水下火眼金睛

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　　“九五”至“十五”期间，国家“863”计划连续资助中国地质大学（北京）开展对海底大地电磁探测与电磁成像技术的研究。经数年努力，终于取得技术突破。由邓明教授所率课题组研发的海底大地电磁仪成功进行了国内首次海陆联合大跨度多点位大地电磁同步采集试验，布置并完成了我国海域第一条具有实际地质意义的海底大地电磁探测剖面，填补了中国在该技术领域的空白。
　　海底大地电磁探测是海域地质调查、深部地质构造研究和海洋油气资源勘查的重要地球物理方法之一。本次试验的成功，标志着海底大地电磁探测技术在我国即将进入实用化阶段，此项成果将为我国海洋科学探测提供新的技术支撑。
　　
　　后来居上
　　
　　海底大地电磁场携带着海底以下的岩石电性信息，通过对该场源的探测，将被测数据进行成像处理，就可推知海底的地质构造，为海洋地学研究及矿产资源开发提供科学依据。
　　西方发达国家从上世纪70年代始对海底大地电磁探测技术与仪器进行研究，并且根据当时的实验结果给出了海底大地电磁探测可解决宏观地质问题的科学评价。
　　上世纪80年代中期，由美国、加拿大、日本和澳大利亚的十多所大学联合发起的EMSLAB计划，用几十台海底大地电磁仪对美国西岸海区进行勘查，以了解该区域地壳板块的演化历史。在所投放的仪器中约有80％取得了较满意的测量数据。
　　上世纪90年代末期，来自美、法、日等国的科学家进行的名为Mantle Electromagnetic and Tomography的探测试验，揭示了东南太平洋海区古洋脊的非对称电性结构。其研究成果在美国《Science》杂志发表后，在国际地学界产生了极大的学术反响。
　　进入新世纪，海底大地电磁探测技术加快了发展的步伐，并带动和推进了相关学科的交叉与融合。以先进仪器为数据观测手段和岩石电性成像为地质解释推论的海洋电磁方法，已成为解决当今海洋地学问题的重要的技术生长点。
　　与国外的研究进展相比，国内对此方面的研究起步较晚。1998年以前，虽有少数学者对海洋电磁进行过探讨，但仅是初步的，未有理论与技术突破。之后，由中国地质大学（北京）魏文博教授负责的国家“863”计划课题――海底大地电磁探测技术（820-03-04），在国内首次对海底大地电磁进行了系统的、全面的研究。在“九五”期间，该课题组研制了中国第一批海底大地电磁仪，于2000年7月成功进行了国内首次海底大地电磁探测海洋试验，在东海采集到百米水深的大地电磁数据，为该技术在我国的应用迈出了重要的第一步。然而，要使海底大地电磁探测真正走向实用化，仍面临着较多的技术问题，这些问题与海洋作业的特殊性有关。正是基于这些问题，由邓明教授负责的国家“863”计划“十五”期间课题――海底大地电磁探测与电磁成像技术（2002AA615020）的申请获得批准，并且现已取得可喜成果。
　　
　　关键突破
　　
　　由邓明教授负责的“十五”“863”课题的任务之一是研发新型的海底大地电磁仪，对多项仪器技术指标进行优化与改进，力争通过海上试验加快我国海底大地电磁探测技术的实用化进程；任务之二是实现海底大地电磁数据的成像处理，改善我国海域地震勘探困难区油气地球物理勘查的效果。课题组在关键技术方面主要取得以下重要进展：
　　
　　海底大地电磁探测的实时数据备份技术
　　因海上作业环境较恶劣，若仪器在投放过程中受到强烈振动，可能引发嵌入式计算机重新启动或运行于异常状态，导致电子盘的数据丢失。为了解决这一问题，自主研发PC104总线与USB口的通讯软硬件，实现海底采集的实时数据备份。在海底数据采集过程中，把测量数据同时存入两个独立的电子盘，确保观测数据的完整性。
