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
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%到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。
1月8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CSAMT的5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”和“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”。