郵箱登錄: CSSC郵箱 CSIC郵箱
您所在的位置: 首頁科技創新科研動態 → 正文
突破想象!用電磁波給地球做“CT”!
來源:中國船舶     日期:2020-11-04    字體:【大】【中】【小】
  近年來,我國空間科學技術發展迅速,人類通過探月工程登陸了遙遠的月球背面,火星探測儀也飛躍數千萬公里助力人類探索新的星球,然而,人類對自己腳下地球深部10公里內蘊藏的豐富礦產和石油的探測卻困難重重,地震災害也很難預知。

  日前,由中國船舶集團七院聯合七二二所、中國地震局地質研究所和中國科學院地質與地球物理研究所攻關多年共同完成的 “十一五”國家重大科學技術基礎設施項目——“極低頻探地(WEM)工程”通過了國家驗收和科技成果鑒定,使得我國在深地、深海探測,地震災害預警等方面的研究取得了重大創新與突破。

   開啟人類用電磁探地新方法

  早在20世紀50年代,國外就發明了用空中雷電探測地質的方法,雷電有大量極低的頻率,可以穿透地層很深,但隨機性太強、探測誤差大。20世紀70年代后,人們又發明了可控人工源電磁法,探測精度大大提高,并沿用至今。但可控人工源電磁法的探測距離只有10公里~20公里,探測深度1公里~1.5公里, 且發射系統與電源設備笨重,價格昂貴,我國曾大量從德國、加拿大進口此類設備,近年來開始進行少量自主研制。

  隨著我國經濟快速發展,亟需對地下礦產和油氣資源進行精準探測,并提前預警頻繁的地震災害——這迫切需要我們發展新的對地探測技術。中國工程院院士、“極低頻探地(WEM)工程”項目首席科學家陸建勛,長期從事艦船通信技術研究,熟悉美、俄等國超低頻軍事無線通信的研究動態,在此領域進行了長期有效的探索與實踐。

   1999年,陸建勛和地震局地質所研究員趙國澤與俄羅斯科學院合作,利用俄方發射的大功率超低頻信號,在我國懷來距離發射臺約6500公里的地區記錄了一次4.2級地震的前兆信息。這件事啟發了陸建勛。他推斷,如果把軍用的地-電離層波導傳輸技術從超低頻(30Hz~300Hz)向下發展到極低頻(3 Hz~30Hz)和至低頻(0.03Hz~3Hz),進而用于民用深層地質探測,將會實現一種全新的地質探測新技術。

  當時,這項技術美國只用于軍事通信。俄羅斯雖然把該項技術作為民用,但最低只試驗到1.3赫茲(Hz)。要實現1Hz以下至低頻的超遠距離傳播,難度極大。

  2000年開始,陸建勛和中國地震局馬宗晉院士合作,帶領團隊在中國工程院開展了《利用極低頻/超低頻無線電波進行地震預報及地下資源探測系統的方案研究》咨詢課題研究,開展了國內外對0.1Hz~300Hz(統稱為極低頻)應用與研究情況的分析,對0.1Hz~300Hz地-電離層波導傳播的規律、發射天線耦合機理、在不同導電率地質條下極低頻的傳播規律等基礎理論進行了研究。

  極低頻的波長以千公里(Mm)計,0.1Hz~300Hz的波長是300萬公里~1000公里,電磁波以橫磁波單一方式通過地-電離層波導傳播。由于波長極長,可以在大的障礙物周圍衍射,而不被山脈或地平線阻擋,可繞地球傳播。由于波長越長對介質穿透越深,因此可以遠在數千公里外,探測到深達10公里的地質,或穿透數百米的海水。

  研究團隊根據我國國情進行理論計算與分析,認為利用極低頻進行我國地震監測和地質探測具有可行性。2004年,研究團隊利用200千瓦(KW)試驗臺發射2.5Hz~130Hz的極低頻信號,進行了1200公里電波接收試驗并取得成功。此后,在國務院領導批示、中國工程院大力推薦下,國家發改委正式將該項目列為“十一五”國家重大科學技術基礎設施建設項目之一,與500米大天線(FAST)等項目同期實施。

