突破想象!用电磁波给地球做“CT”!

发布时间:2020-11-04
  近年来,威尼斯官网地址国空间科学技术发展迅速,人类通过探月工程登陆了遥远的月球背面,火星探测仪也飞跃数千万公里助力人类探索新的星球,然而,人类对自己脚下地球深部10公里内蕴藏的丰富矿产和石油的探测却困难重重,地震灾害也很难预知。

  日前,由中国船舶集团七院联合七二二所、中国地震局地质研究所和中国科学院地质与地球物理研究所攻关多年共同完成的 “十一五”国家重大科学技术基础设施项目——“极低频探地(WEM)工程”通过了国家验收和科技成果鉴定,使得威尼斯官网地址国在深地、深海探测,地震灾害预警等方面的研究取得了重大创新与突破。

   开启人类用电磁探地新方法

  早在20世纪50年代,国外就发明了用空中雷电探测地质的方法,雷电有大量极低的频率,可以穿透地层很深,但随机性太强、探测误差大。20世纪70年代后,人们又发明了可控人工源电磁法,探测精度大大提高,并沿用至今。但可控人工源电磁法的探测距离只有10公里~20公里,探测深度1公里~1.5公里, 且发射系统与电源设备笨重,价格昂贵,威尼斯官网地址国曾大量从德国、加拿大进口此类设备,近年来开始进行少量自主研制。

  随着威尼斯官网地址国经济快速发展,亟需对地下矿产和油气资源进行精准探测,并提前预警频繁的地震灾害——这迫切需要威尼斯官网地址发展新的对地探测技术。中国工程院院士、“极低频探地(WEM)工程”项目首席科学家陆建勋,长期从事舰船通信技术研究,熟悉美、俄等国超低频军事无线通信的研究动态,在此领域进行了长期有效的探索与实践。

   1999年,陆建勋和地震局地质所研究员赵国泽与俄罗斯科学院合作,利用俄方发射的大功率超低频信号,在威尼斯官网地址国怀来距离发射台约6500公里的地区记录了一次4.2级地震的前兆信息。这件事启发了陆建勋。他推断,如果把军用的地-电离层波导传输技术从超低频(30Hz~300Hz)向下发展到极低频(3 Hz~30Hz)和至低频(0.03Hz~3Hz),进而用于民用深层地质探测,将会实现一种全新的地质探测新技术。

  当时,这项技术美国只用于军事通信。俄罗斯虽然把该项技术作为民用,但最低只试验到1.3赫兹(Hz)。要实现1Hz以下至低频的超远距离传播,难度极大。

  2000年开始,陆建勋和中国地震局马宗晋院士合作,带领团队在中国工程院开展了《利用极低频/超低频无线电波进行地震预报及地下资源探测系统的方案研究》咨询课题研究,开展了国内外对0.1Hz~300Hz(统称为极低频)应用与研究情况的分析,对0.1Hz~300Hz地-电离层波导传播的规律、发射天线耦合机理、在不同导电率地质条下极低频的传播规律等基础理论进行了研究。

  极低频的波长以千公里(Mm)计,0.1Hz~300Hz的波长是300万公里~1000公里,电磁波以横磁波单一方式通过地-电离层波导传播。由于波长极长,可以在大的障碍物周围衍射,而不被山脉或地平线阻挡,可绕地球传播。由于波长越长对介质穿透越深,因此可以远在数千公里外,探测到深达10公里的地质,或穿透数百米的海水。

  研究团队根据威尼斯官网地址国国情进行理论计算与分析,认为利用极低频进行威尼斯官网地址国地震监测和地质探测具有可行性。2004年,研究团队利用200千瓦(KW)试验台发射2.5Hz~130Hz的极低频信号,进行了1200公里电波接收试验并取得成功。此后,在国务院领导批示、中国工程院大力推荐下,国家发改委正式将该项目列为“十一五”国家重大科学技术基础设施建设项目之一,与500米大天线(FAST)等项目同期实施。

