看清地下8公里深處的礦藏

——走近國(guó)家技術(shù)發(fā)明獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)項(xiàng)目“大深度高精度廣域電磁勘探技術(shù)與裝備”

　　編者按

　　在1月8日舉行的2018年度國(guó)家科技獎(jiǎng)勵(lì)大會(huì)上，湖南省取得了近年來(lái)的最好成績(jī)。中南大學(xué)何繼善院士主持的“大深度高精度廣域電磁勘探技術(shù)與裝備”項(xiàng)目獲得國(guó)家技術(shù)發(fā)明獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)，湖南大學(xué)電能變換與控制創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)、中南大學(xué)軌道交通空氣動(dòng)力與碰撞安全技術(shù)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)雙雙獲得國(guó)家科技進(jìn)步獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)(創(chuàng)新團(tuán)隊(duì))。這些項(xiàng)目和團(tuán)隊(duì)為國(guó)家解決了哪些重大戰(zhàn)略問(wèn)題？為我們的生活帶來(lái)哪些改變？湖南日?qǐng)?bào)為讀者送上詳盡報(bào)道。

　　地底下蘊(yùn)藏著豐富的礦產(chǎn)資源。隨著淺部的礦產(chǎn)資源日漸枯竭，誰(shuí)能看得越深越清，找到寶藏的機(jī)會(huì)就越大。國(guó)家“深地”戰(zhàn)略提出，向地球深部進(jìn)軍。

　　人工源頻率域電磁法地下8公里的探測(cè)世界紀(jì)錄，就在中國(guó)創(chuàng)造的勘探技術(shù)與裝備指引下誕生。這是一次從跟跑到超越的逆襲！

　　風(fēng)行世界的“可控源音頻大地電磁法”，由于理論先天不足、儀器設(shè)計(jì)思想和野外施工方法粗放，探測(cè)深度難以超過(guò)1.5公里，且分辨率不高，無(wú)法擔(dān)當(dāng)“深地”探測(cè)重任。

　　對(duì)此，中南大學(xué)何繼善院士發(fā)起了挑戰(zhàn)。在他的帶領(lǐng)下，經(jīng)過(guò)10多年艱苦努力，一種叫“廣域電磁法”的理論橫空出世，并研發(fā)了具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的大深度高精度探測(cè)技術(shù)與裝備，探測(cè)深度和信號(hào)強(qiáng)度分別是“可控源音頻大地電磁法”的5倍和125倍，最大探測(cè)深度超過(guò)8公里。在中國(guó)大地應(yīng)用后，至今已提交頁(yè)巖氣、常規(guī)油氣、生物氣、煤炭等礦產(chǎn)資源，潛在經(jīng)濟(jì)價(jià)值超過(guò)15000億元。

　　1.

　　面對(duì)顛覆傳統(tǒng)的高難研究，團(tuán)隊(duì)內(nèi)部曾經(jīng)“軍心動(dòng)搖”

　　發(fā)射電磁波看清地球內(nèi)部，有如給地球做CT, 既要有理論支撐，還要在理論指導(dǎo)下設(shè)計(jì)出儀器。

　　100年前，美國(guó)工程師Harry·W· Conklin（哈里·康克琳）提出了電磁感應(yīng)法并獲得專利。但因電磁波向地下傳播方程的求解極其復(fù)雜，100年來(lái)，國(guó)際上都不得不采用定性、半定量解釋，或者是用近似公式作定量解釋。這種處理方法，使得勘測(cè)深度小、精度低，且抗干擾能力不強(qiáng)。

　　能不能將這個(gè)極其復(fù)雜的地下電磁波方程精確求解？1996年，何繼善大膽設(shè)想。這是別的科學(xué)家不愿碰的難題。

　　何繼善團(tuán)隊(duì)成員告訴記者，在這一過(guò)程中，部分團(tuán)隊(duì)成員因受不了枯燥的、大量的試驗(yàn)工作，也因無(wú)經(jīng)費(fèi)支持，感覺(jué)看不到希望，中途將何繼善“炒”了……

　　這一變故，并沒(méi)有動(dòng)搖何繼善的決心。

　　板凳一坐十年冷。2005年，何繼善正式提出精確求解地下電磁波方程的“廣域電磁法”。

　　這是一個(gè)領(lǐng)先世界的“中國(guó)創(chuàng)造”。理論從來(lái)都需要實(shí)踐的檢驗(yàn)。接著，何繼善院士帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)又開(kāi)始了科研跋涉：用這一理論研制儀器。

