卓賢軍,陸建勛,趙國澤,底青云

(1.中國艦船研究院,北京 100192;2.中國地震局地質(zhì)研究所,北京 100029;3.中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所,北京 100029)

1 前言

極低頻(文章中指0.1～300 Hz,包括我國無線電頻率劃分規(guī)定中的至低頻、極低頻、超低頻,統(tǒng)稱為極低頻)電磁技術(shù)的發(fā)展可以追溯到20世紀(jì)五六十年代,其主要目的是為了解決陸地指揮中心與深水潛艇之間的通信問題。為此,美國和前蘇聯(lián)集中了許多優(yōu)秀無線電物理學(xué)家和地球物理學(xué)家,對極低頻電磁波的發(fā)射和傳播等問題進(jìn)行了深入的研究,到20世紀(jì) 70年代末,其基本理論已趨于成熟[1,2]。20世紀(jì)80年代,美國在北威斯康辛和密執(zhí)安州分別建立了極低頻發(fā)射臺,前蘇聯(lián)在科拉半島也建立極低頻發(fā)射臺,成功實(shí)現(xiàn)陸地指揮中心與深水潛艇之間的通信[3,4]。

隨著極低頻技術(shù)研究的發(fā)展,美國和俄羅斯科學(xué)家分別提出把極低頻電磁技術(shù)應(yīng)用于地球物理和地震預(yù)測等領(lǐng)域。美國科學(xué)家提出將其應(yīng)用于地下深層探測、地磁高能輻射帶研究、磁層和電離層研究等;俄羅斯科學(xué)家提出將其應(yīng)用于地震預(yù)測、地層剖面詳查、探測地殼電性結(jié)構(gòu)、探測含礦地區(qū)結(jié)構(gòu)、探查并預(yù)測包括大陸架在內(nèi)的油氣生成區(qū)、地質(zhì)和生態(tài)環(huán)境研究、原子能發(fā)電站、大型水庫等場地的勘選等。20世紀(jì)90年代,俄羅斯科學(xué)家首先利用科拉半島極低頻臺(ZEVS臺)和租用電力線作發(fā)射天線方法做了大量極低頻電磁探測試驗(yàn),通過與其他探測方法進(jìn)行對比,發(fā)現(xiàn)極低頻探測方法比現(xiàn)有電磁方法在探測深度和探測精度上都有很大的提高,并在地震電磁異常監(jiān)測上具有獨(dú)特的優(yōu)勢[5]。

我國一直關(guān)注國外極低頻電磁技術(shù)的發(fā)展,20世紀(jì)末,與俄羅斯科學(xué)院合作,在技術(shù)引進(jìn)、消化、吸收、改進(jìn)和提高的基礎(chǔ)上,21世紀(jì)初在國內(nèi)建立了1個小型極低頻試驗(yàn)臺。試驗(yàn)臺的建立為我國極低頻技術(shù)的研究和應(yīng)用提供了一個良好平臺。通過理論研究和對比試驗(yàn),初步驗(yàn)證了極低頻電磁法的優(yōu)越性[6～8]。2005年根據(jù)我國國情在進(jìn)行理論計(jì)算和優(yōu)化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上,中國船舶重工集團(tuán)公司、中國科學(xué)院和中國地震局聯(lián)合向國家發(fā)展和改革委員會(以下簡稱國家發(fā)改委)申請“極低頻探地(wireless electro-magnetic,WEM)工程”項(xiàng)目,提出建立一座大功率極低頻發(fā)射臺,首先在資源探測和地震監(jiān)測上開展探索性應(yīng)用研究。2006年該項(xiàng)目被國家發(fā)改委列入“十一五”國家重大科學(xué)技術(shù)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)項(xiàng)目之一。2010年7月國家發(fā)改委正式批復(fù),同意將極低頻探地(WEM)工程國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目列入國家高技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展項(xiàng)目計(jì)劃。項(xiàng)目建設(shè)目標(biāo)是建造世界上首臺民用極低頻發(fā)射臺站等試驗(yàn)設(shè)施,形成基本覆蓋我國國土和領(lǐng)海區(qū)域的高信噪比電磁波信號,開展地下資源探測和地震預(yù)報(bào)等方面的探索性研究和工程試驗(yàn)研究,為相關(guān)領(lǐng)域的前沿科技研究提供新的技術(shù)手段和開放性的公共服務(wù)平臺。目前該項(xiàng)目正在積極籌建中,計(jì)劃在“十二五”內(nèi)建成并提供服務(wù)。

