文章來源于：中國工程院院刊，原文鏈接：量子地球物理深部探測技術(shù)及裝備發(fā)展戰(zhàn)略研究丨中國工程科學(xué)
 

本文選自中國工程院院刊《中國工程科學(xué)》2022年第4期

作者：林君 ，嵇艷鞠 ，趙靜 ，佟訓(xùn)乾 ，易曉峰

來源：量子地球物理深部探測技術(shù)及裝備發(fā)展戰(zhàn)略研究[J].中國工程科學(xué),2022,24(4):156-166.

 

編者按

量子傳感與測量技術(shù)是實現(xiàn)地球深部重磁場精細(xì)化探測的顛覆性技術(shù)之一，已成為國際地球物理探測裝備的重點發(fā)展方向。量子地球物理探測技術(shù)主要是利用量子效應(yīng)和量子傳感器對磁場、重力場和地電場等目標(biāo)進行有效探測的方法技術(shù)。我國量子地球物理探測技術(shù)及裝備研發(fā)相對起步較晚，但是經(jīng)過歷代科研工作者的不懈努力，近年來取得了長足的進步，促進了我國量子地球物理深部探測技術(shù)裝備的發(fā)展，縮小與發(fā)達國家在該領(lǐng)域的技術(shù)差距。

 

中國工程院林君院士研究團隊在中國工程院院刊《中國工程科學(xué)》2022年第4期發(fā)表《量子地球物理深部探測技術(shù)及裝備發(fā)展戰(zhàn)略研究》一文。文章聚焦我國地球重磁場的量子高精度測量前沿技術(shù)布局，梳理了量子地球物理探測裝備的發(fā)展現(xiàn)狀，分析了深部資源探測中超導(dǎo)量子電磁探測系統(tǒng)、磁矢量梯度探測系統(tǒng)和超導(dǎo)重力探測系統(tǒng)、冷原子絕對重力探測系統(tǒng)等需求，研判量子精密測量技術(shù)的國際發(fā)展態(tài)勢，剖析我國該領(lǐng)域發(fā)展面臨的科技難題、技術(shù)瓶頸和機遇挑戰(zhàn)。針對我國量子地球物理探測裝備在核心技術(shù)攻關(guān)、完全國產(chǎn)化和探測應(yīng)用等方面能力不足問題，文章提出了新一代量子高精度地球物理深部探測裝備的發(fā)展目標(biāo)、技術(shù)體系、重點任務(wù)、戰(zhàn)略規(guī)劃，突破超導(dǎo)量子芯片和高靈敏度傳感器等“卡脖子”技術(shù)瓶頸，建立我國自主可控的量子地球物理探測技術(shù)及裝備發(fā)展的協(xié)同組織模式，推動深部探測裝備高質(zhì)量跨越式發(fā)展，為解決深部礦產(chǎn)資源探測、揭示地球深部構(gòu)造等重大問題提供技術(shù)支撐。

 

一、前言

 

全球范圍內(nèi)的清潔能源轉(zhuǎn)型引發(fā)了大量戰(zhàn)略性礦產(chǎn)需求，我國經(jīng)濟正在由高速增長轉(zhuǎn)向高質(zhì)量發(fā)展階段，仍將是世界第一大礦產(chǎn)資源消費國。從當(dāng)前的形勢來看，我國主要戰(zhàn)略礦產(chǎn)資源的勘查能力薄弱，供給生產(chǎn)增長相對緩慢，難以滿足清潔能源迅速增長的需求，導(dǎo)致對外依存度逐年提高，礦產(chǎn)資源安全已上升到國家戰(zhàn)略高度。戰(zhàn)略性礦產(chǎn)資源是儲能電池不可或缺的原材料，在未來新能源開發(fā)利用和碳中和持續(xù)性發(fā)展中具有十分重要的作用。我國主要戰(zhàn)略礦產(chǎn)資源銅、鎳礦等對外依存度都超過70%，鈷甚至高達95%。鐵礦石、銅精礦、石油等資源對外依存度已高達50%~80%，超過了國家經(jīng)濟安全警戒線的40%。2019年鐵礦石的對外依存度為76%，銅精礦的對外依存度為84.6%；2020年鐵礦石的對外依存度為77.3%，銅精礦的對外依存度為83.3%。2030年前，隨著新一代信息技術(shù)、高端裝備制造、新基建等新興產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，對鐵礦、銅礦等戰(zhàn)略性礦產(chǎn)需求還將快速增長、并將持續(xù)維持在高位態(tài)勢。另外，我國礦產(chǎn)資源探明儲量嚴(yán)重不足、礦產(chǎn)資源家底較為薄弱，人均擁有礦產(chǎn)資源與世界相比存在著明顯的差距，僅僅為美國等發(fā)達國家的十分之一。據(jù)不完全統(tǒng)計，地下2000 m以淺的礦產(chǎn)資源查明率僅有三分之一，遠(yuǎn)低于礦業(yè)發(fā)達國家的60.5%~73%的平均值。近年來，我國新增查明金屬礦產(chǎn)資源儲量多為低品位、埋藏深、覆蓋層較厚的礦床資源，金屬礦勘探地區(qū)更加復(fù)雜、遠(yuǎn)景區(qū)深度不斷加深、具有經(jīng)濟價值的礦床發(fā)現(xiàn)難度逐年加大。

 

