中國煤炭地質勘查 關鍵技術與工程運用
——不斷超越 引領中國煤炭地質新發展

王 佟（中國煤炭地質總局）

中國煤炭地質勘查 關鍵技術與工程運用
——不斷超越 引領中國煤炭地質新發展

王 佟（中國煤炭地質總局）

煤炭是我國的基礎能源，在我國一次性能源構成中一直占70%以上。進入新世紀以來，隨著經濟高速發展，我國煤炭需求量日益加大。因煤炭產量不足而引發的煤電荒曾驚動了中南海。2004年，溫家寶總理批示“要把建設大型煤炭基地作為重大而緊迫的任務，加快煤炭地質勘查工作”。為從根本上緩解我國能源接替和供應緊張的局面，發改委和國土資源部相繼委托我局實施了13個大型煤炭基地和45個重點規劃礦區的資源評價工作。中國煤炭地質總局聯合中國礦業大學（北京）、西安科技大學、山東科技大學等煤炭系統科研生產單位開展了新時期煤炭地質勘查關鍵技術的研究工作，組織實施了27項重點專項課題研究，攻克了亟需破解的制約我國煤炭地質勘查事業的三大難題：一是東部地區煤炭開發強度大，接替資源嚴重不足；二是西部地區煤炭資源雖然豐富，具備整裝開采的條件，但自然條件惡劣，勘查程度低，嚴重制約著煤炭工業的戰略西移；三是地質勘查技術單一，勘查速度和精度無法滿足特、大型安全高效礦井建設需要。取得了一系列創新成果，建立了中國煤炭地質綜合勘查理論與技術體系，取得了煤炭資源勘查的重大突破，有力支撐了煤炭工業的健康可持續發展五大關鍵技術：建立了以煤炭地質理論為支撐，以遙感調查技術、高精度地球物理勘查技術、煤炭地質快速精準鉆探技術、煤礦區環境遙感監測與工程治理技術、煤炭地質信息化技術為關鍵核心技術的構成的立體的煤炭地質綜合勘查理論與技術體系。

煤炭地質理論研究取得重大進展，建立了我國主要賦煤區煤系高分辨層序地層格架、成煤模式與控煤構造樣式分類系統。

煤炭地質勘查方法取得新成果，建立了適應不同區域、不同條件的勘查模式和精細勘查程序。

創新點一：研發出適合不同復雜地層條件的多工藝復合鉆進技術及配套設備、特種鉆具和鉆探技術優選專家系統，實現了復雜地質條件下的快速精準鉆探。

創新點二：研發出針對西部復雜煤田地質條件的三維地震觀測系統設計、專用成孔設備和工藝、層析靜校正、疊前偏移和全三維屬性解釋技術，拓寬了三維地震的應用范圍，提高了地震資料采集、處理和解釋的效率和精度，能夠查明落差5米以上的斷層和直徑大于20米的陷落柱。

創新點三：建立了中國各大煤田遙感地質光譜庫和解譯標志，創建了西部復雜地區1：50000-1：5000大比例尺煤田快速遙感地質填圖模式，制定了煤田遙感地質填圖規范。提出了煤炭地質遙感調查與地球物理勘探、鉆探等相互配合的綜合勘查流程，大大縮短了煤炭資源核心勘查周期。

創新點四：開發了具有自主知識產權的數字煤田系列軟件，建立了全國491個煤田的煤炭資源空間數據庫。實現了地質勘查野外數據采集、資料分析、圖表繪制、工程管理、遠程訪問等地質勘查“三邊”工作全過程的信息化。

項目依托的300余項大型勘查工程，新發現煤炭資源儲量1000多億噸，新增探明資源儲量3500多億噸。緩解了東部老礦區資源接替的緊張局面，實現了危機老礦區持續穩定的發展。在西部自然條件惡劣地區，探明了黃隴、榆神府、準東、寧東等大型整裝煤田，保障了國家重點規劃礦區和特大型現代化礦井的建設。進入新世紀以來，項目研究成果推廣并成功應用到全國1000多個大型煤炭地質勘查項目中，煤炭地質單位累計為國家發現和探明10000多萬億噸煤炭資源，相當于上世紀五十年的探明資源量，無論勘查速度還是勘查質量都得到了很大的提升。

