2022年，英国国家量子技术中心的伯明翰大学研究人员，成功研制了世界上第一台在实验室条件之外的量子重力梯度仪，在真实世界的条件下找到埋在地表下1 m的户外隧道。随着重力感应技术的成熟，水下导航和揭示地下的应用将成为可能
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量子地球物理深部探测技术及装备发展战略研究丨中国工程科学
《中国工程科学》 中国工程院院刊 2022-09-15 12:10 发表于北京
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本文选自中国工程院院刊《中国工程科学》2022年第4期

作者：林君 ，嵇艳鞠 ，赵静 ，佟训乾 ，易晓峰

来源：量子地球物理深部探测技术及装备发展战略研究[J].中国工程科学,2022,24(4):156-166.

编者按

量子传感与测量技术是实现地球深部重磁场精细化探测的颠覆性技术之一，已成为国际地球物理探测装备的重点发展方向。量子地球物理探测技术主要是利用量子效应和量子传感器对磁场、重力场和地电场等目标进行有效探测的方法技术。我国量子地球物理探测技术及装备研发相对起步较晚，但是经过历代科研工作者的不懈努力，近年来取得了长足的进步，促进了我国量子地球物理深部探测技术装备的发展，缩小与发达国家在该领域的技术差距。

中国工程院林君院士研究团队在中国工程院院刊《中国工程科学》2022年第4期发表《量子地球物理深部探测技术及装备发展战略研究》一文。文章聚焦我国地球重磁场的量子高精度测量前沿技术布局，梳理了量子地球物理探测装备的发展现状，分析了深部资源探测中超导量子电磁探测系统、磁矢量梯度探测系统和超导重力探测系统、冷原子绝对重力探测系统等需求，研判量子精密测量技术的国际发展态势，剖析我国该领域发展面临的科技难题、技术瓶颈和机遇挑战。针对我国量子地球物理探测装备在核心技术攻关、完全国产化和探测应用等方面能力不足问题，文章提出了新一代量子高精度地球物理深部探测装备的发展目标、技术体系、重点任务、战略规划，突破超导量子芯片和高灵敏度传感器等“卡脖子”技术瓶颈，建立我国自主可控的量子地球物理探测技术及装备发展的协同组织模式，推动深部探测装备高质量跨越式发展，为解决深部矿产资源探测、揭示地球深部构造等重大问题提供技术支撑。

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一、前言

全球范围内的清洁能源转型引发了大量战略性矿产需求，我国经济正在由高速增长转向高质量发展阶段，仍将是世界第一大矿产资源消费国。从当前的形势来看，我国主要战略矿产资源的勘查能力薄弱，供给生产增长相对缓慢，难以满足清洁能源迅速增长的需求，导致对外依存度逐年提高，矿产资源安全已上升到国家战略高度。战略性矿产资源是储能电池不可或缺的原材料，在未来新能源开发利用和碳中和持续性发展中具有十分重要的作用。我国主要战略矿产资源铜、镍矿等对外依存度都超过70%，钴甚至高达95%。铁矿石、铜精矿、石油等资源对外依存度已高达50%~80%，超过了国家经济安全警戒线的40%。2019年铁矿石的对外依存度为76%，铜精矿的对外依存度为84.6%；2020年铁矿石的对外依存度为77.3%，铜精矿的对外依存度为83.3%。2030年前，随着新一代信息技术、高端装备制造、新基建等新兴产业的快速发展，对铁矿、铜矿等战略性矿产需求还将快速增长、并将持续维持在高位态势。另外，我国矿产资源探明储量严重不足、矿产资源家底较为薄弱，人均拥有矿产资源与世界相比存在着明显的差距，仅仅为美国等发达国家的十分之一。据不完全统计，地下2000 m以浅的矿产资源查明率仅有三分之一，远低于矿业发达国家的60.5%~73%的平均值。近年来，我国新增查明金属矿产资源储量多为低品位、埋藏深、覆盖层较厚的矿床资源，金属矿勘探地区更加复杂、远景区深度不断加深、具有经济价值的矿床发现难度逐年加大。