   向地球深部进军

  威尼斯官网地址国陆地四大盆地及已知的渤海盆地等蕴藏着丰富的石油矿藏,有的深达7000多米,威尼斯官网地址国海洋也发现了可燃冰,但现在威尼斯官网地址国70%的石油还依靠进口。威尼斯官网地址国地震也时有发生,带来重大灾难,如何实现地震的预测与预报,最大效率地寻找更多的矿产资源,对威尼斯官网地址国社会经济发展,对中华民族的伟大复兴意义重大。

  陆建勋说:“WEM工程项目为威尼斯官网地址国地下深层矿产、石油、天然气的开发以及地震预测预报研究提供了一种全新的探测方法,也为威尼斯官网地址国海洋和大陆架资源的探测提供了一个高效的技术手段。”为了实现这一目标,威尼斯官网地址国很早就组织了院士团队启动了极低频探地工程项目的相关理论研究与设计、工程论证和实验的准备工作。

  然而,立项后的过程却并非一帆风顺。由于国外没有这方面成功的经验,在项目论证初期,WEM工程虽然得到了大多院士专家的支持,但也有反对的声音。

  面对这种局面,陆建勋联合中国科学院、中国地震局相关院士专家一起,2005年应国家发展改革委要求,利用研制的小功率极低频发射机和试验天线,对300公里远一处油田的已知断面进行探测并取得成功,测得的结果与地震法测得的断面完全一致,深度达到10公里,较常规人工电磁法探测距离增加了10多倍。在地震监测方面,研究团队也在1000多公里外的云南桃源测得3.6级地震前、后的电磁异常现象,用充分的理论及试验成果,证明了“极低频探地(WEM)工程”的有效性,最终得到了多数专家的支持。

  由于WEM工程核心技术是用现代信息与电子技术与地球物理跨学科交叉融合的地质探测新方法,与过去的各种MT、CSAMT等常规电磁法指标与性能截然不同,该法被称为“无线电磁法”(Wirless Elctro- Magnetic Method简称WEM法)。因此,2006年,该项目名称正式定为“极低频探地(WEM)工程”。2010年,国家发改委正式批复了项目建议书,工程进入正式建设阶段。

  由于极低频探地(WEM)工程是一项创新性项目,国外没有同类项目可以借鉴,作为工程首席科学家,WEM工程的可行性研究、初步设计、主要指标全都由陆建勋主导确定。
  通过各建设单位的团结合作,目前,WEM工程完成了系统总体、发射系统、资源探测、地震预测、场强指标、地质灾害监测、大陆架探测等的研究方案和各项科学试验,验证了WEM法在资源探测、地震预测方面发挥的作用。

  2015年12月,世界上首座民用极低频大功率发射台站建成。为了实现极低频理论计算,科研团队跑遍了全国进行测试,西到3000公里外的新疆奎屯,北到2500公里远的黑龙江漠河,包括中间地带都进行了各种频率场强的精心测试与记录。在南北1000公里以外的海上,北到大连、南到东沙,科研团队还进行了从数十米到数百米水深海底的极低频电磁场的数据测试,验证了WEM工程可以覆盖威尼斯官网地址国国土和领海的高信噪比电磁波信号。随后,项目团队又与国外合作,成功实现在距离WEM台6000公里~7000公里处有效接收威尼斯官网地址国发射的极低频电磁波信号,达到了预想的效果。

  2020年1月,WEM工程国家验收意见上写到:“该项目是威尼斯官网地址国军事无线电通信技术与地球物理跨学科交叉的创新产物,突破了0.1H2~30Hz的极低频发射难题,工程技术性能指标全面达到批复要求,成果原创性强,整体技术达到国际领先水平。”

  2020年9月,WEM工程科技成果鉴定会上,专家指出:极低频探地工程是威尼斯官网地址国自主创新工程之一,工程建设没有国外同类工程或项目可借鉴,同时涉及无线电、地球物理等多门学科,存在技术广度宽、难度大,提出的WEM法和相关研究应用成果取得多项突破性进展,拥有多项自主产权,总体性能达到国际领先水平,具有重大经济效益、社会价值和广阔的推广应用前景。

