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極低頻探地工程 既能地下尋寶也能地下“捉妖”
2020-11-30 07:19:53 來源: 科技日報
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  “極低頻探地(WEM)工程”,已經通過了國家驗收和科技成果鑒定,具備運行條件。該成果可用于地層結構、地下資源和海底資源探測,地震預測等領域研究和應用,具有重大戰略意義。

  最近,我國重大科技工程捷報頻傳。天問一號火星探測器已飛到6000萬公裏之外,將實施我國首次火星探測任務;嫦娥五號月球探測器成功發射,將取回第一份屬于中國人的月球樣品;奮鬥者號全海深載人潛水器再創中國載人深潛紀錄,並完成世界首次載人潛水器與著陸器在萬米海底的聯合作業……

  在巡天、探海任務不斷取得進展時,許多人可能會忽視,我們對腳下的地球深處,所知還很有限——不僅對地下10公裏內蘊藏的礦産和石油探測困難,對地震災害也很難預知。

  習近平總書記在全國科技創新大會上指出:“從理論上講,地球內部可利用的成礦空間分布在從地表到地下1萬米,目前世界先進水平勘探開採深度已達2500米至4000米,而我國大多小于500米,向地球深部進軍是我們必須解決的戰略科技問題。”

  總書記的話,讓一群默默無聞從事探地研究的科技工作者備受鼓舞。記者從中國船舶集團公司所屬中國艦船研究院獲悉,由該院聯合中國船舶集團722所、中國地震局地質研究所、中國科學院地質與地球物理研究所,攻關多年共同完成的“十一五”國家重大科學技術基礎設施項目“極低頻探地(WEM)工程”,已經通過了國家驗收和科技成果鑒定,具備運行條件。

  據悉,該成果可用于地層結構、地下資源和海底資源探測,地震預測等領域研究和應用,具有重大戰略意義。

  一次試驗帶來的啟發

  電磁波是人類探測地質的重要手段。

  早在20世紀50年代,國外就發明了用空中雷電探測地質的方法。雷電有大量極低的頻率,可以穿透較深地層,但隨機性強、探測誤差大。

  20世紀70年代後,人們又發明了可控人工源電磁法,沿用至今。這種方法探測精度大大提高,但探測距離只有10至20公裏,探測深度僅在1.5公裏之內。

  長期從事艦船通信技術研究的中國工程院院士陸建勳,1999年跟地震局地質所研究員趙國澤一起與俄羅斯科學院合作,利用俄方發射的大功率超低頻信號,在距離發射臺6500公裏之外的河北懷來,記錄了一次4.2級地震的前兆信息。

  陸建勳由此受到了啟發。

  他推斷,如果把軍用地-電離層波導傳輸技術從超低頻(30Hz—300Hz)向下發展到極低頻(3Hz—30Hz)以及至低頻(0.03Hz—3Hz),進而用于民用深層地質探測,將會實現一種全新的地質探測新技術。他將這種技術稱為“無線電磁法”(WEM法)。

  當時,美國只將這項技術用于軍事通信。俄羅斯雖然把該技術作為民用,但最低只試驗到1.3Hz。要解決1Hz以下至低頻的超遠距離傳播,難度極大。

  2000年開始,陸建勳和中國地震局馬宗晉院士合作,帶領團隊開展了《利用極低頻/超低頻無線電波進行地震預報及地下資源探測係統的方案研究》。

  極低頻(0.1Hz—300Hz)的波長為300萬公裏至1000公裏。由于波長極長,可以在周圍衍射,因而不會被山脈等阻擋,還可繞地球傳播。同時,波長越長對介質穿透越深,因此極低頻可以遠在數千公裏外,探測到10公裏的下深處,或穿透數百米的海水。

  在中國工程院大力推薦、國務院領導批示下,國家發改委于2010年批復項目建議書,將WEM工程列為“十一五”國家重大科學技術基礎設施建設項目之一。

  做別人沒有做過的東西

  WEM工程是一項創新性項目,國外沒有同類項目可以借鑒。作為工程首席科學家,陸建勳認為,搞創新就要做別人沒有做過的東西。

  他深入一線親力親為。工程的可行性研究、初步設計、主要技術指標、關鍵技術,測試結果等,他都親自審查和把關。

  目前,該項工程完成了係統總體、發射係統、資源探測、地震預測、場強指標、地質災害監測、大陸架探測等各項科學試驗,驗證了其在資源探測、地震預測方面發揮的作用。

  2015年12月,世界上首座民用極低頻大功率發射臺站建成。為驗證極低頻理論計算,科研團隊西到新疆奎屯,北到黑龍江漠河,跑遍全國開展各種頻率場強的測試;從大連到東沙,他們又進行了從數十米到數百米水深的極低頻水下電磁場數據測試。隨後項目團隊又與國外合作,成功在6000公裏以外距離,有效接收到國內發射的極低頻電磁波信號。

  2020年1月,WEM工程國家驗收意見寫道:“該項目是我國軍事無線電通信技術與地球物理跨學科交叉的創新産物,突破了0.1Hz—30Hz的極低頻發射難題,工程技術性能指標全面達到批復要求,成果原創性強,整體技術達到國際領先水平。”

  在2020年9月舉行的WEM工程科技成果鑒定會上專家指出,極低頻探地工程是我國自主創新工程之一,工程建設沒有國外同類工程或項目可借鑒,同時涉及無線電、地球物理等多門學科,技術廣度寬、難度大,提出的WEM法和相關研究應用成果取得多項突破性進展,擁有多項自主産權,總體性能達到國際領先水平,具有重大經濟效益、社會價值和廣闊的推廣應用前景。

  以創新手段向地球深部進軍

  WEM工程項目為我國地下深層礦産、石油、天然氣的開發以及地震預測預報研究提供了全新的探測方法,也為我國海洋和大陸架資源的探測提供了高效的技術手段。

  在地下資源探測方面,項目團隊建立了電離層-大氣層-地殼電磁波耦合模型,解決了超大范圍組網式三維極低頻電磁波深部資源探測難題。利用WEM法進行300至1000公裏三處已知礦藏斷面深達10公裏的對比探測,測得的數據與原有數據完全相符,首次實現了人工源大面積、遠距離、大深度的油氣礦産資源探測新技術。

  通過多年建設,項目團隊在我國地震重點災害預防區建成了30余個電磁觀測站,初步形成首都圈和南北地震帶南段的極低頻地震電磁觀測臺網,使得人工源和天然源電磁場可以同時觀測電磁場和地下結構變化。這些臺站和電磁觀測站既可以監測地震引起的空間電磁場異常、震源區附近的大地電阻率異常,也可以監測電磁場和電阻率在時間上的變化規律,實現真正的四維觀測,極大提高了對地震前兆異常的識別和捕捉能力,例如利用鄰近觀測點曾記錄了九寨溝7級地震和多次余震的地震前兆數據,有助于地震預測的前兆研究。

  目前極低頻臺網已並入中國地震前兆管理係統。2018年4月11日山東平邑發生3.1級地震之前,該係統基于2個臺站觀測的震前視電阻率異常現象,正式提出的地震預測意見得到證實。

  經過20年奮鬥,WEM工程建設已取得豐碩成果。記者了解到,項目團隊即將進入第二階段工作,爭取用更先進的信息技術,實現更廣范圍、更大規模、更高技術指標的“極低頻深地、深海探測(WEM-Ⅱ)工程”,為我國的深地、深海資源探測、地震預測及其他前沿科學研究及應用,提供新的技術手段和開放性的公共服務平臺。(汪 濤 記者 付毅飛)

【糾錯】 責任編輯: 周楚卿
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