2 工程項(xiàng)目背景

20世紀(jì)50年代初,前蘇聯(lián)學(xué)者A.H.Tikhonov和法國學(xué)者L.Cagniard分別提出了利用天然電磁場為信號源探測地下電性結(jié)構(gòu)的電磁理論,稱為大地電磁測深法(magneto-telluric,MT)[9]。由于 MT法具有探測范圍廣、深度大、不受高阻層屏蔽的影響、對低阻層反應(yīng)靈敏等優(yōu)點(diǎn),至20世紀(jì)80年代,MT法已成為所有電法中技術(shù)最成熟、應(yīng)用面最廣的方法,其應(yīng)用領(lǐng)域遍及油氣、固體礦產(chǎn)、水資源、環(huán)境監(jiān)測以及地殼、上地幔構(gòu)造研究和監(jiān)視地震前兆[10,11]。

由于MT法利用的是由雷電及宇宙噪聲等產(chǎn)生的天然源信號,信號本身的隨機(jī)性和微弱性使其抗干擾能力弱,測量誤差大,因而探測精度不高。20世紀(jì)70年代,人們提出人工源電磁法,用人工發(fā)射的高信噪比信號代替天然場信號,提高抗干擾能力和探測精度?？煽卦匆纛l大地電磁法(controlled source audio-frequency magneto-tellurics,CSAMT)和瞬變電磁法(transient electro-magnetic method,TEM)是目前常用的兩種人工源電磁方法,分別屬于小功率人工移動源頻率域電磁法和時間域電磁法。人工源電磁法大幅提高了探測精度,但存在信號覆蓋范圍小、探測深度淺、范圍小、有近場限制、設(shè)備笨重等問題,無法滿足較深層資源勘探和地震電磁監(jiān)測的需要。20世紀(jì)80年代,俄羅斯科學(xué)家提出并建設(shè)了磁流體(magneto-hydrodynamic,MHD)發(fā)電機(jī)原理法,信號覆蓋范圍約達(dá)100 km,但是儀器太笨重,使用成本極高,無法推廣使用。

20世紀(jì)90年代,俄羅斯科學(xué)家開展極低頻電磁技術(shù)在民用領(lǐng)域的應(yīng)用研究,利用ZEVS臺和租用電力線作發(fā)射天線方法做了大量極低頻探測試驗(yàn),通過與MT法對比,發(fā)現(xiàn)極低頻電磁法測量得到的視電阻率曲線比MT法測量得到的更光滑,數(shù)值精度更高,更穩(wěn)定;與偶極剖面法和平均梯度法進(jìn)行比較,表明極低頻電磁法在地質(zhì)填圖和深部探測方面可以達(dá)到很高的精度[5]。由于極低頻電磁信號覆蓋范圍大,也可滿足地震電磁異常監(jiān)測的需要,加上可能考慮到研究經(jīng)費(fèi)問題,1996年年底,俄羅斯科學(xué)院函致中國科學(xué)院,推薦用極低頻電磁方法研究地球物理和地震預(yù)測,希望進(jìn)行合作。我國有關(guān)各方對此非常重視,組織有關(guān)專家對極低頻電磁技術(shù)作了充分論證,并由陸建勛院士、馬宗晉院士和王東山教授聯(lián)合籌備專家組,與俄專家開展學(xué)術(shù)交流和商談合作。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證極低頻電磁技術(shù)應(yīng)用于地球物理和地震預(yù)測的可行性,1999年,中國地震局地質(zhì)研究所和俄羅斯圣彼得堡大學(xué)合作利用ZEVS臺進(jìn)行測量試驗(yàn),測試地點(diǎn)在北京小湯山、西集和天津?qū)氎妗⑺E縣等幾個地震臺,距離發(fā)射臺約6 500 km。測量試驗(yàn)結(jié)果表明,即使在具有較強(qiáng)干擾背景的地震臺站院內(nèi),觀測的ZEVS臺發(fā)射的80 Hz大功率人工源信號的功率密度譜的幅度要比天然電磁場高出10～100倍,視電阻率為 24～26 Ω· m,測量誤差僅為2.9%。在試驗(yàn)期間,距測點(diǎn)約120 km發(fā)生的遷安Ms 4.2級地震與觀測的電磁場異常和視電阻率的變化有較好的對應(yīng)性[6,7]。此測試結(jié)果引起了地震電磁專家的高度關(guān)注,認(rèn)為極低頻電磁技術(shù)從根本上解決了MT法在地震預(yù)測工作上存在的問題,可以精確地觀測電磁場和地下電阻率的變化情況,明顯提高監(jiān)測和識別地震電、磁前兆異常的能力,在地震預(yù)測研究和預(yù)報(bào)工作中具有實(shí)際的應(yīng)用價(jià)值和發(fā)展前景。同時,極低頻電磁探測技術(shù)具有的探測精度高、深度大的優(yōu)點(diǎn)也為深部資源探測提供了解決方案。