量子傳感器是傳感領(lǐng)域的顛覆性變革技術(shù)，被譽為工業(yè)生產(chǎn)的“倍增器”、科學(xué)研究的“先行官”。量子地球物理探測技術(shù)主要是利用量子效應(yīng)和量子傳感器對磁場、重力場和地電場等目標(biāo)進行有效探測的方法技術(shù)。量子磁場傳感器是利用環(huán)境磁場對量子本身特性的影響實現(xiàn)高精度測量，包括超導(dǎo)量子干涉磁力儀（SQUID），金剛石氮空位色心（NV center）原子磁力計，冷原子磁力儀和銫光泵磁力儀等。量子重力傳感器在真空環(huán)境中利用激光和磁場捕獲、控制冷銣原子的量子態(tài)，通過測量不同能級的原子比率來實現(xiàn)重力場和重力梯度場的測量。隨著超導(dǎo)量子磁測SQUID芯片、冷原子測量絕對重力技術(shù)的快速發(fā)展以及量子重力梯度傳感器的突破，基于高精度量子地球重磁場傳感器的量子地球物理探測技術(shù)已經(jīng)成為深部戰(zhàn)略礦產(chǎn)資源、火山活動監(jiān)測、地球結(jié)構(gòu)等精細(xì)化探測的顛覆性技術(shù)之一，成為國際地球物理探測裝備的重點發(fā)展方向。美國、德國、中國、日本、英國等國家在量子精密測量技術(shù)領(lǐng)域的研發(fā)起步較早，先后制定了國家戰(zhàn)略規(guī)劃引導(dǎo)量子傳感技術(shù)研發(fā)，重點研究量子測量技術(shù)的傳感器、研發(fā)量子增強型傳感器，用于工業(yè)精度測量、地球探測、地質(zhì)和儲層勘探、國防技術(shù)和導(dǎo)航等領(lǐng)域，其研究水平始終站在前沿技術(shù)的制高點，尤其在重力場、磁場、電磁場等地球物理探測方面，經(jīng)過長時間的技術(shù)積累和設(shè)備迭代，技術(shù)水平相對領(lǐng)先、裝備成熟。我國量子傳感的頂層規(guī)劃仍局限于行業(yè)或特定領(lǐng)域，如量子通信、量子計算領(lǐng)域，尚缺乏明確的國家級戰(zhàn)略規(guī)劃，對量子測量和量子傳感的快速發(fā)展關(guān)注度不足。我國量子地球物理探測技術(shù)及裝備研發(fā)相對起步較晚，但是經(jīng)過歷代科研工作者的不懈努力，近年來取得了長足的進步，促進了我國量子地球物理深部探測技術(shù)裝備的發(fā)展，縮小與發(fā)達國家在該領(lǐng)域的技術(shù)差距。

 

本文從戰(zhàn)略角度全面調(diào)查了國內(nèi)外量子地球物理探測技術(shù)的研究現(xiàn)狀、裝備研發(fā)水平及發(fā)展趨勢，剖析了我國高精度重力場、磁場和電磁場等領(lǐng)域探測技術(shù)與裝備發(fā)展面臨的關(guān)鍵問題，指出了我國在關(guān)鍵芯片和核心部件制備工藝、前沿性關(guān)鍵技術(shù)、高性能國產(chǎn)化系統(tǒng)研發(fā)等方面面臨的系列挑戰(zhàn)，明晰了我國量子地球物理探測技術(shù)及裝備的重點研究任務(wù)和總體發(fā)展路徑，為我國量子地球物理深部探測技術(shù)裝備發(fā)展提供新思路，為我國礦產(chǎn)資源能源可持續(xù)供給和戰(zhàn)略安全提供技術(shù)保障。

 

二、量子地球物理探測技術(shù)及裝備研究現(xiàn)狀

 

量子地球物理探測技術(shù)主要圍繞高精度觀測地球磁場和重力場，根據(jù)采集的參量類型進行分類，可分為標(biāo)量總場、總場梯度、矢量三分量、張量梯度測量系統(tǒng)；按照搭載平臺類型進行分類，可分為地面、航空、井中、海洋、衛(wèi)星平臺，包括地面和海洋、井中、地空超導(dǎo)量子時域電磁探測系統(tǒng)，航空超導(dǎo)量子磁矢量梯度探測系統(tǒng)，航空超導(dǎo)重力系統(tǒng)，航空超導(dǎo)重力梯度系統(tǒng)，地面原子絕對重力，航空原子絕對重力系統(tǒng)，航空原子絕對重力梯度系統(tǒng)等，如圖1所示。 

 

 

圖1　量子地球物理探測主要裝備

 

（一）國外研究現(xiàn)狀

 

1. 航空銫光泵磁總場探測系統(tǒng)

 

近年來，高精度銫光泵磁傳感器在航空磁測技術(shù)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。國外產(chǎn)品以加拿大Scintrex公司的CS-3型和美國Geometrics公司的G-824A型為代表，靈敏度分別為0.6 pT/@1 Hz和0.3 pT/＠1 Hz，目前美國和加拿大均規(guī)定靈敏度優(yōu)于20 pT的磁力儀對我國嚴(yán)格禁運。在航磁總場探測系統(tǒng)方面，主流產(chǎn)品為加拿大RMS公司的AARC510數(shù)據(jù)收錄與補償系統(tǒng)，分辨率可達0.32 pT、系統(tǒng)噪聲為0.1 pT，補償后剩余噪聲水平為10 pT（0.05~1 Hz，RMS均方根值）。

 

2. 航空超導(dǎo)全張量磁探測系統(tǒng)

 

德國耶拿物理學(xué)高技術(shù)研究所（IPHT）與Supracon公司合作，研制了首套直升機吊艙式低溫超導(dǎo)航空全張量磁梯度系統(tǒng)Jessy Star，在南非進行了飛行實驗，系統(tǒng)噪聲優(yōu)于10 pT/m（4.5 Hz帶寬，RMS均方根值）。2004年，澳大利亞聯(lián)邦科學(xué)與工業(yè)研究組織（CSIRO）與中國五礦集團有限公司合作，研制了高溫超導(dǎo)地面全張量磁梯度測量系統(tǒng)GETMAG，系統(tǒng)噪聲為2 pT/m@10 Hz。美國特瑞斯坦技術(shù)公司利用高溫超導(dǎo)磁傳感器研制了航空全張量磁梯度系統(tǒng)（T877），系統(tǒng)噪聲為8 pT/m/。2020年，IPHT采用變壓器型耦合結(jié)構(gòu)、亞微米尺寸約瑟夫森結(jié)和厘米尺度拾取環(huán)等新技術(shù)，研制出新一代磁矢量梯度計，其本征噪聲為13 fT/m/。繼南非首飛實驗后，Jessy Star系統(tǒng)又陸續(xù)在各地展開實驗。IPHT在深部礦產(chǎn)勘探中開展了一系列應(yīng)用，包括在西班牙成功探測到HYPGEO黃鐵礦帶，在德國圖林根森林探測到地下800 m的白云欖巖侵入，在芬蘭北部拉普蘭綠巖帶中部發(fā)現(xiàn)地下1200 m深的鎳銅鉑礦床并準(zhǔn)確解釋了礦體分布形狀。

