來源：中國船舶 日期：2020-11-04 字體：
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近年來，我國空間科學(xué)技術(shù)發(fā)展迅速，人類通過探月工程登陸了遙遠的月球背面，火星探測儀也飛躍數(shù)千萬公里助力人類探索新的星球，然而，人類對自己腳下地球深部10公里內(nèi)蘊藏的豐富礦產(chǎn)和石油的探測卻困難重重，地震災(zāi)害也很難預(yù)知。
日前，由中國船舶集團七院聯(lián)合七二二所、中國地震局地質(zhì)研究所和中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所攻關(guān)多年共同完成的 “十一五”國家重大科學(xué)技術(shù)基礎(chǔ)設(shè)施項目——“極低頻探地(WEM)工程”通過了國家驗收和科技成果鑒定，使得我國在深地、深海探測，地震災(zāi)害預(yù)警等方面的研究取得了重大創(chuàng)新與突破。
開啟人類用電磁探地新方法
早在20世紀50年代，國外就發(fā)明了用空中雷電探測地質(zhì)的方法，雷電有大量極低的頻率，可以穿透地層很深，但隨機性太強、探測誤差大。20世紀70年代后，人們又發(fā)明了可控人工源電磁法，探測精度大大提高，并沿用至今。但可控人工源電磁法的探測距離只有10公里~20公里，探測深度1公里~1.5公里, 且發(fā)射系統(tǒng)與電源設(shè)備笨重，價格昂貴，我國曾大量從德國、加拿大進口此類設(shè)備，近年來開始進行少量自主研制。
隨著我國經(jīng)濟快速發(fā)展，亟需對地下礦產(chǎn)和油氣資源進行精準探測，并提前預(yù)警頻繁的地震災(zāi)害——這迫切需要我們發(fā)展新的對地探測技術(shù)。中國工程院院士、“極低頻探地（WEM）工程”項目首席科學(xué)家陸建勛，長期從事艦船通信技術(shù)研究，熟悉美、俄等國超低頻軍事無線通信的研究動態(tài)，在此領(lǐng)域進行了長期有效的探索與實踐。
1999年，陸建勛和地震局地質(zhì)所研究員趙國澤與俄羅斯科學(xué)院合作，利用俄方發(fā)射的大功率超低頻信號，在我國懷來距離發(fā)射臺約6500公里的地區(qū)記錄了一次4.2級地震的前兆信息。這件事啟發(fā)了陸建勛。他推斷，如果把軍用的地-電離層波導(dǎo)傳輸技術(shù)從超低頻（30Hz~300Hz）向下發(fā)展到極低頻(3 Hz~30Hz)和至低頻（0.03Hz~3Hz），進而用于民用深層地質(zhì)探測，將會實現(xiàn)一種全新的地質(zhì)探測新技術(shù)。
當時，這項技術(shù)美國只用于軍事通信。俄羅斯雖然把該項技術(shù)作為民用，但最低只試驗到1.3赫茲（Hz）。要實現(xiàn)1Hz以下至低頻的超遠距離傳播，難度極大。
2000年開始，陸建勛和中國地震局馬宗晉院士合作，帶領(lǐng)團隊在中國工程院開展了《利用極低頻/超低頻無線電波進行地震預(yù)報及地下資源探測系統(tǒng)的方案研究》咨詢課題研究，開展了國內(nèi)外對0.1Hz~300Hz（統(tǒng)稱為極低頻）應(yīng)用與研究情況的分析，對0.1Hz~300Hz地-電離層波導(dǎo)傳播的規(guī)律、發(fā)射天線耦合機理、在不同導(dǎo)電率地質(zhì)條下極低頻的傳播規(guī)律等基礎(chǔ)理論進行了研究。
極低頻的波長以千公里（Mm）計，0.1Hz~300Hz的波長是300萬公里~1000公里，電磁波以橫磁波單一方式通過地-電離層波導(dǎo)傳播。由于波長極長，可以在大的障礙物周圍衍射，而不被山脈或地平線阻擋，可繞地球傳播。由于波長越長對介質(zhì)穿透越深，因此可以遠在數(shù)千公里外，探測到深達10公里的地質(zhì),或穿透數(shù)百米的海水。
研究團隊根據(jù)我國國情進行理論計算與分析，認為利用極低頻進行我國地震監(jiān)測和地質(zhì)探測具有可行性。2004年，研究團隊利用200千瓦（KW）試驗臺發(fā)射2.5Hz~130Hz的極低頻信號，進行了1200公里電波接收試驗并取得成功。此后，在國務(wù)院領(lǐng)導(dǎo)批示、中國工程院大力推薦下，國家發(fā)改委正式將該項目列為“十一五”國家重大科學(xué)技術(shù)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)項目之一，與500米大天線（FAST）等項目同期實施。
向地球深部進軍