2000年,由陸建勛院士和馬宗晉院士牽頭,開展“利用極低頻/超低頻無線電波進(jìn)行地震預(yù)報(bào)及地下資源探測系統(tǒng)的方案研究”項(xiàng)目的研究工作。根據(jù)國家發(fā)改委的要求,利用小型極低頻試驗(yàn)臺,2004年在1 000 km以外的河北省張北縣對試驗(yàn)臺發(fā)射的65 Hz、90 Hz和130 Hz等頻率點(diǎn)的場強(qiáng)進(jìn)行測試,取得了較好的效果;2005年在北京、河北、河南進(jìn)行電磁信號接收試驗(yàn),實(shí)驗(yàn)臺發(fā)射0.1～300 Hz極低頻信號在河南泌陽油田進(jìn)行探測對比試驗(yàn),在云南、北京進(jìn)行地震電磁監(jiān)測試驗(yàn),均取得了很好的成果,油田公司和地震局專家都給予了很高評價(jià)。在中國工程院組織召開的中國工程科技論壇第44場“極低頻探地工程技術(shù)進(jìn)展”研討會上,得到了包括8位院士在內(nèi)的40余名專家的高度評價(jià),認(rèn)為極低頻探地工程項(xiàng)目的建設(shè)在我國資源探測和地震預(yù)測方面具有很大的應(yīng)用和發(fā)展前景。

3 工程建設(shè)內(nèi)容

工程擬在我國華中高電阻率地區(qū)建立一座大功率發(fā)射臺(簡稱WEM臺),采用兩端接地的電力線作為天線,布設(shè)兩條基本正交、東西長約80 km和南北長約60 km的天線,天線兩端采用大面積“地網(wǎng)”做接地體,每條天線各配一臺500 kW的發(fā)射機(jī),用以發(fā)射0.1～300 Hz極低頻電磁信號,其電磁信號覆蓋半徑可達(dá)2 000～3 000 km,信噪比可達(dá)10～20 dB,基本覆蓋全國,為地下資源探測、地震預(yù)測以及其他前沿性研究和工程試驗(yàn)研究提供信號源服務(wù)。

計(jì)劃通過對WEM臺發(fā)射的極低頻電磁信號特性進(jìn)行系統(tǒng)深入的研究,借鑒和利用現(xiàn)有MT法和CSAMT法技術(shù)和經(jīng)驗(yàn),開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的極低頻大面積組網(wǎng)式觀測方法和實(shí)用性強(qiáng)的電性結(jié)構(gòu)反演成像軟件,如數(shù)據(jù)的預(yù)處理、地下介質(zhì)幾何結(jié)構(gòu)成像、層析成像處理等軟件,形成WEM法的數(shù)據(jù)處理和地質(zhì)解釋的資源探測應(yīng)用系統(tǒng),以提高WEM數(shù)據(jù)處理和解釋的質(zhì)量。通過在川東油氣盆地和內(nèi)蒙大興安嶺多金屬成礦帶選定典型地區(qū)進(jìn)行組網(wǎng)三維觀測和探查油氣、金屬礦實(shí)例應(yīng)用研究,評估WEM法在探查深部油氣和金屬礦產(chǎn)資源中的優(yōu)越性和先進(jìn)性,探索建立WEM法尋找深部油氣、礦產(chǎn)資源的有效模式,提高深部地下資源的探測精度和分辨率,為我國深部資源的勘查提供新的技術(shù)手段。