 

3. 地面和海洋超導(dǎo)電磁探測系統(tǒng)

 

超導(dǎo)電磁探測系統(tǒng)被列為對全球礦業(yè)貢獻的38項創(chuàng)新性技術(shù)之一，已成為了探測深部大型金屬礦、地?zé)嵊筒氐荣Y源的較為先進的技術(shù)手段。德國、日本、澳大利亞等國家長期致力于高溫和低溫超導(dǎo)量子傳感芯片研制，通過近30年的技術(shù)攻關(guān)，已經(jīng)將高、低溫超導(dǎo)量子傳感器成功用于地面電磁系統(tǒng)和井中電磁探測系統(tǒng)中，主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示。2007年，CSIRO研制了高溫超導(dǎo)電磁系統(tǒng)LandTEM，在近10年的應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)了價值超60億美元的硫化鎳礦床儲量以及其他類型礦床。2011年，IPHT研制了低溫亞微米級直流超導(dǎo)量子干涉器（簡稱 SQUID）、亞fT量級超導(dǎo)磁傳感器，IPHT與Supracon公司合作研制了地面低溫超導(dǎo)電磁探測系統(tǒng)，低溫超導(dǎo)技術(shù)水平處于世界領(lǐng)先。2013年，日本超導(dǎo)傳感技術(shù)研究協(xié)會（SUSTERA）研發(fā)了高溫DC SQUID芯片，并與原日本金屬礦業(yè)事業(yè)團（現(xiàn)JOGMEC）合作研發(fā)了系列高溫超導(dǎo)電磁系統(tǒng)SQUITEM，高溫超導(dǎo)技術(shù)水平處于世界領(lǐng)先，探測深度達地下1000~2000 m。在日本、泰國、澳大利亞、秘魯、智利等地的多金屬礦探測中得到應(yīng)用。該系統(tǒng)于2017年探測到了澳大利亞南部低阻覆蓋層厚度為150 m深的地下銅、銀、金、鉛及鋅的多金屬礦床，于2018年在泰國成功探測到地下2000 m的儲油層。

 

表1　國內(nèi)外SQUID-TEM系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)對比 

 

 

海洋超導(dǎo)電磁探測領(lǐng)域的發(fā)展也較為迅猛，為深海資源探測、油氣藏等戰(zhàn)略資源的勘察開發(fā)開辟了新的技術(shù)途徑。2012年，德國IPHT在DESMEX項目中使用模塊化SQUID傳感器以及專用于海洋環(huán)境下的液氦制冷技術(shù)，研發(fā)了兩代SQUID海洋時間域系統(tǒng)，并已開展了淺海域淺層地質(zhì)特征高分辨成像和深海域大深度探測等實際海洋勘探，實測有效探測深度達到1 km。2015年，Joe Kirschvink 提出使用金屬鎵對冷泵進行潤滑的技術(shù)，通過提高冷泵的致冷效率以及降低液氦的蒸發(fā)速率，解決了低溫SQUID在深海探測時因液氦快速蒸發(fā)導(dǎo)致的工作時間短和工作不穩(wěn)定的問題。2016年，Chwala等人基于LTC SQUID系統(tǒng)對德國沿海地區(qū)波羅的海沿岸的海底磁化目標(biāo)進行了掃描式探測，在尋找廢棄沉積物和未爆炸軍火方面取得了明顯的效果。

 

4. 地面和航空超導(dǎo)重力系統(tǒng)

 

20世紀(jì)90年代，美國斯坦福大學(xué)最先開展超導(dǎo)重力梯度儀的研究，用于引力波探測、空間重力測量等基礎(chǔ)物理研究。2002年，美國馬里蘭大學(xué)的Paik研究組研發(fā)了地面超導(dǎo)重力系統(tǒng)，儀器噪聲低至0.02 E/@0.5 Hz，比傳統(tǒng)梯度儀低2~3個量級。英國的ARkex、加拿大的Gedex和澳大利亞的力拓集團均致力于航空超導(dǎo)重力梯度儀的研制工作，旨在突破旋轉(zhuǎn)加速度計式重力梯度儀的分辨率極限，獲得更大深度的資源勘查能力。然而，航空超導(dǎo)重力梯度儀的研發(fā)并不順利，迄今尚無與旋轉(zhuǎn)加速度計式重力梯度儀性能相當(dāng)?shù)暮娇粘瑢?dǎo)重力梯度儀的報道，說明其實用化仍需突破一系列難度超乎尋常的技術(shù)瓶頸。

 

超導(dǎo)航空重力梯度系統(tǒng)作為新一代技術(shù)，是目前航空重力梯度勘探系統(tǒng)研究的重點和熱點。國際上，美國斯坦福大學(xué)率先開展低溫超導(dǎo)重力梯度系統(tǒng)的研制，其他研究機構(gòu)緊跟其后。目前，研發(fā)設(shè)備已經(jīng)成型或正處于試飛準(zhǔn)備階段的主要有：英國ARKeX公司研制的EGGTM航空重力梯度系統(tǒng)，加拿大Gedex公司和馬里蘭大學(xué)聯(lián)合研制的HD-AGG航空重力梯度系統(tǒng)，實際飛行測量精度達到20 E；澳大利亞的力拓集團和西澳大學(xué)聯(lián)合研制的VK-1重力梯度儀，地面車載測量精度達到20 E。

 

5. 地面原子絕對重力和航空原子重力梯度探測系統(tǒng)

 

美國斯坦福大學(xué)朱棣文小組于20世紀(jì)90年代最早提出冷原子干涉重力儀，2001年重力測量不確定度達到3.4 μGal，2008年測量靈敏度優(yōu)化至8 μGal/√Hz。法國巴黎天文臺研究小組采用自由下落冷銣原子的方法測量重力加速度，重力測量不確定度達到4.3 μGal，測量靈敏度為8.9 μGal/。2019年，美國加州理工學(xué)院伯克利分校研制了車載可移動原子重力儀，準(zhǔn)動態(tài)試驗測量靈敏度為0.5 mGal/，測量總不確定度為40 μGal。德國聯(lián)邦物理技術(shù)研究院（PTB）基于光鐘技術(shù)開發(fā)出可用于地球精密測量的量子重力儀。