我國陸地四大盆地及已知的渤海盆地等蘊藏著豐富的石油礦藏，有的深達7000多米，我國海洋也發(fā)現(xiàn)了可燃冰，但現(xiàn)在我國70%的石油還依靠進口。我國地震也時有發(fā)生，帶來重大災(zāi)難，如何實現(xiàn)地震的預(yù)測與預(yù)報，最大效率地尋找更多的礦產(chǎn)資源，對我國社會經(jīng)濟發(fā)展，對中華民族的偉大復(fù)興意義重大。
陸建勛說：“WEM工程項目為我國地下深層礦產(chǎn)、石油、天然氣的開發(fā)以及地震預(yù)測預(yù)報研究提供了一種全新的探測方法，也為我國海洋和大陸架資源的探測提供了一個高效的技術(shù)手段。”為了實現(xiàn)這一目標，我國很早就組織了院士團隊啟動了極低頻探地工程項目的相關(guān)理論研究與設(shè)計、工程論證和實驗的準備工作。
然而，立項后的過程卻并非一帆風順。由于國外沒有這方面成功的經(jīng)驗，在項目論證初期，WEM工程雖然得到了大多院士專家的支持，但也有反對的聲音。
面對這種局面，陸建勛聯(lián)合中國科學(xué)院、中國地震局相關(guān)院士專家一起，2005年應(yīng)國家發(fā)展改革委要求，利用研制的小功率極低頻發(fā)射機和試驗天線，對300公里遠一處油田的已知斷面進行探測并取得成功，測得的結(jié)果與地震法測得的斷面完全一致，深度達到10公里，較常規(guī)人工電磁法探測距離增加了10多倍。在地震監(jiān)測方面，研究團隊也在1000多公里外的云南桃源測得3.6級地震前、后的電磁異?，F(xiàn)象，用充分的理論及試驗成果，證明了“極低頻探地（WEM）工程”的有效性，最終得到了多數(shù)專家的支持。
由于WEM工程核心技術(shù)是用現(xiàn)代信息與電子技術(shù)與地球物理跨學(xué)科交叉融合的地質(zhì)探測新方法，與過去的各種MT、CSAMT等常規(guī)電磁法指標與性能截然不同，該法被稱為“無線電磁法”（Wirless Elctro- Magnetic Method簡稱WEM法）。因此，2006年，該項目名稱正式定為“極低頻探地（WEM）工程”。2010年，國家發(fā)改委正式批復(fù)了項目建議書，工程進入正式建設(shè)階段。
由于極低頻探地（WEM）工程是一項創(chuàng)新性項目，國外沒有同類項目可以借鑒，作為工程首席科學(xué)家，WEM工程的可行性研究、初步設(shè)計、主要指標全都由陸建勛主導(dǎo)確定。
通過各建設(shè)單位的團結(jié)合作，目前，WEM工程完成了系統(tǒng)總體、發(fā)射系統(tǒng)、資源探測、地震預(yù)測、場強指標、地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測、大陸架探測等的研究方案和各項科學(xué)試驗，驗證了WEM法在資源探測、地震預(yù)測方面發(fā)揮的作用。
2015年12月，世界上首座民用極低頻大功率發(fā)射臺站建成。為了實現(xiàn)極低頻理論計算，科研團隊跑遍了全國進行測試，西到3000公里外的新疆奎屯，北到2500公里遠的黑龍江漠河，包括中間地帶都進行了各種頻率場強的精心測試與記錄。在南北1000公里以外的海上，北到大連、南到東沙，科研團隊還進行了從數(shù)十米到數(shù)百米水深海底的極低頻電磁場的數(shù)據(jù)測試，驗證了WEM工程可以覆蓋我國國土和領(lǐng)海的高信噪比電磁波信號。隨后，項目團隊又與國外合作，成功實現(xiàn)在距離WEM臺6000公里~7000公里處有效接收我國發(fā)射的極低頻電磁波信號，達到了預(yù)想的效果。
2020年1月，WEM工程國家驗收意見上寫到：“該項目是我國軍事無線電通信技術(shù)與地球物理跨學(xué)科交叉的創(chuàng)新產(chǎn)物，突破了0.1H2~30Hz的極低頻發(fā)射難題，工程技術(shù)性能指標全面達到批復(fù)要求，成果原創(chuàng)性強，整體技術(shù)達到國際領(lǐng)先水平。”
2020年9月，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(chuàng)新工程之一，工程建設(shè)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(xué)科，存在技術(shù)廣度寬、難度大，提出的WEM法和相關(guān)研究應(yīng)用成果取得多項突破性進展，擁有多項自主產(chǎn)權(quán)，總體性能達到國際領(lǐng)先水平，具有重大經(jīng)濟效益、社會價值和廣闊的推廣應(yīng)用前景。
