作者：陸建勛，卓賢軍，劉勇，趙國(guó)澤，底青云

極低頻探地(WEM)工程是“十一五”國(guó)家重大科學(xué)技術(shù)基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目，由中國(guó)艦船研究院、中國(guó)船舶集團(tuán)722所、中國(guó)地震局地質(zhì)研究所、中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所聯(lián)合開展。該工程利用人工產(chǎn)生的極低頻、超低頻無(wú)線電波(0.1-30-300Hz)，通過(guò)“地-電離層波導(dǎo)傳輸”開展深部地質(zhì)探測(cè)，為地下深層礦產(chǎn)、石油、天然氣開發(fā)以及地震預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)研究提供了全新的探測(cè)方法。

中國(guó)工程院陸建勛院士、中國(guó)科學(xué)院底青云院士研究團(tuán)隊(duì)在中國(guó)工程院院刊《Engineering》2022年第3期發(fā)表《極低頻探地工程——無(wú)線電磁法》一文，詳細(xì)介紹了極低頻探地工程的工程目標(biāo)、取得的主要成果，總結(jié)了極低頻探地工程的關(guān)鍵技術(shù)與創(chuàng)新點(diǎn)、工程應(yīng)用與發(fā)展。文章指出，極低頻探地工程的建設(shè)為極低頻電磁技術(shù)的研究和應(yīng)用提供了軟硬件設(shè)施，將促進(jìn)極低頻電磁技術(shù)的發(fā)展，提高資源探測(cè)能力和地震預(yù)測(cè)水平，也為研究地下深層地質(zhì)、空間物理和無(wú)線電物理等提供一種有力的新科學(xué)研究手段，具有廣闊的應(yīng)用前景。

一、引言

超低頻（SLF, 30~300 Hz）電磁技術(shù)最早被應(yīng)用于軍事對(duì)潛深水通信。20世紀(jì)50年代，為了加強(qiáng)戰(zhàn)略導(dǎo)彈核潛艇的隱藏性和安全性，美國(guó)和蘇聯(lián)開始研究超低頻通信，以解決陸地指揮中心與數(shù)千千米外百米以下潛艇之間的通信問(wèn)題。1969年，美國(guó)海軍在威斯康星州克拉姆湖花崗巖低電導(dǎo)率地區(qū)建成了超低頻試驗(yàn)臺(tái)（WTF），1972年，與4600 km外水下102 m的潛艇進(jìn)行通信的試驗(yàn)獲得成功。20世紀(jì)80年代，美國(guó)將WTF臺(tái)升級(jí)為正式工作臺(tái)，并在密執(zhí)安州新建了MTF (Michigan test facility)臺(tái)。同期，蘇聯(lián)在科拉半島低電導(dǎo)率地區(qū)建造了Zevs臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)核潛艇的水下戰(zhàn)略指揮通信。

20世紀(jì)90年代，美國(guó)和俄羅斯開始研究更低頻率（0.1~30 Hz）的通信問(wèn)題，并將研究拓展到地球物理、空間物理等領(lǐng)域，提出了國(guó)際極低頻研究計(jì)劃（圖1）。

圖1. 國(guó)際極低頻研究計(jì)劃。

根據(jù)中國(guó)無(wú)線電頻率劃分標(biāo)準(zhǔn)，0.1~300 Hz頻率范圍包括了至低頻（TLF, 0.03~0.3 Hz）、極低頻（ELF, 0.3~30 Hz）和超低頻頻段，為了便于表達(dá)，本文將其統(tǒng)稱為極低頻。

20世紀(jì)90年代，在引進(jìn)俄羅斯技術(shù)的基礎(chǔ)上，中國(guó)建立了第一個(gè)極低頻試驗(yàn)臺(tái)，為我國(guó)極低頻電磁技術(shù)的理論和應(yīng)用研究提供了一個(gè)良好平臺(tái)。2000年，陸建勛院士與馬宗晉院士首先在中國(guó)工程院開展了《利用極低頻/超低頻無(wú)線電波進(jìn)行地震預(yù)報(bào)及地下資源探測(cè)系統(tǒng)的方案研究》，深入研究了極低頻電磁波的地-電離層波導(dǎo)傳播技術(shù)，針對(duì)現(xiàn)有人工源電磁法[如可控源音頻大地電磁法（CSAMT）]所用的移動(dòng)發(fā)射源功率小，存在信號(hào)覆蓋范圍?。?0~20 km）、探測(cè)深度淺（1~1.5 km）的缺點(diǎn)，提出了應(yīng)用固定大功率發(fā)射臺(tái)信號(hào)，將發(fā)射的電磁波中通過(guò)地-電離層波導(dǎo)傳播的部分應(yīng)用于人工源電磁法中，使得實(shí)際可應(yīng)用的信號(hào)半徑擴(kuò)大到幾千千米、探測(cè)深度提高到10 km，大大拓展了現(xiàn)有人工源電磁法的應(yīng)用范圍。為了區(qū)別于其他電磁法，我們將該方法命名為無(wú)線電磁法，簡(jiǎn)稱WEM法。