   地质探测、地震预警初显神通

  WEM工程项目建设的极低频发射台发射的人工源电磁波覆盖范围广、信号强、相位稳定,在空域和时域上具有非常好的一致性和相关性,适合大面积组网接收和进行三维电磁勘探,与目前已有的CSAMT 等人工源电磁探测方法相比,探测距离由10公里~20公里拓展到2000公里~3000公里,探测深度由1.5公里增加到10公里,突破威尼斯官网地址国地下资源探测中存在的瓶颈,为实现“向地球深部进军”提供了一种世界创新的地质探测新方法。

  在地下资源探测方面,项目团队建立了电离层—大气层—地壳电磁波耦合模型,解决了超大范围组网式三维极低频电磁波深部资源探测难题,首次实现了人工源大面积、远距离、大深度的油气矿产资源探测新技术。

  项目团队还开展了应用组网接收技术的技术攻关和三维电磁技术的研究,验证了极低频可广域进行地下资源探测的能力,攻克了极低频电磁信号组网接收、数据处理反演等关键技术,实现对不同地层电性结构的三维探测。项目团队并在内蒙古曹四夭钼矿、川东油气区重庆明月峡构造两个典型试验区进行联调试验,取得明显的探测效果,首次实现人工源大面积、远距离、大深度矿产资源探测新技术。

  在地震预测研究方面,WEM项目团队也进行了大量理论研究和试验。通过多年的建设,WEM项目团队在威尼斯官网地址国地震重点灾害预防区(首都圈、南北地震带南段)建成了30余个电磁观测站,初步形成首都圈和南北地震带南段的极低频地震电磁观测台网,实现了人工源和天然源电磁场的同时观测,可以同时观测电磁场和地下结构的变化。 



  这些台站和电磁观测站既可以监测地震引起的空间电磁场异常和震源区附近的电阻率异常,也可以监测电磁场和电阻率在时间上的变化规律,实现真正的四维观测,极大提高了对地震前兆异常的识别和捕捉,更容易确定地震发生地点、时间和震级,提升地震预测的能力。

  据介绍,目前极低频台网已并入中国地震前兆管理系统,作为地震预测参数之一,在2017年记录了九寨沟7.0级地震和7次余震的前后数据。2018 年4月11日山东平邑3.1 级地震发生前,基于2 个台站观测的震前视电阻率异常现象,项目团队正式提出了地震可能发生的预测意见,探测效果经过实践得到了初步的验证。

   科研创新永无止境

  从2000年到现在,WEM工程历经了20年的奋斗,从无到有,从弱到强,科学目标在一批批科研人员的卓绝奋斗下付诸实践、取得成功。

  时至今日,WEM工程建设已取得了丰硕的成果:在华中地区建成了世界上首个民用极低频大功率电磁波发射台,在首都圈和南北地震带南端,建成了首个可同时接收人工源和天然源极低频电磁信号的地震监测台网。地质探测对300公里~1000公里附近3个已知矿藏进行了对比试验,取得良好结果;探测接收设备研制也初步实现了国产化。实验证明WEM工程探测半径可达数千公里,形成可基本覆盖威尼斯官网地址国国土和领海的高信噪比极低频电磁波信号;开展了地震预测及地下矿产、油气资源探测等探索性科学试验研究,取得多项突破性进展,为“深地、深海、深空”等相关领域的前沿科技研究提供了新的技术手段。

  科研创新无止境。目前,极低频探地工程团队将开始第二阶段的奋斗:争取用更先进的信息技术,实现更大规模、更高技术指标的“极低频深地、深海探测(WEM-Ⅱ)工程”,为威尼斯官网地址国的深地、深海资源探测、地震预测及其他前沿科学研究及应用提供服务。
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