|
中南大學何繼善院士研究團隊經(jīng)過多年科研攻關(guān)，發(fā)明了一種新的地球物理勘探方法——廣域電磁法，研發(fā)了具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的大深度高精度探測技術(shù)與裝備，實現(xiàn)了電磁法由粗放到精細的跨越，有力支撐了面向國家重大需求的“深地”戰(zhàn)略。何繼善院士牽頭完成的“大深度高精度廣域電磁勘探技術(shù)與裝備”項目榮獲2018年度國家技術(shù)發(fā)明獎一等獎。 ━━━━ 礦產(chǎn)資源是人類發(fā)展的物質(zhì)基礎，地球深部蘊藏了絕大部分的礦產(chǎn)資源，隨著地球淺部資源的日漸枯竭，向地球深部進軍是我國急需解決的戰(zhàn)略問題，大深度高精度的電磁勘探是世界各國共同面臨的技術(shù)難題，也是當今勘探地球物理學的研究熱點。目前國內(nèi)外的頻率域電磁勘探方法，主要有大地電磁法（MT）和可控源音頻大地電磁法（CSAMT）等。
MT是以天然電磁場為場源來研究地球內(nèi)部電性結(jié)構(gòu)的一種方法，由于電磁場的趨膚效應，不同周期的電磁場信號具有不同的穿透深度，可獲得地下不同深度的巖石電阻率的分布規(guī)律。然而，MT的信號微弱且隨機，導致觀測精度低、效率低，垂直分辨率和水平分辨率低。為了克服MT的缺陷，CSAMT以人工場源代替天然場源，在距離場源很遠的地方（遠區(qū)）電磁波接近平面波，把人工場源電磁場表達式簡化，計算得到視電阻率參數(shù)。CSAMT的信號強度比MT法大為提高，除了探測深度較小之外，工作效率、精度以及縱向和橫向分辨率都有明顯提高。40多年來，該法在金屬礦、地熱以及水文、環(huán)境等領域得到了廣泛的應用，成為受人歡迎的一種地球物理方法。由于電磁波向地下傳播方程的解極其復雜，一個多世紀以來來，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，如CSAMT沒有對復雜方程嚴格求解，而是假設在遠區(qū)，將高次項省略掉，近似地簡化為平面波區(qū)的表達式，進而采用只在平面波區(qū)成立的視電阻率計算公式，導致深部測量誤差?？梢哉f，世界上此前所有電磁法都是建立在粗放、近似的基礎上。針對傳統(tǒng)電磁法存在的不足，何繼善院士團隊首次嚴格從電磁波方程出發(fā)，定義了嚴格的視電阻率參數(shù)，發(fā)明了一種新的地球物理勘探方法——廣域電磁法，突破了寬頻帶-高頻率密度電磁信號高效發(fā)射、頻譜周期信號快速提取等多項重大關(guān)鍵技術(shù)，攻克了人工源頻率域電磁法的核心理論和技術(shù)難題，研發(fā)了具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的大深度高精度探測技術(shù)與裝備，在常規(guī)油氣、頁巖氣、生物氣、固體礦產(chǎn)、地熱及煤礦水害探測等領域中成功應用，取得理論-方法-技術(shù)-裝備-應用的全創(chuàng)新鏈成果，實現(xiàn)了電磁法由粗放到精細的跨越，有力的支撐了“深地”戰(zhàn)略，為我國礦產(chǎn)資源保障、經(jīng)濟發(fā)展和社會安全提供了有效支撐。人工源頻率域電磁法的“領跑者”。項目團隊在國際上首次嚴格從電磁波方程出發(fā)，率先將幾何（觀測系統(tǒng)）和物理（電磁感應）參數(shù)全部考慮在內(nèi)，定義了在任意位置都正確的廣域視電阻率，結(jié)束了人工源頻率域電磁法沿襲大地電磁法視電阻率定義40多年的歷史；發(fā)明了可在不限于“遠區(qū)”的“廣大區(qū)域”測量的廣域電磁法，顛覆了人工源頻率域電磁法只能在“遠區(qū)”測量的思想。廣域電磁法公式嚴格，保證了深部信息，探測深度D為收發(fā)距r的1/3，是CSAMT的5倍；電磁波信號以r3衰減，信號強度是CSAMT的125倍；解決了人工源電磁法探測深度小、精度低、分辨率低等核心難題，成為人工源頻率域電磁法的“領跑者”。 發(fā)明了廣域電磁法儀器系統(tǒng)。項目團隊攻克了人工源頻率域電磁法寬頻帶大功率同步發(fā)射與接收的技術(shù)難題；成功將“數(shù)字相干檢波技術(shù)”應用到人工源頻率域電磁法，解決了傳統(tǒng)電磁法同頻干擾壓制效果差的技術(shù)難題；實現(xiàn)了強干擾條件下電磁信號的高信噪比-高精度-快速測量；實現(xiàn)了分布式接收機陣列式大數(shù)據(jù)三維勘探，打破了國外電磁法儀器的長期壟斷。 