在地震重點(diǎn)監(jiān)視區(qū)(首都圈、南北地震帶南段)新建30個極低頻地震電磁監(jiān)測站和2個電磁流動監(jiān)測臺站,初步建立地震重點(diǎn)監(jiān)視區(qū)的極低頻地震電磁臺網(wǎng),開發(fā)專用的極低頻地震電磁數(shù)據(jù)處理、地震電磁異常識別和多信息地震綜合分析軟件。極低頻地震電磁臺網(wǎng)每天定時接收WEM臺發(fā)射的極低頻電磁信號,記錄數(shù)據(jù)通過國家地震網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)傳輸?shù)絎EM地震預(yù)測分系統(tǒng),通過相關(guān)軟件分析電磁信號的強(qiáng)度、視電阻率和阻抗相位、地下結(jié)構(gòu)等參數(shù)與時間的關(guān)系以及聯(lián)合地震監(jiān)測臺網(wǎng)觀測的其他數(shù)據(jù),綜合分析地震電磁異?，F(xiàn)象和其他地震異?，F(xiàn)象的關(guān)系以及地震發(fā)生前地質(zhì)參數(shù)和由此產(chǎn)生的電磁波的變化關(guān)系,建立地震電磁異常分布的數(shù)理統(tǒng)計(jì)模型,提高地震前兆識別和提取的準(zhǔn)確度,提升川滇、首都圈等地震多發(fā)區(qū)中強(qiáng)以上地震電磁異常的捕捉能力,提高地震預(yù)測水平,推進(jìn)地震預(yù)警立體監(jiān)測系統(tǒng)的建設(shè)。

為了將WEM工程建設(shè)成一個公共性、開放性的科學(xué)技術(shù)基礎(chǔ)平臺,成為世界一流的國家極低頻科學(xué)研究和應(yīng)用平臺,建設(shè)內(nèi)容中也包括了共性基礎(chǔ)技術(shù)和前沿性應(yīng)用技術(shù)研究,一方面為地下資源探測、地震預(yù)測研究等其他前沿研究提供技術(shù)指導(dǎo),另一方面拓寬極低頻技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域,如地質(zhì)災(zāi)害研究、大陸架地磁探測研究等,推進(jìn)極低頻技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用推廣。建立WEM工程計(jì)算中心,以計(jì)算中心為載體,實(shí)行資源共享和高速運(yùn)算服務(wù),使更多研究機(jī)構(gòu)和應(yīng)用部門參與到WEM工程的應(yīng)用和開發(fā)中,推動WEM工程向前發(fā)展,確保工程科學(xué)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

4 關(guān)鍵技術(shù)

極低頻電磁探測方法稱之為無線電磁法(wireless electro-magnetic method,簡稱 WEM 法),是“極低頻探地工程”項(xiàng)目的關(guān)鍵技術(shù),是現(xiàn)代極低頻無線電技術(shù)與地球物理跨學(xué)科交叉的產(chǎn)物。

WEM法實(shí)際上是一種人工源電磁法,與現(xiàn)有電磁法的原理一致。相對于現(xiàn)有人工源電磁法,WEM法選擇地電阻率極高的地區(qū),建設(shè)大型固定廣播型發(fā)射臺發(fā)射電波,具有發(fā)射電流大(可達(dá)300 A)、磁矩大(可達(dá)106A· m2)、輻射范圍大(接收信噪比達(dá)10～20 dB條件下,信號覆蓋半徑達(dá) 2 000～3 000 km,10 Hz以上為2 000～3 500 km)的優(yōu)點(diǎn),克服了天然源電磁法(MT法)存在的抗外界電磁干擾能力弱、測量誤差大和現(xiàn)有人工源電磁法(如CSAMT)存在的設(shè)備笨重、測量范圍小、探測深度淺的缺點(diǎn),其輻射場強(qiáng)比現(xiàn)有人工源電磁法高出萬倍,可覆蓋數(shù)千公里,是對現(xiàn)有人工電磁法的重大革新。WEM法與現(xiàn)有MT法和CSAMT法比較,具有以下優(yōu)勢:

1)WEM臺發(fā)射的極低頻電磁信號強(qiáng)度大,幅度、相位穩(wěn)定,信噪比高,具有抗干擾能力強(qiáng)、測量精度高的優(yōu)點(diǎn)。

2)WEM臺發(fā)射的極低頻電磁信號覆蓋半徑達(dá)2 000～3 000 km,省去發(fā)射源的運(yùn)輸、精確位置的選擇和設(shè)備投放帶來的麻煩以及源環(huán)境不一致造成的對觀測結(jié)果的影響[12],測量方法和MT法一樣,只需使用接收機(jī),適合山區(qū)、復(fù)雜地形、大陸架等交通不便地區(qū)測量,具有經(jīng)濟(jì)性好、測量深度深、簡便、效率高、作業(yè)成本低等優(yōu)點(diǎn)。

