“九五”至“十五”期間，國(guó)家“863”計(jì)劃連續(xù)資助中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京）開展對(duì)海底大地電磁探測(cè)與電磁成像技術(shù)的研究。經(jīng)數(shù)年努力，終于取得技術(shù)突破。由鄧明教授所率課題組研發(fā)的海底大地電磁儀成功進(jìn)行了國(guó)內(nèi)首次海陸聯(lián)合大跨度多點(diǎn)位大地電磁同步采集試驗(yàn)，布置并完成了我國(guó)海域第一條具有實(shí)際地質(zhì)意義的海底大地電磁探測(cè)剖面，填補(bǔ)了中國(guó)在該技術(shù)領(lǐng)域的空白。

海底大地電磁探測(cè)是海域地質(zhì)調(diào)查、深部地質(zhì)構(gòu)造研究和海洋油氣資源勘查的重要地球物理方法之一。本次試驗(yàn)的成功，標(biāo)志著海底大地電磁探測(cè)技術(shù)在我國(guó)即將進(jìn)入實(shí)用化階段，此項(xiàng)成果將為我國(guó)海洋科學(xué)探測(cè)提供新的技術(shù)支撐。

后來(lái)居上

海底大地電磁場(chǎng)攜帶著海底以下的巖石電性信息，通過對(duì)該場(chǎng)源的探測(cè)，將被測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行成像處理，就可推知海底的地質(zhì)構(gòu)造，為海洋地學(xué)研究及礦產(chǎn)資源開發(fā)提供科學(xué)依據(jù)。

西方發(fā)達(dá)國(guó)家從上世紀(jì)70年代始對(duì)海底大地電磁探測(cè)技術(shù)與儀器進(jìn)行研究，并且根據(jù)當(dāng)時(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果給出了海底大地電磁探測(cè)可解決宏觀地質(zhì)問題的科學(xué)評(píng)價(jià)。

上世紀(jì)80年代中期，由美國(guó)、加拿大、日本和澳大利亞的十多所大學(xué)聯(lián)合發(fā)起的EMSLAB計(jì)劃，用幾十臺(tái)海底大地電磁儀對(duì)美國(guó)西岸海區(qū)進(jìn)行勘查，以了解該區(qū)域地殼板塊的演化歷史。在所投放的儀器中約有80％取得了較滿意的測(cè)量數(shù)據(jù)。

上世紀(jì)90年代末期，來(lái)自美、法、日等國(guó)的科學(xué)家進(jìn)行的名為Mantle Electromagnetic and Tomography的探測(cè)試驗(yàn)，揭示了東南太平洋海區(qū)古洋脊的非對(duì)稱電性結(jié)構(gòu)。其研究成果在美國(guó)《Science》雜志發(fā)表后，在國(guó)際地學(xué)界產(chǎn)生了極大的學(xué)術(shù)反響。

進(jìn)入新世紀(jì)，海底大地電磁探測(cè)技術(shù)加快了發(fā)展的步伐，并帶動(dòng)和推進(jìn)了相關(guān)學(xué)科的交叉與融合。以先進(jìn)儀器為數(shù)據(jù)觀測(cè)手段和巖石電性成像為地質(zhì)解釋推論的海洋電磁方法，已成為解決當(dāng)今海洋地學(xué)問題的重要的技術(shù)生長(zhǎng)點(diǎn)。