高精度三維地震勘探技術在北方所有新建大型礦井和生產礦井得到推廣應用，地質構造查明程度大大提高，為煤礦安全生產和老礦井產能改造升級、新建礦井高產高效提供了可靠的地質保障；快速精準鉆探技術被國家安全生產總局指定為礦山搶險、災后恢復專門救援技術，在內蒙駱駝山煤礦突水、山西王家嶺煤礦突水、鄭州超化煤礦突水等災害搶險中，快速打通了地面與井下巷道的“生命通道”，使受困礦工成功獲救。

《中國煤炭地質勘查關鍵技術與工程應用》項目經中國煤炭工業協會組織有關專家對項目成果鑒定認為達到國際領先水平。中央電視臺、中國政府網、科技日報等媒體對項目成果進行了報道和高度評價。項目主要研究成果分獲2008年陜西省科學技術獎一等獎和2009中國煤炭工業協會科學技術獎一等獎。

項目第一完成人徐水師 現任中國煤炭地質總局局長、總工程師，兼任國家能源領導小組專家成員、中國地質學會副會長、中國礦業聯合會主席團主席、中國國際地球科學計劃全國委員會委員、中國煤炭工業協會副會長、中國煤炭建設協會副理事長、中國遙感學會副會長、全國煤炭行業“653工程”領導小組副組長、專家指導委員會副主任、“653工程”煤田地質與測繪領域首席專家。中國測繪學會測繪與經濟管理委員會委員等職務。1998年享受國家政府特殊津貼。2007年獲得第十屆李四光野外科技獎，獲省部級一、二等以上科技獎項10余項，出版專著6部。

項目第二完成人王佟 現任中國煤炭地質總局副總工程師，中國地質學會礦產專業委員會副主任委員，構造地質專業委員會，中國煤炭學會煤田地質專業委員會委員、煤炭工業技術委員會煤田地質專家委員會委員，“653工程”煤田地質與測繪領域培訓方向首席專家，教授級高工，享受國務院特殊津貼專家。長期從事野外地質勘查和地質科學技術工作，曾擔任30余項大中型地質勘查項目項目和10余項重點科研項目負責人。獲省部級一、二等科技獎項10余項，發表重要學術論文20余篇，出版專著3部。

項目第三完成人孫升林 現任中國煤炭地質總局副局長，中國地球物理專業委員會副主任委員，中國煤炭學會煤田地質專業委員會委員、中國地質學會委員，“653工程”煤田地質與測繪領域培訓方向首席專家，教授級高工，享受國務院特殊津貼專家，獲省部級一、二等科技獎項10余項，出版專著3部。

項目第四完成人曹代勇 中國礦業大學（北京）地測學院院長，教授、博士生導師。中國地質學會構造地質專業委員會常委，中國煤炭學會煤田地質專業委員會委員、礦井地質專業委員會委員，煤炭工業技術委員會煤田地質專家委員會委員，“653工程”煤田地質與測繪領域培訓方向首席專家，主要研究方向：煤田構造、地質勘查理論與方法、礦產資源評價等。獲國家科技進步三等獎1項，省部級科技獎10余項。出版專著和教材10部，發表論文近200篇。

交替剪接的預測

脊椎動物基因組的編碼能力通過交替剪接大大增強，這使單個基因能夠產生一個以上截然不同的蛋白。交替剪接決定遺傳信息如何控制細胞過程，而很多人類疾病突變都影響剪接。能夠從基因組序列數據預測不同交替剪接的信使RNA的表達，是基因表達領域人們所長期追尋的一個目標。研究人員開發出一種“剪接代碼”，它能準確預測數百個RNA特征是怎樣協同工作來調控數千個外顯子依賴于組織的交替剪接的。這個代碼已被用來預測交替剪接在發育和神經過程中會怎樣發揮重要作用，并且為了解剪接調控的機制提供了線索。該代碼還被集成到了一個網絡工具中，它使研究人員能夠掃描未定性的外顯子和內顯子序列，預測依賴于組織的剪接模式。

“伯吉斯頁巖型”動物群落在早奧陶世地層被發現

加拿大卑詩省的伯吉斯頁巖以含有各種各樣軟體動物化石而出名，這些動物來自寒武紀中期，距今約5.1億年前，它們提供了一個了解早期海洋動物的窗口。現在，人們知道類似的動物來自相距非常遠的不同地方，如中國和格陵蘭，但過去有關證據似乎表明，這些動物在寒武紀中期滅絕了。實際上不是這樣的。在摩洛哥的Lower Fezouata 和Upper Fezouata構造中發現了一種“伯吉斯頁巖型”動物群落，其時間在距今約4.80億-4.72億年前的早奧陶世。這種類型的動物在寒武紀之后顯然還存在。Fezouata生物區系為伯吉斯頁巖群落和“奧陶系大規模生物多樣化事件”（海洋生命史中最大事件之一，以前幾乎全部由有殼類動物化石來代表）的早期階段提供了一個聯系。本期封面所示為來自Fezouata生物區系的一種marrellomorph節肢動物。