為了更好研究和應(yīng)用WEM法，發(fā)揮其在資源探測(cè)和地震預(yù)測(cè)等方面的作用，提出了WEM法所需基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)方案——極低頻探地（WEM）工程。2005年，利用試驗(yàn)臺(tái)對(duì)WEM法進(jìn)行了資源探測(cè)和地震預(yù)測(cè)試驗(yàn)，初步驗(yàn)證了WEM法在資源探測(cè)和地震預(yù)測(cè)方面的應(yīng)用效果；2006年，該項(xiàng)目被列為“十一五”國(guó)家重大科學(xué)技術(shù)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)項(xiàng)目之一。

二、工程總體情況

（一）工程目標(biāo)

WEM工程的目標(biāo)如下：

（1）建造極低頻發(fā)射臺(tái)站等試驗(yàn)設(shè)施，發(fā)射的0.1~300 Hz高信噪比極低頻電磁信號(hào)基本覆蓋中國(guó)國(guó)土和領(lǐng)海區(qū)域；

（2）利用極低頻電磁波穿透介質(zhì)和大面積覆蓋的傳播機(jī)理，開展WEM法的理論和方法研究，以及地下資源探測(cè)和地震預(yù)報(bào)等方面的探索性研究和工程試驗(yàn)研究；

（3）探求復(fù)雜構(gòu)造深部找礦新理論、地震電磁異常前兆新規(guī)律和機(jī)理，促進(jìn)資源探測(cè)和地震預(yù)測(cè)領(lǐng)域具有重大科學(xué)意義的原創(chuàng)性成果的產(chǎn)生；

（4）推動(dòng)地球物理學(xué)、空間物理學(xué)和無(wú)線電物理學(xué)等基礎(chǔ)學(xué)科的發(fā)展。

（二）工程主要成果

工程完成了極低頻發(fā)射臺(tái)及與資源探測(cè)和地震預(yù)測(cè)相配套的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，深入研究了WEM法的原理和工程應(yīng)用，并應(yīng)用建成的基礎(chǔ)設(shè)施開展了地下資源探測(cè)、地震預(yù)測(cè)、大陸架信號(hào)測(cè)試等試驗(yàn)，取得多項(xiàng)成果。

1. 建成了世界上首座民用大功率極低頻發(fā)射臺(tái)

在華中低電導(dǎo)率地區(qū)建立一座大功率發(fā)射臺(tái)（簡(jiǎn)稱WEM臺(tái)），配備兩條基本正交的發(fā)射天線，其中，東西向天線長(zhǎng)約80 km，南北向天線長(zhǎng)約60 km，天線為兩端接地的電力線，每條天線各配一臺(tái)500 kW的發(fā)射機(jī)（發(fā)射臺(tái)部分設(shè)備見(jiàn)圖2），發(fā)射工業(yè)和信息化部無(wú)線電管理局批準(zhǔn)的0.1~300 Hz范圍內(nèi)的98個(gè)頻率信號(hào)，其信號(hào)的頻率準(zhǔn)確度優(yōu)于3×10-8，頻率穩(wěn)定度優(yōu)于3×10-8。WEM臺(tái)發(fā)射的穩(wěn)定、高信噪比信號(hào)滿足資源探測(cè)、地震預(yù)測(cè)及其他前沿領(lǐng)域的研究和應(yīng)用需要（圖3）。

圖3. WEM臺(tái)和天然源輻射的電（a）磁（b）場(chǎng)功率譜密度的比對(duì)。E：電場(chǎng)；H：磁場(chǎng)；x：南北向接收；y：東西向接收；A：WEM臺(tái)；N：天然源。

