趙改善,何展翔

(1.南方科技大學地球與空間科學系,廣東深圳518055;2.中石化石油物探技術(shù)研究院有限公司,江蘇南京211103;3.廣東省地球物理高精度成像技術(shù)重點實驗室,廣東深圳518055)

隨著科學技術(shù)的進步,當今世界已經(jīng)進入了數(shù)字化和智能化時代,數(shù)字經(jīng)濟成為世界經(jīng)濟發(fā)展新的增長引擎,大數(shù)據(jù)、人工智能、云計算、物聯(lián)網(wǎng)、5G通信、虛擬現(xiàn)實、區(qū)塊鏈等信息通信技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)覆蓋國防軍事、經(jīng)濟建設(shè)、社會發(fā)展、醫(yī)療健康、文化娛樂、消費生活等廣泛的領(lǐng)域,改變了人們的工作模式和生活方式。與此同時,人類也面臨著全球氣候變暖、生態(tài)環(huán)境惡化、自然災(zāi)害頻發(fā)、資源匱乏、糧食供應(yīng)緊張、全球性疫情、沖突動蕩與戰(zhàn)爭等一系列重大挑戰(zhàn),人類生存的地球環(huán)境因遭到一定程度的破壞而惡化,對人類的生存、健康和可持續(xù)發(fā)展構(gòu)成了嚴重的威脅和影響。最近三年的新冠疫情流行,對世界經(jīng)濟的破壞作用巨大,對人類正常生活的擾亂前所未有。

作為專門研究人類生存空間——地球的一門地球科學,地球物理學理應(yīng)在應(yīng)對人類面臨的諸多重大挑戰(zhàn)中發(fā)揮其積極和獨特的作用。在新時代的新形勢下,地球物理理論研究與技術(shù)發(fā)展應(yīng)該直面地球上人類面臨的眾多挑戰(zhàn),抓住新時代發(fā)展的新機遇,在新時代中擔當新使命,充分利用地球物理技術(shù)的優(yōu)勢和特點,通過理論與技術(shù)創(chuàng)新,在能源與資源勘探、自然災(zāi)害預(yù)測與防治、全球氣候變化治理、生態(tài)環(huán)境監(jiān)測與保護、人居環(huán)境建設(shè)與保護、宇宙與太空探索等領(lǐng)域提供更多更有效的技術(shù)支撐和使能工具,為人類的平安健康生存、快樂高質(zhì)量生活和可持續(xù)發(fā)展做出地球物理科技工作者的獨特貢獻。這是新時代賦予地球物理科技工作者的神圣使命。

近年來,全球氣候變暖問題成為全世界的焦點議題,碳中和與綠色低碳發(fā)展成為世界各國普遍共識與共同行動。綠色低碳成為時代發(fā)展主旋律,這將深刻影響全球經(jīng)濟和社會發(fā)展方向與路線。因此,地球物理行業(yè)應(yīng)圍繞綠色能源、綠色技術(shù)、綠色系統(tǒng)、綠色服務(wù)優(yōu)化自身技術(shù)優(yōu)勢,創(chuàng)新技術(shù)體系、服務(wù)內(nèi)容和應(yīng)用場景,增強綠色低碳應(yīng)用服務(wù)水平與競爭力,提升傳統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域服務(wù),開拓新興應(yīng)用服務(wù)領(lǐng)域,為人類的可持續(xù)發(fā)展做出貢獻[1-2]。

用綠色技術(shù)構(gòu)建綠色系統(tǒng)、開展綠色服務(wù),服務(wù)于綠色地球和綠色人居生態(tài)環(huán)境保護與建設(shè),為人類的平安健康生存、快樂高質(zhì)量生活和可持續(xù)發(fā)展做出貢獻,是綠色地球物理發(fā)展的根本目標。綠色地球物理技術(shù)發(fā)展是我們面臨的一個重要任務(wù),本文將就綠色地球物理技術(shù)發(fā)展的內(nèi)涵與特征、層次與組成、未來發(fā)展方向等內(nèi)容開展分析與思考。

1 綠色地球物理技術(shù)的內(nèi)涵與特征

綠色低碳發(fā)展需要綠色技術(shù)的支撐。綠色技術(shù)未見統(tǒng)一而公認的定義,與綠色技術(shù)相近的一個概念是環(huán)境友好技術(shù)即EST(environmental sound technology),這一概念源于1992年聯(lián)合國環(huán)境與發(fā)展大會通過的《21世紀議程》[3]。簡單而言,綠色技術(shù)指一切有利于環(huán)境保護與生態(tài)保持的技術(shù)。綠色技術(shù)的目標是保護地球上的自然環(huán)境與人類生存環(huán)境,并在有條件的情況下修復過去人類活動對地球造成的破壞,創(chuàng)造更安全、更清潔、更宜居的人類生存環(huán)境。綠色技術(shù)通常包括綠色清潔能源技術(shù)和無廢無公害環(huán)境友好清潔生產(chǎn)技術(shù)。

可以從狹義和廣義兩個層面來分析綠色地球物理技術(shù)的內(nèi)涵與外延。狹義的綠色地球物理技術(shù)指其探測作業(yè)過程不對地球自然生態(tài)環(huán)境和人類生存環(huán)境產(chǎn)生負面影響和破壞的地球物理技術(shù);而廣義的綠色地球物理技術(shù)指一切有利于保護地球自然生態(tài)環(huán)境和人類生存環(huán)境,或可應(yīng)用于地球自然生態(tài)環(huán)境和人類生存環(huán)境保護的地球物理技術(shù)、系統(tǒng)與服務(wù)。

