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走近国家技术发明奖一等奖项目“大深度高精度广域电磁勘探技术与装备”

文章来源:湖南省政府网 作者: 发布时间:2019年01月09日 字号:【小】 【大】

看清地下8公里深处的矿藏

——走近国家技术发明奖一等奖项目“大深度高精度广域电磁勘探技术与装备”

  编者按

  在1月8日举行的2018年度国家科技奖励大会上,湖南省取得了近年来的最好成绩。中南大学何继善院士主持的“大深度高精度广域电磁勘探技术与装备”项目获得国家技术发明奖一等奖,湖南大学电能变换与控制创新团队、中南大学轨道交通空气动力与碰撞安全技术创新团队双双获得国家科技进步奖一等奖(创新团队)。这些项目和团队为国家解决了哪些重大战略问题?为我们的生活带来哪些改变?湖南日报为读者送上详尽报道。

  地底下蕴藏着丰富的矿产资源。随着浅部的矿产资源日渐枯竭,谁能看得越深越清,找到宝藏的机会就越大。国家“深地”战略提出,向地球深部进军。

  人工源频率域电磁法地下8公里的探测世界纪录,就在中国创造的勘探技术与装备指引下诞生。这是一次从跟跑到超越的逆袭!

  风行世界的“可控源音频大地电磁法”,由于理论先天不足、仪器设计思想和野外施工方法粗放,探测深度难以超过1.5公里,且分辨率不高,无法担当“深地”探测重任。

  对此,中南大学何继善院士发起了挑战。在他的带领下,经过10多年艰苦努力,一种叫“广域电磁法”的理论横空出世,并研发了具有完全自主知识产权的大深度高精度探测技术与装备,探测深度和信号强度分别是“可控源音频大地电磁法”的5倍和125倍,最大探测深度超过8公里。在中国大地应用后,至今已提交页岩气、常规油气、生物气、煤炭等矿产资源,潜在经济价值超过15000亿元。

  1.

  面对颠覆传统的高难研究,团队内部曾经“军心动摇”

  发射电磁波看清地球内部,有如给地球做CT, 既要有理论支撑,还要在理论指导下设计出仪器。

  100年前,美国工程师Harry·W· Conklin(哈里·康克琳)提出了电磁感应法并获得专利。但因电磁波向地下传播方程的求解极其复杂,100年来,国际上都不得不采用定性、半定量解释,或者是用近似公式作定量解释。这种处理方法,使得勘测深度小、精度低,且抗干扰能力不强。

  能不能将这个极其复杂的地下电磁波方程精确求解?1996年,何继善大胆设想。这是别的科学家不愿碰的难题。

  何继善团队成员告诉记者,在这一过程中,部分团队成员因受不了枯燥的、大量的试验工作,也因无经费支持,感觉看不到希望,中途将何继善“炒”了……

  这一变故,并没有动摇何继善的决心。

  板凳一坐十年冷。2005年,何继善正式提出精确求解地下电磁波方程的“广域电磁法”。

  这是一个领先世界的“中国创造”。理论从来都需要实践的检验。接着,何继善院士带领团队又开始了科研跋涉:用这一理论研制仪器。

  “开始没有经费,何继善院士就自掏了20万元启动。”中南大学温佩琳教授说。

  2007年寒冬,内蒙古室外温度低至零下20摄氏度。在这里的一块大庆油田区块上,课题组开展了“广域电磁法”勘探油气初步试验。因为团队部分成员对“广域电磁法”理解不深入,对其前景不看好,有些“军心动摇”。

  73岁的何继善院士,不顾严寒从长沙赶到试验现场指导。最终,团队做了30多公里的试验测线,大获成功!

  “广域电磁法”将人工源频率域电磁法探测的深度延伸到了地下8公里,且具有较强的抗干扰能力,实现了真正的三维电磁法勘探。

  以此为支撑的大深度高精度探测技术与装备,在中石油、中石化、中国地调局、华电、神华等50多家单位成功应用,经济和社会效益显著,共提交页岩气资源量3401.22亿立方米、地质储量1240亿立方米、常规油气地质储量1.86亿吨、生物气可采资源量80亿立方米,释放了2000多万吨煤炭。

  2.

  三大发明点,成就人工源频率域电磁法的“领跑者”

  “可控源音频大地电磁法”和此次的获奖成果都属于人工源频率域电磁法的范畴。后者是如何赶超前者成为“领跑者”的呢?

  项目组介绍,此次获奖项目最核心的发明点有3个,即可在不限于“远区”的“广大区域”测量的“广域电磁法”、大深度高精度广域电磁探测系统、采用“反演”方法解出噪声实现信号-噪声高度分离。

  视电阻率是用来反映岩石和矿石导电性变化的参数,也是决定勘探效果的重要指标。“可控源音频大地电磁法”40多年沿袭“大地电磁法”视电阻率计算公式,这个公式恰恰只考虑部分参数,求得的是近似值,也就大大影响勘探效果。

  项目组则不然。他们在国际上首次严格从电磁波方程出发,率先将所有参数考虑在内,定义了在任意位置都是正确的广域视电阻率参数,发明了可在不限于“远区”的“广大区域”测量的“广域电磁法”,颠覆了频率域电磁法只能在“远区”测量的思路。

  当人们向地下发射电磁波,不仅会收到岩石和矿石富有个性的回复,也会收到讨厌的噪声干扰,信噪比高低影响着分辨率。传统的做法是尽可能去掉噪声,但效果很难如意。

  项目组另辟蹊径,像数学反算一样,采用“反演”方法解出噪声。于是,信号和噪声各走各道,并极大提高了频率数据密度,数据量可达到“可控源音频大地电磁法”的8倍以上。

  “这是因为在人工源频率域电磁法中,既然超过99%的噪声参数是已知的,那只需将未知的小于1%的噪声未知数解出就行。”项目组讲解创新思路。

  目前,“广域电磁法”已经成为“深地”战略的关键支撑技术。那么,是否可应用于“海洋强国”战略?是否还可以在城市物探中发挥信号强度大、抗干扰能力强的技术优势,实现城市地质调查高效高分辨率的勘探?项目组透露,正在进行高效频谱拖曳式海洋广域电磁法探测技术与装备的攻关,也正在开展测量磁场的低空无人机广域电磁法探测技术与装备的攻关。

  (文/胡宇芬 左丹 李帝铨)

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