 

在量子重力梯度儀研制方面，英國伯明翰大學(xué)率先研發(fā)了量子重力儀樣機，2018年成功實現(xiàn)了量子重力梯度儀樣機測試實驗。2019年，系統(tǒng)重力場測量精度提升至10~99 mGal數(shù)量級，探測深度有望突破現(xiàn)有技術(shù)的數(shù)倍以上。目前，英國伯明翰大學(xué)正在研發(fā)搭載在無人機上的小型化航空重力梯度儀。而在小型化原子絕對重力系統(tǒng)的研究方面，美國國家航空航天局（NASA）下屬噴氣推進實驗室（JPL）完成了冷原子干涉重力梯度系統(tǒng)實驗室樣機的研制。2019年，法國ONERA小組首次將冷原子絕對重力測量系統(tǒng)搭載在飛機上進行試驗，在重復(fù)測線和交叉測點上的重力值誤差為1.7~3.9 mGal。目前，原子干涉型重力梯度系統(tǒng)距離航空實用化還有較大差距。2022年，英國國家量子技術(shù)中心的伯明翰大學(xué)研究人員，成功研制了世界上第一臺在實驗室條件之外的量子重力梯度儀，在真實世界的條件下找到埋在地表下1 m的戶外隧道，并將這一事件稱為“這是傳感領(lǐng)域的一個‘愛迪生時刻’，將改變社會、人類的理解和經(jīng)濟發(fā)展”，隨著重力感應(yīng)技術(shù)的成熟，水下導(dǎo)航和揭示地下的應(yīng)用將成為可能。

 

（二）我國量子地球物理探測技術(shù)及裝備研發(fā)現(xiàn)狀

 

我國在深部礦產(chǎn)資源探測技術(shù)裝備研究方面經(jīng)歷了幾代人長期不懈的艱難探索，通過引進、吸收和創(chuàng)新，取得不小進展，自主研制了一系列量子地球物理探測裝備，為完善國內(nèi)勘探地球物理技術(shù)裝備體系做出貢獻。但部分自主研制的量子地球探測裝備核心指標(biāo)與國外先進水平還存在差距，冷原子、超導(dǎo)量子等高精度測量重磁場的芯片和傳感器仍高度依賴國外，自主研制的系統(tǒng)仍處于樣機階段。特別是在航空超導(dǎo)重力梯度系統(tǒng)、航空冷原子絕對重力測量系統(tǒng)方面的研制處于空白，在進行資源探測時更多采用國外進口設(shè)備，我國自主研制的裝備距離達到完全國產(chǎn)化、真正具有野外探測能力還有相當(dāng)長的一段路要走。

 

在光泵傳感器系統(tǒng)方面，中國科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院（原電子學(xué)研究所）研制的銫光泵傳感器經(jīng)中國計量科學(xué)研究院測試，靈敏度達到0.45 pT/@1 Hz；研制的磁總場探測系統(tǒng)與磁補償軟件，經(jīng)過多次野外試驗，其剩余噪聲水平為10 pT（0.05~1 Hz，RMS均方根值）。中國自然資源航空物探遙感中心自主研制的數(shù)字化航空氦光泵磁力儀和梯度儀，靈敏度達到0.25 pT（單位帶寬有效值）。在航空高低溫超導(dǎo)全張量磁探測系統(tǒng)方面，上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所和中國自然資源航空物探遙感中心聯(lián)合研制了航空低溫超導(dǎo)全張量磁梯度系統(tǒng)，系統(tǒng)噪聲為75 fT/m/，已經(jīng)開展了實驗飛行測試。吉林大學(xué)和中國自然資源航空物探遙感中心聯(lián)合研制了航空高溫超導(dǎo)全張量磁梯度系統(tǒng)，系統(tǒng)噪聲達到30 pT/m（5 Hz帶寬，RMS均方根值），在江蘇丹陽開展了測線飛行試驗。吉林大學(xué)研制出了地面超導(dǎo)時域電磁探測系統(tǒng)等裝備。

 

在地面和航空超導(dǎo)重力系統(tǒng)方面，早在1970年，我國開始超導(dǎo)重力儀的研制，但可惜的是沒有研制出系統(tǒng)樣機。2010年，我國重新啟動了超導(dǎo)重力儀器的研制工作，由中國科學(xué)院電工研究所負(fù)責(zé)研制超導(dǎo)重力儀以及華中科技大學(xué)負(fù)責(zé)研制航空超導(dǎo)重力梯度儀，突破了超導(dǎo)重力儀的設(shè)計、制作、集成和測試等關(guān)鍵技術(shù)，研制出了超導(dǎo)重力梯度儀原理樣機，實驗室的噪聲水平為7.2 E/。中國航天科技集團公司第707研究所與中國自然資源航空物探遙感中心聯(lián)合研制了旋轉(zhuǎn)加速度計式航空重力梯度系統(tǒng)，在國內(nèi)首次實現(xiàn)重力水平分量梯度測量，精度達到70 E。

 

在地面原子絕對重力系統(tǒng)研制方面，中國計量科學(xué)研究院、華中科技大學(xué)、中國科學(xué)院精密測量科學(xué)與技術(shù)創(chuàng)新研究院、浙江工業(yè)大學(xué)等單位開展了量子重力儀的研制。2017年，國內(nèi)4家單位參加了“第十屆全球絕對重力儀國際比對”并取得有效比對數(shù)據(jù)，具體指標(biāo)如表2所示，其中華中科技大學(xué)研制的原子重力儀測量靈敏度達到4.2 μGal/，達到國際領(lǐng)先水平，其采用新型量子重力微機電系統(tǒng)（MEMS）芯片，芯片的靈敏度高達8 μGal/、動態(tài)范圍高達8000 mGal。2019年，中國科技大學(xué)研制了原子重力儀，測量ｇ值的靈敏度分別為35.5 μGal/和42.5 μGal/，積分時間2000 s后穩(wěn)定度分別達到了0.8 μGal/和1.3 μGal/。在運動平臺原子重力儀研制方面，浙江工業(yè)大學(xué)和中國自然資源航空物探遙感中心聯(lián)合研制的移動式原子重力儀系統(tǒng)，2020年在國內(nèi)首次完成了船載系泊環(huán)境下的絕對重力測量工作，重力測量靈敏度為16.6 mGal/。2022年在中國南海某海域開展了一系列測量實驗，在航速小于2.1 km/h條件下，基于擴展卡爾曼濾波算法將絕對重力測量靈敏度從300.2 mGal/提升至136.8 mGal/。

