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中南大學(xué)何繼善院士研究團(tuán)隊(duì)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(shí)產(chǎn)權(quán)的大深度高精度探測技術(shù)與裝備，實(shí)現(xiàn)了電磁法由粗放到精細(xì)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(xiàng)目榮獲2018年度國家技術(shù)發(fā)明獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)。 ━━━━ 礦產(chǎn)資源是人類發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，地球深部蘊(yùn)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(jìn)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(dāng)今勘探地球物理學(xué)的研究熱點(diǎn)。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(yīng)，不同周期的電磁場信號(hào)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(hào)微弱且隨機(jī)，導(dǎo)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(yuǎn)的地方（遠(yuǎn)區(qū)）電磁波接近平面波，把人工場源電磁場表達(dá)式簡化，計(jì)算得到視電阻率參數(shù)。CSAMT的信號(hào)強(qiáng)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?zé)嵋约八摹h(huán)境等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)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(fù)雜，一個(gè)多世紀(jì)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(fù)雜方程嚴(yán)格求解，而是假設(shè)在遠(yuǎn)區(qū)，將高次項(xiàng)省略掉，近似地簡化為平面波區(qū)的表達(dá)式，進(jìn)而采用只在平面波區(qū)成立的視電阻率計(jì)算公式，導(dǎo)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(chǔ)上。針對傳統(tǒng)電磁法存在的不足，何繼善院士團(tuán)隊(duì)首次嚴(yán)格從電磁波方程出發(fā)，定義了嚴(yán)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(hào)高效發(fā)射、頻譜周期信號(hào)快速提取等多項(xiàng)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(shí)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?zé)峒懊旱V水害探測等領(lǐng)域中成功應(yīng)用，取得理論-方法-技術(shù)-裝備-應(yīng)用的全創(chuàng)新鏈成果，實(shí)現(xiàn)了電磁法由粗放到精細(xì)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(jì)發(fā)展和社會(huì)安全提供了有效支撐。人工源頻率域電磁法的“領(lǐng)跑者”。項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)在國際上首次嚴(yán)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(yīng)）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(yuǎn)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(yuǎn)區(qū)”測量的思想。廣域電磁法公式嚴(yán)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(hào)以r3衰減，信號(hào)強(qiáng)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(lǐng)跑者”。 發(fā)明了廣域電磁法儀器系統(tǒng)。項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)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(yīng)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(shí)現(xiàn)了強(qiáng)干擾條件下電磁信號(hào)的高信噪比-高精度-快速測量；實(shí)現(xiàn)了分布式接收機(jī)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(qiáng)信號(hào)、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(xì)的儀器設(shè)計(jì)思想，采用大規(guī)?，F(xiàn)場可編程門陣列技術(shù)實(shí)現(xiàn)寬頻帶頻譜信號(hào)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(shí)現(xiàn)寬頻帶、高頻率密度、大電流電磁信號(hào)發(fā)射。接收機(jī)采用精密低噪聲模擬信號(hào)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(shí)現(xiàn)高精度全波形電磁信號(hào)采集；在高精度浮點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理器上實(shí)現(xiàn)數(shù)字相干技術(shù)，快速提取電磁信號(hào)振幅和相位參數(shù)，壓制同頻干擾，極大的提高了信噪比。 實(shí)現(xiàn)由“去噪”到“解噪”的思維轉(zhuǎn)變。項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)首次基于傅里葉反變換和勒讓德多項(xiàng)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(shí)現(xiàn)了信號(hào)-噪聲的高度分離，獲得主頻及其諧波信號(hào)，顛覆了傳統(tǒng)的只提取主頻信號(hào)的濾波“去噪”方法，頻率數(shù)據(jù)密度比國際先進(jìn)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(gè)瓶頸：一是采用“變頻法”，需要逐一改變激勵(lì)場源的電流頻率實(shí)現(xiàn)測深，并通過長時(shí)間疊加提高單一頻率的信噪比，工作效率低，難以實(shí)現(xiàn)高頻譜密度測量；二是采用統(tǒng)計(jì)法或?yàn)V波法“去噪”，無法評估噪聲對同頻信號(hào)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(diǎn)：噪聲存在于整個(gè)頻譜；發(fā)射頻率的個(gè)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(xiàng)目團(tuán)隊(duì)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(hào)，攻克了同頻干擾去噪難題，實(shí)現(xiàn)了信號(hào)-噪聲高度分離，除了獲得的發(fā)射頻率信號(hào)外，還額外獲得了大量（發(fā)射頻率個(gè)數(shù)的5倍以上）的諧波信號(hào)，極地提高頻率數(shù)據(jù)密度，顛覆了傳統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)法或?yàn)V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(hào)提?。