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中南大学何继善院士研究团队经过多年科研攻关，发明了一种新的地球物理勘探方法——广域电磁法，研发了具有完全自主知识产权的大深度高精度探测技术与装备，实现了电磁法由粗放到精细的跨越，有力支撑了面向国家重大需求的“深地”战略。何继善院士牵头完成的“大深度高精度广域电磁勘探技术与装备”项目荣获2018年度国家技术发明奖一等奖。 ━━━━ 矿产资源是人类发展的物质基础，地球深部蕴藏了绝大部分的矿产资源，随着地球浅部资源的日渐枯竭，向地球深部进军是我国急需解决的战略问题，大深度高精度的电磁勘探是世界各国共同面临的技术难题，也是当今勘探地球物理学的研究热点。目前国内外的频率域电磁勘探方法，主要有大地电磁法（MT）和可控源音频大地电磁法（CSAMT）等。
MT是以天然电磁场为场源来研究地球内部电性结构的一种方法，由于电磁场的趋肤效应，不同周期的电磁场信号具有不同的穿透深度，可获得地下不同深度的岩石电阻率的分布规律。然而，MT的信号微弱且随机，导致观测精度低、效率低，垂直分辨率和水平分辨率低。为了克服MT的缺陷，CSAMT以人工场源代替天然场源，在距离场源很远的地方（远区）电磁波接近平面波，把人工场源电磁场表达式简化，计算得到视电阻率参数。CSAMT的信号强度比MT法大为提高，除了探测深度较小之外，工作效率、精度以及纵向和横向分辨率都有明显提高。40多年来，该法在金属矿、地热以及水文、环境等领域得到了广泛的应用，成为受人欢迎的一种地球物理方法。由于电磁波向地下传播方程的解极其复杂，一个多世纪以来来，国际上都不得不采用定性、半定量解释，或者是用近似公式作定量解释，如CSAMT没有对复杂方程严格求解，而是假设在远区，将高次项省略掉，近似地简化为平面波区的表达式，进而采用只在平面波区成立的视电阻率计算公式，导致深部测量误差。可以说，世界上此前所有电磁法都是建立在粗放、近似的基础上。针对传统电磁法存在的不足，何继善院士团队首次严格从电磁波方程出发，定义了严格的视电阻率参数，发明了一种新的地球物理勘探方法——广域电磁法，突破了宽频带-高频率密度电磁信号高效发射、频谱周期信号快速提取等多项重大关键技术，攻克了人工源频率域电磁法的核心理论和技术难题，研发了具有完全自主知识产权的大深度高精度探测技术与装备，在常规油气、页岩气、生物气、固体矿产、地热及煤矿水害探测等领域中成功应用，取得理论-方法-技术-装备-应用的全创新链成果，实现了电磁法由粗放到精细的跨越，有力的支撑了“深地”战略，为我国矿产资源保障、经济发展和社会安全提供了有效支撑。人工源频率域电磁法的“领跑者”。项目团队在国际上首次严格从电磁波方程出发，率先将几何（观测系统）和物理（电磁感应）参数全部考虑在内，定义了在任意位置都正确的广域视电阻率，结束了人工源频率域电磁法沿袭大地电磁法视电阻率定义40多年的历史；发明了可在不限于“远区”的“广大区域”测量的广域电磁法，颠覆了人工源频率域电磁法只能在“远区”测量的思想。广域电磁法公式严格，保证了深部信息，探测深度D为收发距r的1/3，是CSAMT的5倍；电磁波信号以r3衰减，信号强度是CSAMT的125倍；解决了人工源电磁法探测深度小、精度低、分辨率低等核心难题，成为人工源频率域电磁法的“领跑者”。 发明了广域电磁法仪器系统。