   向地球深部進軍

  我國陸地四大盆地及已知的渤海盆地等蘊藏著豐富的石油礦藏,有的深達7000多米,我國海洋也發現了可燃冰,但現在我國70%的石油還依靠進口。我國地震也時有發生,帶來重大災難,如何實現地震的預測與預報,最大效率地尋找更多的礦產資源,對我國社會經濟發展,對中華民族的偉大復興意義重大。

  陸建勛說:“WEM工程項目為我國地下深層礦產、石油、天然氣的開發以及地震預測預報研究提供了一種全新的探測方法,也為我國海洋和大陸架資源的探測提供了一個高效的技術手段。”為了實現這一目標,我國很早就組織了院士團隊啟動了極低頻探地工程項目的相關理論研究與設計、工程論證和實驗的準備工作。

  然而,立項后的過程卻并非一帆風順。由于國外沒有這方面成功的經驗,在項目論證初期,WEM工程雖然得到了大多院士專家的支持,但也有反對的聲音。

  面對這種局面,陸建勛聯合中國科學院、中國地震局相關院士專家一起,2005年應國家發展改革委要求,利用研制的小功率極低頻發射機和試驗天線,對300公里遠一處油田的已知斷面進行探測并取得成功,測得的結果與地震法測得的斷面完全一致,深度達到10公里,較常規人工電磁法探測距離增加了10多倍。在地震監測方面,研究團隊也在1000多公里外的云南桃源測得3.6級地震前、后的電磁異常現象,用充分的理論及試驗成果,證明了“極低頻探地(WEM)工程”的有效性,最終得到了多數專家的支持。

  由于WEM工程核心技術是用現代信息與電子技術與地球物理跨學科交叉融合的地質探測新方法,與過去的各種MT、CSAMT等常規電磁法指標與性能截然不同,該法被稱為“無線電磁法”(Wirless Elctro- Magnetic Method簡稱WEM法)。因此,2006年,該項目名稱正式定為“極低頻探地(WEM)工程”。2010年,國家發改委正式批復了項目建議書,工程進入正式建設階段。

  由于極低頻探地(WEM)工程是一項創新性項目,國外沒有同類項目可以借鑒,作為工程首席科學家,WEM工程的可行性研究、初步設計、主要指標全都由陸建勛主導確定。
  通過各建設單位的團結合作,目前,WEM工程完成了系統總體、發射系統、資源探測、地震預測、場強指標、地質災害監測、大陸架探測等的研究方案和各項科學試驗,驗證了WEM法在資源探測、地震預測方面發揮的作用。

  2015年12月,世界上首座民用極低頻大功率發射臺站建成。為了實現極低頻理論計算,科研團隊跑遍了全國進行測試,西到3000公里外的新疆奎屯,北到2500公里遠的黑龍江漠河,包括中間地帶都進行了各種頻率場強的精心測試與記錄。在南北1000公里以外的海上,北到大連、南到東沙,科研團隊還進行了從數十米到數百米水深海底的極低頻電磁場的數據測試,驗證了WEM工程可以覆蓋我國國土和領海的高信噪比電磁波信號。隨后,項目團隊又與國外合作,成功實現在距離WEM臺6000公里~7000公里處有效接收我國發射的極低頻電磁波信號,達到了預想的效果。

  2020年1月,WEM工程國家驗收意見上寫到:“該項目是我國軍事無線電通信技術與地球物理跨學科交叉的創新產物,突破了0.1H2~30Hz的極低頻發射難題,工程技術性能指標全面達到批復要求,成果原創性強,整體技術達到國際領先水平。”

  2020年9月,WEM工程科技成果鑒定會上,專家指出:極低頻探地工程是我國自主創新工程之一,工程建設沒有國外同類工程或項目可借鑒,同時涉及無線電、地球物理等多門學科,存在技術廣度寬、難度大,提出的WEM法和相關研究應用成果取得多項突破性進展,擁有多項自主產權,總體性能達到國際領先水平,具有重大經濟效益、社會價值和廣闊的推廣應用前景。