抗瘧疾新藥篩選結果

現在每年仍有近2.5億瘧疾病例見諸報道，死亡人數超過80萬，其中大多數死亡者是5歲以下兒童。瘧疾寄生蟲鐮刀形瘧原蟲已經產生了明顯的抗藥性，迫切需要開發新藥。通過識別數以千計能夠抑制紅細胞中無性階段鐮刀形瘧原蟲生長的化合物，也許可以找到青蒿素的替代藥物，它們很多在結構和機制上都與目前的藥物截然不同。研究人員發表了對超過300,000種化合物的一個化學基因組篩選結果：共有1,300 種有療效，其中561種具有很強藥效和廣譜治療作用。通過對來自葛蘭素史克公司化學藥品數據庫的近200萬種藥物的篩選，發現超過13,500種有療效，其中很多對抗多種藥物的分離體都有活性。這些研究提供了豐富的潛在線索，從事抗瘧疾新藥研究的學術機構及企業的實驗室都可以免費獲取。本期封面刊登的“三維等值面”所示為紅細胞中鐮刀形瘧原蟲裂殖子感染。

呼吸鏈Complex I的結構被確定

Complex I是呼吸鏈的第一種酶，它通過將NADH和苯醌之間的電子轉移同質子轉位耦合起來，而在線粒體中的細胞能量生產中扮演一個中心角色。這個巨大的復合物是呼吸鏈的最后環節，其機制和完整結構過去并不為人們所知。現在，來自大腸桿菌的Complex I的膜區域以及來自溫泉菌（嗜熱菌）的完整Complex I的結構已被確定。這些結構提供了關于耦合機制的有力線索：兩個主要區域界面上發生的構形變化，會驅動一個長阿爾法螺旋發生一種活塞式運動，使附近跨膜螺旋傾斜，導致質子轉位。本期封面圖片所描繪的是來自嵌入在類脂雙層中的溫泉菌（嗜熱菌）的呼吸鏈Complex I。每個亞單元都用不同顏色表示，親水區域中的Fe-S簇顯示為球形。背景所示為偏振光下的膜區域的晶體。

尼安德特人的基因組序列

一個國際性的研究團隊對尼安德特人的基因組序列進行了測定。研究人員將在克羅地亞的一個洞穴中發現的來自3個尼安德特人骨頭的樣品的基因組與來自世界不同地區的5個現代人的基因組進行了比較。結果顯示，人類擁有多種獨特的基因，其中包括在人類與尼安德特人從一個共同祖先分開之后少數在我們的人類種系中快速擴散的基因。這些發現給人們提供了一份我們擁有人類身份的關鍵的基因組區域及基因的最終候選名單。現代人類與尼安德特人很可能在小范圍內發生過雜交，時間可能是當現代人離開非洲之后在中東遇到尼安德特人的時候。

傳染性疾病的發展趨勢

在發展中國家，傳染性疾病依然是最大殺手之一，其中肺結核和瘧疾最為嚴重。2008年，全球約有1100萬人感染肺結核，2.5億例瘧疾病例，造成數以百萬計的兒童死亡，帶來令人驚愕的人道主義災難。3300萬人攜帶艾滋病（HIV/AIDS）的人交叉感染了肺結核和/或瘧疾，交叉感染全面增加這三種疾病發病率和死亡率。曾經我們立志要通過藥物或疫苗找到解決這三種瘟疫的“魔彈”，但是卻發現全面治愈或簡單治療方法是不存在的。這些病原體有著復雜的基因指令系統，可以不停的徹底改造自己，逃避傳染防控措施帶來的壓力。為了防控這些傳染性疾病，我們需要更有力的工具。本期將介紹用以理解和控制瘧疾和肺結核的細胞、分子和流行病研究策略。