寬頻帶、高頻率密度、強信號、高測量精度是大深度高精度探測的關(guān)鍵。廣域電磁法采用精細的儀器設計思想，采用大規(guī)?，F(xiàn)場可編程門陣列技術(shù)實現(xiàn)寬頻帶頻譜信號發(fā)射，基于“死區(qū)”控制技術(shù)保證大功率絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）可靠開關(guān)，采用無源無損緩沖及高效熱管散熱技術(shù)，實現(xiàn)寬頻帶、高頻率密度、大電流電磁信號發(fā)射。接收機采用精密低噪聲模擬信號調(diào)理技術(shù)及高分辨、高速Σ-Δ模數(shù)轉(zhuǎn)換器技術(shù)，實現(xiàn)高精度全波形電磁信號采集；在高精度浮點數(shù)字信號處理器上實現(xiàn)數(shù)字相干技術(shù)，快速提取電磁信號振幅和相位參數(shù)，壓制同頻干擾，極大的提高了信噪比。 實現(xiàn)由“去噪”到“解噪”的思維轉(zhuǎn)變。項目團隊首次基于傅里葉反變換和勒讓德多項式聯(lián)合逼近，構(gòu)造噪聲的超定方程組，采用反演方法解出噪聲，實現(xiàn)了信號-噪聲的高度分離，獲得主頻及其諧波信號，顛覆了傳統(tǒng)的只提取主頻信號的濾波“去噪”方法，頻率數(shù)據(jù)密度比國際先進產(chǎn)品提高5倍以上，攻克了電磁法勘探縱向分辨率低的國際難題。頻譜密度和信噪比是制約頻率域電磁法分辨率的核心關(guān)鍵，但傳統(tǒng)人工源頻率域電磁法存在兩個瓶頸：一是采用“變頻法”，需要逐一改變激勵場源的電流頻率實現(xiàn)測深，并通過長時間疊加提高單一頻率的信噪比，工作效率低，難以實現(xiàn)高頻譜密度測量；二是采用統(tǒng)計法或濾波法“去噪”，無法評估噪聲對同頻信號的污染程度，“去噪”效果難以保證。人工源頻率域電磁法數(shù)據(jù)具有鮮明特點：噪聲存在于整個頻譜；發(fā)射頻率的個數(shù)有限，在頻譜中的占比小于1%；除發(fā)射頻率及其諧波處的噪聲參數(shù)未知外，其余頻譜中的噪聲參數(shù)是已知的，即超過99%的噪聲參數(shù)已知。項目團隊創(chuàng)造性地采用“反演”方法將噪聲未知數(shù)（小于1%）解出，只保留信號，攻克了同頻干擾去噪難題，實現(xiàn)了信號-噪聲高度分離，除了獲得的發(fā)射頻率信號外，還額外獲得了大量（發(fā)射頻率個數(shù)的5倍以上）的諧波信號，極地提高頻率數(shù)據(jù)密度，顛覆了傳統(tǒng)的統(tǒng)計法或濾波法“去噪”思路。該發(fā)明將數(shù)據(jù)分為周期和非周期部分，采用分步分域信號提?。海?）周期部分（頻率域信號提?。?。將主頻及其諧波頻譜置零，由相鄰頻點插值得到新的頻譜；基于離散小波變換將預處理后的頻譜分成低頻和高頻部分；基于希爾伯特變換識別高頻部分的上包絡線，并與低頻部分重構(gòu)得到頻譜的整體上包絡線，即為噪聲的頻譜；最后根據(jù)包絡線與對應主頻及其諧波振幅的比值計算噪聲的影響幅度，篩選出高信噪比的主頻和諧波信號。（2）非周期部分（時間域信號提?。??；谶B續(xù)小波變換，獲得非周期信號的能量分布信息，選擇高斯噪聲位置為重構(gòu)點，基于傅里葉反變換和勒讓德多項式聯(lián)合逼近方法構(gòu)造超定方程組，獨樹一幟地采用反演方法求解噪聲在主頻及其諧波的貢獻，主頻及其諧波的頻譜減去噪聲頻譜，最終獲得有效信號頻譜。資源安全是實現(xiàn)“兩個一百年”奮斗目標的重要保障。廣域電磁法結(jié)束了人工源頻率域電磁法近半個世紀沿襲大地電磁法視電阻率計算公式的歷史，發(fā)明了可在不限于“遠區(qū)”的“廣大區(qū)域”測量的廣域電磁法，顛覆了頻率域電磁法只能在“遠區(qū)”測量的思想，為電磁勘探開辟了嶄新的研究領域，有力地推動了電磁地球物理學的進步。