尤其在年轻沉积物测年、同位素地球化学和天然气水合物人工合成方面的独特思路、科学见解和一批原创性成果的集中体现。

　　为了从宝贵的地质样品中获得更多的地质年代信息，业教授带领课题组进行了稀释技术１４Ｃ测年及其应用研究。

　　１４Ｃ测年已广泛应用于晚更新世地质学的研究，它是确定上更新统地层的有效方法之一。其中，液体闪烁计数法比较规范，操作简单且效率高，为我国的晚第四纪地质学、考古学、古海洋学、古地理学和古气候学等学科的研究，提供了大量的数据。但是，它的不足之处是测定样品用量较多，这对地表样品尚无太大问题，但对海洋钻孔取芯，有时甚至仅取到薄薄的一层生物贝壳或有机淤泥，但却包含着重要的古海洋和古气候信息的小样品，却不能应用于测定地层形成的年代，给科研和生产带来困难。

　　善于学习并掌握学科前沿的业教授，带领科技人员经过反复的实验研究，终于取得成功：用稀释法将１４Ｃ测年样品的用量降到常规方法的１／１０，使许多钻孔岩芯样品得到了可靠的１４Ｃ年龄，提供出地质年代信息。该项测年技术经过国内外多家实验室的比对实验，达到了国际水平。

　　著名海洋地质学家、中科院院士秦蕴珊教授说：“用１４Ｃ测年在国际上是一个传统方法了，而业渝光的创新点是把样品的数量大大地减少了。这对海洋地质来说是非常重要的。因为，海洋地质的取样是在海上向海底开钻，国家要投入大量的人力和物力，还要克服狂风巨浪的袭击。他把样品缩小到常规用量的１／１０，这对海洋地质测年来讲是一个非常了不起的贡献。”

　　自１９８６年以来，业教授和课题组利用稀释技术为国内外２０多家科研和生产单位提供了可靠的微量样品１４Ｃ年龄数值，并直接用到科研和生产实践，受到用户的欢迎和好评。在青海地调院等单位的大地调项目的使用中，创造了大量的产值，还为一些单位节省了样品送到国外测试的昂贵外汇。

　　注重源头创新，是业渝光教授科研工作的一大特色。他在沉积物ＥＳＲ（电子自旋共振波谱）测年方面，带领课题组取得了“西沙珊瑚礁ＥＳＲ年代学研究”、“西琛一井的ＥＳＲ年代学”、“一种新的古气候指示物—珊瑚礁Ｍｎ＋２信号”和“珊瑚礁ＥＳＲ测年研究”等一批成果。这些成果被专家评为国内领先或国外同类研究水平。

　　首次在国内提出了用沉积物中石英Ｇｅ心信号进行ＥＳＲ测年。

　　首次在国内报道了沉积物中石英Ｇｅ心信号天然光照晒实验。

　　首次在国内外提出并报道了采用较大微波功率由石英Ｅ＇心进行ＥＳＲ测年可得到大于５０万年，比较可靠的海洋沉积物年龄的这一思路和成果。

　　南黄海ＱＣ２孔测得的１９０万年的ＥＳＲ年代学序列，与地质研究结论基本相符。这一成果已在海洋沉积物、冲积物、海岸风成沙、古泥石流堆积物、冰碛物和断层泥等拓展了其应用范围。

　　业渝光教授率领课题组大胆探索，敢走别人没有走过的路。他把ＥＳＲ测年技术应用到地质勘探的新领域，对那些既无古生物化石，又缺少地质年龄的所谓“哑层”，用石英空位浓度计算出“哑层”的地质沉积年龄，并成功地对塔里木盆地库车地质剖面、胜利油田、华北油田、渤海盆地，以及西藏伦坡拉盆地和内蒙古巴丹吉林盆地的石油钻探的新中生代“哑层”，提供了前沿性和良好的测年技术，从而使国内领先的ＥＳＲ测年技术从新生代几百万年向中生代几千万年大大推进，并通过承担各类项目扩大了这项技术的应用广度和深度。

　　创新再结硕果

　　人工合成天然气水合物的成功并点燃，展示了我国成功地建立起首家具有自主知识产权的海洋天然气水合物模拟实验的设备和技术是可行的，也表明业渝光教授领导的课题组在科技创新的道路上再创佳绩。

　　“我来到海地所后，在上级和所领导以及兄弟单位的大力支持下，共建成了５个实验室。前４个是关于地质测年技术的，与天然气水合物实验技术研究之间并没有直接的联系。如果说有，那就是我多年积累的一些丰富经验。我觉得，国家经济建设急需就是我的责任和使命。同时，我喜欢挑战性的工作。它会激励你开拓奋进，不断攀登科技高峰。”从业教授的这番话里可以感到，为什么他已过“半百”之年，还敢于踏进这一完全陌生的新领域。

　　能源，是人们生存的基本条件。随着人类社会的不断发展，我们消耗掉的能源越来越多。而据科学家预测，目前，地球上的化石能源最多再能维持２００余年。

　　为了寻找新的能源，各国科学家都开始把目光集中到大海深处。在那里像在寒冷的冻土带一样，蕴藏着一种看上去很像冰块但却能像煤一样燃烧的神秘物质——天然气水合物。人们俗称它为“可燃冰”。

