“30萬(wàn)公里外的月球探測(cè)，和海洋最深的馬里亞納海溝探測(cè)都已實(shí)現(xiàn)。1萬(wàn)3千米的深井探測(cè)，全世界至今均未實(shí)現(xiàn)。這與地下巖石堅(jiān)硬復(fù)雜，深地探測(cè)極其困難有關(guān)。不過(guò)，我們已能探測(cè)到地下8000米深度，正向1萬(wàn)3千米的目標(biāo)出發(fā)。”1月7日，中南大學(xué)，應(yīng)用地球物理學(xué)家、中國(guó)工程院院士何繼善對(duì)科技日?qǐng)?bào)記者說(shuō)。
深海、深地、深空的“三深”探測(cè)，是世界各國(guó)競(jìng)相搶占的科研制高點(diǎn)。何繼善，則是全球深地探測(cè)領(lǐng)域最能“挖”的人。數(shù)十年如一日地為地球做“CT”，讓何繼善團(tuán)隊(duì)獲得了“探地”深達(dá)8000米的“技能”。1月8日國(guó)家科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)勵(lì)大會(huì)上，“大深度高精度廣域電磁勘探技術(shù)與裝備”項(xiàng)目，獲2018年度國(guó)家技術(shù)發(fā)明獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)。
求出精確解 給地球深部做“CT”
廣域電磁勘探技術(shù)和裝備助力我國(guó)找到了諸多地下資源：截至目前，提交頁(yè)巖氣資源量3千多億方，地質(zhì)儲(chǔ)量1千多億方，常規(guī)油氣地質(zhì)儲(chǔ)量1.86億噸，生物氣儲(chǔ)量80億方釋放兩千余萬(wàn)噸煤炭資源，潛在經(jīng)濟(jì)價(jià)值超1.5萬(wàn)億元。
何繼善介紹，深地物理探測(cè)須依賴地面裝置“透視”地球。目前，透視地球一是通過(guò)聲波給地球做“B超”。二是用電磁波給地球做“CT”。其中，電磁法的應(yīng)用已有100余年歷史。但因?yàn)殡姶欧ǖ募ぐl(fā)條件、初始條件和邊界條件的復(fù)雜多變，使得大地視電阻率方程的精確解難于獲得。
此前，加拿大學(xué)者Goldstein通過(guò)將電磁波曲面波方程簡(jiǎn)化為平面波方程的方式，獲得了“視電阻率參數(shù)”近似解，創(chuàng)立了人工源電磁法測(cè)定地下電阻率的“可控源音頻大地電磁法”(CSAMT法)。這一方法，壟斷了近半個(gè)世紀(jì)的全球人工源頻率域電磁法市場(chǎng)。不過(guò)，近似求解也“限制”了CSAMT法的探測(cè)深度僅在地下1500米范圍內(nèi)。隨著深度增加，該法應(yīng)用的誤差會(huì)增大，分辨率和準(zhǔn)確度也大幅下降。要實(shí)現(xiàn)“深地探測(cè)”的深、精、準(zhǔn)，存在著方法理論、探測(cè)技術(shù)和儀器裝備等三方面的巨大挑戰(zhàn)。
何繼善獲得了電磁波地下傳播方程的精確解，創(chuàng)立了以曲面波為核心的全新電磁勘探理論——廣域電磁法。該方法通過(guò)人工電流源，向地下發(fā)送不同頻率的交變電磁場(chǎng)，可在廣大地下區(qū)域內(nèi)，觀測(cè)一或多個(gè)電磁場(chǎng)分量，計(jì)算廣域視電阻率，探測(cè)出具電性差異的地質(zhì)目標(biāo)體。基于該理論的探測(cè)技術(shù)和自主研發(fā)的儀器裝備，探測(cè)深度能達(dá)CSAMT法的5倍。
冬瓜山“比武” 廣域電磁法“順帶”找到新寶藏
多年前，國(guó)土資源部《危機(jī)礦山電磁方法有效性比對(duì)》項(xiàng)目組在安徽冬瓜山礦區(qū)展開(kāi)了一場(chǎng)歷時(shí)多年的“物探擂臺(tái)賽”。何繼善的發(fā)明與裝備，平均測(cè)量誤差0.96%，僅為CSAMT法的1/64。“我們不僅輕松測(cè)到了有效數(shù)據(jù)，與已知地質(zhì)資料吻合，還在已知礦體旁發(fā)現(xiàn)了新異常。”何繼善說(shuō)。
團(tuán)隊(duì)成員李帝銓博士介紹，基于廣域電磁法，團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了全息電磁勘探技術(shù)體系，實(shí)現(xiàn)了人工源電磁法探測(cè)深度由1500米到8000米的跨越。團(tuán)隊(duì)發(fā)明的高精度電磁勘探技術(shù)裝備及工程化系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)強(qiáng)干擾環(huán)境下電磁信號(hào)的高信噪比測(cè)量。數(shù)據(jù)顯示，在同探測(cè)深度、同發(fā)送功率下，該發(fā)明的收發(fā)距僅為CSAMT法的1/5，信號(hào)強(qiáng)度高達(dá)CSAMT法的125倍，數(shù)據(jù)量和分辨能力達(dá)世界先進(jìn)方法的8倍以上。在探測(cè)油氣和尋找深部金屬礦方面，具明顯優(yōu)勢(shì)。
據(jù)悉，“大深度高精度廣域電磁勘探技術(shù)與裝備”的工程化體系，已被列入國(guó)家行業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，并在全國(guó)成功推廣應(yīng)用。
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