與國(guó)外的研究進(jìn)展相比，國(guó)內(nèi)對(duì)此方面的研究起步較晚。1998年以前，雖有少數(shù)學(xué)者對(duì)海洋電磁進(jìn)行過探討，但僅是初步的，未有理論與技術(shù)突破。之后，由中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京）魏文博教授負(fù)責(zé)的國(guó)家“863”計(jì)劃課題——海底大地電磁探測(cè)技術(shù)（820-03-04），在國(guó)內(nèi)首次對(duì)海底大地電磁進(jìn)行了系統(tǒng)的、全面的研究。在“九五”期間，該課題組研制了中國(guó)第一批海底大地電磁儀，于2000年7月成功進(jìn)行了國(guó)內(nèi)首次海底大地電磁探測(cè)海洋試驗(yàn)，在東海采集到百米水深的大地電磁數(shù)據(jù)，為該技術(shù)在我國(guó)的應(yīng)用邁出了重要的第一步。然而，要使海底大地電磁探測(cè)真正走向?qū)嵱没?，仍面臨著較多的技術(shù)問題，這些問題與海洋作業(yè)的特殊性有關(guān)。正是基于這些問題，由鄧明教授負(fù)責(zé)的國(guó)家“863”計(jì)劃“十五”期間課題——海底大地電磁探測(cè)與電磁成像技術(shù)（2002AA615020）的申請(qǐng)獲得批準(zhǔn)，并且現(xiàn)已取得可喜成果。

關(guān)鍵突破

由鄧明教授負(fù)責(zé)的“十五”“863”課題的任務(wù)之一是研發(fā)新型的海底大地電磁儀，對(duì)多項(xiàng)儀器技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化與改進(jìn)，力爭(zhēng)通過海上試驗(yàn)加快我國(guó)海底大地電磁探測(cè)技術(shù)的實(shí)用化進(jìn)程；任務(wù)之二是實(shí)現(xiàn)海底大地電磁數(shù)據(jù)的成像處理，改善我國(guó)海域地震勘探困難區(qū)油氣地球物理勘查的效果。課題組在關(guān)鍵技術(shù)方面主要取得以下重要進(jìn)展：

海底大地電磁探測(cè)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)備份技術(shù)

因海上作業(yè)環(huán)境較惡劣，若儀器在投放過程中受到強(qiáng)烈振動(dòng)，可能引發(fā)嵌入式計(jì)算機(jī)重新啟動(dòng)或運(yùn)行于異常狀態(tài)，導(dǎo)致電子盤的數(shù)據(jù)丟失。為了解決這一問題，自主研發(fā)PC104總線與USB口的通訊軟硬件，實(shí)現(xiàn)海底采集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)備份。在海底數(shù)據(jù)采集過程中，把測(cè)量數(shù)據(jù)同時(shí)存入兩個(gè)獨(dú)立的電子盤，確保觀測(cè)數(shù)據(jù)的完整性。

海底高精度應(yīng)急時(shí)鐘源

為了保證海底多站位數(shù)據(jù)采集的同步精度，除利用GPS實(shí)現(xiàn)海面對(duì)鐘計(jì)時(shí)技術(shù)之外，還應(yīng)解決儀器在海底環(huán)境下因意外原因造成的時(shí)間信息丟失問題。在海底，緣于厚厚的海水將GPS信號(hào)屏蔽，因而無(wú)法接收到來(lái)自衛(wèi)星的時(shí)間信息。每臺(tái)儀器投放之前，只能有一次海面對(duì)鐘機(jī)會(huì)，故海底的儀器必須有獨(dú)立的且高精度的時(shí)鐘源。一旦儀器內(nèi)計(jì)算機(jī)的計(jì)時(shí)單元出現(xiàn)誤差，可在此時(shí)鐘源處重新獲得準(zhǔn)確的時(shí)間信息，精度可達(dá)10-7秒。

高強(qiáng)度非磁性承壓密封艙

測(cè)量磁場(chǎng)的儀器艙必須為非磁性。本課題組選用LC4超硬鋁作艙體材料，通過計(jì)算確定合理的設(shè)計(jì)參數(shù)，提高儀器系統(tǒng)的承壓性能，使抗壓指標(biāo)達(dá)13MPa，確保儀器能工作在1000m水深。2005年7月進(jìn)行的海試中，儀器投放深度達(dá)1050m，采集到國(guó)內(nèi)第一組千米水深的大地電磁場(chǎng)數(shù)據(jù)。

級(jí)聯(lián)分樣抗混疊抽樣技術(shù)