3)WEM臺發(fā)射的極低頻電磁信號覆蓋廣,信號穩(wěn)定,在空域和時域上一致性強(qiáng)、相關(guān)性好,適合大面積組網(wǎng)接收,提高了運(yùn)行效率和測量精度,為地震預(yù)測和三維電磁勘探技術(shù)的發(fā)展提供了理想的條件。

WEM法集MT法和CSAMT法的優(yōu)點(diǎn),同時又克服它們的缺點(diǎn),具有探測深度大、抗干擾強(qiáng)、探測精度高等優(yōu)點(diǎn),是一種全新的地下資源探測與地震地磁監(jiān)測方法和技術(shù)。

5 初步成果

我國建立極低頻試驗(yàn)臺后進(jìn)行了一系列的相關(guān)試驗(yàn)研究,其中包括2005年在泌陽油田的探測試驗(yàn)和在云南、北京的地震電磁監(jiān)測試驗(yàn),試驗(yàn)成果初步顯示了WEM電磁法的優(yōu)勢。

5.1 泌陽油田探測試驗(yàn)

考慮到試驗(yàn)臺天線的長度短,輻射功率小,且有效信號覆蓋范圍小,故選擇距發(fā)射臺300 km的河南泌陽油田。試驗(yàn)的目的是為了檢驗(yàn)極低頻電磁法的有效性,試驗(yàn)儀器采用德國GMS-06型MT儀器。試驗(yàn)布置的測線選擇在河南泌陽油田凹陷中部(泌陽油田于2003年完成),沿一條近南北向與04地震剖面基本一致的測量剖面進(jìn)行了極低頻電磁勘探試驗(yàn)。試驗(yàn)測線長約33 km,共設(shè)42個測點(diǎn)。

試驗(yàn)臺每次發(fā)射23個0.1～300 Hz的頻率點(diǎn),測量儀器根據(jù)發(fā)射臺發(fā)射頻率和發(fā)射時間同步接收極低頻電磁波信號。圖1為測量儀器記錄的信號和背景場振幅譜密度圖,其中Ex、Ey分別為南北向、東西向接收的電場信號,Hx、Hy分別為南北向、東西向接收的磁場信號。從圖1中可以明顯看出,在野外接收的人工源信號譜的幅度要高出背景場幅度1～2個數(shù)量級[8]。

電磁場的高信噪比和高相干度可保證得到高可信度的觀測資料。圖2為在采油區(qū)強(qiáng)干擾情況下的天然場信號和極低頻電磁信號的視電阻率和阻抗相位曲線。由圖2可見,由天然源信號得到的視電阻率和阻抗相位曲線誤差大,且曲線不圓滑;而使用接收的極低頻電磁信號進(jìn)行處理得到的曲線圓滑,測量誤差小,體現(xiàn)出極低頻電磁信號方法應(yīng)用優(yōu)勢。

對記錄資料進(jìn)行處理后得到了全部42個測點(diǎn)的視電阻率、阻抗相位等參數(shù),然后進(jìn)行一維和二維反演。根據(jù)一維和二維反演結(jié)果,結(jié)合該地區(qū)的地層結(jié)構(gòu)得到綜合地質(zhì)解釋結(jié)果(見圖3(a))。綜合解釋得到的穿過泌陽盆地剖面的輪廓及其地質(zhì)結(jié)構(gòu)(見圖3(a))與精細(xì)地震反射得到的地質(zhì)結(jié)構(gòu)(見圖3(b))基本一致,并給出了地震資料所沒有的地質(zhì)新信息。

圖1 某號測點(diǎn)接收的人工發(fā)射電磁信號與背景場功率譜比較Fig.1 The comparison of the power spectral density between artificial source and background field at one site

這次試驗(yàn)成果得到河南石油管理局專家的充分肯定,認(rèn)為WEM法能夠確定含油氣盆地構(gòu)造形態(tài)、沉積地層分層結(jié)構(gòu)、介質(zhì)的橫向不均勻性,能圈定復(fù)雜含油構(gòu)造區(qū),確定基底內(nèi)部構(gòu)造等,為確定油氣的生、儲、蓋提供依據(jù),對油氣勘探具有重要的意義。WEM法與傳統(tǒng)的電磁勘探方法對比,具有很好的抗電磁干擾能力、很高的勘探精度和低廉的勘探成本,是電磁勘探技術(shù)發(fā)展的新階段。