發(fā)射臺(tái)建成后，在全國(guó)范圍內(nèi)（北至黑龍江漠河，西至新疆奎屯）對(duì)發(fā)射臺(tái)發(fā)射的0.1~300 Hz信號(hào)強(qiáng)度進(jìn)行了測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明，WEM臺(tái)發(fā)射0.5~300 Hz信號(hào)覆蓋半徑可達(dá)2000~3000 km，信噪比為10~20 dB；0.1~0.5 Hz信號(hào)覆蓋半徑為1000~2000 km，信噪比為10~20 dB（表1）。

表1WEM臺(tái)發(fā)射信號(hào)實(shí)際測(cè)試結(jié)果

2. 地下資源探測(cè)研究和應(yīng)用成果

與現(xiàn)有人工源電磁法不同，WEM法是一種新型人工源電磁法。針對(duì)WEM法的特點(diǎn)，開展了極低頻電磁波傳播機(jī)理的理論研究和WEM法在資源探測(cè)中的應(yīng)用研究，建立了極低頻電磁波傳播的電離層-大氣層-地殼耦合模型和WEM數(shù)據(jù)處理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)超大范圍組網(wǎng)式三維極低頻電磁波深部資源探測(cè)，以獲取10 km深度范圍內(nèi)高精度和高分辨率的電性結(jié)構(gòu)，為油氣、礦產(chǎn)資源的評(píng)估和找礦提供可靠的依據(jù)。

工程建設(shè)期間，在內(nèi)蒙古曹四夭鉬礦區(qū)、河南省泌陽(yáng)盆地、川東重慶明月峽構(gòu)造區(qū)以及四川遂寧地區(qū)等金屬礦、油氣區(qū)進(jìn)行了探測(cè)試驗(yàn)（圖4、圖5），驗(yàn)證了WEM法在金屬礦產(chǎn)和油氣資源中的探測(cè)能力。

圖4. 內(nèi)蒙古曹四夭鉬礦WEM探測(cè)綜合解釋結(jié)果。（a）電阻率三維切片圖，圖中黑色虛線為礦體的平面展布范圍；（b）橫切片的反演斷面，圖中黑色虛線為鉬礦的埋藏深度范圍。L1~L7為測(cè)線編號(hào)；F1~F4為斷層編號(hào)；Q為第四系地層；E為早第三系地層；Mo為鉬礦體；Ar為太古宙地層；γ為花崗巖。

圖5. 重慶明月峽油氣構(gòu)造WEM探測(cè)結(jié)果（a）與地震法測(cè)量斷面（b）的比較。J為侏羅系地層；T為三疊系地層，1、2、3代表三疊紀(jì)的早、中、晚三個(gè)階段；P為二疊系地層；C為石炭系地層；S為志留系地層；ε為寒武系地層。

3. 地震預(yù)測(cè)研究和應(yīng)用成果

在首都圈和南北地震帶南段地震重點(diǎn)災(zāi)害預(yù)防區(qū)建成了各由15個(gè)固定臺(tái)站和兩個(gè)流動(dòng)臺(tái)組成的極低頻地震電磁觀測(cè)網(wǎng)（表2、表3），可以同時(shí)觀測(cè)WEM臺(tái)人工源和天然源極低頻電磁信號(hào)；依托已有的國(guó)家地震專網(wǎng)，建立了地震服務(wù)子系統(tǒng)，具備數(shù)據(jù)傳輸與監(jiān)控、數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)處理與應(yīng)用等功能，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)首都圈和南北地震帶南段地下電性介質(zhì)結(jié)構(gòu)和電磁場(chǎng)的動(dòng)態(tài)變化（包括電磁時(shí)間序列、頻譜和視電阻率等參數(shù)），用于研究地震與電磁異常的關(guān)系和機(jī)理，提高地震監(jiān)測(cè)預(yù)測(cè)能力。

表2首都圈15個(gè)地震電磁臺(tái)站的位置

表3南北地震帶南段15個(gè)地震電磁臺(tái)站的位置

2015年以來(lái)，地震電磁臺(tái)網(wǎng)觀測(cè)產(chǎn)出大量觀測(cè)數(shù)據(jù)，包括2017年3月27日云南漾濞5.1級(jí)地震、2017年8月8日四川九寨溝7.0級(jí)地震的余震以及2017年9月30日四川青川5.4級(jí)地震等，可以清楚觀測(cè)到地震前后電磁場(chǎng)或電性結(jié)構(gòu)的變化，如漾濞5.1級(jí)地震數(shù)周前開始出現(xiàn)的74 Hz的電阻率和阻抗相位脈動(dòng)式增大的現(xiàn)象（圖6），四川青川5.4級(jí)地震前8天接收到的WEM臺(tái)4 Hz電磁信號(hào)功率譜的變化幅度明顯增大的現(xiàn)象（圖7）。目前，地震電磁數(shù)據(jù)已進(jìn)入地震預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)，作為地震預(yù)測(cè)參數(shù)之一。