 

表2　國內(nèi)各單位的原子重力儀性能和國際比對結(jié)果

 

 

三、量子地球物理探測技術(shù)裝備發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)

 

縱觀我國量子地球物理技術(shù)裝備發(fā)展現(xiàn)狀，其面臨的挑戰(zhàn)主要體現(xiàn)在研發(fā)體系、核心技術(shù)、創(chuàng)新能力、產(chǎn)業(yè)應(yīng)用等幾個方面。

 

（一）中長期系統(tǒng)化發(fā)展體系不完善

 

國際上如德國、日本、澳大利亞等國家，一方面，構(gòu)建了前沿技術(shù)與未來科學(xué)研究體系，瞄準(zhǔn)地球重磁場的量子精密測量等領(lǐng)域進行布局長期研究，相關(guān)研究已經(jīng)超過40余年，并在地面、井中、海洋、航空量子地球物理裝備研制都有布局，不懈追求技術(shù)領(lǐng)先，形成了面向深地礦產(chǎn)資源勘探的井、地、海、空立體探測體系；另一方面，建立了基礎(chǔ)研究與工程應(yīng)用的長期協(xié)作發(fā)展體系，德國IPHT與Supracon公司有著長期穩(wěn)定的合作關(guān)系，日本SUSTERA協(xié)會與礦業(yè)勘探JOGMEC公司合作非常緊密，IPHT和SUSTERA等國家科研院所主要針對工程應(yīng)用需求，研發(fā)專用芯片、傳感器和探測系統(tǒng)，通過Supracon、JOGMEC等勘探企業(yè)進行實際勘探應(yīng)用和多次系統(tǒng)迭代更新，最終實現(xiàn)探測系統(tǒng)的工程實用化。

 

我國通過“十一五”“十二五”“十三五”國家重點研發(fā)專項等系列計劃，開始研制地球深部重磁場的高精度量子傳感探測技術(shù)裝備，主要包括了地面超導(dǎo)電磁探測系統(tǒng)、地面超導(dǎo)重力儀、航空超導(dǎo)全張量磁探測系統(tǒng)、航空量子銫光泵磁探測系統(tǒng)、地面原子絕對重力系統(tǒng)、航空量子重力梯度系統(tǒng)、船載量子重力梯度系統(tǒng)等。一方面，國內(nèi)研究直接從跟蹤國際先進系統(tǒng)起步，有利于趕超國際先進水平，初步實現(xiàn)了量子重磁場探測系統(tǒng)工程樣機，并攻克了部分關(guān)鍵技術(shù)，但核心技術(shù)指標(biāo)和成熟度與國際領(lǐng)先水平有較大的差距，研制的探測系統(tǒng)尚不能開展深部礦產(chǎn)資源勘探應(yīng)用。另一方面，我國在深井、海洋和航空超導(dǎo)電磁探測、航空原子絕對重力和重力梯度系統(tǒng)、航空超導(dǎo)重力系統(tǒng)等前沿領(lǐng)域的研究和布局處于空白，量子精密測量深地探測裝備系統(tǒng)化的發(fā)展體系處于零散分布狀態(tài)，不完善、拼湊捆綁現(xiàn)象嚴(yán)重。量子精密傳感技術(shù)和探測裝備研發(fā)具有技術(shù)難度大、周期長等特征，例如，超導(dǎo)應(yīng)用技術(shù)需要幾十年或上百年的長周期持續(xù)研究才能落地，國內(nèi)研究主要依托項目資助，但多數(shù)項目結(jié)束后研究基本停滯、研究團隊重組，缺少長期研究規(guī)劃和長遠(yuǎn)目標(biāo)，尚未形成科研院所與企業(yè)穩(wěn)定合作體系，國家層面中長期系統(tǒng)化發(fā)展布局不充分，量子精密地球物理場探測體系構(gòu)建還需要進一步完善。

 

（二）關(guān)鍵芯片和核心部件的基礎(chǔ)工藝能力不足

 

在前沿顛覆性技術(shù)領(lǐng)域，基礎(chǔ)研究更需要學(xué)者根據(jù)興趣開展自由探索，構(gòu)建長期的寬容研究氛圍、科學(xué)合理的評價機制和個人長期的發(fā)展空間十分重要。由于我國的研發(fā)人才團隊不穩(wěn)定，所以很容易導(dǎo)致研究的中斷，無法堅持到有成果產(chǎn)出的階段。一方面，對于從事一些不能立即預(yù)見有明顯應(yīng)用前景的基礎(chǔ)研究團隊，即使研究成員人數(shù)很少，也要保留火種團隊或火種苗子；另外一方面，對于基礎(chǔ)工藝和制備技術(shù)等急于跟蹤前沿性的研究，過多追求量子傳感器或樣機系統(tǒng)更高性能指標(biāo)，將導(dǎo)致底層基礎(chǔ)技術(shù)、基礎(chǔ)工藝能力不扎實，底層基礎(chǔ)研究的創(chuàng)新和前沿性不突出，工程實用化重視程度不夠，從而導(dǎo)致關(guān)鍵核心技術(shù)受制于國外的局面不能得到根本性改變。

 