项目团队攻克了人工源频率域电磁法宽频带大功率同步发射与接收的技术难题；成功将“数字相干检波技术”应用到人工源频率域电磁法，解决了传统电磁法同频干扰压制效果差的技术难题；实现了强干扰条件下电磁信号的高信噪比-高精度-快速测量；实现了分布式接收机阵列式大数据三维勘探，打破了国外电磁法仪器的长期垄断。 宽频带、高频率密度、强信号、高测量精度是大深度高精度探测的关键。广域电磁法采用精细的仪器设计思想，采用大规模现场可编程门阵列技术实现宽频带频谱信号发射，基于“死区”控制技术保证大功率绝缘栅双极型晶体管（IGBT）可靠开关，采用无源无损缓冲及高效热管散热技术，实现宽频带、高频率密度、大电流电磁信号发射。接收机采用精密低噪声模拟信号调理技术及高分辨、高速Σ-Δ模数转换器技术，实现高精度全波形电磁信号采集；在高精度浮点数字信号处理器上实现数字相干技术，快速提取电磁信号振幅和相位参数，压制同频干扰，极大的提高了信噪比。 实现由“去噪”到“解噪”的思维转变。项目团队首次基于傅里叶反变换和勒让德多项式联合逼近，构造噪声的超定方程组，采用反演方法解出噪声，实现了信号-噪声的高度分离，获得主频及其谐波信号，颠覆了传统的只提取主频信号的滤波“去噪”方法，频率数据密度比国际先进产品提高5倍以上，攻克了电磁法勘探纵向分辨率低的国际难题。频谱密度和信噪比是制约频率域电磁法分辨率的核心关键，但传统人工源频率域电磁法存在两个瓶颈：一是采用“变频法”，需要逐一改变激励场源的电流频率实现测深，并通过长时间叠加提高单一频率的信噪比，工作效率低，难以实现高频谱密度测量；二是采用统计法或滤波法“去噪”，无法评估噪声对同频信号的污染程度，“去噪”效果难以保证。人工源频率域电磁法数据具有鲜明特点：噪声存在于整个频谱；发射频率的个数有限，在频谱中的占比小于1%；除发射频率及其谐波处的噪声参数未知外，其余频谱中的噪声参数是已知的，即超过99%的噪声参数已知。项目团队创造性地采用“反演”方法将噪声未知数（小于1%）解出，只保留信号，攻克了同频干扰去噪难题，实现了信号-噪声高度分离，除了获得的发射频率信号外，还额外获得了大量（发射频率个数的5倍以上）的谐波信号，极地提高频率数据密度，颠覆了传统的统计法或滤波法“去噪”思路。该发明将数据分为周期和非周期部分，采用分步分域信号提取：（1）周期部分（频率域信号提取）。将主频及其谐波频谱置零，由相邻频点插值得到新的频谱；基于离散小波变换将预处理后的频谱分成低频和高频部分；基于希尔伯特变换识别高频部分的上包络线，并与低频部分重构得到频谱的整体上包络线，即为噪声的频谱；最后根据包络线与对应主频及其谐波振幅的比值计算噪声的影响幅度，筛选出高信噪比的主频和谐波信号。（2）非周期部分（时间域信号提取）。基于连续小波变换，获得非周期信号的能量分布信息，选择高斯噪声位置为重构点，基于傅里叶反变换和勒让德多项式联合逼近方法构造超定方程组，独树一帜地采用反演方法求解噪声在主频及其谐波的贡献，主频及其谐波的频谱减去噪声频谱，最终获得有效信号频谱。资源安全是实现“两个一百年”奋斗目标的重要保障。广域电磁法结束了人工源频率域电磁法近半个世纪沿袭大地电磁法视电阻率计算公式的历史，发明了可在不限于“远区”的“广大区域”测量的广域电磁法，颠覆了频率域电磁法只能在“远区”测量的思想，为电磁勘探开辟了崭新的研究领域，有力地推动了电磁地球物理学的进步。另一方面，项目攻克了人工源频率域电磁法大深度-高精度勘探的关键核心问题，研发了具有完全自主知识产权的大深度高精度探测技术与装备，将人工源频率域电磁法的探测深度由1500米提升至8000米，频率数据密度提高5倍以上，实现了电磁法由粗放到精细的跨越，满足了“深地”战略“形成3000米以浅矿产资源勘探技术，储备5000米以深资源勘查前沿技术”的要求，成为“深地”战略的关键支撑技术。