圖6. 漾濞地震前后74 Hz的視電阻率（上）及阻抗相位（下）的波動(dòng)變化。XY：南北向視電阻率；YX：東西向視電阻率；M5.1：震級(jí)為里氏5.1級(jí)。

圖7. 青川地震前后4 Hz電磁波功率譜的波動(dòng)范圍變化。M5.4：震級(jí)為里氏5.4級(jí)。

4. 其他前沿領(lǐng)域研究和應(yīng)用成果

根據(jù)極低頻研究國(guó)際計(jì)劃，極低頻電磁技術(shù)可以廣泛應(yīng)用于地球物理、空間物理等領(lǐng)域。在WEM工程建設(shè)過(guò)程中，開展了大陸架信號(hào)測(cè)試試驗(yàn)，在中國(guó)南海海域水下300 m接收到WEM臺(tái)發(fā)射的信號(hào)，為利用WEM法進(jìn)行大陸架資源探測(cè)奠定了基礎(chǔ)，進(jìn)一步拓展了極低頻電磁技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域，推進(jìn)極低頻電磁技術(shù)的發(fā)展。

三、關(guān)鍵技術(shù)與創(chuàng)新點(diǎn)

WEM工程的關(guān)鍵技術(shù)與創(chuàng)新如下：

（1）應(yīng)用地-電離層波導(dǎo)傳播技術(shù)，提出了極低頻無(wú)線電磁法。該方法兼有天然源電磁法和現(xiàn)有人工源電磁法的優(yōu)點(diǎn)，具有抗干擾能力強(qiáng)，測(cè)量深度大、精度高和施工簡(jiǎn)便的優(yōu)點(diǎn)，為地下資源探測(cè)、地震預(yù)測(cè)和其他前沿領(lǐng)域的研究提供了一種新的科學(xué)技術(shù)平臺(tái)。

（2）攻克了極低頻大功率級(jí)聯(lián)合成、雙頻段高精度信號(hào)生成和極低頻天線復(fù)雜參數(shù)匹配調(diào)諧等關(guān)鍵技術(shù)，解決極低頻大功率高效輸出和輻射難題，成功研制了極低頻發(fā)射系統(tǒng)，發(fā)射的高精確、高穩(wěn)定的極低頻電磁信號(hào)滿足預(yù)測(cè)探測(cè)、地震預(yù)測(cè)及其他前沿領(lǐng)域的研究。

（3）開展極低頻電磁波傳播機(jī)理的理論研究，提出了適合極低頻電磁波傳播的電離層-大氣層-地殼耦合模型，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(cè)難題，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(cè)。

（4）應(yīng)用極低頻電磁地震觀測(cè)臺(tái)網(wǎng)，解決了電磁場(chǎng)連續(xù)觀測(cè)、快速診斷等技術(shù)難題，提出了空間電磁場(chǎng)和地下結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)的四維動(dòng)態(tài)變化的WEM地震電磁觀測(cè)方法，提高了與地震活動(dòng)相關(guān)的電磁異常信息的識(shí)別和捕捉能力，在地震電磁監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)實(shí)踐中取得了顯著效果，填補(bǔ)了中國(guó)在人工源交變電磁監(jiān)測(cè)和天然源極低頻段電磁監(jiān)測(cè)方面的空白。

（5）提出了極低頻水下廣域探測(cè)方法。通過(guò)理論計(jì)算和水下接收試驗(yàn)，首次驗(yàn)證了極低頻大面積、大深度穿透海水的能力，為實(shí)現(xiàn)“透明海洋”、進(jìn)行海洋資源探測(cè)及其他探測(cè)應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

四、工程的應(yīng)用與發(fā)展

WEM 工程的建設(shè)，為極低頻電磁技術(shù)的研究和應(yīng)用提供了軟硬件設(shè)施，將促進(jìn)極低頻電磁技術(shù)的發(fā)展，提高資源探測(cè)能力和地震預(yù)測(cè)水平，也為研究地下深層地質(zhì)、空間物理和無(wú)線電物理等提供一種有力的新科學(xué)研究手段，具有廣闊的應(yīng)用前景。