量子传感器是传感领域的颠覆性变革技术，被誉为工业生产的“倍增器”、科学研究的“先行官”。量子地球物理探测技术主要是利用量子效应和量子传感器对磁场、重力场和地电场等目标进行有效探测的方法技术。量子磁场传感器是利用环境磁场对量子本身特性的影响实现高精度测量，包括超导量子干涉磁力仪（SQUID），金刚石氮空位色心（NV center）原子磁力计，冷原子磁力仪和铯光泵磁力仪等。量子重力传感器在真空环境中利用激光和磁场捕获、控制冷铷原子的量子态，通过测量不同能级的原子比率来实现重力场和重力梯度场的测量。随着超导量子磁测SQUID芯片、冷原子测量绝对重力技术的快速发展以及量子重力梯度传感器的突破，基于高精度量子地球重磁场传感器的量子地球物理探测技术已经成为深部战略矿产资源、火山活动监测、地球结构等精细化探测的颠覆性技术之一，成为国际地球物理探测装备的重点发展方向。美国、德国、中国、日本、英国等国家在量子精密测量技术领域的研发起步较早，先后制定了国家战略规划引导量子传感技术研发，重点研究量子测量技术的传感器、研发量子增强型传感器，用于工业精度测量、地球探测、地质和储层勘探、国防技术和导航等领域，其研究水平始终站在前沿技术的制高点，尤其在重力场、磁场、电磁场等地球物理探测方面，经过长时间的技术积累和设备迭代，技术水平相对领先、装备成熟。我国量子传感的顶层规划仍局限于行业或特定领域，如量子通信、量子计算领域，尚缺乏明确的国家级战略规划，对量子测量和量子传感的快速发展关注度不足。我国量子地球物理探测技术及装备研发相对起步较晚，但是经过历代科研工作者的不懈努力，近年来取得了长足的进步，促进了我国量子地球物理深部探测技术装备的发展，缩小与发达国家在该领域的技术差距。

本文从战略角度全面调查了国内外量子地球物理探测技术的研究现状、装备研发水平及发展趋势，剖析了我国高精度重力场、磁场和电磁场等领域探测技术与装备发展面临的关键问题，指出了我国在关键芯片和核心部件制备工艺、前沿性关键技术、高性能国产化系统研发等方面面临的系列挑战，明晰了我国量子地球物理探测技术及装备的重点研究任务和总体发展路径，为我国量子地球物理深部探测技术装备发展提供新思路，为我国矿产资源能源可持续供给和战略安全提供技术保障。

二、量子地球物理探测技术及装备研究现状

量子地球物理探测技术主要围绕高精度观测地球磁场和重力场，根据采集的参量类型进行分类，可分为标量总场、总场梯度、矢量三分量、张量梯度测量系统；按照搭载平台类型进行分类，可分为地面、航空、井中、海洋、卫星平台，包括地面和海洋、井中、地空超导量子时域电磁探测系统，航空超导量子磁矢量梯度探测系统，航空超导重力系统，航空超导重力梯度系统，地面原子绝对重力，航空原子绝对重力系统，航空原子绝对重力梯度系统等，如图1所示。

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图1　量子地球物理探测主要装备

（一）国外研究现状

1. 航空铯光泵磁总场探测系统

近年来，高精度铯光泵磁传感器在航空磁测技术领域应用广泛。国外产品以加拿大Scintrex公司的CS-3型和美国Geometrics公司的G-824A型为代表，灵敏度分别为0.6 pT/图片@1 Hz和0.3 pT/图片@1 Hz，目前美国和加拿大均规定灵敏度优于20 pT的磁力仪对我国严格禁运。在航磁总场探测系统方面，主流产品为加拿大RMS公司的AARC510数据收录与补偿系统，分辨率可达0.32 pT、系统噪声为0.1 pT，补偿后剩余噪声水平为10 pT（0.05~1 Hz，RMS均方根值）。

2. 航空超导全张量磁探测系统

德国耶拿物理学高技术研究所（IPHT）与Supracon公司合作，研制了首套直升机吊舱式低温超导航空全张量磁梯度系统Jessy Star，在南非进行了飞行实验，系统噪声优于10 pT/m图片（4.5 Hz带宽，RMS均方根值）。2004年，澳大利亚联邦科学与工业研究组织（CSIRO）与中国五矿集团有限公司合作，研制了高温超导地面全张量磁梯度测量系统GETMAG，系统噪声为2 pT/m@10 Hz。美国特瑞斯坦技术公司利用高温超导磁传感器研制了航空全张量磁梯度系统（T877），系统噪声为8 pT/m/图片。2020年，IPHT采用变压器型耦合结构、亚微米尺寸约瑟夫森结和厘米尺度拾取环等新技术，研制出新一代磁矢量梯度计，其本征噪声为13 fT/m/图片。继南非首飞实验后，Jessy Star系统又陆续在各地展开实验。IPHT在深部矿产勘探中开展了一系列应用，包括在西班牙成功探测到HYPGEO黄铁矿带，在德国图林根森林探测到地下800 m的白云榄岩侵入，在芬兰北部拉普兰绿岩带中部发现地下1200 m深的镍铜铂矿床并准确解释了矿体分布形状。