一種可穿透腫瘤多肽的輔助提高癌癥藥物的效率

抗癌藥物對腫瘤的低穿透性可能是藥效限制的重要因素。研究人員以小鼠癌細胞為模型，展示了先前表征過的一種可穿透腫瘤多肽iRGD在特定腫瘤和neuropilin-1依賴療法中提高血管和組織的滲透性，可以輔助藥物穿透進入血管外的腫瘤組織。更為重要的是，這種作用不需要藥物以化學的方式與多肽連接。iRGD與多種結構藥物共同注射均可提高藥效，這些藥物種類包括小分子（阿霉素）、納米顆粒（白蛋白結合紫杉醇、阿霉素脂質體）和單克隆抗體（赫賽汀）。因此，iRGD輔助是提高抗癌藥物效率的有效途徑，并能同時減少抗癌藥物的副作用。

界面限域鐵心用于催化氧化

限制在納米級矩陣中的表面配位不飽和亞鐵結構（Coordinatively Unsaturated Ferrous，CUF）位點是大多數酶和均相催化反應的活性中心。制備相似的催化活性位點對于不均相催化尤為重要，中國科學院大連化物所包信和院士領導的課題組利用表面科學實驗和密度泛函理論計算發現界面限域作用可以通過氧化鐵和金屬底物很強結合力來穩定CUF位點。金屬支持物與界面限域CUF位點的協同作用激活了分子氧的活性。研究顯示，在質子交換膜燃料電池的典型操作條件下，該結構可以高效催化低溫一氧化碳氧化。

最早的多細胞生命形式

西非加蓬弗朗斯維爾附近黑色頁巖內一大化石層中一系列保存完好的厘米尺度的化石，讓我們能有機會一瞥也許是迄今所發現的最早的多細胞生命形式。這些新發現來自距今21億年前的沉積物，是在大氣氧濃度上升后不久，在被稱為“寒武紀爆炸”的多細胞生命形式迅速擴大之前約15億年。這些化石大小和形狀各不相同，是具有很好結構的軟體生物的殘留物，其中一些有褶皺，說明它們可能具有柔性的層狀結構。它們的形狀和規則的質地反映了其組織的多細胞程度。這些化石可能代表著目前所報道的關于在大生物尺度上細胞-細胞信號作用及協調的生長行為的最早證據。本期封面所示為用顯微斷層攝影成像方式所顯示出的一個大化石標本的結構。

“μ子氫”中“蘭姆移位”的最新測量結果

質子是所有普通物質的一個基本亞原子組成部分及其單獨作為氫離子而存在的普遍性，我們關于其結構和行為的知識還有一些令人吃驚的空白。研究表明，那些知識空白可能要比人們所以為的更大。新確定的數值來自具有技術挑戰性的光譜實驗——“μ子氫”中的“蘭姆移位”的測量。“μ子氫”是一個奇特的原子，在其中電子被其更重的孿生兄弟μ子代替。結果是出乎意料的：所測出的電荷半徑比以前的數值幾乎小5%。這一偏差仍未得到解釋。這一結果可能的意義是，測量得最為準確的基本常數“里德伯常數”的數值將需要修改，或者量子電動力學理論的有效性將受到質疑。

猴與人的分化

靈長類的化石記錄很稀少，仍然存在實質性的缺口。其中一個缺口是“舊世界”的猴子與“新世界”高等靈長類內的類人猿和人類的分化。這種分化以前僅限于“非洲-阿拉伯大陸”的漸新世，但在沙特西北一個新的、處在進化樹根部的狹鼻猿的發現縮小了這個缺口。沙特發現的這個材料來自距今約2800萬年前的漸新世中期，它的狹鼻猿分化特征非常少，說明“舊世界”的猴子與“新世界”的類人猿之間的分化發生在那個時期之后。本期封面所示為頭蓋骨的前部，其犬齒和上顎寬臼齒都在原處。頭蓋骨的大小表明這是一個中等大小的靈長類，體重在15公斤和20公斤之間。

氣候變化對動物種群的影響

氣候變化影響植物和動物生命中定期發生的事件，如發芽、遷徙和冬眠以及種群動態和形態變化。同時對所有這些相互作用的因素進行監測是困難的，但對一種冬眠型哺乳動物黃腹土撥鼠種群所做的一項長期生命史研究提供了適合于完成這項任務的數據。1976-2008年間的氣候變化使這些土撥鼠過早從冬眠中蘇醒過來，延長了它們的生長季，所以它們現在要比其開始冬眠時重一些。與此同時，體型較大個體的適應性也增加了，導致種群規模迅速增大。氣候變化生態學中的主要挑戰是預測未來氣候變化對于種群的影響。關于土撥鼠的這項研究工作提供了實現這一目的所需的數據。本期封面所示為冬天在落基山脈拍攝的黃腹土撥鼠照片。

