广域电磁勘探: 向地下一万三千米进发

2019-01-11 15:56:09 来源: 科技日报

“30万公里外的月球探测,和海洋最深的马里亚纳海沟探测都已实现。1万3千米的深井探测,全世界至今均未实现。这与地下岩石坚硬复杂,深地探测极其困难有关。不过,我们已能探测到地下8000米深度,正向1万3千米的目标出发。”1月7日,中南大学,应用地球物理学家、中国工程院院士何继善对科技日报记者说。

深海、深地、深空的“三深”探测,是世界各国竞相抢占的科研制高点。何继善,则是全球深地探测领域最能“挖”的人。数十年如一日地为地球做“CT”,让何继善团队获得了“探地”深达8000米的“技能”。1月8日国家科学技术奖励大会上,“大深度高精度广域电磁勘探技术与装备”项目,获2018年度国家技术发明奖一等奖。

求出精确解 给地球深部做“CT”

广域电磁勘探技术和装备助力我国找到了诸多地下资源:截至目前,提交页岩气资源量3千多亿方,地质储量1千多亿方,常规油气地质储量1.86亿吨,生物气储量80亿方释放两千余万吨煤炭资源,潜在经济价值超1.5万亿元。

何继善介绍,深地物理探测须依赖地面装置“透视”地球。目前,透视地球一是通过声波给地球做“B超”。二是用电磁波给地球做“CT”。其中,电磁法的应用已有100余年历史。但因为电磁法的激发条件、初始条件和边界条件的复杂多变,使得大地视电阻率方程的精确解难于获得。

此前,加拿大学者Goldstein通过将电磁波曲面波方程简化为平面波方程的方式,获得了“视电阻率参数”近似解,创立了人工源电磁法测定地下电阻率的“可控源音频大地电磁法”(CSAMT法)。这一方法,垄断了近半个世纪的全球人工源频率域电磁法市场。不过,近似求解也“限制”了CSAMT法的探测深度仅在地下1500米范围内。随着深度增加,该法应用的误差会增大,分辨率和准确度也大幅下降。要实现“深地探测”的深、精、准,存在着方法理论、探测技术和仪器装备等三方面的巨大挑战。

何继善获得了电磁波地下传播方程的精确解,创立了以曲面波为核心的全新电磁勘探理论——广域电磁法。该方法通过人工电流源,向地下发送不同频率的交变电磁场,可在广大地下区域内,观测一或多个电磁场分量,计算广域视电阻率,探测出具电性差异的地质目标体。基于该理论的探测技术和自主研发的仪器装备,探测深度能达CSAMT法的5倍。

冬瓜山“比武” 广域电磁法“顺带”找到新宝藏

多年前,国土资源部《危机矿山电磁方法有效性比对》项目组在安徽冬瓜山矿区展开了一场历时多年的“物探擂台赛”。何继善的发明与装备,平均测量误差0.96%,仅为CSAMT法的1/64。“我们不仅轻松测到了有效数据,与已知地质资料吻合,还在已知矿体旁发现了新异常。”何继善说。

团队成员李帝铨博士介绍,基于广域电磁法,团队构建了全息电磁勘探技术体系,实现了人工源电磁法探测深度由1500米到8000米的跨越。团队发明的高精度电磁勘探技术装备及工程化系统,可实现强干扰环境下电磁信号的高信噪比测量。数据显示,在同探测深度、同发送功率下,该发明的收发距仅为CSAMT法的1/5,信号强度高达CSAMT法的125倍,数据量和分辨能力达世界先进方法的8倍以上。在探测油气和寻找深部金属矿方面,具明显优势。

据悉,“大深度高精度广域电磁勘探技术与装备”的工程化体系,已被列入国家行业技术标准,并在全国成功推广应用。

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