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地球物理勘探技術首獲國家技術發明獎一等獎 三維探測透視地下復雜場景

發布時間:2019-08-14 11:10

歷時22年,中國工程院院士、著名地球物理學家何繼善和他的團隊研究的大深度高精度廣域電磁勘探技術與裝備項目取得豐碩成果,推動了電磁法理論、技術與儀器裝備的變革,解決了傳統人工源電磁法只能近似計算視電阻率的世紀難題,為增加我國能源與礦產資源儲量帶來巨大效益

 

  一些人認為我們能達到國外水平的99%,或者優于1%10%就很不錯了,怎么可能超過5倍多呢?科學研究應是對前人成果的尊重和學習,但絕不能盲從。中國工程院院士、著名地球物理學家何繼善感慨,科研成果來之不易,不能只停留在引進和推廣國外的儀器與技術,而是要進一步在理論上鉆研突破,指導應用創新。

 

  18日,在國家科學技術獎勵大會上,由何繼善院士領銜的中南大學團隊憑借大深度高精度廣域電磁勘探技術與裝備項目摘取國家技術發明獎一等獎,這也是地球物理勘探技術領域首獲殊榮。

 

摒棄舊路

 

  我國經濟持續快速發展,對礦產資源的需求不斷增加,但埋藏淺、規模大、找礦條件簡單的礦產資源越來越少。地下巖石堅硬復雜,深地探測異常艱難。30萬公里外的月球探測和海洋最深的馬里亞納海溝探測均已實現,但1.3萬米的地下深井全世界至今也沒有。何繼善告訴經濟日報記者。

 

  加強深部礦產資源勘查,對于經濟社會發展具有重要現實意義。何繼善介紹,深地物理探測必須依賴地面裝置透視地球,一是用聲波,類似給地球做B超;二是用電磁波,類似給地球做CT。這兩種方法用于測量不同的物理量,二者缺一不可。

 

  不過,由于地球是非均勻、強耗散介質組成,地下電磁波的傳播方程求解困難重重。1971年,加拿大學者Goldstein將這種復雜的曲面波方程簡化為平面波方程,近似獲得用于反映巖石和礦石等導電性變化的視電阻率參數,從而建立人工信號源電磁勘探法測定地下電阻率理論,形成可控源音頻大地電磁法,簡稱CSAMT

 

  近半個世紀以來,該方法幾乎壟斷了所有人工源頻率域電磁法勘探市場,我國的CSAMT勘探投入也超過百億元。何繼善認為,深地探測要求探得深、探得精、探得準,在方法理論、探測技術和儀器裝備3個方面均存在巨大挑戰,而國際領先的CSAMT無法滿足目前我國深地探測戰略的需求。唯一的出路是拋棄平面波思維,建立全新的曲面波電磁勘探理論,推動電磁勘探技術與裝備的變革。

 

  歷時22年,這場推動電磁法理論、技術與儀器裝備走向變革的創新終于開花結果:團隊嚴格求解電磁波在地下的傳播方程,創立了全新的廣域電磁法理論,發明了有源周期電磁信號有效信息高效提取技術,搭建起高精度電磁勘探技術裝備及工程化系統,解決了傳統人工源電磁法只能近似計算視電阻率的世紀難題,實現強干擾環境下電磁信號的高信噪比測量,探測深度、分辨率和信號強度分別是CSAMT5倍、8倍和125倍,最大探測深度超過8公里。

 

  地下場景千變萬化,廣域電磁法能夠做到三維探測,在野外獲取大量數據后,再把數據反演成地下的實際構造,從而實現精準找礦。何繼善解釋道。

 

堅守初心

 

  美國著名地球物理學家弗蘭克·莫里森說,在地球物理學界,既懂方法原理,又懂研制儀器的,世界上只有兩個人,何繼善就是其中一個。

 

  何繼善對記者說,科研過程中最大的困難是沒有知音。他回憶起有一次帶著廣域電磁法科研成果去國外講學,有人對他說:“CSAMT確實存在不足,但是我們從沒想過推翻它,只想做一些改進。

 

  在國內,我們也都是先學習了國外已有的電磁法體系后直接拿來使用。何繼善說。

 

  即便大多數的不敢言不敢為充斥耳旁,何繼善與他的團隊卻從未想過放棄。從理論上獲得突破后,團隊又不斷改進儀器裝備,對探測數據進行檢驗。何繼善說,只有堅持不懈地應用與試驗,才能在業內推廣。

 

  2013年,安徽冬瓜山礦區上演了一場令地球物理界震撼的物探擂臺賽”——全國14家單位在冬瓜山開展《危機礦山電磁方法有效性比對》項目,試驗了5大類電磁法,通過10種國內外儀器在現場1公里深的地下進行勘探,形成47個采集方案。最終,所有歐美先進儀器的測量精度均達不到規范要求。

 

  唯有我們的方法是成功的。何繼善自豪地說,這是自己最為難忘的一次勘探,廣域電磁法所用電流僅為西方先進儀器的五分之一,卻在冬瓜山輕松測得有效數據,平均測量誤差0.96%,是CSAMT的六十四分之一,與已知的地質資料吻合,并在已知礦體旁邊發現了新的異常,一舉打破西方儀器的神話

 

  該發明于2015年起被列入中國地質調查局招標體系,在中石油、中石化、地調局等50多家單位成功應用,潛在經濟價值超過1.5萬億元。

 

  長慶油田彭陽地區一直以來油氣儲層描述不清,鉆井成功率不高,該發明優選出9個新的勘探目標區,提交地質儲量1000萬噸;朱溪鎢銅礦儲量世界第一,但第二找礦空間的關鍵地質問題未能得到有效解決,該發明首次揭示了礦區控巖控礦構造,為深部找礦提供了關鍵依據……

 

  探索不止

 

  盡管廣域電磁法比起西方電磁方法和儀器都提升了很大一步,但是科學技術的創新與發展沒有止境,我們永遠在路上。在何繼善看來,廣域電磁法在國家能源探測利用方面具有戰略意義,大有前景。

 

  如今,裝備推廣應用探明了一批常規石油天然氣、頁巖氣以及礦產資源儲藏區域,查清了一批煤礦水害分布,解放了一大片煤炭資源,為進一步增加我國能源與礦產資源儲量帶來巨大的社會效益,也為地質災害的防治提供了科學依據。

 

  當談到廣域電磁法在頁巖氣勘探方面的重大進展時,何繼善以他的家鄉湖南舉例道:湖南省頁巖氣的地質資源可采量有2.5萬億方,而湖南每年消耗的天然氣只有十幾億方,我們國家常規天然氣一年的總產量也就1000億方多一點,想想看這是什么概念。他告訴記者,頁巖氣的開發與利用對國家建設尤為重要,一旦我們自己能開采出來,能改變長期以來北煤南運、西氣東輸的格局,這將是我國能源史上的一次革命

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