　　虽然，在海底蕴藏着大量的可燃冰，但对它的勘探和调查却需要大量的人力和物力，特别是对它的开采和由此引发的环境问题还存在着许多难题，已成为世界各国科学家争相研究探索的热门课题。

　　业教授告诉记者：“一旦温度和压力突破了可燃冰存在的极限条件，它就会很快分解。这样一来，被水包裹着的甲烷气体就会释放到大气层中。如果不顾后果地大量开采，不仅存在着安全隐患，而且甲烷气体一旦挥发，很可能会加剧地球的温室效应。”

　　所长兼实验检测中心主任刘守全教授说：“科学研究是先导，给实际勘查工作提供一些最基本的数据，来指导海上的地质勘探工作。业教授的实验研究不仅仅是通过低温和高压形成可燃冰，更重要的是研究可燃冰形成的条件和贮存的规律。”

　　业渝光教授同科技人员在实验室里紧张地忙碌着：从实验仪器的购置和安装、改进及调试，到一些关键设备的自己设计、材料选购和精心制作，样样都在争分夺秒地进行，件件都得全神贯注。这是反复实验和探索出可燃冰形成的温度与压力之间关系的关键所在。准确地掌握可燃冰形成和分解的条件，对寻找海底可燃冰，以及开采和运输的安全都具有十分重要的意义。

　　科学方法是创新的武器。业教授带领科技人员，根据自己设计并采用不锈钢自制出模拟可燃冰生成的反应釜。为了能观察到釜内可燃冰形成的过程，他们又设计安装了一套摄像装置。通过对摄像头的改进，把环形的光源改变成３点式光源，并使光圈和光源在一个圈口上来减少通光量，消除通光量大的干扰，而达到观测釜内变化的目的。根据不同物质其通光量不同的原理以及冰的通光量比水低得多的事实，通过通光率来记录反应釜内可燃冰的形成过程。

　　浩瀚的海面波涛汹涌，幽深的海底却很平静。因此，在海底的甲烷气体要经过漫长的悠悠岁月，才能逐渐形成可燃冰。而在实验室里，他们向反应釜里注入一定量的水和通入足够的甲烷气体，模拟在８００米深的海底可燃冰的形成。这种实验实际上是把在海底几百年形成可燃冰的过程，浓缩成几天来完成。这样，他们必须加大驱动力，采用磁力转子加速搅拌，使釜内的甲烷气体与水融合，然后再加压和降温。

　　他们静静地守候在监视器前，盯着釜内发生的一切变化：先是一些丝状体映入他们眼帘，随着温度的降低，固体物质越来越多，几乎充满他们的视野。但是，釜内产生的白色冰状物是不是他们期待的新能源呢？

　　课题组的人员取出用智慧和心血在釜内凝结出来的冰块，就在这些冰块被点燃时，一股奇妙而火红的光芒，驱除了他们的疲惫，把发自心底的欢笑写在每一个人的脸上。

　　通过多次的实验，他们记录下在纯水中形成可燃冰的数据。

　　初战告捷，并没有减轻业教授这位学科带头人肩上的重担。他漫步在海边，但激荡的思绪却已潜到海底：这里的沉积物是海水中含的大量泥沙和其他杂质，还有各种各样海洋动、植物的遗骸沉落积成。要模拟大海沉积物中可燃冰的形成和分解过程可没有在纯水中那么简单！于是，为了接近海底的真实情况，他采集回来一些海砂放进反应釜。新一轮的实验又开始了。

　　他们遇到的第一个拦路虎是沙子难以透过光线，前面用光观察釜内变化的方法不再奏效。在这个关键时刻，业教授又提出新的办法：利用超声波探测。

　　他在反应釜的两侧安装了可发送和接收的两个探头，利用超声波在不同介质中传播速率不同的原理，观察在沉积物中可燃冰形成的情况。但是，谁也没有想到，因釜内速率变化不大，第一次实验就失败了。这给业教授带来了很大的压力和沉重的打击。

　　他一面继续实验，一面查阅大量国内外资料，但始终找不到一线启发。他在不停地问自己：“难道利用超声波探测真的不行吗？”

　　正在实验难以取得进展时，业教授的研究生张剑发现在釜内的可燃冰形成时，超声波的主频变化大，而且有规律。大家惊喜地称赞张剑时，张剑却说：“令我钦佩的是业渝光老师。他在设计这套实验设备时，就考虑得那么科学和严密，使它不仅能记录超声波的声速，还同时添加上了能记录超声波的波幅和主频变化的功能。”

　　业教授和课题组终于突破这道难关。实验的结果使他们得到了一张沉积物中可燃冰生成和分解的相图。从图上可以明显地看出，当釜内温度下降可燃冰生成时，主频突然增加；在生成的一段时间里频率非常平稳；待到可燃冰分解时又降到了原来的频率。

　　实验证明：借助超声波主频的变化，探测海洋沉积物中可燃冰形成的过程十分有效。

　　２００２年７月１３日，以秦蕴珊、李廷栋和陈毓川三位院士等专家组成的评审组认为：该项成果总体达到国际先进水平，某些技术达到国际领先水平。

　　国土资源部非常关心这个实验室的建设。寿嘉华副部长赴青岛听取实验室建设、研究和发展的汇报，表示国土资源部将大力支持该室的建设。同时，这个实验室还受到前来参观的兄弟院所，以及美国、韩国、日本和我国港台地区的一些著名专家的一致好评。


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