德國在量子精密測量領(lǐng)域的應(yīng)用研究相對獨立，對于未來科學(xué)和預(yù)見性技術(shù)的研究不需考慮應(yīng)用市場效益，主要原因是基礎(chǔ)研究的應(yīng)用存在很大的不確定性和未知性。例如，發(fā)現(xiàn)巨磁阻效應(yīng)之后的近20年內(nèi)沒有都得到應(yīng)用，直至在計算機硬盤中得以應(yīng)用，才開啟了通向新技術(shù)的世界大門。反觀國內(nèi)，研發(fā)機構(gòu)一定程度上缺少可持續(xù)性的基礎(chǔ)研究，尤其在關(guān)鍵芯片和核心部件方面的基礎(chǔ)研發(fā)能力嚴(yán)重不足。通�？吹絿�際上研制出了新的高精度量子或原子磁場探測系統(tǒng)后，確定其具備良好的應(yīng)用前景和潛力，才開始啟動高精度量子重磁場探測系統(tǒng)等研究，而不是從超導(dǎo)量子和原子精密測量重磁場的基礎(chǔ)理論出發(fā)；當(dāng)發(fā)現(xiàn)國產(chǎn)化探測裝備的主要指標(biāo)與國際領(lǐng)先水平存在差距，才開始重視于傳感器關(guān)鍵芯片和核心部件的基礎(chǔ)工藝等研究，但對于SQUID和冷原子測量磁場的基礎(chǔ)理論不清楚，源頭和背后的東西沒有搞清楚，導(dǎo)致了面對高靈敏度SQUID芯片設(shè)計、傳感器等“卡脖子”的技術(shù)問題時，難以提出原創(chuàng)性的研究思路。

 

（三）前沿性的綜合關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新能力不強

 

我國研制的多數(shù)量子重磁場探測技術(shù)裝備，因在量子重磁場測量基礎(chǔ)理論研究薄弱，以跟蹤國外思想和技術(shù)方法為主，導(dǎo)致了前沿性關(guān)鍵技術(shù)原始創(chuàng)新能力不強。國內(nèi)雖然已經(jīng)有低溫超導(dǎo)SQUID磁場芯片、SQUID磁矢量梯度芯片、銫光泵磁傳感器等研制的相關(guān)報道，但在噪聲水平、靈敏度指標(biāo)等方面與世界最先進指標(biāo)仍存在著一定差距；單個芯片或者樣機的高精度指標(biāo)并不能代表關(guān)鍵技術(shù)已經(jīng)攻克，小批量研發(fā)能力尚未形成。我國在高性能SQUID傳感器芯片的關(guān)鍵技術(shù)尚未完全解決，量子重力MEMS芯片仍處于研究探索階段，深海低溫液氦或液氮保溫技術(shù)和運動噪聲的消除仍需要進一步深入研究；航空環(huán)境平臺超導(dǎo)梯度儀的振動和外部噪聲抑制、量子重力梯度儀的地面振動噪聲、拉曼光相位噪聲以及原子探測噪聲抑制等技術(shù)還面臨著巨大的技術(shù)挑戰(zhàn)。

 

國內(nèi)在低溫超導(dǎo)SQUID亞微米約瑟夫森結(jié)、高溫超導(dǎo)高質(zhì)量薄膜制備、長基線光刻、超導(dǎo)恒溫制冷、超導(dǎo)電磁屏蔽、冷原子體系的單量子態(tài)產(chǎn)生、激光冷卻技術(shù)、三維磁光井、離子阱技術(shù)等基礎(chǔ)核心技術(shù)的研究不充分、不透徹。芯片和傳感器指標(biāo)提升離不開反復(fù)失敗積攢的經(jīng)驗，核心技術(shù)攻關(guān)更需要長期堅持研究。我國的經(jīng)濟實力已經(jīng)發(fā)展到了具備開展未來科學(xué)基礎(chǔ)研究能力的階段，需要瞄準(zhǔn)顛覆性、前瞻性、戰(zhàn)略性、前沿性的量子精密地球物理場探測方向，從多角度、多層面的底層技術(shù)開展研究，經(jīng)歷多次反復(fù)摸索以弄清本質(zhì)，要有打破沙鍋問到底的精神，解決基礎(chǔ)研究和關(guān)鍵技術(shù)雙腳不落地的現(xiàn)狀。

 

（四）量子探測國產(chǎn)化系統(tǒng)探測工程應(yīng)用能力不足

 

我國已經(jīng)成功研制了地面超導(dǎo)電磁探測系統(tǒng)、地面超導(dǎo)重力儀、航空超導(dǎo)全張量磁探測系統(tǒng)、航空量子銫光泵磁探測系統(tǒng)、地面原子絕對重力系統(tǒng)、航空量子重力梯度系統(tǒng)、船載量子重力梯度系統(tǒng)等。國產(chǎn)研制的量子重磁場探測系統(tǒng)多處于樣機階段，雖然實現(xiàn)了部分技術(shù)指標(biāo)，但是在運動平臺大動態(tài)范圍的重磁場測量關(guān)鍵技術(shù)、屏蔽減震工程技術(shù)等方面還處于研發(fā)階段，探測系統(tǒng)的實用性和成熟度不高，主要原因有兩方面，一方面，西方國家在地球物理場探測高靈敏度SQUID芯片、高精度重力傳感器及慣性器件等領(lǐng)域均對我國實施禁運；另一方面，航空高低溫全張量磁測、航空重力 / 重力梯度測量的核心技術(shù)主要由加拿大、俄羅斯、美國及德國所擁有，導(dǎo)致了國內(nèi)研制的量子地球物理探測系統(tǒng)野外實際探測能力不足，野外勘探應(yīng)用程度較低，無法滿足深地礦產(chǎn)資源探測需求。

 

四、量子地球物理探測技術(shù)裝備重點建設(shè)任務(wù)和總體發(fā)展路徑

 

（一）我國量子地球物理探測技術(shù)裝備重點建設(shè)任務(wù)

 

隨著量子傳感及測量技術(shù)的不斷發(fā)展，高精度、高分辨率、高靈敏度、高智能化的地球物理場探測裝備，將在地球深部礦產(chǎn)資源探測發(fā)展中處于重要的支撐地位，具有廣闊的發(fā)展空間和應(yīng)用前景。為此，亟需突破深地物理場量子精密測量理論方法，研制深部地球物理專用的高低溫超導(dǎo)量子干涉器芯片、高靈敏度高分辨率金剛石氮 ‒ 空位（NV）色心量子矢量磁傳感器、冷原子和超導(dǎo)重力以及重力梯度測量系統(tǒng)等，建立空 ‒ 天 ‒ 地 ‒ 井全方位立體化的深部量子地球物理探測體系。

 

