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三维探测透视地下复杂场景

发布时间:2019-06-16 08:53 来源:未知 编辑:admin

  历时22年,中国工程院院士、著名地球物理学家何继善和他的团队研究的“大深度高精度广域电磁勘探技术与装备”项目取得丰硕成果,推动了电磁法理论、技术与仪器装备的变革,解决了传统人工源电磁法只能近似计算视电阻率的世纪难题,为增加我国能源与矿产资源储量带来巨大效益

  “一些人认为我们能达到国外水平的99%,或者优于1%到10%就很不错了,怎么可能超过5倍多呢?科学研究应是对前人成果的尊重和学习,但绝不能盲从。”中国工程院院士、著名地球物理学家何继善感慨,科研成果来之不易,不能只停留在引进和推广国外的仪器与技术,而是要进一步在理论上钻研突破,指导应用创新。

  1月8日,在国家科学技术奖励大会上,由何继善院士领衔的中南大学团队凭借“大深度高精度广域电磁勘探技术与装备”项目摘取国家技术发明奖一等奖,这也是地球物理勘探技术领域首获殊荣。

  我国经济持续快速发展,对矿产资源的需求不断增加,但埋藏浅、规模大、找矿条件简单的矿产资源越来越少。“地下岩石坚硬复杂,深地探测异常艰难。30万公里外的月球探测和海洋最深的马里亚纳海沟探测均已实现,但1.3万米的地下深井全世界至今也没有。”何继善告诉经济日报记者。

  加强深部矿产资源勘查,对于经济社会发展具有重要现实意义。何继善介绍,深地物理探测必须依赖地面装置透视地球,一是用声波,类似给地球做B超;二是用电磁波,类似给地球做CT。这两种方法用于测量不同的物理量,二者缺一不可。

  不过,由于地球是非均匀、强耗散介质组成,地下电磁波的传播方程求解困难重重。1971年,加拿大学者Goldstein将这种复杂的曲面波方程简化为平面波方程,近似获得用于反映岩石和矿石等导电性变化的视电阻率参数,从而建立人工信号源电磁勘探法测定地下电阻率理论,形成“可控源音频大地电磁法”,简称CSAMT。

  近半个世纪以来,该方法几乎垄断了所有人工源频率域电磁法勘探市场,我国的CSAMT勘探投入也超过百亿元。何继善认为,深地探测要求探得深、探得精、探得准,在方法理论、探测技术和仪器装备3个方面均存在巨大挑战,而国际领先的CSAMT无法满足目前我国深地探测战略的需求。“唯一的出路是抛弃平面波思维,建立全新的曲面波电磁勘探理论,推动电磁勘探技术与装备的变革。”

  历时22年,这场推动电磁法理论、技术与仪器装备走向变革的创新终于“开花结果”:团队严格求解电磁波在地下的传播方程,创立了全新的广域电磁法理论,发明了有源周期电磁信号有效信息高效提取技术,搭建起高精度电磁勘探技术装备及工程化系统,解决了传统人工源电磁法只能近似计算视电阻率的世纪难题,实现强干扰环境下电磁信号的高信噪比测量,探测深度、分辨率和信号强度分别是CSAMT的5倍、8倍和125倍,最大探测深度超过8公里。

  “地下场景千变万化,广域电磁法能够做到三维探测,在野外获取大量数据后,再把数据反演成地下的实际构造,从而实现精准找矿。”何继善解释道。

  美国著名地球物理学家弗兰克·莫里森说,在地球物理学界,既懂方法原理,又懂研制仪器的,世界上只有两个人,何继善就是其中一个。

  何继善对记者说,科研过程中最大的困难是没有知音。他回忆起有一次带着广域电磁法科研成果去国外讲学,有人对他说:“CSAMT确实存在不足,但是我们从没想过推翻它,只想做一些改进。”

  “在国内,我们也都是先学习了国外已有的电磁法体系后直接拿来使用。”何继善说。

  即便大多数的“不敢言”和“不敢为”充斥耳旁,何继善与他的团队却从未想过放弃。从理论上获得突破后,团队又不断改进仪器装备,对探测数据进行检验。何继善说,只有坚持不懈地应用与试验,才能在业内推广。

  2013年,安徽冬瓜山矿区上演了一场令地球物理界震撼的“物探擂台赛”——全国14家单位在冬瓜山开展《危机矿山电磁方法有效性比对》项目,试验了5大类电磁法,通过10种国内外仪器在现场1公里深的地下进行勘探,形成47个采集方案。最终,所有欧美先进仪器的测量精度均达不到规范要求。

  “唯有我们的方法是成功的。”何继善自豪地说,这是自己最为难忘的一次勘探,“广域电磁法所用电流仅为西方先进仪器的五分之一,却在冬瓜山轻松测得有效数据,平均测量误差0.96%,是CSAMT的六十四分之一,与已知的地质资料吻合,并在已知矿体旁边发现了新的异常,一举打破西方仪器的神线年起被列入中国地质调查局招标体系,在中石油、中石化、地调局等50多家单位成功应用,潜在经济价值超过1.5万亿元。

  长庆油田彭阳地区一直以来油气储层描述不清,钻井成功率不高,该发明优选出9个新的勘探目标区,提交地质储量1000万吨;朱溪钨铜矿储量世界第一,但第二找矿空间的关键地质问题未能得到有效解决,该发明首次揭示了矿区控岩控矿构造,为深部找矿提供了关键依据……

  “尽管广域电磁法比起西方电磁方法和仪器都提升了很大一步,但是科学技术的创新与发展没有止境,我们永远在路上。”在何继善看来,广域电磁法在国家能源探测利用方面具有战略意义,大有前景。

  如今,装备推广应用探明了一批常规石油天然气、页岩气以及矿产资源储藏区域,查清了一批煤矿水害分布,解放了一大片煤炭资源,为进一步增加我国能源与矿产资源储量带来巨大的社会效益,也为地质灾害的防治提供了科学依据。

  当谈到广域电磁法在页岩气勘探方面的重大进展时,何继善以他的家乡湖南举例道:“湖南省页岩气的地质资源可采量有2.5万亿方,而湖南每年消耗的天然气只有十几亿方,我们国家常规天然气一年的总产量也就1000亿方多一点,想想看这是什么概念。”他告诉记者,页岩气的开发与利用对国家建设尤为重要,“一旦我们自己能开采出来,能改变长期以来北煤南运、西气东输的格局,这将是我国能源史上的一次革命”。

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