筆者認為,綠色地球物理技術(shù)一般具有如下一個或多個關(guān)鍵特征。

1) 環(huán)境友好:地球物理技術(shù)應(yīng)用和產(chǎn)品生產(chǎn)與使用過程具有良好的安全環(huán)保性能,對地球自然生態(tài)環(huán)境和人類生存環(huán)境的短期和長期負面影響小或無影響,無施工腳印或腳印淺,無固體、液體或氣體廢物等污染物產(chǎn)生,對地表和地下地質(zhì)環(huán)境不產(chǎn)生物理與化學污染,不引發(fā)地震、塌陷、滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害,在人類活動地區(qū)的施工對居民的干擾小或無干擾,陸上和海上作業(yè)不對陸地和海洋生物產(chǎn)生嚴重的干擾和傷害等;

2) 環(huán)境適應(yīng)性強:地球物理技術(shù)應(yīng)用和產(chǎn)品使用適應(yīng)不同的復雜應(yīng)用環(huán)境和地表地質(zhì)條件,包括山地、沙漠、黃土塬、濕地、水田、淺海、深海、過渡帶以及城市等不同復雜環(huán)境;

3) 高安全性:地球物理技術(shù)應(yīng)用和產(chǎn)品使用具有較高的本質(zhì)安全性能,不易或不會產(chǎn)生危及人員生命和財產(chǎn)安全的事故;

4) 能源消耗低:地球物理技術(shù)應(yīng)用和產(chǎn)品生產(chǎn)與使用過程中對電、燃料等能源的消耗低、使用效率高,或使用綠色清潔能源或可再生能源;

5) 資源消耗低:地球物理技術(shù)應(yīng)用和產(chǎn)品生產(chǎn)與使用過程中對水等自然資源消耗少、利用率高;

6) 高效率:地球物理技術(shù)應(yīng)用生產(chǎn)效率高,且規(guī)?；瘧?yīng)用更有利于提高生產(chǎn)效率;

7) 低成本:地球物理技術(shù)應(yīng)用、產(chǎn)品和服務(wù)成本低,能夠提供高性價比的應(yīng)用與服務(wù),且規(guī)?；瘧?yīng)用更有利于降低技術(shù)應(yīng)用、產(chǎn)品和服務(wù)的成本;

8) 無損傷:地球物理技術(shù)應(yīng)用和產(chǎn)品使用過程對研究探測目標不產(chǎn)生永久性損傷和破壞,適合進行重復性觀測或連續(xù)性觀測。

這幾個特征可以作為指導綠色地球物理技術(shù)發(fā)展的指標,也可以作為評價地球物理技術(shù)的綠色性能指標。就一項技術(shù)或一個系統(tǒng)而言,其綠色性能的體現(xiàn)可以是單維度的,也可以是多維度的。我們可以用雷達圖來表征一項技術(shù)或一個系統(tǒng)的綠色性能,也可以用雷達圖對多項技術(shù)或多個系統(tǒng)的綠色性能進行表征和對比評價。

2 綠色地球物理技術(shù)的層次與組成

綠色地球物理技術(shù)可以是一個單項功能技術(shù)、技術(shù)系列、技術(shù)系統(tǒng)、技術(shù)產(chǎn)品,也可以是一個綜合服務(wù)系統(tǒng)。綠色地球物理技術(shù)分為兩個層次,第一層次是環(huán)境友好的地球物理技術(shù),第二層次是一切服務(wù)于綠色低碳目標的地球物理技術(shù)。

環(huán)境友好的地球物理技術(shù),主要是從技術(shù)本身的特征來說的,指技術(shù)本身具有綠色、環(huán)保、低碳、低耗、低成本等特征,地球物理作業(yè)對地球自然生態(tài)環(huán)境和人類生存環(huán)境無影響或影響小。

服務(wù)于綠色低碳目標的地球物理技術(shù),主要是從技術(shù)應(yīng)用角度來說的,指一切服務(wù)于綠色低碳與可持續(xù)發(fā)展領(lǐng)域的地球物理技術(shù)。廣義來說,綠色低碳與可持續(xù)發(fā)展領(lǐng)域地球物理技術(shù)應(yīng)用主要包括:地球生態(tài)環(huán)境的演化研究、自然災(zāi)害預(yù)測與預(yù)防、全球氣候變化治理、生態(tài)環(huán)境監(jiān)測與保護、人居環(huán)境建設(shè)與保護、綠色能源勘探開發(fā)、綠色低碳材料資源勘探開發(fā)等。

環(huán)境友好的地球物理技術(shù)由綠色裝備、綠色采集作業(yè)技術(shù)、綠色計算技術(shù)、綠色分析技術(shù)和綠色系統(tǒng)等組成。

2.1 綠色裝備

綠色地球物理裝備是綠色地球物理技術(shù)應(yīng)用的基礎(chǔ)和前提。綠色裝備的主要特征包括:低功耗、綠色能源、零碳或低碳排放、零污染或低污染、高效率、低成本、體積小、重量輕、便攜化。

