來源:中國船舶 日期:2020-11-04 字體:
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近年來,我國空間科學(xué)技術(shù)發(fā)展迅速,人類通過探月工程登陸了遙遠(yuǎn)的月球背面,火星探測儀也飛躍數(shù)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(nèi)蘊(yùn)藏的豐富礦產(chǎn)和石油的探測卻困難重重,地震災(zāi)害也很難預(yù)知。
日前,由中國船舶集團(tuán)七院聯(lián)合七二二所、中國地震局地質(zhì)研究所和中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所攻關(guān)多年共同完成的 “十一五”國家重大科學(xué)技術(shù)基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目——“極低頻探地(WEM)工程”通過了國家驗(yàn)收和科技成果鑒定,使得我國在深地、深海探測,地震災(zāi)害預(yù)警等方面的研究取得了重大創(chuàng)新與突破。
開啟人類用電磁探地新方法
早在20世紀(jì)50年代,國外就發(fā)明了用空中雷電探測地質(zhì)的方法,雷電有大量極低的頻率,可以穿透地層很深,但隨機(jī)性太強(qiáng)、探測誤差大。20世紀(jì)70年代后,人們又發(fā)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(fā)射系統(tǒng)與電源設(shè)備笨重,價(jià)格昂貴,我國曾大量從德國、加拿大進(jìn)口此類設(shè)備,近年來開始進(jìn)行少量自主研制。
隨著我國經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展,亟需對地下礦產(chǎn)和油氣資源進(jìn)行精準(zhǔn)探測,并提前預(yù)警頻繁的地震災(zāi)害——這迫切需要我們發(fā)展新的對地探測技術(shù)。中國工程院院士、“極低頻探地(WEM)工程”項(xiàng)目首席科學(xué)家陸建勛,長期從事艦船通信技術(shù)研究,熟悉美、俄等國超低頻軍事無線通信的研究動(dòng)態(tài),在此領(lǐng)域進(jìn)行了長期有效的探索與實(shí)踐。
1999年,陸建勛和地震局地質(zhì)所研究員趙國澤與俄羅斯科學(xué)院合作,利用俄方發(fā)射的大功率超低頻信號,在我國懷來距離發(fā)射臺(tái)約6500公里的地區(qū)記錄了一次4.2級地震的前兆信息。這件事啟發(fā)了陸建勛。他推斷,如果把軍用的地-電離層波導(dǎo)傳輸技術(shù)從超低頻(30Hz~300Hz)向下發(fā)展到極低頻(3 Hz~30Hz)和至低頻(0.03Hz~3Hz),進(jìn)而用于民用深層地質(zhì)探測,將會(huì)實(shí)現(xiàn)一種全新的地質(zhì)探測新技術(shù)。
當(dāng)時(shí),這項(xiàng)技術(shù)美國只用于軍事通信。俄羅斯雖然把該項(xiàng)技術(shù)作為民用,但最低只試驗(yàn)到1.3赫茲(Hz)。要實(shí)現(xiàn)1Hz以下至低頻的超遠(yuǎn)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(lǐng)團(tuán)隊(duì)在中國工程院開展了《利用極低頻/超低頻無線電波進(jìn)行地震預(yù)報(bào)及地下資源探測系統(tǒng)的方案研究》咨詢課題研究,開展了國內(nèi)外對0.1Hz~300Hz(統(tǒng)稱為極低頻)應(yīng)用與研究情況的分析,對0.1Hz~300Hz地-電離層波導(dǎo)傳播的規(guī)律、發(fā)射天線耦合機(jī)理、在不同導(dǎo)電率地質(zhì)條下極低頻的傳播規(guī)律等基礎(chǔ)理論進(jìn)行了研究。
極低頻的波長以千公里(Mm)計(jì),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(dǎo)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(zhì)穿透越深,因此可以遠(yuǎn)在數(shù)千公里外,探測到深達(dá)10公里的地質(zhì),或穿透數(shù)百米的海水。
研究團(tuán)隊(duì)根據(jù)我國國情進(jìn)行理論計(jì)算與分析,認(rèn)為利用極低頻進(jìn)行我國地震監(jiān)測和地質(zhì)探測具有可行性。2004年,研究團(tuán)隊(duì)利用200千瓦(KW)試驗(yàn)臺(tái)發(fā)射2.5Hz~130Hz的極低頻信號,進(jìn)行了1200公里電波接收試驗(yàn)并取得成功。此后,在國務(wù)院領(lǐng)導(dǎo)批示、中國工程院大力推薦下,國家發(fā)改委正式將該項(xiàng)目列為“十一五”國家重大科學(xué)技術(shù)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)項(xiàng)目之一,與500米大天線(FAST)等項(xiàng)目同期實(shí)施。