项目研究成果已在中国石油天然气集团有限公司、中国石油化工集团公司、中国地质调查局、神华集团有限责任公司、中国华电集团有限公司等50多家单位成功应用，在页岩气、常规油气、生物气、地热、固体矿产及煤矿水害等勘探工作中全面推广应用，有力地推动了我国勘探行业进步。建立了适合我国国情和复杂地质-地表条件的页岩气预测评价体系，施工效率比传统方法提高3倍以上；为生产矿山深边部或接替资源、火山岩油气、黄土塬地区油气、煤矿水害、剩余油分布、页岩气压裂、地质灾害的防治提供了有力有效的勘探、监测技术手段。目前，页岩气勘查面积已经超过3万平方千米，提交资源量或地质储量4641.22亿立方米；获得常规油气地质储量1.86亿吨；获得生物气储量80亿立方米；释放了2000多万吨煤炭，为我国矿产资源保障、经济发展和社会安全提供了有力支撑。 研究团队依托项目培养了50多名博士和硕士研究生，何继善院士多次担任国际会议的名誉主席，并成功举办了第十二届中国国际地球电磁学术研讨会，在国内外产生了积极影响，提高了我国地球物理学的国际声誉。 何继善院士一直致力于地球物理方法理论的创新和配套仪器的研究，还曾先后提出了双频激电理论、伪随机信号理论等新的电磁勘探方法理论，这些方法从理论上突破了现有电磁法的瓶颈，根据这些方法成功研制了双频激电仪、伪随机多频激电仪等，并在推广应用中获得了巨大社会经济效益。伪随机信号电法的技术核心是：发送机将不同频率的电流波形合成为伪随机电流后向地下供电，接收机同时接收这些频率经大地后的响应并将其分离，因此一次供电便可以完成所有频率的测量。伪随机电流波形的特点是：具有周期性，可以重复产生；主频率的频比固定，在对数坐标上基本均匀分布；主频率的振幅基本相等、初始相位关系简单；能量大都分布在主频率上。由于具有快速、高效、电源利用率高、仪器轻便、抗干扰能力强、相对观测精度高、异常可靠等优点，伪随机信号电法已发展出双频道、三频道、伪随机多频道频谱激电和电磁法，在多个领域获得广泛而成功的应用。“均匀广谱伪随机电磁法理论及应用研究”2006年获国家技术发明二等奖；“我国双频激电研究与应用”1995年获国家科技进步二等奖；“双频激电法”2005年被中国地质调查局列为重点推广技术。在国内外电磁勘探领域独树一帜，具有鲜明的中国特色。致谢：感谢国家自然科学基金科学仪器基础研究专项“广域电磁测深仪的基础研究”（项目编号：40827002）、湖南省重大科技专项“湖南页岩气资源潜力评价与电磁探测系统研发”（项目编号：2012FJ1006）、中国地质调查局油气资源调查中心“贵州六盘水地区广域电磁法勘探工程”（项目编号：资[2015] XQ2015-04-02）、中国石油天然气股份有限公司勘探开发研究院西北分院“三维广域电磁法油气目标识别技术研究与应用”（项目编号：2012A-104）、中国石油化工股份有限公司勘探分公司“2016年四川盆地及周缘地区广域电磁法勘探”（项目编号：35450003-16-FW0399-0001）的支持。本文刊登于IEEE Spectrum中文版《科技纵览》2019年6月刊。 何继善：中国工程院院士，中南大学教授。
李帝铨：副教授，中南大学地球科学与信息物理学院。 IEEE Spectrum 《科技纵览》 官方微信公众平台 >>>本文为原创，转载请回复。<<<
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