海底大地電磁場(chǎng)的頻率成分以低頻和超低頻為主。在滿足采樣定理的前提下，設(shè)置合理的采樣率就可獲得所需頻段的場(chǎng)源信息。海底大地電磁儀采用硬件采樣和軟件抽樣相結(jié)合的方法，在電路驅(qū)動(dòng)程序中嵌入數(shù)字濾波器，以級(jí)聯(lián)分樣算法，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的抗混疊抽樣。既使各頻段信號(hào)無(wú)失真地保存，又合理地利用電子盤空間，這一先進(jìn)的數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)使海底大地電磁系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了超低頻信號(hào)測(cè)量和超長(zhǎng)時(shí)間測(cè)量。

帶遠(yuǎn)參考站的海底大地電磁數(shù)據(jù)采集技術(shù)

海底大地電磁場(chǎng)信號(hào)微弱，容易受到海洋電磁噪聲的污染。為獲得高質(zhì)量的信號(hào)，壓制區(qū)域背景噪聲，應(yīng)采用帶遠(yuǎn)參考站的測(cè)量方式。本課題組在國(guó)內(nèi)首次嘗試海底大地電磁帶陸地遠(yuǎn)參考站的測(cè)量。2005年7月在南中國(guó)海進(jìn)行的海試，將陸地遠(yuǎn)參考站設(shè)在湛江，與海底大地電磁儀第一號(hào)投放點(diǎn)的直線距離約370.2km。遠(yuǎn)參考站與海上作業(yè)船通過衛(wèi)星通訊保持聯(lián)系，陸地與海底多臺(tái)儀器同步進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。經(jīng)對(duì)采集信息進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，揭示出被測(cè)海區(qū)地下數(shù)十公里的巖石電性結(jié)構(gòu)，為我國(guó)的海洋電磁探測(cè)積累了寶貴的科學(xué)資料。這一試驗(yàn)的成功標(biāo)志著我國(guó)的海底大地電磁探測(cè)技術(shù)已接近國(guó)際先進(jìn)水平。

帶起伏地形的海底大地電磁二維正反演技術(shù)

海底起伏地形會(huì)使電場(chǎng)信號(hào)產(chǎn)生畸變。正演模擬可了解地形所引起的異常分布規(guī)律，反演算法可從采集的信號(hào)中對(duì)地型影響部分進(jìn)行校正。在本課題研究中，實(shí)現(xiàn)了適應(yīng)斜界面地電模型的二維有限差分?jǐn)?shù)值計(jì)算方法，大大提高了帶地形海底大地電磁場(chǎng)二維正演模擬計(jì)算的精度。反演計(jì)算采用快速松弛算法求解TE和TM模式的靈敏度函數(shù)，其反演精度也獲得較大程度的提高。經(jīng)模型計(jì)算檢驗(yàn)，正反演算法和編寫的計(jì)算機(jī)軟件具有較強(qiáng)的實(shí)用性。

帶界面約束的大地電磁二維反演技術(shù)

非唯一性是地球物理反演的固有問題。如果僅僅以擬合實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)建模，往往會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生過于復(fù)雜的模型，或產(chǎn)生一些多余構(gòu)造，給解釋帶來(lái)困難。為了減小解的非唯一性，必須研究帶界面約束的海底大地電磁二維反演技術(shù)。在本課題研究中，通過定義以模型參數(shù)為變量的目標(biāo)函數(shù)，并要求目標(biāo)函數(shù)取極小來(lái)對(duì)模型參數(shù)的變化進(jìn)行約束和懲罰。在求目標(biāo)函數(shù)的過程中，把對(duì)電阻率結(jié)構(gòu)的已知界面約束加入懲罰函數(shù)，實(shí)現(xiàn)帶界面約束的反演，這對(duì)于減小海底大地電磁資料反演的多解性，提高解釋精度有重要的意義。通過理論模型合成數(shù)據(jù)的反演試算，檢驗(yàn)了算法的正確性和有效性。試算結(jié)果表明，帶已知邊界信息約束的反演結(jié)果能夠更好地反映目標(biāo)體的幾何邊界和電阻率值。