   地質探測、地震預警初顯神通

  WEM工程項目建設的極低頻發射臺發射的人工源電磁波覆蓋范圍廣、信號強、相位穩定,在空域和時域上具有非常好的一致性和相關性,適合大面積組網接收和進行三維電磁勘探,與目前已有的CSAMT 等人工源電磁探測方法相比,探測距離由10公里~20公里拓展到2000公里~3000公里,探測深度由1.5公里增加到10公里,突破我國地下資源探測中存在的瓶頸,為實現“向地球深部進軍”提供了一種世界創新的地質探測新方法。

  在地下資源探測方面,項目團隊建立了電離層—大氣層—地殼電磁波耦合模型,解決了超大范圍組網式三維極低頻電磁波深部資源探測難題,首次實現了人工源大面積、遠距離、大深度的油氣礦產資源探測新技術。

  項目團隊還開展了應用組網接收技術的技術攻關和三維電磁技術的研究,驗證了極低頻可廣域進行地下資源探測的能力,攻克了極低頻電磁信號組網接收、數據處理反演等關鍵技術,實現對不同地層電性結構的三維探測。項目團隊并在內蒙古曹四夭鉬礦、川東油氣區重慶明月峽構造兩個典型試驗區進行聯調試驗,取得明顯的探測效果,首次實現人工源大面積、遠距離、大深度礦產資源探測新技術。

  在地震預測研究方面,WEM項目團隊也進行了大量理論研究和試驗。通過多年的建設,WEM項目團隊在我國地震重點災害預防區(首都圈、南北地震帶南段)建成了30余個電磁觀測站,初步形成首都圈和南北地震帶南段的極低頻地震電磁觀測臺網,實現了人工源和天然源電磁場的同時觀測,可以同時觀測電磁場和地下結構的變化。 



  這些臺站和電磁觀測站既可以監測地震引起的空間電磁場異常和震源區附近的電阻率異常,也可以監測電磁場和電阻率在時間上的變化規律,實現真正的四維觀測,極大提高了對地震前兆異常的識別和捕捉,更容易確定地震發生地點、時間和震級,提升地震預測的能力。

  據介紹,目前極低頻臺網已并入中國地震前兆管理系統,作為地震預測參數之一,在2017年記錄了九寨溝7.0級地震和7次余震的前后數據。2018 年4月11日山東平邑3.1 級地震發生前,基于2 個臺站觀測的震前視電阻率異常現象,項目團隊正式提出了地震可能發生的預測意見,探測效果經過實踐得到了初步的驗證。

   科研創新永無止境

  從2000年到現在,WEM工程歷經了20年的奮斗,從無到有,從弱到強,科學目標在一批批科研人員的卓絕奮斗下付諸實踐、取得成功。

  時至今日,WEM工程建設已取得了豐碩的成果:在華中地區建成了世界上首個民用極低頻大功率電磁波發射臺,在首都圈和南北地震帶南端,建成了首個可同時接收人工源和天然源極低頻電磁信號的地震監測臺網。地質探測對300公里~1000公里附近3個已知礦藏進行了對比試驗,取得良好結果;探測接收設備研制也初步實現了國產化。實驗證明WEM工程探測半徑可達數千公里,形成可基本覆蓋我國國土和領海的高信噪比極低頻電磁波信號;開展了地震預測及地下礦產、油氣資源探測等探索性科學試驗研究,取得多項突破性進展,為“深地、深海、深空”等相關領域的前沿科技研究提供了新的技術手段。

  科研創新無止境。目前,極低頻探地工程團隊將開始第二階段的奮斗:爭取用更先進的信息技術,實現更大規模、更高技術指標的“極低頻深地、深海探測(WEM-Ⅱ)工程”,為我國的深地、深海資源探測、地震預測及其他前沿科學研究及應用提供服務。