　　“開(kāi)始沒(méi)有經(jīng)費(fèi)，何繼善院士就自掏了20萬(wàn)元啟動(dòng)?！敝心洗髮W(xué)溫佩琳教授說(shuō)。

　　2007年寒冬，內(nèi)蒙古室外溫度低至零下20攝氏度。在這里的一塊大慶油田區(qū)塊上，課題組開(kāi)展了“廣域電磁法”勘探油氣初步試驗(yàn)。因?yàn)閳F(tuán)隊(duì)部分成員對(duì)“廣域電磁法”理解不深入，對(duì)其前景不看好，有些“軍心動(dòng)搖”。

　　73歲的何繼善院士，不顧嚴(yán)寒從長(zhǎng)沙趕到試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)指導(dǎo)。最終，團(tuán)隊(duì)做了30多公里的試驗(yàn)測(cè)線，大獲成功！

　　“廣域電磁法”將人工源頻率域電磁法探測(cè)的深度延伸到了地下8公里，且具有較強(qiáng)的抗干擾能力，實(shí)現(xiàn)了真正的三維電磁法勘探。

　　以此為支撐的大深度高精度探測(cè)技術(shù)與裝備，在中石油、中石化、中國(guó)地調(diào)局、華電、神華等50多家單位成功應(yīng)用，經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益顯著，共提交頁(yè)巖氣資源量3401.22億立方米、地質(zhì)儲(chǔ)量1240億立方米、常規(guī)油氣地質(zhì)儲(chǔ)量1.86億噸、生物氣可采資源量80億立方米，釋放了2000多萬(wàn)噸煤炭。

　　2.

　　三大發(fā)明點(diǎn)，成就人工源頻率域電磁法的“領(lǐng)跑者”

　　“可控源音頻大地電磁法”和此次的獲獎(jiǎng)成果都屬于人工源頻率域電磁法的范疇。后者是如何趕超前者成為“領(lǐng)跑者”的呢？

　　項(xiàng)目組介紹，此次獲獎(jiǎng)項(xiàng)目最核心的發(fā)明點(diǎn)有3個(gè)，即可在不限于“遠(yuǎn)區(qū)”的“廣大區(qū)域”測(cè)量的“廣域電磁法”、大深度高精度廣域電磁探測(cè)系統(tǒng)、采用“反演”方法解出噪聲實(shí)現(xiàn)信號(hào)-噪聲高度分離。

　　視電阻率是用來(lái)反映巖石和礦石導(dǎo)電性變化的參數(shù)，也是決定勘探效果的重要指標(biāo)?！翱煽卦匆纛l大地電磁法”40多年沿襲“大地電磁法”視電阻率計(jì)算公式，這個(gè)公式恰恰只考慮部分參數(shù)，求得的是近似值，也就大大影響勘探效果。

　　項(xiàng)目組則不然。他們?cè)趪?guó)際上首次嚴(yán)格從電磁波方程出發(fā)，率先將所有參數(shù)考慮在內(nèi)，定義了在任意位置都是正確的廣域視電阻率參數(shù)，發(fā)明了可在不限于“遠(yuǎn)區(qū)”的“廣大區(qū)域”測(cè)量的“廣域電磁法”，顛覆了頻率域電磁法只能在“遠(yuǎn)區(qū)”測(cè)量的思路。

　　當(dāng)人們向地下發(fā)射電磁波，不僅會(huì)收到巖石和礦石富有個(gè)性的回復(fù)，也會(huì)收到討厭的噪聲干擾，信噪比高低影響著分辨率。傳統(tǒng)的做法是盡可能去掉噪聲，但效果很難如意。

　　項(xiàng)目組另辟蹊徑，像數(shù)學(xué)反算一樣，采用“反演”方法解出噪聲。于是，信號(hào)和噪聲各走各道，并極大提高了頻率數(shù)據(jù)密度，數(shù)據(jù)量可達(dá)到“可控源音頻大地電磁法”的8倍以上。

　　“這是因?yàn)樵谌斯ぴ搭l率域電磁法中，既然超過(guò)99%的噪聲參數(shù)是已知的，那只需將未知的小于1%的噪聲未知數(shù)解出就行。”項(xiàng)目組講解創(chuàng)新思路。

　　目前，“廣域電磁法”已經(jīng)成為“深地”戰(zhàn)略的關(guān)鍵支撐技術(shù)。那么，是否可應(yīng)用于“海洋強(qiáng)國(guó)”戰(zhàn)略？是否還可以在城市物探中發(fā)揮信號(hào)強(qiáng)度大、抗干擾能力強(qiáng)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)城市地質(zhì)調(diào)查高效高分辨率的勘探？項(xiàng)目組透露，正在進(jìn)行高效頻譜拖曳式海洋廣域電磁法探測(cè)技術(shù)與裝備的攻關(guān)，也正在開(kāi)展測(cè)量磁場(chǎng)的低空無(wú)人機(jī)廣域電磁法探測(cè)技術(shù)與裝備的攻關(guān)。

　　（文/胡宇芬 左丹 李帝銓)