例如,地震數(shù)據(jù)采集裝備正在向便攜化、節(jié)點化、綠色化、自動化和智能化方向發(fā)展[4]。相對傳統(tǒng)有纜地震儀而言,節(jié)點地震儀便于攜帶和布設(shè),大大減輕了野外施工的勞動強度,提高了勞動生產(chǎn)率和對復雜地形、復雜地表條件的適應(yīng)性。以光纖聲波傳感(DAS)、地震節(jié)點等為代表的新型地震數(shù)據(jù)采集設(shè)備,結(jié)合新一代無人機(UAV)、水下機器人(ROV)進行裝備布設(shè),具有布設(shè)靈活、用工量少、成本低、作業(yè)環(huán)境適應(yīng)性強、環(huán)境破壞性小等優(yōu)勢,而且能有效提高野外作業(yè)的HSE效能。

2.2 綠色采集作業(yè)技術(shù)

在綠色裝備和綠色采集作業(yè)技術(shù)支撐下開展地球物理數(shù)據(jù)采集作業(yè),對作業(yè)環(huán)境不產(chǎn)生影響或影響小,對復雜作業(yè)環(huán)境的適應(yīng)性強。綠色采集作業(yè)技術(shù)的主要特征包括:被動源觀測,綠色激發(fā),能源、水資源、人力資源消耗少,綠色能源利用,無線通信數(shù)字終端應(yīng)用,數(shù)字化管理,HSE保護,無人機和機器人等自動化裝備應(yīng)用等。

地球物理采集作業(yè)正向經(jīng)濟、高效、綠色、環(huán)保、智能化方向發(fā)展[4]。陸上地震勘探采用分布式多可控震源同時激發(fā)高效混疊采集、壓縮感知地震采集等技術(shù),大大提高了地震數(shù)據(jù)采集效率。

綠色企業(yè)建設(shè)成為地球物理服務(wù)公司的重要發(fā)展方向,提升企業(yè)HSE體系、增強全員綠色低碳環(huán)保意識、規(guī)范安全環(huán)保節(jié)能行為、探索地球物理數(shù)據(jù)采集作業(yè)中的綠色施工模式成為綠色地球物理服務(wù)公司建設(shè)的重要內(nèi)容[5-6]。綠色施工模式的主要舉措包括:識別作業(yè)區(qū)生態(tài)保護紅線(生態(tài)敏感區(qū)),組織作業(yè)環(huán)境評估,梳理環(huán)境因素清單,制定環(huán)境管理方案和環(huán)境保護措施;制作崗位工作清單,明確環(huán)保、節(jié)能與綠色能源利用、節(jié)水、降碳、廢棄物處置和污水處理等清潔生產(chǎn)職責,淘汰高能耗、高污染設(shè)備設(shè)施,選用環(huán)境保護新設(shè)備、新技術(shù),減少資源能源消耗,降低環(huán)境污染與生態(tài)影響;優(yōu)選高能效施工設(shè)備,推廣新能源技術(shù)與裝備,積極推廣可控震源、小型氣槍震源、大容量電火花震源、高效綠色震源等綠色、安全、高效激發(fā)方式,推廣小型化、輕便化鉆井設(shè)備;推進節(jié)點地震儀、互聯(lián)網(wǎng)數(shù)字化數(shù)據(jù)采集管理系統(tǒng)、可視化質(zhì)量監(jiān)控、無人機航拍航測和精細地表調(diào)查等綠色物探工藝,減少對作業(yè)區(qū)植被作物等地貌與動物的破壞和影響;發(fā)展和推廣綜合地球物理方法,加強對環(huán)境更為友好的重磁電等方法應(yīng)用[7],特別是航空重磁、航空與半航空電磁勘探,形成“地質(zhì)先行、重磁掃面、電法穿線、同步實施、地震標定、聯(lián)合反演、綜合解釋”的綠色高效勘探程序;建設(shè)數(shù)字化物探隊,推進信息化與地球物理作業(yè)的高度融合,再造和優(yōu)化野外作業(yè)流程,減少物資裝備和人員投入,實現(xiàn)節(jié)能減排和環(huán)境保護,提高工作效率和質(zhì)量。

2.3 綠色計算技術(shù)

地球物理研究包括理論分析、實驗觀測、數(shù)值計算等幾種傳統(tǒng)研究模式和可視化分析、數(shù)據(jù)驅(qū)動智能化分析等現(xiàn)代研究模式,計算技術(shù)是現(xiàn)代地球物理技術(shù)進步的重要推動力和支撐技術(shù),地球物理計算技術(shù)是地球物理技術(shù)的重要組成部分。綠色計算技術(shù)的主要內(nèi)容包括:綠色計算中心(液冷、液浸等高效冷卻技術(shù)),高能效計算機(多核、FPGA、GPU、DPU、NPU異構(gòu)計算和量子計算技術(shù)),云計算(提高計算資源的利用率),快速算法(正演模擬、成像處理、反演等),以及先進地球物理軟件系統(tǒng)等。

2.4 綠色分析技術(shù)

地球物理實驗觀測數(shù)據(jù)和正演模擬數(shù)據(jù)的處理與分析是地球物理技術(shù)研究與應(yīng)用的重要環(huán)節(jié)。綠色地球物理數(shù)據(jù)分析主要通過自動化處理和智能化分析解釋減少人工工作量,提高數(shù)據(jù)分析效率,降低數(shù)據(jù)分析的主觀性和對人工經(jīng)驗的依賴性[8];通過可視化和虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用提高數(shù)據(jù)分析、信息挖掘和協(xié)同決策的效率,降低打印繪圖紙張、油墨等材料的消耗和環(huán)境污染。

