看清地下8公里深處的礦藏

——走近國家技術發明獎一等獎項目“大深度高精度廣域電磁勘探技術與裝備”

　　編者按

　　在1月8日舉行的2018年度國家科技獎勵大會上，湖南省取得了近年來的最好成績。中南大學何繼善院士主持的“大深度高精度廣域電磁勘探技術與裝備”項目獲得國家技術發明獎一等獎，湖南大學電能變換與控制創新團隊、中南大學軌道交通空氣動力與碰撞安全技術創新團隊雙雙獲得國家科技進步獎一等獎(創新團隊)。這些項目和團隊為國家解決了哪些重大戰略問題？為我們的生活帶來哪些改變？湖南日報為讀者送上詳盡報道。

　　地底下蘊藏著豐富的礦產資源。隨著淺部的礦產資源日漸枯竭，誰能看得越深越清，找到寶藏的機會就越大。國家“深地”戰略提出，向地球深部進軍。

　　人工源頻率域電磁法地下8公里的探測世界紀錄，就在中國創造的勘探技術與裝備指引下誕生。這是一次從跟跑到超越的逆襲！

　　風行世界的“可控源音頻大地電磁法”，由于理論先天不足、儀器設計思想和野外施工方法粗放，探測深度難以超過1.5公里，且分辨率不高，無法擔當“深地”探測重任。

　　對此，中南大學何繼善院士發起了挑戰。在他的帶領下，經過10多年艱苦努力，一種叫“廣域電磁法”的理論橫空出世，并研發了具有完全自主知識產權的大深度高精度探測技術與裝備，探測深度和信號強度分別是“可控源音頻大地電磁法”的5倍和125倍，最大探測深度超過8公里。在中國大地應用后，至今已提交頁巖氣、常規油氣、生物氣、煤炭等礦產資源，潛在經濟價值超過15000億元。

　　1.

　　面對顛覆傳統的高難研究，團隊內部曾經“軍心動搖”

　　發射電磁波看清地球內部，有如給地球做CT, 既要有理論支撐，還要在理論指導下設計出儀器。

　　100年前，美國工程師Harry·W· Conklin（哈里·康克琳）提出了電磁感應法并獲得專利。但因電磁波向地下傳播方程的求解極其復雜，100年來，國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，使得勘測深度小、精度低，且抗干擾能力不強。

　　能不能將這個極其復雜的地下電磁波方程精確求解？1996年，何繼善大膽設想。這是別的科學家不愿碰的難題。

　　何繼善團隊成員告訴記者，在這一過程中，部分團隊成員因受不了枯燥的、大量的試驗工作，也因無經費支持，感覺看不到希望，中途將何繼善“炒”了……

　　這一變故，并沒有動搖何繼善的決心。

　　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”。

　　這是一個領先世界的“中國創造”。理論從來都需要實踐的檢驗。接著，何繼善院士帶領團隊又開始了科研跋涉：用這一理論研制儀器。

　　“開始沒有經費，何繼善院士就自掏了20萬元啟動。”中南大學溫佩琳教授說。

　　2007年寒冬，內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塊上，課題組開展了“廣域電磁法”勘探油氣初步試驗。因為團隊部分成員對“廣域電磁法”理解不深入，對其前景不看好，有些“軍心動搖”。

　　73歲的何繼善院士，不顧嚴寒從長沙趕到試驗現場指導。最終，團隊做了30多公里的試驗測線，大獲成功！

　　“廣域電磁法”將人工源頻率域電磁法探測的深度延伸到了地下8公里，且具有較強的抗干擾能力，實現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技術與裝備，在中石油、中石化、中國地調局、華電、神華等50多家單位成功應用，經濟和社會效益顯著，共提交頁巖氣資源量3401.22億立方米、地質儲量1240億立方米、常規油氣地質儲量1.86億噸、生物氣可采資源量80億立方米，釋放了2000多萬噸煤炭。

　　2.

　　三大發明點，成就人工源頻率域電磁法的“領跑者”

　　“可控源音頻大地電磁法”和此次的獲獎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“領跑者”的呢？

　　項目組介紹，此次獲獎項目最核心的發明點有3個，即可在不限于“遠區”的“廣大區域”測量的“廣域電磁法”、大深度高精度廣域電磁探測系統、采用“反演”方法解出噪聲實現信號-噪聲高度分離。

　　視電阻率是用來反映巖石和礦石導電性變化的參數，也是決定勘探效果的重要指標。“可控源音頻大地電磁法”40多年沿襲“大地電磁法”視電阻率計算公式，這個公式恰恰只考慮部分參數，求得的是近似值，也就大大影響勘探效果。

　　項目組則不然。他們在國際上首次嚴格從電磁波方程出發，率先將所有參數考慮在內，定義了在任意位置都是正確的廣域視電阻率參數，發明了可在不限于“遠區”的“廣大區域”測量的“廣域電磁法”，顛覆了頻率域電磁法只能在“遠區”測量的思路。

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

　　項目組另辟蹊徑，像數學反算一樣，采用“反演”方法解出噪聲。于是，信號和噪聲各走各道，并極大提高了頻率數據密度，數據量可達到“可控源音頻大地電磁法”的8倍以上。

　　“這是因為在人工源頻率域電磁法中，既然超過99%的噪聲參數是已知的，那只需將未知的小于1%的噪聲未知數解出就行。”項目組講解創新思路。

　　目前，“廣域電磁法”已經成為“深地”戰略的關鍵支撐技術。那么，是否可應用于“海洋強國”戰略？是否還可以在城市物探中發揮信號強度大、抗干擾能力強的技術優勢，實現城市地質調查高效高分辨率的勘探？項目組透露，正在進行高效頻譜拖曳式海洋廣域電磁法探測技術與裝備的攻關，也正在開展測量磁場的低空無人機廣域電磁法探測技術與裝備的攻關。

　　（文/胡宇芬 左丹 李帝銓)