5.2 WEM地震預(yù)測試驗(yàn)

2005年9月15—29日利用極低頻試驗(yàn)臺在首都圈地區(qū)和地震活躍的滇東、滇東北地區(qū)進(jìn)行1次地震預(yù)測試驗(yàn),試驗(yàn)工作時間共計(jì)15 d。發(fā)射臺的發(fā)射信號頻率選擇為 170.67、126.67 Hz和85.33 Hz三個頻率,接收機(jī)布設(shè)在各地震臺站附近干擾較小的地方。在地震監(jiān)測時間段內(nèi),每天定時收發(fā)兩次極低頻電磁信號。在測試期間,滇東北試驗(yàn)區(qū)的魯?shù)榭h桃源附近于2005年9月21日上午09:52:22發(fā)生了一次Ms 3.6級地震,震中距東川地震臺約150 km。圖4是云南省東川和河北省懷來兩個臺站記錄的磁場信號和背景對比圖[6,7]。

圖2 某測點(diǎn)視電阻率曲線和相位曲線的對比Fig.2 The comparison of apparent resistivity and phase curve at one site

圖4 東川(a)、懷來(b)地震臺記錄3個頻率的磁場信號Fig.4 Magnetic field of three frequencies observed at Dongchuan Station and Huailai Station

對比分析圖中兩個臺站記錄的資料,發(fā)現(xiàn)在云南省東川地震臺9月20晚、21日早上和21日晚上記錄的磁場信號功率譜密度有增大的趨勢,隨后磁場功率譜密度又趨于穩(wěn)定,而在河北省懷來地震臺記錄的磁場信號在15 d的連續(xù)測量中較穩(wěn)定,推測在東川地震臺記錄到的20晚、21日上午和21日晚的磁場譜的異?？赡苁窃摯蔚卣鹎昂蟮碾姶女惓Ｗ兓?而在離地震區(qū)很遠(yuǎn)的懷來地震臺沒有記錄到電磁異常的變化。

中國地震局組織有關(guān)專家對試驗(yàn)過程中觀測到地震事件前、后的電磁異常現(xiàn)象進(jìn)行了研究討論,認(rèn)為雖然目前關(guān)于地震電磁前兆異常的成因機(jī)制還沒有統(tǒng)一的解釋,但在地震前記錄到極低頻電磁異常,至少說明WEM法的出現(xiàn)提供了一種可能同時捕捉地下深層地震活動和相關(guān)電離層的變化(即“源和場”的異常信息)的綜合技術(shù)手段,在地震預(yù)測研究和預(yù)報(bào)工作中具有實(shí)際的應(yīng)用價(jià)值和發(fā)展前景。

6 應(yīng)用前景

WEM工程是我國一項(xiàng)創(chuàng)新性科學(xué)工程,工程的實(shí)施可使其優(yōu)越性得到進(jìn)一步發(fā)揮,使其效果得到進(jìn)一步改進(jìn)。工程建成后將是世界上第一個利用極低頻進(jìn)行大范圍地下資源探測、地震預(yù)測和前沿科學(xué)研究的科技基礎(chǔ)設(shè)施,將為我國研究地下深層地質(zhì)、空間物理和無線電物理等提供一種有力的新科學(xué)研究手段,具有廣闊的應(yīng)用前景。

6.1 促進(jìn)電磁技術(shù)的發(fā)展

電磁法正從天然源電磁法(無源)到人工源電磁法(有源)發(fā)展,電磁資料解釋手段從一維、二維到三維發(fā)展[10,13]。目前電磁法在石油天然氣、礦產(chǎn)等資源探查和工程勘探中發(fā)揮著重要作用,淺層資源探查和工程勘探以人工源電磁法為主,深層資源探查以MT法為主,其電磁資料解釋手段都以一維、二維正反演技術(shù)為主。由于實(shí)際地電剖面電阻率通常是以二維或三維構(gòu)造分布,若進(jìn)行一維或二維反演解釋,很可能得不到可靠的地電結(jié)構(gòu),有時甚至?xí)玫絿?yán)重畸變的結(jié)果,因此需要用三維模型來更為精確地模擬三維構(gòu)造。同時,目前勘探的主要工作已向地表地質(zhì)條件復(fù)雜的地區(qū)轉(zhuǎn)移,實(shí)際的地電斷面難以滿足二維反演的假設(shè)條件,二維反演解釋結(jié)果也不能真實(shí)反映地下電性結(jié)構(gòu),從而影響了對地下地質(zhì)信息的認(rèn)識?，F(xiàn)有的人工源電磁法其信號覆蓋范圍小,不適于大面積三維數(shù)據(jù)采集,故不具備實(shí)際工程應(yīng)用價(jià)值;MT法適合于三維電磁法,但抗干擾能力弱,要得到高質(zhì)量的MT三維采集數(shù)據(jù)存在很大困難,這將直接影響三維MT法的實(shí)際效果,故目前應(yīng)用極少。