2.5 綠色系統(tǒng)

綠色地球物理系統(tǒng)指綜合應(yīng)用綠色裝備、綠色采集作業(yè)技術(shù)、綠色計算技術(shù)和綠色分析技術(shù)組成的地球物理應(yīng)用系統(tǒng)。綠色地球物理系統(tǒng)可以是針對不同應(yīng)用場景的定制化系統(tǒng),具有實時數(shù)據(jù)采集、自動化處理流程和智能化分析特征的自動化應(yīng)用系統(tǒng)。例如,針對自然災(zāi)害(地震、火山爆發(fā)、滑坡、泥石流等)監(jiān)測與預(yù)警預(yù)報、重大工程(橋梁、隧道、軌道、管道、油氣庫、二氧化碳封存點、儲能庫等)安全監(jiān)測、地下資源(油氣、地熱、地下水等)勘探開發(fā)動態(tài)監(jiān)測、城市地下空間勘探與監(jiān)測等應(yīng)用場景發(fā)展定制化綠色地球物理監(jiān)測一體化系統(tǒng)。用綠色技術(shù)構(gòu)建綠色系統(tǒng),開展綠色服務(wù),服務(wù)綠色地球和綠色人居生態(tài)環(huán)境建設(shè)與保護,是綠色地球物理技術(shù)的發(fā)展方向。

3 綠色地球物理技術(shù)發(fā)展展望

綠色化發(fā)展是未來地球物理技術(shù)發(fā)展的一個重要特征,其綠色化特征一方面會以系統(tǒng)性與整體性形式體現(xiàn)在綠色地球物理系統(tǒng)產(chǎn)品和綠色地球物理技術(shù)應(yīng)用服務(wù)之中,另一方面也將以碎片化、系列化等形式體現(xiàn)在具體的地球物理技術(shù)功能和產(chǎn)品特征方面。

筆者認為,綠色地球物理技術(shù)有望在以下諸方面得到重點發(fā)展與推廣應(yīng)用。

3.1 被動源地球物理探測技術(shù)

在傳統(tǒng)的地球物理探測技術(shù)中,天然地震、大地電磁、自然電場、重力、放射性等觀測方法都是觀測的天然地球物理位場或波場,屬于被動源地球物理觀測技術(shù)。而大多數(shù)的地球物理觀測屬于主動源地球物理觀測技術(shù),如反射地震勘探、電阻率法、電磁法、激發(fā)極化法等方法,這些方法都必須根據(jù)需要以人為激發(fā)的方式形成地震波場、電場、電磁場等地球物理位場或波場。無論是主動源還是被動源,大多數(shù)地球物理觀測都屬于無損觀測,但部分主動源激發(fā)方式可能對自然環(huán)境產(chǎn)生一定的局部破壞作用,或?qū)θ祟惥幼…h(huán)境和海陸生物產(chǎn)生一定程度的干擾,而被動源地球物理探測技術(shù)則具有先天的綠色性能。

被動源地球物理觀測數(shù)據(jù)的處理和分析技術(shù)有待進一步發(fā)展,背景地震噪聲數(shù)據(jù)的分析利用具有較大的發(fā)展前景。近年來,利用背景地震噪聲進行干涉分析進而獲取地下介質(zhì)結(jié)構(gòu)信息的研究引起了廣泛的關(guān)注,也在地殼結(jié)構(gòu)調(diào)查、近地表結(jié)構(gòu)調(diào)查、城市淺層勘查等多個領(lǐng)域取得了一定的應(yīng)用效果[9-13]。但是,目前的研究主要還局限于通過背景噪聲的干涉分析獲取擬面波信號,然后根據(jù)面波頻散效應(yīng)反演橫波速度曲線,反演仍然是基于一維正演模型。利用微地震監(jiān)測長期記錄的背景噪聲進行地震干涉分析,獲取地下介質(zhì)的動態(tài)變化信息具有較好的發(fā)展?jié)摿?。圖1 和圖2分別是根據(jù)背景地震噪聲分析獲得的美國洛杉磯海岸盆地地下水水位與相對速度變化時間序列對比結(jié)果,以及地下不同深度相對速度的季節(jié)性變化與地表形變分布[14]。

3.2 綠色震源等地球物理激發(fā)技術(shù)

由于存在對地球自然生態(tài)環(huán)境和人類生存環(huán)境的破壞和污染問題,以及HSE方面的負面影響,炸藥震源的使用越來越受到限制,可控震源逐步成為陸上地震勘探的主要激發(fā)方式[15-16]。

但在某些環(huán)境下,如山地、濕地等復雜地表條件下,可控震源的應(yīng)用受到地表環(huán)境和交通條件的制約。因此,近年來許多研究者積極探索研究綠色震源技術(shù),如電磁脈沖電火花震源、氣槍震源、氣動震源、泥槍震源、高能氣爆震源、氣泡震源、二氧化碳震源等[17-19]。其中二氧化碳震源采用穩(wěn)定的液態(tài)二氧化碳作為激發(fā)源,具有綠色、低碳、安全、可控、高效、經(jīng)濟等優(yōu)點[19]。