量子地球物理探測技術(shù)裝備重點建設(shè)任務(wù)如圖2所示，在“十四五”“十五五”“十六五”3個五年規(guī)劃中，分近期目標(biāo)、中期目標(biāo)和遠(yuǎn)期目標(biāo)，針對高靈敏度傳感技術(shù)、新材料與制備工藝、量子芯片生產(chǎn)能力、穩(wěn)定和可靠性技術(shù)瓶頸、工程化和國產(chǎn)化完整鏈條、多物理場反演成像方法、全方位的探測體系等多個方面，依次進行重點建設(shè)。量子地球物理探測技術(shù)裝備具體建設(shè)任務(wù)如圖3所示，分“高精度傳感技術(shù)”“前沿顛覆性技術(shù)”“實用可靠性技術(shù)”三個層次，在重力、磁場、電磁場、地震四個方面，對量子地球物理探測技術(shù)裝備具體的建設(shè)任務(wù)分別作出了建議和憧憬。

 

 

圖2　量子地球物理探測技術(shù)裝備重點建設(shè)任務(wù)

 

 

圖3　量子地球物理探測技術(shù)裝備具體建設(shè)任務(wù)

 

（二）我國量子地球物理探測技術(shù)裝備總體發(fā)展路徑

 

1. 研究新物理效應(yīng)或機理的量子傳感理論

 

研究基于金剛石氮空位色心的新型單自旋量子磁傳感技術(shù)，建立矢量測量NV色心的物理模型，剖析不同磁場角度下NV色心的頻率偏移機制；研究NV色心的基態(tài)電子自旋和氮核自旋的操控技術(shù)、激光和微波場對金剛石量子態(tài)的精準(zhǔn)調(diào)控方法、基于光躍遷的電子自旋量子態(tài)讀出技術(shù)、基于動力學(xué)解耦序列的噪聲抑制方法等。通過研發(fā)金剛石氮空位色心的量子傳感器，實現(xiàn)高靈敏度和納米級空間分辨率的探測方法。

 

研究SERF原子磁傳感器的原子自旋對于外界波動磁場的響應(yīng)機制，建立Bloch方程中原子自旋對外界波動磁場及高頻率調(diào)制場的響應(yīng)模型，研究原子極化率均勻度、氣室中不同位置的原子極化率差異使各通道對磁場響應(yīng)機理，研究非屏蔽地球物理場探測時泵浦光強度調(diào)制和頻率調(diào)制方法，實現(xiàn)地球物理場非屏蔽環(huán)境下高靈敏度微型化梯度測量，將為地球物理量子探測奠定堅實基礎(chǔ)，成為地球物理深部探測的顛覆性技術(shù)。

 

2. 突破量子傳感器的制備工藝與測量應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)

 

攻克高精度超高分辨率的冷原子干涉重力梯度儀、芯片級冷原子絕對重力敏感器、高重頻小型冷原子物理探頭、超導(dǎo)重力傳感器、超導(dǎo)重力梯度敏感探頭的研發(fā)。研究冷原子體系下單量子態(tài)的激光冷卻技術(shù)、離子阱技術(shù)等，研究高效率激光冷卻原子和光抽運量子態(tài)制備方法，研究短距離原子自由落體測量、量子絕對重力測量方法等。研究交叉耦合噪聲抑制技術(shù)和共模耦合噪聲抑制技術(shù)、移動平臺上共模耦合信號的實時消除技術(shù)，開展地面車載測量作業(yè)和航空搭載適應(yīng)性試驗，實現(xiàn)航空重力梯度儀和航空冷原子干涉重力梯度儀的工程樣機研制。

 

攻克高精度超導(dǎo)量子干涉磁傳感器、三分量高低溫超導(dǎo)電磁傳感器、陣列高純鍺傳感器、原子矢量磁傳感器等制造加工技術(shù)。研究芯片級原子磁力計的硅微加工制造技術(shù)、具有長壽命和高靈敏度的磁場測量量子相干性的金剛石設(shè)計加工技術(shù)。研究地磁環(huán)境中磁通量子干涉時的超導(dǎo)約瑟夫森結(jié)晶粒邊界、熱噪聲、渦流釘扎、磁滯以及磁通陷入的結(jié)構(gòu)模型與優(yōu)化方法；研究無源地磁場和有源激勵電磁場等不同應(yīng)用場景對高溫SQUID芯片的性能影響機理。研究高溫超導(dǎo)量子干涉器芯片的YBCO超導(dǎo)薄膜制備工藝，揭示脈沖激光沉積溫度、雜相顆粒尺寸和密度、羽輝中的化學(xué)成分、靶法線方向角、激光能量等對高溫超導(dǎo)薄膜質(zhì)量和高溫DC SQUID芯片噪聲水平的影響機理；研究高溫超導(dǎo)磁測芯片制備工藝和低形變的低溫封裝技術(shù)，攻克高溫超導(dǎo)芯片制備工藝，研制完全國產(chǎn)化的航空飛行平臺專用磁矢量梯度芯片，實現(xiàn)地球物理探測領(lǐng)域?qū)Ｓ酶邷豐QUID芯片的國產(chǎn)化，提高SQUID芯片在磁法、電磁法和重力測量領(lǐng)域的應(yīng)用水平，提升我國深部資源探測能力。

 

3. 構(gòu)建深部量子地球探測技術(shù)裝備工程實用化體系

 

為了實現(xiàn)地球深部多物理屬性的智能化和精細(xì)化探測需求，急需建立達到國際領(lǐng)先的航空、井中、海洋、衛(wèi)星等多種移動平臺地球物理探測技術(shù)體系。研發(fā)運動平臺下的重磁總場、三分量、梯度、全張量、電磁場、相對重力和絕對重力等多參量測量技術(shù)裝備，提高多種移動平臺的礦產(chǎn)資源探測靈敏度和深度，已經(jīng)成為高分辨率、精細(xì)化地球物理技術(shù)裝備的發(fā)展趨勢。

 

移動平臺測量重點需要攻克重磁場振動噪聲處理和運動姿態(tài)控制技術(shù)等，研究振動噪聲的實時測量和自適應(yīng)處理方法，研究慣性穩(wěn)定平臺的動基座運動姿態(tài)測量和實時反饋控制技術(shù)、量子重力測量系統(tǒng)的姿態(tài)控制方法，冷原子重力梯度儀的高采樣率、動態(tài)運動噪聲壓制、環(huán)境適應(yīng)性技術(shù)，攻克冷原子重力梯度儀的地面可移動測量關(guān)鍵技術(shù)，突破地面移動測量和機載適應(yīng)性試驗位姿和振動控制技術(shù)、基于超導(dǎo)量子傳感器的航空電磁探測技術(shù)、無人機地 ‒ 空探測關(guān)鍵技術(shù)等。