地質(zhì)探測、地震預(yù)警初顯神通
WEM工程項目建設(shè)的極低頻發(fā)射臺發(fā)射的人工源電磁波覆蓋范圍廣、信號強、相位穩(wěn)定，在空域和時域上具有非常好的一致性和相關(guān)性，適合大面積組網(wǎng)接收和進行三維電磁勘探，與目前已有的CSAMT 等人工源電磁探測方法相比，探測距離由10公里~20公里拓展到2000公里~3000公里，探測深度由1.5公里增加到10公里，突破我國地下資源探測中存在的瓶頸，為實現(xiàn)“向地球深部進軍”提供了一種世界創(chuàng)新的地質(zhì)探測新方法。
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(wǎng)式三維極低頻電磁波深部資源探測難題，首次實現(xiàn)了人工源大面積、遠距離、大深度的油氣礦產(chǎn)資源探測新技術(shù)。
項目團隊還開展了應(yīng)用組網(wǎng)接收技術(shù)的技術(shù)攻關(guān)和三維電磁技術(shù)的研究，驗證了極低頻可廣域進行地下資源探測的能力，攻克了極低頻電磁信號組網(wǎng)接收、數(shù)據(jù)處理反演等關(guān)鍵技術(shù)，實現(xiàn)對不同地層電性結(jié)構(gòu)的三維探測。項目團隊并在內(nèi)蒙古曹四夭鉬礦、川東油氣區(qū)重慶明月峽構(gòu)造兩個典型試驗區(qū)進行聯(lián)調(diào)試驗，取得明顯的探測效果，首次實現(xiàn)人工源大面積、遠距離、大深度礦產(chǎn)資源探測新技術(shù)。
在地震預(yù)測研究方面，WEM項目團隊也進行了大量理論研究和試驗。通過多年的建設(shè)，WEM項目團隊在我國地震重點災(zāi)害預(yù)防區(qū)（首都圈、南北地震帶南段）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(wǎng)，實現(xiàn)了人工源和天然源電磁場的同時觀測，可以同時觀測電磁場和地下結(jié)構(gòu)的變化。
這些臺站和電磁觀測站既可以監(jiān)測地震引起的空間電磁場異常和震源區(qū)附近的電阻率異常，也可以監(jiān)測電磁場和電阻率在時間上的變化規(guī)律，實現(xiàn)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，更容易確定地震發(fā)生地點、時間和震級，提升地震預(yù)測的能力。
據(jù)介紹，目前極低頻臺網(wǎng)已并入中國地震前兆管理系統(tǒng)，作為地震預(yù)測參數(shù)之一，在2017年記錄了九寨溝7.0級地震和7次余震的前后數(shù)據(jù)。2018 年4月11日山東平邑3.1 級地震發(fā)生前，基于2 個臺站觀測的震前視電阻率異常現(xiàn)象，項目團隊正式提出了地震可能發(fā)生的預(yù)測意見，探測效果經(jīng)過實踐得到了初步的驗證。
科研創(chuàng)新永無止境
從2000年到現(xiàn)在，WEM工程歷經(jīng)了20年的奮斗，從無到有，從弱到強，科學(xué)目標在一批批科研人員的卓絕奮斗下付諸實踐、取得成功。
時至今日，WEM工程建設(shè)已取得了豐碩的成果：在華中地區(qū)建成了世界上首個民用極低頻大功率電磁波發(fā)射臺，在首都圈和南北地震帶南端，建成了首個可同時接收人工源和天然源極低頻電磁信號的地震監(jiān)測臺網(wǎng)。地質(zhì)探測對300公里~1000公里附近3個已知礦藏進行了對比試驗，取得良好結(jié)果；探測接收設(shè)備研制也初步實現(xiàn)了國產(chǎn)化。實驗證明WEM工程探測半徑可達數(shù)千公里，形成可基本覆蓋我國國土和領(lǐng)海的高信噪比極低頻電磁波信號；開展了地震預(yù)測及地下礦產(chǎn)、油氣資源探測等探索性科學(xué)試驗研究，取得多項突破性進展，為“深地、深海、深空”等相關(guān)領(lǐng)域的前沿科技研究提供了新的技術(shù)手段。
科研創(chuàng)新無止境。目前，極低頻探地工程團隊將開始第二階段的奮斗：爭取用更先進的信息技術(shù)，實現(xiàn)更大規(guī)模、更高技術(shù)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(yù)測及其他前沿科學(xué)研究及應(yīng)用提供服務(wù)。