也有研究者在積極探索將高鐵運行產(chǎn)生的震動作為一種可用的地震信號源,中國學者正在積極探索建立高鐵地震學[20-23]。

海上地震激發(fā)可能會對海洋生物產(chǎn)生干擾,Sercel公司研發(fā)了有助于保護海洋生物免受高頻聲波干擾與傷害的海上低頻聲波震源Bluepulse[24]。

3.3 節(jié)點地震數(shù)據(jù)采集技術(shù)

近年來,在衛(wèi)星精確授時與定位技術(shù)的加持下,節(jié)點地震儀實現(xiàn)了有效的無纜化獨立自主觀測,突破了有線地震儀連接道數(shù)規(guī)模的限制;在無線通信技術(shù)的加持下,節(jié)點地震儀實現(xiàn)了遠程無線監(jiān)控與數(shù)據(jù)傳輸。節(jié)點地震儀的廣泛應(yīng)用,大大提高了地震勘探對山地等復雜地表條件的適應(yīng)性和靈活性,顯著降低了野外作業(yè)的勞動強度和用工量,提高了地震勘探生產(chǎn)效率,同時顯著提升了野外作業(yè)的HSE性能[25-27]。節(jié)點地震儀不但適用于大規(guī)模的密集采樣三維地震勘探,也適用于非規(guī)則稀疏采樣臺陣的長期地震觀測,還特別適合城市和人類密集居住環(huán)境下的地震觀測。節(jié)點地震儀的發(fā)展朝著體積更小、重量更輕、續(xù)航時間更長、實時數(shù)據(jù)采集和回傳方向發(fā)展。

節(jié)點地震數(shù)據(jù)采集不僅僅是節(jié)點儀器的變革,還將帶來地震勘探數(shù)據(jù)采集模式、數(shù)據(jù)處理模式和數(shù)據(jù)應(yīng)用模式的變革。節(jié)點地震數(shù)據(jù)采集模式的變革將向長時間連續(xù)觀測、主動源與被動源采集相融合、密集采集與稀疏采集共存、實時監(jiān)控與實時回傳、節(jié)點部署與回收機械化輔助等方向發(fā)展,促進陸上地震數(shù)據(jù)采集走向壓縮感知、單點接收、超高密度、超大規(guī)模道數(shù)、可控震源同時激發(fā)的高效混疊采集。節(jié)點地震數(shù)據(jù)處理模式的變革將向自動化處理流程和智能化分析等方向發(fā)展。節(jié)點地震數(shù)據(jù)應(yīng)用模式的變革將向地震數(shù)據(jù)采集處理解釋軟硬件系統(tǒng)一體化、被動源背景噪聲信息深度應(yīng)用、主動源與被動源信號融合應(yīng)用、應(yīng)用場景多樣化等方向發(fā)展。

在地球物理數(shù)據(jù)采集野外作業(yè)中,機器人與無人機的應(yīng)用越來越廣泛。例如,道達爾公司開發(fā)與試驗了一種高度靈活的METIS無人機地震勘探技術(shù)(圖3)[28],它不僅允許進入難以到達的地區(qū),還優(yōu)化了常規(guī)地區(qū)的作業(yè)性能和HSE性能。METIS系統(tǒng)融合了衛(wèi)星遙感、空中物流、自動化、機器人、人工智能和數(shù)字技術(shù),真正重塑了地球物理數(shù)據(jù)采集的作業(yè)模式,使我們能夠比以往任何時候都更快地獲得高密度三維地震成像,同時降低成本,提升對復雜地形地貌的適應(yīng)性,減少環(huán)境足跡,并大幅減少操作人員的HSE風險。該系統(tǒng)主要由支持實時數(shù)據(jù)傳輸?shù)牡卣鸸?jié)點DART、節(jié)點布設(shè)智能無人機、節(jié)點回收運輸無人駕駛汽車、控制中心等部分組成,未來還將包括飛艇。我國物探工作者也開展了一系列無人機在地球物理探測作業(yè)中的應(yīng)用與試驗[29-30],應(yīng)用方式包括地形地貌調(diào)查、接收排列巡查、遙控震源激發(fā)等。

近年來,海底節(jié)點(OBN)地震采集技術(shù)也發(fā)展迅猛,英國ARL、沙特阿美與輝固、BP等國外多家公司研發(fā)與試驗了自動布設(shè)與回收海底節(jié)點的地震采集系統(tǒng),利用無人自動機器人(UAV)布設(shè)和回收海底節(jié)點地震儀[31]。我國東方地球物理公司也開展了利用水下遙控機器人(ROV)布設(shè)海底節(jié)點地震儀的應(yīng)用試驗[32]。

3.4 多物理場融合觀測節(jié)點系統(tǒng)

借助全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)、微電子、智能傳感、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù),當前可以構(gòu)建集電場、電磁場、振動、溫度、鹽度、壓力、位置、時間等感知功能于一體的多物理場融合觀測節(jié)點系統(tǒng)。并且借助于合適的運載工具實現(xiàn)地面、水面、水下、井中不同空間的固定觀測或移動觀測,從而獲得更加豐富的地球探測數(shù)據(jù)和更高的數(shù)據(jù)覆蓋率,為地球物理聯(lián)合反演和綜合解釋奠定基礎(chǔ),克服地球物理反演的非唯一性和地質(zhì)解釋的多解性,提高地下目標探測的精度和準確性。