WEM法通過建立一個固定的大功率發(fā)射源,信號覆蓋全國,信噪比達(dá)10～20 dB,既具有MT法探測深度大、成本低的優(yōu)點(diǎn),而又具有人工源電磁法(CSAMT等)抗干擾能力強(qiáng)、探測精度高的特點(diǎn),是一種全新的地下資源探測與地震地磁監(jiān)測方法和技術(shù)。WEM法的信號由一個固定的發(fā)射源統(tǒng)一發(fā)射,便于大面積組網(wǎng)式觀測,具有信噪比高、覆蓋面積大等特點(diǎn),為三維電磁勘探技術(shù)的發(fā)展提供了理想的條件,將明顯地提高地下資源探測精度和地震電磁監(jiān)測地震預(yù)測水平。因此,WEM法將有力推進(jìn)電磁勘探技術(shù)的發(fā)展,促進(jìn)我國地下資源勘探和地震電磁監(jiān)測技術(shù)實(shí)現(xiàn)跨越式發(fā)展,將是資源勘探和地震預(yù)測上一項(xiàng)國際性的重大科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新。

6.2 提高我國地下資源探測水平

隨著我國國民經(jīng)濟(jì)持續(xù)快速發(fā)展,資源不足的矛盾日益突出,加強(qiáng)地下資源勘探力度已成為保持我國經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略選擇。目前,我國地下資源中易發(fā)現(xiàn)、易識別、易探測的地表露頭礦和淺層礦越來越少,隱伏資源和深部資源成為未來我國地下資源開發(fā)的主體。“攻深探盲”是我國地下資源勘探和開發(fā)的主要方向,勘查難度急劇增大,尋找地下資源的風(fēng)險(xiǎn)和成本越來越高,急需研制開發(fā)具有穿透能力強(qiáng)、適用面廣、經(jīng)濟(jì)方便的地下資源勘探手段[14]。WEM工程通過人工發(fā)射0.1～300 Hz極低頻電磁波信號來探測地下深部的礦產(chǎn)資源,可以實(shí)現(xiàn)大面積、大深度和高精度地下資源探測目的,從根本上克服了傳統(tǒng)電磁方法探測范圍小、深度淺、近場干擾等缺陷,彌補(bǔ)了人工地震法在很多特定地質(zhì)條件下的局限性,使我國實(shí)現(xiàn)全國國土面積的電磁法資源普查、詳查成為可能。同時,地球物理勘探資料解釋具有多解性,WEM工程的實(shí)現(xiàn)可為資源普查詳查中地震、電磁和其他地球物理手段的聯(lián)合解釋提供保障[15,16],為我國新一代地下資源勘探提供重要技術(shù)支撐,為國家戰(zhàn)略資源安全提供保障,有力地促進(jìn)我國國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)持續(xù)發(fā)展。

近年來,一種海洋油氣勘探新技術(shù)——海洋電磁法已出現(xiàn)在西方海洋油氣勘探中,海洋電磁法與海洋地震法聯(lián)合解釋在海洋油氣勘探中取得了很大的成就[17]。目前,我國已將海洋大地電磁探測技術(shù)研究列入國家“863”計(jì)劃,并取得了一定的成果[18]。WEM法發(fā)射的高信噪比信號和背景場經(jīng)過海水衰減后依然保持高信噪比,因此,WEM法也完全適用于海洋資源的勘探。WEM工程項(xiàng)目的啟動將進(jìn)一步推動我國海洋電磁探測技術(shù)的發(fā)展,為我國海洋石油礦產(chǎn)資源的勘探開發(fā)提供一種新手段。

