在农矿部地质调查所,孙健初参加和主持了一系列地质调查活动。1934年,孙健初和侯德封进行了历时5个月的黄河上游地质调查。1935年初,中央地质调查所组成以翁文灏为主任、黄汲清为副主任的中国地质图编纂委员会。孙健初为委员,并负责青海、甘肃、宁夏地区的地质调查,历时8个多月。1937年,孙健初根据中央地质调查所安排,又参加“西北地质矿产试探队”,开始在甘肃、青海部分地区进行石油勘探,第二次来到玉门。1938年至1939年由孙健初主持的玉门油田勘探,取得成功,转入正常开发,此后孙健初即全力从事石油地质工作。1942年至1944年,去美国考察油田,进修石油地质,写出《美国地质概况及其寻究石油之方法》和《发展中国油矿纲要》。1946年,孙健初任甘肃油矿局探勘处处长(后改为中国石油公司甘青分公司勘探处)。中华人民共和国建立前夕,为防止国民党军队的抢掠、破坏,孙健初不顾个人安危,组织职工巡逻护厂,将全部勘探仪器和地质资料装箱密封,妥为保护。1949年8月,兰州解放后,彭德怀、贺龙亲自到勘探处,对孙健初和勘探处职工的护厂功绩倍加赞扬。
1950年,孙健初出席中国第一次石油工作会议,提出西北石油勘探计划,被任命为石油管理总局探勘处处长。后又担任西北财政经济委员会委员等职,并参加编制中国石油勘探方案的领导工作。1951年,在北京石油工业展览会上,孙健初向毛泽东主席汇报了中国石油工业发展情况及远景。1952年10月,为了适应大规模经济建设和发展石油工业的需要,孙健初主持开办了第一期石油地质干部训练班,亲自讲课,参加讨论,指导总结。这批学员后来都成为中国石油地质界的中坚。
1952年11月10日深夜,孙健初同志不幸因煤气中毒逝世,终年55岁。
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