考慮到海洋探測的特殊性和海洋開發(fā)的大發(fā)展趨勢,海底多物理場融合觀測節(jié)點系統(tǒng)或許會首先得到發(fā)展與應(yīng)用,但大規(guī)模海底節(jié)點的部署與回收、水下與海底精確定位與通信技術(shù)有待進一步發(fā)展。例如,南方科技大學研發(fā)了深海節(jié)點式多地球物理場綜合數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(OBMIX)[33],該系統(tǒng)具有11通道數(shù)據(jù)采集能力,包括三分量地震計、三分量磁通門、水平正交電場和磁棒等,融合了OBS與OBEM等海底觀測設(shè)備的功能,可實現(xiàn)對水深6000m以內(nèi)的地震和電磁信號的同步采集。

3.5 衛(wèi)星遙感與無人機地球物理觀測技術(shù)

近年來空間科學、技術(shù)與應(yīng)用都得到了快速發(fā)展,基于衛(wèi)星平臺的對地觀測成為一種低成本、大范圍、高頻次的地表環(huán)境觀測技術(shù),激光雷達(LiDAR)、干涉合成孔徑雷達(InSAR)、光譜觀測(含可見光與不可見光)等技術(shù)能以較低成本開展地形地貌、地表變形、地表巖石和土壤性質(zhì)、地表氣體泄漏等的觀測與分析[34-36]?？焖侔l(fā)展的無人機成為新的航空遙感觀測平臺,航空與半航空電磁勘探技術(shù)得到發(fā)展,為局部性高分辨率和高精度地球物理觀測提供了良好的低成本平臺[37-38]。

衛(wèi)星遙感與無人機航空地球物理探測具有地形地貌適應(yīng)性強、對作業(yè)區(qū)無影響或影響小、觀測效率高、成本低等優(yōu)勢,積極推進衛(wèi)星遙感與無人機航空地球物理探測技術(shù)發(fā)展和大規(guī)模應(yīng)用,是綠色地球物理探測技術(shù)發(fā)展的一個重要方向。

3.6 快速算法與綠色計算技術(shù)

地球物理正反演計算與數(shù)據(jù)處理高度依賴高性能計算等信息技術(shù),地球物理正演模擬、成像處理和反演處理的計算量大,一般都要依賴超級計算技術(shù)[39-43]。而且正演模擬、成像和反演處理技術(shù)的進步和精度的提高一般都伴隨著計算量的大幅度增長(通常是指數(shù)式增長),服務(wù)于地球物理數(shù)據(jù)處理的計算中心也成為耗電大戶。因此,從地球物理技術(shù)的綠色發(fā)展角度來看,以降低地球物理計算量為目標的正演、成像和反演快速算法,以及高效能、低能耗的綠色計算中心,是未來地球物理計算綠色發(fā)展的重要組成部分。

針對不同探測目標的技術(shù)需求,發(fā)展既滿足精度需求又實現(xiàn)經(jīng)濟快速計算的不同正演模擬、成像和反演算法,是達成地質(zhì)目標的實現(xiàn)、先進技術(shù)的應(yīng)用和生產(chǎn)應(yīng)用的經(jīng)濟性多方面平衡的一個有效策略。構(gòu)建宏觀地球物理模型建立與微觀地球物理模型優(yōu)化更新組成的級聯(lián)式地球物理反演技術(shù)體系,是實現(xiàn)地球物理反演目標、降低反演多解性、增強反演魯棒性、減小反演計算量的主要技術(shù)實現(xiàn)途徑。

3.7 自動化數(shù)據(jù)處理與智能化數(shù)據(jù)分析技術(shù)

智能化是地球物理提高工作效率、縮短工作周期、降低工作成本(特別是人工成本)、降低對人工經(jīng)驗的依賴性、增強數(shù)據(jù)驅(qū)動分析的可靠性、提高解決復雜問題的能力和應(yīng)用效果的重要途徑。提高地球物理的智能化水平,加強智能化技術(shù)與地球物理數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)分析技術(shù)的深度融合,可以有效推進地球物理技術(shù)進步,創(chuàng)新地球物理技術(shù)產(chǎn)品和服務(wù)形態(tài),擴大地球物理服務(wù)領(lǐng)域,為地球物理尋找更加廣闊、更加光明的發(fā)展空間。

地球物理智能化重點體現(xiàn)在自動化處理和智能化解釋兩個方面,其智能化發(fā)展應(yīng)走功能自動化、流程自動化和系統(tǒng)智能化的路線,最終建立數(shù)據(jù)驅(qū)動的完整功能與業(yè)務(wù)流程、自我進化的智能化系統(tǒng)、可視化與虛擬現(xiàn)實實時協(xié)同工作環(huán)境,實現(xiàn)知識積累與共享,重點發(fā)展數(shù)據(jù)驅(qū)動型、增量式、自動化處理技術(shù)和可視化、全信息、智能化解釋技術(shù)[8]。如果將數(shù)據(jù)采集業(yè)務(wù)考慮在內(nèi),則地球物理應(yīng)通過數(shù)字化轉(zhuǎn)型走向?qū)崟r數(shù)據(jù)采集、自動化處理、智能化解釋,其目標包括全感知、全聯(lián)接、全智能、全場景、全流程和平臺化6個關(guān)鍵特征[44]。

3.8 基于光纖聲波傳感的永久監(jiān)測系統(tǒng)