（一）促進(jìn)電磁探測(cè)技術(shù)的發(fā)展

電磁法正從天然源電磁法（無(wú)源）發(fā)展到人工源電磁法（有源），電磁數(shù)據(jù)處理手段從一維、二維向三維發(fā)展。WEM 法的信號(hào)由一個(gè)固定的發(fā)射源統(tǒng)一發(fā)射，便于大面積組網(wǎng)式觀測(cè)，具有信噪比高、覆蓋面積大等特點(diǎn)，為三維電磁勘探技術(shù)的發(fā)展提供了理想的條件，將明顯地提高地下資源探測(cè)精度和地震電磁監(jiān)測(cè)地震預(yù)測(cè)水平。WEM法將推動(dòng)人工源三維電磁技術(shù)的發(fā)展，促進(jìn)地下資源勘探和地震電磁監(jiān)測(cè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)跨越式發(fā)展。

（二）提高地下資源探測(cè)水平

WEM法的信號(hào)具有信噪比高、覆蓋面積大、探測(cè)深度大等特點(diǎn)，通過(guò)控制發(fā)射不同頻率的電磁信號(hào)對(duì)地質(zhì)剖面或區(qū)域?qū)嵭蟹謱訏呙?，形成二維或三維的電性結(jié)構(gòu)圖像，將明顯地提高地下資源探測(cè)精度。這對(duì)于復(fù)雜地區(qū)和深部地區(qū)的油氣、礦產(chǎn)資源的勘探和開發(fā)具有重要的作用。

WEM臺(tái)發(fā)射的高信噪比信號(hào)和背景場(chǎng)經(jīng)過(guò)海水衰減后依然保持高信噪比，因此，WEM 法也完全適用于大陸架區(qū)域的海洋資源的勘探，為中國(guó)大陸架地區(qū)的石油、礦產(chǎn)資源的勘探開發(fā)和地質(zhì)調(diào)查提供一種新手段。

（三） 提高地震電磁監(jiān)測(cè)和地震預(yù)測(cè)水平

WEM臺(tái)提供的穩(wěn)定高精度電磁場(chǎng)信號(hào)覆蓋范圍大，可以在某些地震頻發(fā)區(qū)域長(zhǎng)期組網(wǎng)接收，同時(shí)觀測(cè)所在區(qū)域地殼結(jié)構(gòu)的電性參數(shù)變化信息，以及電磁信號(hào)在傳播過(guò)程中攜帶的大氣層和電離層信息，為我們提供了一種同時(shí)捕捉地下深層地震活動(dòng)和相關(guān)電離層變化（即“源和場(chǎng)”的異常信息）的綜合技術(shù)手段，可以在很大程度上提高對(duì)異常的識(shí)別和捕捉能力，為確定地震發(fā)生地點(diǎn)、時(shí)間和震級(jí)提供一種最新的科學(xué)研究工具。

（四）促進(jìn)相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展

WEM工程是“深地、深海、深空”研究的重要設(shè)施，WEM臺(tái)發(fā)射的穩(wěn)定高信噪比極低頻電磁信號(hào)，為空間物理、大氣物理、地質(zhì)、應(yīng)用地球物理及軍事通信等領(lǐng)域的研究提供了新的技術(shù)手段，將推動(dòng)地球物理學(xué)、空間物理學(xué)和無(wú)線電物理學(xué)等基礎(chǔ)學(xué)科的發(fā)展。

五、結(jié)論

WEM工程提出的WEM法及其應(yīng)用，涉及無(wú)線電、地球物理等諸多學(xué)科，取得多項(xiàng)突破性進(jìn)展，是原創(chuàng)性工程技術(shù)之一。在工程驗(yàn)收過(guò)程中，與會(huì)專家給予了高度的評(píng)價(jià)，認(rèn)為“該項(xiàng)成果是中國(guó)無(wú)線電通信技術(shù)與地球物理學(xué)交叉融合的創(chuàng)新產(chǎn)物，突破了0.1~30 Hz的極低頻發(fā)射難題，成果原創(chuàng)性強(qiáng)，整體技術(shù)性能處于國(guó)際領(lǐng)先水平。”

審核編輯：郭婷