如何養活饑餓的世界

到2050年世界人口將由現在的68億增長到91億，正如馬爾薩斯主義者所提出的警告：我們將如何喂飽這些越來越多的嘴？在1961年至2007年間，世界人口從30億翻了一番，但農業產量保持相同的發展速度，當前一些規劃表明這種情況還將繼續。毋容置疑的是，氣候變化在一定程度上增加了農業產量規劃的不確定性，但這僅僅是強調了通過管理和研究來完善預測的重要性。聯合國糧農組織的一名官員認為2050年養活世界人口應該“很容易”。本期以專題的形式報道為實現養活世界的目標所能依靠的高新技術及其未來發展。

50個人類基因外顯子揭示高原適應

藏高原的居民表現出可遺傳的高海拔適應性。深圳華大基因研究院汪建研究員和王俊研究員領導的課題組與加州大學伯克利分校及華南理工大學合作分析了藏族人50個外顯子的序列。研究識別出人種特異性的等位基因頻率變化基因，這些基因極有可能與高原適應性有關。自然選擇最強的信號來自于響應缺氧的轉錄因子Endothelial Per-Arnt-Sim domain protein 1（EPAS 1）。EPAS 1的單核苷酸多態性顯示漢族人與藏族人之間存在78%的差異，這是迄今觀察到的最高速度等位基因頻率變化。這單核苷酸多態性與血紅細胞豐度的聯系支持了EPAS 1在缺氧適應中的作用。因此，本項人類基因組研究揭示了高原適應的重要功能基因的位點。

HIV持久性及HIV感染者長期無藥物緩解的前景

即使出現有效抗病毒療法，HIV感染還將長期存在。這種現象可能歸因于病毒復制的不完全抑制，但更應歸于早期建立的潛伏性感染細胞的穩定儲存庫。因此，控制HIV可能需要終生抗病毒療法。這種療法易于產生藥物抗性和累積性副作用，并且對于HIV世界流行最嚴重的地區來說是無法承受的經濟負擔。本文介紹當今對HIV持久性和根除病毒潛在方法限制的理解，從而提議多學科聯合努力實現兩個高度相關目標：開發HIV預防疫苗和實現HIV感染者長期無藥物緩解。

不對稱密度相關性塑造了熱帶樹木群落的物種豐度

人們對決定物種普遍和稀有的因素了解很少，尤其在高度多樣性的群落中。理論預測鄰近的相同和不同種類之間的相互關系可以影響物種的相對豐度，但是缺乏經驗性試驗。利用生存層次模型對巴拿馬Barro Colorado島上180種熱帶樹的超過30000株樹苗進行物種對鄰近個體敏感性與其在群落中相對豐度的相互關系的分析。實驗結果表明，同一物種而不是其他物種的對鄰近個體生存的影響出現較大范圍的變化，同種鄰近影響與物種豐度之間存在顯著的關聯。尤其特別的是，稀有物種比普通物種遭受鄰近同類的更多影響，這表明同物種密度相關性塑造了多樣群落的物種豐度。

色素性視網膜炎錐狀光感受體的基因再生恢復視覺響應

色素性視網膜炎是一種遺傳性疾病，導致不可醫治的致盲，全世界約有20萬患者。研究表明，在光不明感錐狀細胞中表達古細菌氯視紫紅質可以替代先天光轉導串連，可以恢復色素性視網膜炎模式小鼠的光敏性。重激活光感受體觸發了所有視網膜錐途徑，驅動復雜的視網膜回路功能，激活了皮質回路，介導視覺導向行為。利用人視網膜發現，氯視紫紅質可以重激活非光敏性光感受體。

二維取向附生晶制造超薄PbS片

可控各向異性是先進材料領域生產復合功能材料的關鍵理論。根據這一理論，納米晶體的取向附生晶自組裝更大的塊狀體是納米技術領域最具前景的方法之一。實驗表明，PbS納米晶體可以通過二維取向附生晶構成微米級多維超薄單晶片。研究發現，這一過程由共溶劑引發，在納米晶體形成的初始階段，共溶劑改變了成核和生長速率，最終由PbS多面體上油酸配體緊密包裹驅動。所獲得的納米片層無需進一步處理就可以用于光電探測設備上。