海?）周期部分（頻率域信號(hào)提?。?。將主頻及其諧波頻譜置零，由相鄰頻點(diǎn)插值得到新的頻譜；基于離散小波變換將預(yù)處理后的頻譜分成低頻和高頻部分；基于希爾伯特變換識(shí)別高頻部分的上包絡(luò)線，并與低頻部分重構(gòu)得到頻譜的整體上包絡(luò)線，即為噪聲的頻譜；最后根據(jù)包絡(luò)線與對應(yīng)主頻及其諧波振幅的比值計(jì)算噪聲的影響幅度，篩選出高信噪比的主頻和諧波信號(hào)。（2）非周期部分（時(shí)間域信號(hào)提取）。基于連續(xù)小波變換，獲得非周期信號(hào)的能量分布信息，選擇高斯噪聲位置為重構(gòu)點(diǎn)，基于傅里葉反變換和勒讓德多項(xiàng)式聯(lián)合逼近方法構(gòu)造超定方程組，獨(dú)樹一幟地采用反演方法求解噪聲在主頻及其諧波的貢獻(xiàn)，主頻及其諧波的頻譜減去噪聲頻譜，最終獲得有效信號(hào)頻譜。資源安全是實(shí)現(xiàn)“兩個(gè)一百年”奮斗目標(biāo)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(gè)世紀(jì)沿襲大地電磁法視電阻率計(jì)算公式的歷史，發(fā)明了可在不限于“遠(yuǎn)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(yuǎn)區(qū)”測量的思想，為電磁勘探開辟了嶄新的研究領(lǐng)域，有力地推動(dòng)了電磁地球物理學(xué)的進(jìn)步。另一方面，項(xiàng)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(shí)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(shí)現(xiàn)了電磁法由粗放到精細(xì)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(chǔ)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(xiàng)目研究成果已在中國石油天然氣集團(tuán)有限公司、中國石油化工集團(tuán)公司、中國地質(zhì)調(diào)查局、神華集團(tuán)有限責(zé)任公司、中國華電集團(tuán)有限公司等50多家單位成功應(yīng)用，在頁巖氣、常規(guī)油氣、生物氣、地?zé)?、固體礦產(chǎn)及煤礦水害等勘探工作中全面推廣應(yīng)用，有力地推動(dòng)了我國勘探行業(yè)進(jìn)步。建立了適合我國國情和復(fù)雜地質(zhì)-地表?xiàng)l件的頁巖氣預(yù)測評價(jià)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(zāi)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(chǔ)量4641.22億立方米；獲得常規(guī)油氣地質(zhì)儲(chǔ)量1.86億噸；獲得生物氣儲(chǔ)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(jì)發(fā)展和社會(huì)安全提供了有力支撐。 研究團(tuán)隊(duì)依托項(xiàng)目培養(yǎng)了50多名博士和碩士研究生，何繼善院士多次擔(dān)任國際會(huì)議的名譽(yù)主席，并成功舉辦了第十二屆中國國際地球電磁學(xué)術(shù)研討會(huì)，在國內(nèi)外產(chǎn)生了積極影響，提高了我國地球物理學(xué)的國際聲譽(yù)。 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(jī)信號(hào)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(jī)多頻激電儀等，并在推廣應(yīng)用中獲得了巨大社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。偽隨機(jī)信號(hào)電法的技術(shù)核心是：發(fā)送機(jī)將不同頻率的電流波形合成為偽隨機(jī)電流后向地下供電，接收機(jī)同時(shí)接收這些頻率經(jīng)大地后的響應(yīng)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(jī)電流波形的特點(diǎn)是：具有周期性，可以重復(fù)產(chǎn)生；主頻率的頻比固定，在對數(shù)坐標(biāo)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(qiáng)、相對觀測精度高、異?？煽康葍?yōu)點(diǎn)，偽隨機(jī)信號(hào)電法已發(fā)展出雙頻道、三頻道、偽隨機(jī)多頻道頻譜激電和電磁法，在多個(gè)領(lǐng)域獲得廣泛而成功的應(yīng)用?！熬鶆驈V譜偽隨機(jī)電磁法理論及應(yīng)用研究”2006年獲國家技術(shù)發(fā)明二等獎(jiǎng)；“我國雙頻激電研究與應(yīng)用”1995年獲國家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)；“雙頻激電法”2005年被中國地質(zhì)調(diào)查局列為重點(diǎn)推廣技術(shù)。在國內(nèi)外電磁勘探領(lǐng)域獨(dú)樹一幟，具有鮮明的中國特色。致謝：感謝國家自然科學(xué)基金科學(xué)儀器基礎(chǔ)研究專項(xiàng)“廣域電磁測深儀的基礎(chǔ)研究”（項(xiàng)目編號(hào)：40827002）、湖南省重大科技專項(xiàng)“湖南頁巖氣資源潛力評價(jià)與電磁探測系統(tǒng)研發(fā)”（項(xiàng)目編號(hào)：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(xiàng)目編號(hào)：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(biāo)識(shí)別技術(shù)研究與應(yīng)用”（項(xiàng)目編號(hào)：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(xiàng)目編號(hào)：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(xué)教授。
李帝銓：副教授，中南大學(xué)地球科學(xué)與信息物理學(xué)院。 IEEE Spectrum 《科技縱覽》 官方微信公眾平臺(tái) >>>本文為原創(chuàng)，轉(zhuǎn)載請回復(fù)。<<<
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