隨著光電技術(shù)的發(fā)展,基于物理場對光信號的作用機理發(fā)展起來的光纖傳感技術(shù)為物理感知提供了新的解決方案。分布式光纖聲波傳感(DAS)技術(shù)是一種基于相位敏感光時域反射、利用光纖后向瑞利散射干涉效應(yīng)實現(xiàn)聲波信號連續(xù)分布式探測的新型傳感技術(shù),可以提供高精度的地震波形信息,成為一種地震波場觀測新技術(shù)。DAS系統(tǒng)可探測亞納級應(yīng)變,響應(yīng)頻帶覆蓋次聲頻段至超聲頻段,可應(yīng)用于地震波、微振動和微應(yīng)變等分布式測量,在資源勘探、地震監(jiān)測、管道安全、周界安全及重大工程結(jié)構(gòu)健康等領(lǐng)域中應(yīng)用潛力巨大[45-48]。

DAS監(jiān)測技術(shù)具有觀測密度高、部署成本低、惡劣環(huán)境適應(yīng)性強等優(yōu)勢,特別適用于埋藏式部署、永久性觀測等應(yīng)用場景,如油氣藏開發(fā)動態(tài)監(jiān)測、二氧化碳地質(zhì)封存監(jiān)測、大型工程安全性監(jiān)測、自然災(zāi)害監(jiān)測等,這樣既可以提高地震監(jiān)測的可重復性,又可以通過重復性觀測(時移觀測)監(jiān)測地下介質(zhì)的時變性異常。

在油氣勘探開發(fā)領(lǐng)域,近年來在井中VSP、地面地震、時延或永久油藏監(jiān)測、水力壓裂監(jiān)測等方面開展了DAS試驗和應(yīng)用,取得了初步成功,基于DAS技術(shù)的井中地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有全井段、高密度、高效率、耐高溫、耐高壓和低成本等優(yōu)勢[47-48]。斯倫貝謝公司的Optiq光纖井中地震系統(tǒng)將VSP采集作業(yè)所需的時間從傳統(tǒng)的數(shù)小時縮短到幾分鐘,在提高作業(yè)效率和分辨率的同時,降低了環(huán)境影響和風險[49]。Silixa公司的Carina光纖傳感系統(tǒng)首次實現(xiàn)了低成本高分辨率深水井中永久油藏監(jiān)測[50]。沙特阿美公司利用DAS系統(tǒng)監(jiān)測CO2提高采收率(CO2-EOR)項目,聯(lián)合應(yīng)用全波形反演和機器學習進行數(shù)據(jù)處理,對氣體流動路徑進行了有意義的解釋[51]。

3.9 低成本地球物理技術(shù)

低成本是綠色地球物理技術(shù)發(fā)展的一個重要方向。低成本最重要的體現(xiàn)是地球物理探測數(shù)據(jù)采集的低成本,大幅度降低地球物理數(shù)據(jù)采集儀器裝備和野外作業(yè)成本是其中的主要方面。實現(xiàn)地球物理低成本的主要途徑包括:降低儀器裝備成本,減少野外作業(yè)勞動用工,提高勞動效率以縮短工期,減少能源和材料物資消耗,降低或徹底消除野外施工環(huán)境破壞賠償和恢復費用,降低數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)處理與資料分析解釋計算成本與人工成本等;采用壓縮感知地球物理數(shù)據(jù)采集新技術(shù);采用與探測目標與目的相適應(yīng)的觀測密度、觀測精度與計算精度;采用成本較低的重磁電綜合地球物理勘探技術(shù)、效率較高的航空地球物理探測技術(shù),按地質(zhì)目標與問題選擇合理的方法技術(shù)和勘探程序,以降低整體應(yīng)用成本。地球觀測數(shù)據(jù)資源的共享、開源軟硬件資源的應(yīng)用,是低成本地球物理技術(shù)發(fā)展的另一個重要方向。

對于永久性或長期性監(jiān)測應(yīng)用場景,永久性部署DAS觀測系統(tǒng)、建立地球物理監(jiān)測數(shù)據(jù)采集和自動化數(shù)據(jù)處理軟硬件一體化系統(tǒng)是低成本地球物理監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)展的一個重要方向。

4 地球物理技術(shù)綠色服務(wù)領(lǐng)域發(fā)展展望

在聯(lián)合國成立70周年之際,2015年9月25日聯(lián)合國大會通過了第70/1號文件《變革我們的世界:2030年可持續(xù)發(fā)展議程》[52],提出了到2030年要實現(xiàn)17個可持續(xù)發(fā)展目標和169個具體目標,呼吁所有國家行動起來,在促進經(jīng)濟繁榮的同時保護地球。在這17個可持續(xù)發(fā)展目標中(圖4),絕大多數(shù)與地球科學和地球物理學科密切相關(guān);幾乎每一個目標都與能源行業(yè)息息相關(guān),其中關(guān)系最為密切的是目標7(經(jīng)濟適用的清潔能源)、目標9(產(chǎn)業(yè)、創(chuàng)新和基礎(chǔ)設(shè)施)、目標12(負責任的消費和生產(chǎn))和目標13(氣候行動)。