 

五、對策建議

 

（一）制定量子地球重磁多場量精密探測技術(shù)裝備的國家發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃

 

針對我國量子傳感頂層規(guī)劃仍局限于地方政府層面，尚缺乏明確的國家級戰(zhàn)略規(guī)劃的現(xiàn)狀，建議我國需早日研究出臺量子科技領(lǐng)域的國家發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃，布局量子傳感領(lǐng)域的前沿技術(shù)，引導(dǎo)國內(nèi)量子傳感研究健康快速發(fā)展，致力于開發(fā)地球物理場專用的量子器件制備技術(shù)以及量子傳感技術(shù)。對于SERF原子磁力儀和金剛石氮空位色心磁力儀等新機制方面的基礎(chǔ)研究，建議采取多點散發(fā)式研究，形成各個方向都有人員長期開展研究的局面；對于航空平臺的冷原子干涉重力和重力梯度系統(tǒng)的研制，鑒于距離實用化還有較大差距的現(xiàn)實，建議作為前沿和顛覆性技術(shù)進行重點攻克對象，同時也可將移動平臺搭載測量與實驗對象拓展到衛(wèi)星重力測量領(lǐng)域；對于航空和海洋等移動平臺的高低溫航空超導(dǎo)磁矢量、三分量磁探測系統(tǒng)，建議短期內(nèi)能夠?qū)崿F(xiàn)較高的成熟度和實用化；與此同時，建議聚焦移動平臺重磁場測量的“卡脖子”技術(shù)進行重點攻關(guān)，以工程實用化研發(fā)為目標(biāo)，打破國際歐美發(fā)達國家的技術(shù)圍剿。

 

（二）設(shè)立量子地球物理場精密傳感與探測技術(shù)裝備試驗工程應(yīng)用類項目

 

應(yīng)鼓勵開展國產(chǎn)儀器的工程實驗應(yīng)用研究，針對超導(dǎo)量子芯片和傳感器、冷原子絕對重力梯度系統(tǒng)、金剛石氮空位色心原子磁力儀等，設(shè)立實驗和工程技術(shù)類支持專項，開展研發(fā)可靠性及穩(wěn)定性的實驗和測試研究、儀器系統(tǒng)典型區(qū)域工程應(yīng)用和系統(tǒng)實用性迭代研究，打破國產(chǎn)儀器不能用、不好用的局面。“卡脖子”技術(shù)最終體現(xiàn)在工程應(yīng)用方面，國內(nèi)儀器裝備研發(fā)的較多，但實用的較少。相關(guān)領(lǐng)域不愿用國產(chǎn)儀器的根本原因是其不好用、不適用，僅追求性能指標(biāo)的突破。

 

因此，建議在面向深部關(guān)鍵礦產(chǎn)資源與非常規(guī)油氣能源等國家重大戰(zhàn)略需求上，集中整合國內(nèi)超導(dǎo)量子芯片和傳感器、冷原子絕對重力梯度系統(tǒng)、金剛石氮空位色心原子磁力儀等研發(fā)優(yōu)勢資源與科技力量，構(gòu)建量子精密地球物理探測儀器研發(fā)體系。在基礎(chǔ)研究方面，探索大深度探測方法的原創(chuàng)性新理論；在裝備關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)方面，攻克地球重磁場專用芯片制備、超導(dǎo)量子磁場和磁矢量梯度場傳感器、原子磁力儀、原子重力儀等研制的“卡脖子”核心技術(shù)，提升量子傳感器的靈敏度、分辨率、測量極限、擺率和動態(tài)范圍等性能。通過攻克運動平臺、地球非屏蔽環(huán)境下磁場多參量測量的系列關(guān)鍵技術(shù)，提高地球物理場的量子精密測量原創(chuàng)能力和高端技術(shù)研發(fā)能力，實現(xiàn)量子高精度地球物理場探測系統(tǒng)的國產(chǎn)化和實用化，開創(chuàng)我國自主研制地球物理深部探測裝備的新局面，提高地球物理裝備深部智能化、精細(xì)化探測水平，從而服務(wù)深部礦產(chǎn)與油氣探測，實現(xiàn)國家能源自主可控。

 

（三）完善多學(xué)科交叉型工程實驗技術(shù)人才培養(yǎng)模式和評價機制

 

探索適合地球物理儀器科技創(chuàng)新、有利于科技人才隊伍穩(wěn)定和發(fā)展的體制、機制，由于儀器研發(fā)周期較長，人才評價和職稱晉級等方面需要建立新的評價機制。通過設(shè)立工程系列的高級工匠和工程師等系列人才稱號，從研發(fā)地球物理儀器的國產(chǎn)化和實用化等方面建立第三方評價模式，讓從事儀器研發(fā)等工程應(yīng)用方面的工程師得到相應(yīng)發(fā)展空間。建議國內(nèi)科研機構(gòu)工程系列人員開展多學(xué)科訪問交流，從而促進多學(xué)科交叉融合，進一步帶動技術(shù)創(chuàng)新，通過設(shè)置國際合作項目積極鼓勵工程技術(shù)人員深度參與國際合作，培養(yǎng)一批扎根國內(nèi)地球物理儀器研發(fā)的人才隊伍。

 

注：本文內(nèi)容呈現(xiàn)略有調(diào)整，若需可查看原文。

 

作者介紹

 

 

林君，勘探地球物理與探測裝備專家，中國工程院院士。

長期致力于地球物理探測理論研究、技術(shù)創(chuàng)新和儀器裝備的自主研發(fā)，創(chuàng)新發(fā)展了航空和地空移動平臺電磁探測、核磁共振地下水探測和分布式地震探測的理論、方法技術(shù)與核心裝備，研制開發(fā)出具有自主知識產(chǎn)權(quán)的地空協(xié)同時頻電磁探測系統(tǒng)、ATEM系列瞬變電磁儀和分布式無纜遙測地震探測儀器裝備等成果得到廣泛推廣應(yīng)用。