3. 地面和海洋超导电磁探测系统

超导电磁探测系统被列为对全球矿业贡献的38项创新性技术之一，已成为了探测深部大型金属矿、地热油藏等资源的较为先进的技术手段。德国、日本、澳大利亚等国家长期致力于高温和低温超导量子传感芯片研制，通过近30年的技术攻关，已经将高、低温超导量子传感器成功用于地面电磁系统和井中电磁探测系统中，主要技术指标如表1所示。2007年，CSIRO研制了高温超导电磁系统LandTEM，在近10年的应用中发现了价值超60亿美元的硫化镍矿床储量以及其他类型矿床。2011年，IPHT研制了低温亚微米级直流超导量子干涉器（简称 SQUID）、亚fT量级超导磁传感器，IPHT与Supracon公司合作研制了地面低温超导电磁探测系统，低温超导技术水平处于世界领先。2013年，日本超导传感技术研究协会（SUSTERA）研发了高温DC SQUID芯片，并与原日本金属矿业事业团（现JOGMEC）合作研发了系列高温超导电磁系统SQUITEM，高温超导技术水平处于世界领先，探测深度达地下1000~2000 m。在日本、泰国、澳大利亚、秘鲁、智利等地的多金属矿探测中得到应用。该系统于2017年探测到了澳大利亚南部低阻覆盖层厚度为150 m深的地下铜、银、金、铅及锌的多金属矿床，于2018年在泰国成功探测到地下2000 m的储油层。

表1　国内外SQUID-TEM系统主要技术指标对比

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海洋超导电磁探测领域的发展也较为迅猛，为深海资源探测、油气藏等战略资源的勘察开发开辟了新的技术途径。2012年，德国IPHT在DESMEX项目中使用模块化SQUID传感器以及专用于海洋环境下的液氦制冷技术，研发了两代SQUID海洋时间域系统，并已开展了浅海域浅层地质特征高分辨成像和深海域大深度探测等实际海洋勘探，实测有效探测深度达到1 km。2015年，Joe Kirschvink 提出使用金属镓对冷泵进行润滑的技术，通过提高冷泵的致冷效率以及降低液氦的蒸发速率，解决了低温SQUID在深海探测时因液氦快速蒸发导致的工作时间短和工作不稳定的问题。2016年，Chwala等人基于LTC SQUID系统对德国沿海地区波罗的海沿岸的海底磁化目标进行了扫描式探测，在寻找废弃沉积物和未爆炸军火方面取得了明显的效果。

4. 地面和航空超导重力系统

20世纪90年代，美国斯坦福大学最先开展超导重力梯度仪的研究，用于引力波探测、空间重力测量等基础物理研究。2002年，美国马里兰大学的Paik研究组研发了地面超导重力系统，仪器噪声低至0.02 E/图片@0.5 Hz，比传统梯度仪低2~3个量级。英国的ARkex、加拿大的Gedex和澳大利亚的力拓集团均致力于航空超导重力梯度仪的研制工作，旨在突破旋转加速度计式重力梯度仪的分辨率极限，获得更大深度的资源勘查能力。然而，航空超导重力梯度仪的研发并不顺利，迄今尚无与旋转加速度计式重力梯度仪性能相当的航空超导重力梯度仪的报道，说明其实用化仍需突破一系列难度超乎寻常的技术瓶颈。

超导航空重力梯度系统作为新一代技术，是目前航空重力梯度勘探系统研究的重点和热点。国际上，美国斯坦福大学率先开展低温超导重力梯度系统的研制，其他研究机构紧跟其后。目前，研发设备已经成型或正处于试飞准备阶段的主要有：英国ARKeX公司研制的EGGTM航空重力梯度系统，加拿大Gedex公司和马里兰大学联合研制的HD-AGG航空重力梯度系统，实际飞行测量精度达到20 E；澳大利亚的力拓集团和西澳大学联合研制的VK-1重力梯度仪，地面车载测量精度达到20 E。

5. 地面原子绝对重力和航空原子重力梯度探测系统

美国斯坦福大学朱棣文小组于20世纪90年代最早提出冷原子干涉重力仪，2001年重力测量不确定度达到3.4 μGal，2008年测量灵敏度优化至8 μGal/√Hz。法国巴黎天文台研究小组采用自由下落冷铷原子的方法测量重力加速度，重力测量不确定度达到4.3 μGal，测量灵敏度为8.9 μGal/图片。2019年，美国加州理工学院伯克利分校研制了车载可移动原子重力仪，准动态试验测量灵敏度为0.5 mGal/图片，测量总不确定度为40 μGal。德国联邦物理技术研究院（PTB）基于光钟技术开发出可用于地球精密测量的量子重力仪。