向地球深部進(jìn)軍
我國陸地四大盆地及已知的渤海盆地等蘊(yùn)藏著豐富的石油礦藏,有的深達(dá)7000多米,我國海洋也發(fā)現(xiàn)了可燃冰,但現(xiàn)在我國70%的石油還依靠進(jìn)口。我國地震也時(shí)有發(fā)生,帶來重大災(zāi)難,如何實(shí)現(xiàn)地震的預(yù)測與預(yù)報(bào),最大效率地尋找更多的礦產(chǎn)資源,對我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展,對中華民族的偉大復(fù)興意義重大。
陸建勛說:“WEM工程項(xiàng)目為我國地下深層礦產(chǎn)、石油、天然氣的開發(fā)以及地震預(yù)測預(yù)報(bào)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(gè)高效的技術(shù)手段。”為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo),我國很早就組織了院士團(tuán)隊(duì)啟動(dòng)了極低頻探地工程項(xiàng)目的相關(guān)理論研究與設(shè)計(jì)、工程論證和實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)備工作。
然而,立項(xiàng)后的過程卻并非一帆風(fēng)順。由于國外沒有這方面成功的經(jīng)驗(yàn),在項(xiàng)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(lián)合中國科學(xué)院、中國地震局相關(guān)院士專家一起,2005年應(yīng)國家發(fā)展改革委要求,利用研制的小功率極低頻發(fā)射機(jī)和試驗(yàn)天線,對300公里遠(yuǎn)一處油田的已知斷面進(jìn)行探測并取得成功,測得的結(jié)果與地震法測得的斷面完全一致,深度達(dá)到10公里,較常規(guī)人工電磁法探測距離增加了10多倍。在地震監(jiān)測方面,研究團(tuán)隊(duì)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(xiàn)象,用充分的理論及試驗(yàn)成果,證明了“極低頻探地(WEM)工程”的有效性,最終得到了多數(shù)專家的支持。
由于WEM工程核心技術(shù)是用現(xiàn)代信息與電子技術(shù)與地球物理跨學(xué)科交叉融合的地質(zhì)探測新方法,與過去的各種MT、CSAMT等常規(guī)電磁法指標(biāo)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(xiàng)目名稱正式定為“極低頻探地(WEM)工程”。2010年,國家發(fā)改委正式批復(fù)了項(xiàng)目建議書,工程進(jìn)入正式建設(shè)階段。
由于極低頻探地(WEM)工程是一項(xiàng)創(chuàng)新性項(xiàng)目,國外沒有同類項(xiàng)目可以借鑒,作為工程首席科學(xué)家,WEM工程的可行性研究、初步設(shè)計(jì)、主要指標(biāo)全都由陸建勛主導(dǎo)確定。
通過各建設(shè)單位的團(tuán)結(jié)合作,目前,WEM工程完成了系統(tǒng)總體、發(fā)射系統(tǒng)、資源探測、地震預(yù)測、場強(qiáng)指標(biāo)、地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測、大陸架探測等的研究方案和各項(xiàng)科學(xué)試驗(yàn),驗(yàn)證了WEM法在資源探測、地震預(yù)測方面發(fā)揮的作用。
2015年12月,世界上首座民用極低頻大功率發(fā)射臺(tái)站建成。為了實(shí)現(xiàn)極低頻理論計(jì)算,科研團(tuán)隊(duì)跑遍了全國進(jìn)行測試,西到3000公里外的新疆奎屯,北到2500公里遠(yuǎn)的黑龍江漠河,包括中間地帶都進(jìn)行了各種頻率場強(qiáng)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(tuán)隊(duì)還進(jìn)行了從數(shù)十米到數(shù)百米水深海底的極低頻電磁場的數(shù)據(jù)測試,驗(yàn)證了WEM工程可以覆蓋我國國土和領(lǐng)海的高信噪比電磁波信號。隨后,項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)又與國外合作,成功實(shí)現(xiàn)在距離WEM臺(tái)6000公里~7000公里處有效接收我國發(fā)射的極低頻電磁波信號,達(dá)到了預(yù)想的效果。
2020年1月,WEM工程國家驗(yàn)收意見上寫到:“該項(xiàng)目是我國軍事無線電通信技術(shù)與地球物理跨學(xué)科交叉的創(chuàng)新產(chǎn)物,突破了0.1H2~30Hz的極低頻發(fā)射難題,工程技術(shù)性能指標(biāo)全面達(dá)到批復(fù)要求,成果原創(chuàng)性強(qiáng),整體技術(shù)達(dá)到國際領(lǐng)先水平?!?