另一方面，項目攻克了人工源頻率域電磁法大深度-高精度勘探的關(guān)鍵核心問題，研發(fā)了具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的大深度高精度探測技術(shù)與裝備，將人工源頻率域電磁法的探測深度由1500米提升至8000米，頻率數(shù)據(jù)密度提高5倍以上，實現(xiàn)了電磁法由粗放到精細的跨越，滿足了“深地”戰(zhàn)略“形成3000米以淺礦產(chǎn)資源勘探技術(shù)，儲備5000米以深資源勘查前沿技術(shù)”的要求，成為“深地”戰(zhàn)略的關(guān)鍵支撐技術(shù)。項目研究成果已在中國石油天然氣集團有限公司、中國石油化工集團公司、中國地質(zhì)調(diào)查局、神華集團有限責任公司、中國華電集團有限公司等50多家單位成功應用，在頁巖氣、常規(guī)油氣、生物氣、地熱、固體礦產(chǎn)及煤礦水害等勘探工作中全面推廣應用，有力地推動了我國勘探行業(yè)進步。建立了適合我國國情和復雜地質(zhì)-地表條件的頁巖氣預測評價體系，施工效率比傳統(tǒng)方法提高3倍以上；為生產(chǎn)礦山深邊部或接替資源、火山巖油氣、黃土塬地區(qū)油氣、煤礦水害、剩余油分布、頁巖氣壓裂、地質(zhì)災害的防治提供了有力有效的勘探、監(jiān)測技術(shù)手段。目前，頁巖氣勘查面積已經(jīng)超過3萬平方千米，提交資源量或地質(zhì)儲量4641.22億立方米；獲得常規(guī)油氣地質(zhì)儲量1.86億噸；獲得生物氣儲量80億立方米；釋放了2000多萬噸煤炭，為我國礦產(chǎn)資源保障、經(jīng)濟發(fā)展和社會安全提供了有力支撐。 研究團隊依托項目培養(yǎng)了50多名博士和碩士研究生，何繼善院士多次擔任國際會議的名譽主席，并成功舉辦了第十二屆中國國際地球電磁學術(shù)研討會，在國內(nèi)外產(chǎn)生了積極影響，提高了我國地球物理學的國際聲譽。 何繼善院士一直致力于地球物理方法理論的創(chuàng)新和配套儀器的研究，還曾先后提出了雙頻激電理論、偽隨機信號理論等新的電磁勘探方法理論，這些方法從理論上突破了現(xiàn)有電磁法的瓶頸，根據(jù)這些方法成功研制了雙頻激電儀、偽隨機多頻激電儀等，并在推廣應用中獲得了巨大社會經(jīng)濟效益。偽隨機信號電法的技術(shù)核心是：發(fā)送機將不同頻率的電流波形合成為偽隨機電流后向地下供電，接收機同時接收這些頻率經(jīng)大地后的響應并將其分離，因此一次供電便可以完成所有頻率的測量。偽隨機電流波形的特點是：具有周期性，可以重復產(chǎn)生；主頻率的頻比固定，在對數(shù)坐標上基本均勻分布；主頻率的振幅基本相等、初始相位關(guān)系簡單；能量大都分布在主頻率上。由于具有快速、高效、電源利用率高、儀器輕便、抗干擾能力強、相對觀測精度高、異常可靠等優(yōu)點，偽隨機信號電法已發(fā)展出雙頻道、三頻道、偽隨機多頻道頻譜激電和電磁法，在多個領域獲得廣泛而成功的應用?！熬鶆驈V譜偽隨機電磁法理論及應用研究”2006年獲國家技術(shù)發(fā)明二等獎；“我國雙頻激電研究與應用”1995年獲國家科技進步二等獎；“雙頻激電法”2005年被中國地質(zhì)調(diào)查局列為重點推廣技術(shù)。在國內(nèi)外電磁勘探領域獨樹一幟，具有鮮明的中國特色。致謝：感謝國家自然科學基金科學儀器基礎研究專項“廣域電磁測深儀的基礎研究”（項目編號：40827002）、湖南省重大科技專項“湖南頁巖氣資源潛力評價與電磁探測系統(tǒng)研發(fā)”（項目編號：2012FJ1006）、中國地質(zhì)調(diào)查局油氣資源調(diào)查中心“貴州六盤水地區(qū)廣域電磁法勘探工程”（項目編號：資[2015] XQ2015-04-02）、中國石油天然氣股份有限公司勘探開發(fā)研究院西北分院“三維廣域電磁法油氣目標識別技術(shù)研究與應用”（項目編號：2012A-104）、中國石油化工股份有限公司勘探分公司“2016年四川盆地及周緣地區(qū)廣域電磁法勘探”（項目編號：35450003-16-FW0399-0001）的支持。本文刊登于IEEE Spectrum中文版《科技縱覽》2019年6月刊。 何繼善：中國工程院院士，中南大學教授。
李帝銓：副教授，中南大學地球科學與信息物理學院。 IEEE Spectrum 《科技縱覽》 官方微信公眾平臺 >>>本文為原創(chuàng)，轉(zhuǎn)載請回復。<<<
|