6.3 提高我國地震電磁監(jiān)測和地震預(yù)測水平

我國是一個震災(zāi)嚴(yán)重的國家,20世紀(jì)60年代邢臺地震、70年代唐山地震和2008年的四川汶川特大地震,給我國人民生命財(cái)產(chǎn)造成了巨大損失。由于地震發(fā)生的機(jī)理十分復(fù)雜,地震預(yù)測是世界重要的前沿科學(xué)技術(shù)之一。目前,人類還沒有能夠準(zhǔn)確預(yù)報(bào)地震。地震前有許多地震前兆現(xiàn)象,國際上眾多專家公認(rèn),在眾多地震短臨前兆現(xiàn)象中,電磁場異常是對地震短臨前兆反應(yīng)最靈敏的物理現(xiàn)象之一[19～21]。有更多的觀測實(shí)例證明和更多的研究人員認(rèn)為,電磁場觀測可能成為實(shí)現(xiàn)短臨地震預(yù)報(bào)的突破點(diǎn)。而現(xiàn)有的電磁監(jiān)測方法都是接收天然電磁信號,存在對發(fā)生的電磁異?，F(xiàn)象無法準(zhǔn)確識別是地震原因還是非地震原因的問題,使得觀測和研究結(jié)果不能被廣泛確認(rèn)?，F(xiàn)階段地震預(yù)測所面臨的最關(guān)鍵問題是探測手段不足,開展地震前兆信息監(jiān)測的能力也嚴(yán)重不足。

WEM臺提供的穩(wěn)定高精度電磁場信號,覆蓋范圍大,可以在某些地震頻發(fā)區(qū)域長期組網(wǎng)接收,同時觀測所在區(qū)域地殼結(jié)構(gòu)的電性參數(shù)變化信息,以及電磁信號在傳播過程中攜帶的大氣層和電離層信息,為我們提供了一種同時捕捉地下深層地震活動和相關(guān)電離層變化(即“源和場”的異常信息)的綜合技術(shù)手段,可以在很大程度上提高對異常的識別和捕捉能力,為確定地震發(fā)生地點(diǎn)、時間和震級提供一種最新的科學(xué)研究工具,其可能是一種極有發(fā)展前景的地震前兆電磁觀測方法。

6.4 促進(jìn)相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展

國外對極低頻的研究十分重視,如俄羅斯專家提供的“國際極低頻研究計(jì)劃”,其研究內(nèi)容主要是空間物理(磁層、電離層、大氣層)和地質(zhì)與應(yīng)用地球物理(資源、高分辨率層析法、大陸架、地震預(yù)測)的研究,足見利用極低頻的研究范圍很廣,涉及多個學(xué)科,利用極低頻進(jìn)行地下資源探測和地震預(yù)測研究只是其中的一部分。WEM工程建成后可以為全國提供一個極穩(wěn)定、穿透能力很強(qiáng)的極低頻電磁信號源,為多學(xué)科如大氣物理、電離層、磁層物理、地質(zhì)與地球物理、無線電物理等提供一種新的公用性、開放性的科學(xué)研究平臺,促進(jìn)相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展。

7 結(jié)語

極低頻探地(WEM)工程是配合我國地下資源“攻深探盲”戰(zhàn)略、提高地震重大自然災(zāi)害監(jiān)測預(yù)報(bào)水平的重大科學(xué)技術(shù)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)項(xiàng)目。極低頻發(fā)射臺發(fā)射0.1～300 Hz的極低頻信號基本覆蓋全國,信噪比可達(dá)10～20 dB,可以實(shí)現(xiàn)大面積、大深度和高精度地下資源探測目的,從根本上克服了傳統(tǒng)電磁方法探測范圍小、深度淺、近場干擾等缺陷,彌補(bǔ)了人工地震法在很多特定地質(zhì)條件下的局限性,使我國實(shí)現(xiàn)全國國土面積資源普查、詳查成為可能,為我國新一代地下資源勘探提供重要技術(shù)支撐。WEM工程提供的穩(wěn)定高精度電磁場信號,可以在全國臺網(wǎng)同時觀測,既可監(jiān)測地震引起的空間電磁場異常,也可監(jiān)測震源區(qū)附近的電阻率異常,實(shí)現(xiàn)了真正的四維觀測,大大提高了對地震前兆異常的識別和捕捉,為確定地震發(fā)生、地點(diǎn)、時間和震級提供了一種全新的監(jiān)測預(yù)測手段,可以為防震減災(zāi)服務(wù)。WEM臺輻射的穩(wěn)定、高信噪比極低頻信號也可為其他相關(guān)學(xué)科提供服務(wù),應(yīng)用前景十分廣闊。

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