极低频探地工程 既能地下寻宝也能地下“捉妖”

　　最近，我国重大科技工程捷报频传。天问一号火星探测器已飞到6000万公里之外，将实施我国首次火星探测任务;嫦娥五号月球探测器成功发射，将取回第一份属于中国人的月球样品;奋斗者号全海深载人潜水器再创中国载人深潜纪录，并完成世界首次载人潜水器与着陆器在万米海底的联合作业……

　　在巡天、探海任务不断取得进展时，许多人可能会忽视，我们对脚下的地球深处，所知还很有限——不仅对地下10公里内蕴藏的矿产和石油探测困难，对地震灾害也很难预知。

　　习近平总书记在全国科技创新大会上指出：“从理论上讲，地球内部可利用的成矿空间分布在从地表到地下1万米，目前世界先进水平勘探开采深度已达2500米至4000米，而我国大多小于500米，向地球深部进军是我们必须解决的战略科技问题。”

　　总书记的话，让一群默默无闻从事探地研究的科技工作者备受鼓舞。记者从中国船舶集团公司所属中国舰船研究院获悉，由该院联合中国船舶集团722所、中国地震局地质研究所、中国科学院地质与地球物理研究所，攻关多年共同完成的“十一五”国家重大科学技术基础设施项目“极低频探地(WEM)工程”，已经通过了国家验收和科技成果鉴定，具备运行条件。

　　据悉，该成果可用于地层结构、地下资源和海底资源探测，地震预测等领域研究和应用，具有重大战略意义。

　　一次试验带来的启发

　　电磁波是人类探测地质的重要手段。

　　早在20世纪50年代，国外就发明了用空中雷电探测地质的方法。雷电有大量极低的频率，可以穿透较深地层，但随机性强、探测误差大。

　　20世纪70年代后，人们又发明了可控人工源电磁法，沿用至今。这种方法探测精度大大提高，但探测距离只有10至20公里，探测深度仅在1.5公里之内。

　　长期从事舰船通信技术研究的中国工程院院士陆建勋，1999年跟地震局地质所研究员赵国泽一起与俄罗斯科学院合作，利用俄方发射的大功率超低频信号，在距离发射台6500公里之外的河北怀来，记录了一次4.2级地震的前兆信息。

　　陆建勋由此受到了启发。

　　他推断，如果把军用地-电离层波导传输技术从超低频(30Hz—300Hz)向下发展到极低频(3Hz—30Hz)以及至低频(0.03Hz—3Hz)，进而用于民用深层地质探测，将会实现一种全新的地质探测新技术。他将这种技术称为“无线电磁法”(WEM法)。

　　当时，美国只将这项技术用于军事通信。俄罗斯虽然把该技术作为民用，但最低只试验到1.3Hz。要解决1Hz以下至低频的超远距离传播，难度极大。

　　2000年开始，陆建勋和中国地震局马宗晋院士合作，带领团队开展了《利用极低频/超低频无线电波进行地震预报及地下资源探测系统的方案研究》。

　　极低频(0.1Hz—300Hz)的波长为300万公里至1000公里。由于波长极长，可以在周围衍射，因而不会被山脉等阻挡，还可绕地球传播。同时，波长越长对介质穿透越深，因此极低频可以远在数千公里外，探测到10公里的下深处，或穿透数百米的海水。

　　在中国工程院大力推荐、国务院领导批示下，国家发改委于2010年批复项目建议书，将WEM工程列为“十一五”国家重大科学技术基础设施建设项目之一。

　　做别人没有做过的东西

　　WEM工程是一项创新性项目，国外没有同类项目可以借鉴。作为工程首席科学家，陆建勋认为，搞创新就要做别人没有做过的东西。

　　他深入一线亲力亲为。工程的可行性研究、初步设计、主要技术指标、关键技术，测试结果等，他都亲自审查和把关。

　　目前，该项工程完成了系统总体、发射系统、资源探测、地震预测、场强指标、地质灾害监测、大陆架探测等各项科学试验，验证了其在资源探测、地震预测方面发挥的作用。

　　2015年12月，世界上首座民用极低频大功率发射台站建成。为验证极低频理论计算，科研团队西到新疆奎屯，北到黑龙江漠河，跑遍全国开展各种频率场强的测试;从大连到东沙，他们又进行了从数十米到数百米水深的极低频水下电磁场数据测试。随后项目团队又与国外合作，成功在6000公里以外距离，有效接收到国内发射的极低频电磁波信号。

　　2020年1月，WEM工程国家验收意见写道：“该项目是我国军事无线电通信技术与地球物理跨学科交叉的创新产物，突破了0.1Hz—30Hz的极低频发射难题，工程技术性能指标全面达到批复要求，成果原创性强，整体技术达到国际领先水平。”

　　在2020年9月举行的WEM工程科技成果鉴定会上专家指出，极低频探地工程是我国自主创新工程之一，工程建设没有国外同类工程或项目可借鉴，同时涉及无线电、地球物理等多门学科，技术广度宽、难度大，提出的WEM法和相关研究应用成果取得多项突破性进展，拥有多项自主产权，总体性能达到国际领先水平，具有重大经济效益、社会价值和广阔的推广应用前景。

　　以创新手段向地球深部进军

　　WEM工程项目为我国地下深层矿产、石油、天然气的开发以及地震预测预报研究提供了全新的探测方法，也为我国海洋和大陆架资源的探测提供了高效的技术手段。

　　在地下资源探测方面，项目团队建立了电离层-大气层-地壳电磁波耦合模型，解决了超大范围组网式三维极低频电磁波深部资源探测难题。利用WEM法进行300至1000公里三处已知矿藏断面深达10公里的对比探测，测得的数据与原有数据完全相符，首次实现了人工源大面积、远距离、大深度的油气矿产资源探测新技术。

　　通过多年建设，项目团队在我国地震重点灾害预防区建成了30余个电磁观测站，初步形成首都圈和南北地震带南段的极低频地震电磁观测台网，使得人工源和天然源电磁场可以同时观测电磁场和地下结构变化。这些台站和电磁观测站既可以监测地震引起的空间电磁场异常、震源区附近的大地电阻率异常，也可以监测电磁场和电阻率在时间上的变化规律，实现真正的四维观测，极大提高了对地震前兆异常的识别和捕捉能力，例如利用邻近观测点曾记录了九寨沟7级地震和多次余震的地震前兆数据，有助于地震预测的前兆研究。

　　目前极低频台网已并入中国地震前兆管理系统。2018年4月11日山东平邑发生3.1级地震之前，该系统基于2个台站观测的震前视电阻率异常现象，正式提出的地震预测意见得到证实。

　　经过20年奋斗，WEM工程建设已取得丰硕成果。记者了解到，项目团队即将进入第二阶段工作，争取用更先进的信息技术，实现更广范围、更大规模、更高技术指标的“极低频深地、深海探测(WEM-Ⅱ)工程”，为我国的深地、深海资源探测、地震预测及其他前沿科学研究及应用，提供新的技术手段和开放性的公共服务平台。(汪 涛 记者 付毅飞)