圖4 聯(lián)合國《2030年可持續(xù)發(fā)展議程》17個可持續(xù)發(fā)展目標

作為地球物理學科或行業(yè),全球可持續(xù)發(fā)展目標與我們息息相關(guān)。有些可持續(xù)發(fā)展目標的實現(xiàn)將對能源行業(yè)或地球物理行業(yè)產(chǎn)生重大影響,或為能源行業(yè)或地球物理行業(yè)的發(fā)展提供了難得的機遇,或需要地球物理技術(shù)的支撐和使能。因此,地球物理學科或行業(yè)應(yīng)積極順應(yīng)全球可持續(xù)發(fā)展目標的形勢要求,認真履行地球物理行業(yè)的使命和擔當,充分發(fā)揮地球物理技術(shù)對全球可持續(xù)發(fā)展的使能價值,提升地球物理技術(shù)對社會、經(jīng)濟和環(huán)境系統(tǒng)的價值和重要性,也為地球物理行業(yè)自身的長期可持續(xù)發(fā)展營造良好的外部環(huán)境和內(nèi)部動力,為年輕一代地球物理科技人員職業(yè)生涯發(fā)展創(chuàng)造更加廣闊的空間。

國際勘探地球物理學會(SEG)在這方面做了有益的探索工作,他們將地球物理或地球物理學家定位為價值創(chuàng)造者,將地球物理應(yīng)用與實踐映射到17個可持續(xù)發(fā)展目標上,形成了地球物理可持續(xù)發(fā)展地圖冊[53]。美國地球物理聯(lián)合會(AGU)也與聯(lián)合國科教文組織(UNESCO)聯(lián)合編寫了《地球科學在行動:推進可持續(xù)發(fā)展》報告[54],以引導全球超過40萬地學科技工作者實現(xiàn)從傳統(tǒng)油氣和礦產(chǎn)勘探開發(fā)領(lǐng)域向更廣義的能源、自然資源和可持續(xù)發(fā)展領(lǐng)域轉(zhuǎn)型。隨著地球物理技術(shù)的發(fā)展,地球物理在人類的生存與發(fā)展中必將發(fā)揮越來越重要的作用,地球物理專業(yè)人才的就業(yè)領(lǐng)域也將隨之不斷擴大,更加廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域、學科交叉和技術(shù)的綜合應(yīng)用也對地球物理從業(yè)人員的知識體系和技術(shù)素質(zhì)提出了更高的要求。

因此,除上述綠色地球物理技術(shù)發(fā)展方向外,地球物理技術(shù)在綠色低碳與可持續(xù)發(fā)展領(lǐng)域的應(yīng)用服務(wù)也將成為地球物理綠色發(fā)展的一個重要方向。綠色低碳與可持續(xù)發(fā)展領(lǐng)域地球物理技術(shù)應(yīng)用主要包括:自然災(zāi)害預(yù)測與預(yù)防、全球氣候變化治理、生態(tài)環(huán)境監(jiān)測與保護、人居環(huán)境建設(shè)與保護、綠色能源勘探開發(fā)、自然資源調(diào)查與利用等,具體應(yīng)用在此不再贅述,有待另文專題介紹。

5 結(jié)束語

大力發(fā)展綠色地球物理技術(shù)是我們地球物理行業(yè)未來面臨的一個重要任務(wù)。綠色地球物理技術(shù)發(fā)展既是地球物理技術(shù)發(fā)展的內(nèi)在需求,也是人類社會綠色低碳與可持續(xù)發(fā)展對地球物理的外在要求。綠色地球物理技術(shù)可以分為兩個層次,第一層次是環(huán)境友好的地球物理技術(shù)(狹義的綠色地球物理技術(shù)),第二層次是服務(wù)于綠色低碳與可持續(xù)發(fā)展領(lǐng)域的地球物理技術(shù)(廣義的綠色地球物理技術(shù))。

綠色地球物理技術(shù)一般具有環(huán)境友好、環(huán)境適應(yīng)性強、高安全性、能源消耗低、資源消耗低、高效率、低成本、無損傷等關(guān)鍵特征。環(huán)境友好的地球物理技術(shù)由綠色裝備、綠色采集作業(yè)技術(shù)、綠色計算技術(shù)、綠色分析技術(shù)和綠色系統(tǒng)等組成。

綠色地球物理技術(shù)的未來發(fā)展包括如下主要方向:被動源地球物理探測技術(shù)、綠色震源等地球物理激發(fā)技術(shù)、節(jié)點地震數(shù)據(jù)采集技術(shù)、多物理場融合觀測節(jié)點系統(tǒng)、衛(wèi)星遙感與無人機地球物理觀測技術(shù)、快速算法與綠色計算技術(shù)、自動化數(shù)據(jù)處理與智能化數(shù)據(jù)分析技術(shù)、基于DAS的永久監(jiān)測系統(tǒng)、低成本地球物理技術(shù)等。

除上述綠色地球物理技術(shù)發(fā)展方向外,地球物理技術(shù)在自然災(zāi)害預(yù)測與預(yù)防、全球氣候變化治理、生態(tài)環(huán)境監(jiān)測與保護、人居環(huán)境建設(shè)與保護、綠色能源勘探開發(fā)、自然資源調(diào)查與利用等領(lǐng)域中的應(yīng)用,也將成為地球物理綠色發(fā)展的重要方向。綠色地球物理技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用,必將提升地球物理技術(shù)在世界經(jīng)濟與社會可持續(xù)發(fā)展中的地位與作用,為人類的平安健康生存、快樂高質(zhì)量生活和可持續(xù)發(fā)展作出我們的獨特貢獻,這是新時代賦予地球物理科技工作者的神圣使命。