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最近，我國重大科技工程捷報(bào)頻傳。天問一號(hào)火星探測器已飛到6000萬公里之外，將實(shí)施我國首次火星探測任務(wù);嫦娥五號(hào)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(hào)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(shí)，許多人可能會(huì)忽視，我們對(duì)腳下的地球深處，所知還很有限——不僅對(duì)地下10公里內(nèi)蘊(yùn)藏的礦產(chǎn)和石油探測困難，對(duì)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(huì)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(xiàng)目“極低頻探地(WEM)工程”，已經(jīng)通過了國家驗(yàn)收和科技成果鑒定，具備運(yùn)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(yàn)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(hào)，在距離發(fā)射臺(tái)6500公里之外的河北懷來，記錄了一次4.2級(jí)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(huì)實(shí)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(shí)，美國只將這項(xiàng)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(yàn)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(duì)開展了《利用極低頻/超低頻無線電波進(jìn)行地震預(yù)報(bào)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(huì)被山脈等阻擋，還可繞地球傳播。同時(shí)，波長越長對(duì)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(xiàng)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(xiàng)目之一。

做別人沒有做過的東西

WEM工程是一項(xiàng)創(chuàng)新性項(xiàng)目，國外沒有同類項(xiàng)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(jì)、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(xiàng)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(xiàng)科學(xué)試驗(yàn)，驗(yàn)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(tái)站建成。為驗(yàn)證極低頻理論計(jì)算，科研團(tuán)隊(duì)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(xiàng)目團(tuán)隊(duì)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(hào)。

2020年1月，WEM工程國家驗(yàn)收意見寫道：“該項(xiàng)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(huì)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(xiàng)目可借鑒，同時(shí)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(xiàng)突破性進(jìn)展，擁有多項(xiàng)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(huì)價(jià)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(xiàng)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(bào)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(xiàng)目團(tuán)隊(duì)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?cái)嗝嫔钸_(dá)10公里的對(duì)比探測，測得的數(shù)據(jù)與原有數(shù)據(jù)完全相符，首次實(shí)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(xiàng)目團(tuán)隊(duì)在我國地震重點(diǎn)災(zāi)害預(yù)防區(qū)建成了30余個(gè)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(tái)網(wǎng)，使得人工源和天然源電磁場可以同時(shí)觀測電磁場和地下結(jié)構(gòu)變化。這些臺(tái)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(shí)間上的變化規(guī)律，實(shí)現(xiàn)真正的四維觀測，極大提高了對(duì)地震前兆異常的識(shí)別和捕捉能力，例如利用鄰近觀測點(diǎn)曾記錄了九寨溝7級(jí)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(tái)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(jí)地震之前，該系統(tǒng)基于2個(gè)臺(tái)站觀測的震前視電阻率異常現(xiàn)象，正式提出的地震預(yù)測意見得到證實(shí)。

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(xiàng)目團(tuán)隊(duì)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(shí)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(tái)。(汪 濤 記者 付毅飛)