應(yīng)用前景

本課題的研究成果使“九五”期間起步的海底大地電磁探測(cè)技術(shù)達(dá)到實(shí)用化水平，并即將在我國(guó)海域的油氣資源勘探以及地質(zhì)調(diào)查中發(fā)揮作用。這項(xiàng)成果填補(bǔ)了我國(guó)海洋電磁探測(cè)技術(shù)的空白，同時(shí)也為深水油氣電磁探測(cè)技術(shù)和氣水合物電磁探測(cè)技術(shù)等方面的研究奠定堅(jiān)實(shí)的理論和實(shí)踐基礎(chǔ)，對(duì)傳統(tǒng)方法難以解決的灘淺海地區(qū)、古潛山構(gòu)造等復(fù)雜條件下油氣資源評(píng)價(jià)提供了新的技術(shù)手段。

2005年9月，課題組參與了我國(guó)某海域中-古生界深部成像的大地電磁探測(cè)技術(shù)試驗(yàn)研究。這是課題組成立以來(lái)，第一次將研究成果與生產(chǎn)單位合作，共同開展海洋油氣資源的調(diào)查與評(píng)價(jià)。大地電磁方法應(yīng)用于海洋探測(cè)有其方法上的優(yōu)勢(shì)。對(duì)于海域?yàn)樘妓釒r覆蓋且地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜的地震勘探困難區(qū)，現(xiàn)有的海上地球物理探測(cè)手段很難解決其深層探測(cè)問題。恰恰海底大地電磁探測(cè)由于具有電性分層的特點(diǎn)，因而大有希望在這些地區(qū)取得良好的應(yīng)用效果。

在未來(lái)的海洋油氣資源勘查中，大地電磁探測(cè)將是一種實(shí)用的、有效的方法。同時(shí)在海洋地球動(dòng)力學(xué)及海底地殼演化規(guī)律的研究上也將發(fā)揮其獨(dú)特的作用。

經(jīng)驗(yàn)借鑒

本課題組由老中青各年齡段人員組成。科研過程中以老帶新，注重發(fā)揮中青年技術(shù)骨干的作用。積極提供各方面的支持，鼓勵(lì)中青年科技人員結(jié)合各自研究的題目攻讀學(xué)位。課題組的依托單位——中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京）出臺(tái)各種優(yōu)惠政策，提倡有科研題目的中青年教師和學(xué)生提高學(xué)歷層次。該課題立項(xiàng)以來(lái)，先后有3人進(jìn)入博士學(xué)位的學(xué)習(xí)和研究，還培養(yǎng)出了多名碩士研究生。目前課題組以40歲以下的年輕人為主，年齡結(jié)構(gòu)、學(xué)歷結(jié)構(gòu)、職稱結(jié)構(gòu)合理，科研氣氛濃厚。在課題執(zhí)行期間，共發(fā)表了14篇包括SCI、EI等具有學(xué)術(shù)影響的科研論文。

課題組實(shí)行項(xiàng)目管理模塊化。從課題至子課題，從子課題至下屬各技術(shù)模塊，任務(wù)分工明確，有明顯的學(xué)科交叉特征。各模塊之間的技術(shù)交接，由子課題負(fù)責(zé)人積極協(xié)調(diào)。經(jīng)費(fèi)統(tǒng)一管理，由課題組負(fù)責(zé)人掌握經(jīng)費(fèi)使用額度。由于課題經(jīng)費(fèi)有限，課題組人員本著節(jié)約、高效的原則，盡可能把經(jīng)費(fèi)用到實(shí)處。

課題組注重國(guó)際學(xué)術(shù)交流。曾派出兩名青年教師赴加拿大，先后在Albert大學(xué)、Toronto大學(xué)進(jìn)行學(xué)術(shù)交流和研究，了解到目前國(guó)際上海洋電磁法的先進(jìn)技術(shù)，探討與國(guó)外同行進(jìn)行互利合作的可能性，為下一步開展我國(guó)海洋人工源電磁法的研究做技術(shù)準(zhǔn)備。