“極低頻探地(WEM)工程”,已經(jīng)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(jié)構(gòu)、地下資源和海底資源探測,地震預(yù)測等領(lǐng)域研究和應(yīng)用,具有重大戰(zhàn)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6000萬公里之外,將實施我國首次火星探測任務(wù);嫦娥五號月球探測器成功發(fā)射,將取回第一份屬于中國人的月球樣品;奮斗者號全海深載人潛水器再創(chuàng)中國載人深潛紀(jì)錄,并完成世界首次載人潛水器與著陸器在萬米海底的聯(lián)合作業(yè)……
在巡天、探海任務(wù)不斷取得進(jìn)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公里內(nèi)蘊藏的礦產(chǎn)和石油探測困難,對地震災(zāi)害也很難預(yù)知。
習(xí)近平總書記在全國科技創(chuàng)新大會上指出:“從理論上講,地球內(nèi)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(jìn)水平勘探開采深度已達(dá)2500米至4000米,而我國大多小于500米,向地球深部進(jìn)軍是我們必須解決的戰(zhàn)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(tuán)公司所屬中國艦船研究院獲悉,由該院聯(lián)合中國船舶集團(tuán)722所、中國地震局地質(zhì)研究所、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”,已經(jīng)通過了國家驗收和科技成果鑒定,具備運行條件。
據(jù)悉,該成果可用于地層結(jié)構(gòu)、地下資源和海底資源探測,地震預(yù)測等領(lǐng)域研究和應(yīng)用,具有重大戰(zhàn)略意義。
一次試驗帶來的啟發(fā)
電磁波是人類探測地質(zhì)的重要手段。
早在20世紀(jì)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,可以穿透較深地層,但隨機(jī)性強(qiáng)、探測誤差大。
20世紀(jì)70年代后,人們又發(fā)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公里,探測深度僅在1.5公里之內(nèi)。
長期從事艦船通信技術(shù)研究的中國工程院院士陸建勛,1999年跟地震局地質(zhì)所研究員趙國澤一起與俄羅斯科學(xué)院合作,利用俄方發(fā)射的大功率超低頻信號,在距離發(fā)射臺6500公里之外的河北懷來,記錄了一次4.2級地震的前兆信息。
陸建勛由此受到了啟發(fā)。
他推斷,如果把軍用地-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(3Hz—30Hz)以及至低頻(0.03Hz—3Hz),進(jìn)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)。他將這種技術(shù)稱為“無線電磁法”(WEM法)。
當(dāng)時,美國只將這項技術(shù)用于軍事通信。俄羅斯雖然把該技術(shù)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(yuǎn)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(tuán)隊開展了《利用極低頻/超低頻無線電波進(jìn)行地震預(yù)報及地下資源探測系統(tǒng)的方案研究》。
極低頻(0.1Hz—300Hz)的波長為300萬公里至1000公里。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(zhì)穿透越深,因此極低頻可以遠(yuǎn)在數(shù)千公里外,探測到10公里的下深處,或穿透數(shù)百米的海水。
在中國工程院大力推薦、國務(wù)院領(lǐng)導(dǎo)批示下,國家發(fā)改委于2010年批復(fù)項目建議書,將WEM工程列為“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。
做別人沒有做過的東西
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,陸建勛認(rèn)為,搞創(chuàng)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(shè)計、主要技術(shù)指標(biāo)、關(guān)鍵技術(shù),測試結(jié)果等,他都親自審查和把關(guān)。
目前,該項工程完成了系統(tǒng)總體、發(fā)射系統(tǒng)、資源探測、地震預(yù)測、場強(qiáng)指標(biāo)、地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測、大陸架探測等各項科學(xué)試驗,驗證了其在資源探測、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。為驗證極低頻理論計算,科研團(tuán)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(qiáng)的測試;從大連到東沙,他們又進(jìn)行了從數(shù)十米到數(shù)百米水深的極低頻水下電磁場數(shù)據(jù)測試。隨后項目團(tuán)隊又與國外合作,成功在6000公里以外距離,有效接收到國內(nèi)發(fā)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(shù)與地球物理跨學(xué)科交叉的創(chuàng)新產(chǎn)物,突破了0.1Hz—30Hz的極低頻發(fā)射難題,工程技術(shù)性能指標(biāo)全面達(dá)到批復(fù)要求,成果原創(chuàng)性強(qiáng),整體技術(shù)達(dá)到國際領(lǐng)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(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,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(jìn)展,擁有多項自主產(chǎn)權(quán),總體性能達(dá)到國際領(lǐng)先水平,具有重大經(jīng)濟(jì)效益、社會價值和廣闊的推廣應(yīng)用前景。
以創(chuàng)新手段向地球深部進(jìn)軍
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(shù)手段。
在地下資源探測方面,項目團(tuán)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。利用WEM法進(jìn)行300至1000公里三處已知礦藏斷面深達(dá)10公里的對比探測,測得的數(shù)據(jù)與原有數(shù)據(jù)完全相符,首次實現(xiàn)了人工源大面積、遠(yuǎn)距離、大深度的油氣礦產(chǎn)資源探測新技術(shù)。
通過多年建設(shè),項目團(tuán)隊在我國地震重點災(zāi)害預(yù)防區(qū)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),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(jié)構(gòu)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、震源區(qū)附近的大地電阻率異常,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(shù)據(jù),有助于地震預(yù)測的前兆研究。
目前極低頻臺網(wǎng)已并入中國地震前兆管理系統(tǒng)。2018年4月11日山東平邑發(fā)生3.1級地震之前,該系統(tǒng)基于2個臺站觀測的震前視電阻率異?,F(xiàn)象,正式提出的地震預(yù)測意見得到證實。
經(jīng)過20年奮斗,WEM工程建設(shè)已取得豐碩成果。記者了解到,項目團(tuán)隊即將進(jìn)入第二階段工作,爭取用更先進(jìn)的信息技術(shù),實現(xiàn)更廣范圍、更大規(guī)模、更高技術(shù)指標(biāo)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,提供新的技術(shù)手段和開放性的公共服務(wù)平臺。(汪 濤 記者 付毅飛)
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