2020年9月,WEM工程科技成果鑒定會(huì)上,專家指出:極低頻探地工程是我國自主創(chuàng)新工程之一,工程建設(shè)沒有國外同類工程或項(xiàng)目可借鑒,同時(shí)涉及無線電、地球物理等多門學(xué)科,存在技術(shù)廣度寬、難度大,提出的WEM法和相關(guān)研究應(yīng)用成果取得多項(xiàng)突破性進(jìn)展,擁有多項(xiàng)自主產(chǎn)權(quán),總體性能達(dá)到國際領(lǐng)先水平,具有重大經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)價(jià)值和廣闊的推廣應(yīng)用前景。
地質(zhì)探測、地震預(yù)警初顯神通
WEM工程項(xiàng)目建設(shè)的極低頻發(fā)射臺(tái)發(fā)射的人工源電磁波覆蓋范圍廣、信號強(qiáng)、相位穩(wěn)定,在空域和時(shí)域上具有非常好的一致性和相關(guān)性,適合大面積組網(wǎng)接收和進(jìn)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(shí)現(xiàn)“向地球深部進(jìn)軍”提供了一種世界創(chuàng)新的地質(zhì)探測新方法。
在地下資源探測方面,項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)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(wǎng)式三維極低頻電磁波深部資源探測難題,首次實(shí)現(xiàn)了人工源大面積、遠(yuǎn)距離、大深度的油氣礦產(chǎn)資源探測新技術(shù)。
項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)還開展了應(yīng)用組網(wǎng)接收技術(shù)的技術(shù)攻關(guān)和三維電磁技術(shù)的研究,驗(yàn)證了極低頻可廣域進(jìn)行地下資源探測的能力,攻克了極低頻電磁信號組網(wǎng)接收、數(shù)據(jù)處理反演等關(guān)鍵技術(shù),實(shí)現(xiàn)對不同地層電性結(jié)構(gòu)的三維探測。項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)并在內(nèi)蒙古曹四夭鉬礦、川東油氣區(qū)重慶明月峽構(gòu)造兩個(gè)典型試驗(yàn)區(qū)進(jìn)行聯(lián)調(diào)試驗(yàn),取得明顯的探測效果,首次實(shí)現(xiàn)人工源大面積、遠(yuǎn)距離、大深度礦產(chǎn)資源探測新技術(shù)。
在地震預(yù)測研究方面,WEM項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)也進(jìn)行了大量理論研究和試驗(yàn)。通過多年的建設(shè),WEM項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)在我國地震重點(diǎn)災(zāi)害預(yù)防區(qū)(首都圈、南北地震帶南段)建成了30余個(gè)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(tái)網(wǎng),實(shí)現(xiàn)了人工源和天然源電磁場的同時(shí)觀測,可以同時(shí)觀測電磁場和地下結(jié)構(gòu)的變化。
這些臺(tái)站和電磁觀測站既可以監(jiān)測地震引起的空間電磁場異常和震源區(qū)附近的電阻率異常,也可以監(jiān)測電磁場和電阻率在時(shí)間上的變化規(guī)律,實(shí)現(xiàn)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(fā)生地點(diǎn)、時(shí)間和震級,提升地震預(yù)測的能力。
據(jù)介紹,目前極低頻臺(tái)網(wǎng)已并入中國地震前兆管理系統(tǒng),作為地震預(yù)測參數(shù)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(shù)據(jù)。2018 年4月11日山東平邑3.1 級地震發(fā)生前,基于2 個(gè)臺(tái)站觀測的震前視電阻率異?,F(xiàn)象,項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)正式提出了地震可能發(fā)生的預(yù)測意見,探測效果經(jīng)過實(shí)踐得到了初步的驗(yàn)證。
科研創(chuàng)新永無止境
從2000年到現(xiàn)在,WEM工程歷經(jīng)了20年的奮斗,從無到有,從弱到強(qiáng),科學(xué)目標(biāo)在一批批科研人員的卓絕奮斗下付諸實(shí)踐、取得成功。
時(shí)至今日,WEM工程建設(shè)已取得了豐碩的成果:在華中地區(qū)建成了世界上首個(gè)民用極低頻大功率電磁波發(fā)射臺(tái),在首都圈和南北地震帶南端,建成了首個(gè)可同時(shí)接收人工源和天然源極低頻電磁信號的地震監(jiān)測臺(tái)網(wǎng)。地質(zhì)探測對300公里~1000公里附近3個(gè)已知礦藏進(jìn)行了對比試驗(yàn),取得良好結(jié)果;探測接收設(shè)備研制也初步實(shí)現(xiàn)了國產(chǎn)化。實(shí)驗(yàn)證明WEM工程探測半徑可達(dá)數(shù)千公里,形成可基本覆蓋我國國土和領(lǐng)海的高信噪比極低頻電磁波信號;開展了地震預(yù)測及地下礦產(chǎn)、油氣資源探測等探索性科學(xué)試驗(yàn)研究,取得多項(xiàng)突破性進(jìn)展,為“深地、深海、深空”等相關(guān)領(lǐng)域的前沿科技研究提供了新的技術(shù)手段。
科研創(chuàng)新無止境。目前,極低頻探地工程團(tuán)隊(duì)將開始第二階段的奮斗:爭取用更先進(jìn)的信息技術(shù),實(shí)現(xiàn)更大規(guī)模、更高技術(shù)指標(biāo)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(yù)測及其他前沿科學(xué)研究及應(yīng)用提供服務(wù)。