　　
　　海底高精度应急时钟源
　　为了保证海底多站位数据采集的同步精度，除利用GPS实现海面对钟计时技术之外，还应解决仪器在海底环境下因意外原因造成的时间信息丢失问题。在海底，缘于厚厚的海水将GPS信号屏蔽，因而无法接收到来自卫星的时间信息。每台仪器投放之前，只能有一次海面对钟机会，故海底的仪器必须有独立的且高精度的时钟源。一旦仪器内计算机的计时单元出现误差，可在此时钟源处重新获得准确的时间信息，精度可达10-7秒。
　　
　　高强度非磁性承压密封舱
　　测量磁场的仪器舱必须为非磁性。本课题组选用LC4超硬铝作舱体材料，通过计算确定合理的设计参数，提高仪器系统的承压性能，使抗压指标达13MPa，确保仪器能工作在1000m水深。2005年7月进行的海试中，仪器投放深度达1050m，采集到国内第一组千米水深的大地电磁场数据。
　　
　　级联分样抗混叠抽样技术
　　海底大地电磁场的频率成分以低频和超低频为主。在满足采样定理的前提下，设置合理的采样率就可获得所需频段的场源信息。海底大地电磁仪采用硬件采样和软件抽样相结合的方法，在电路驱动程序中嵌入数字滤波器，以级联分样算法，实现信号的抗混叠抽样。既使各频段信号无失真地保存，又合理地利用电子盘空间，这一先进的数字信号处理技术使海底大地电磁系统实现了超低频信号测量和超长时间测量。
　　
　　带远参考站的海底大地电磁数据采集技术
　　海底大地电磁场信号微弱，容易受到海洋电磁噪声的污染。为获得高质量的信号，压制区域背景噪声，应采用带远参考站的测量方式。本课题组在国内首次尝试海底大地电磁带陆地远参考站的测量。2005年7月在南中国海进行的海试，将陆地远参考站设在湛江，与海底大地电磁仪第一号投放点的直线距离约370.2km。远参考站与海上作业船通过卫星通讯保持联系，陆地与海底多台仪器同步进行数据采集。经对采集信息进行数据处理，揭示出被测海区地下数十公里的岩石电性结构，为我国的海洋电磁探测积累了宝贵的科学资料。这一试验的成功标志着我国的海底大地电磁探测技术已接近国际先进水平。
　　
　　带起伏地形的海底大地电磁二维正反演技术
　　海底起伏地形会使电场信号产生畸变。正演模拟可了解地形所引起的异常分布规律，反演算法可从采集的信号中对地型影响部分进行校正。在本课题研究中，实现了适应斜界面地电模型的二维有限差分数值计算方法，大大提高了带地形海底大地电磁场二维正演模拟计算的精度。反演计算采用快速松弛算法求解TE和TM模式的灵敏度函数，其反演精度也获得较大程度的提高。经模型计算检验，正反演算法和编写的计算机软件具有较强的实用性。
　　
　　带界面约束的大地电磁二维反演技术
　　非唯一性是地球物理反演的固有问题。如果仅仅以拟合实测数据建模，往往会导致产生过于复杂的模型，或产生一些多余构造，给解释带来困难。为了减小解的非唯一性，必须研究带界面约束的海底大地电磁二维反演技术。在本课题研究中，通过定义以模型参数为变量的目标函数，并要求目标函数取极小来对模型参数的变化进行约束和惩罚。在求目标函数的过程中，把对电阻率结构的已知界面约束加入惩罚函数，实现带界面约束的反演，这对于减小海底大地电磁资料反演的多解性，提高解释精度有重要的意义。通过理论模型合成数据的反演试算，检验了算法的正确性和有效性。试算结果表明，带已知边界信息约束的反演结果能够更好地反映目标体的几何边界和电阻率值。
　　
　　应用前景
　　
　　本课题的研究成果使“九五”期间起步的海底大地电磁探测技术达到实用化水平，并即将在我国海域的油气资源勘探以及地质调查中发挥作用。这项成果填补了我国海洋电磁探测技术的空白，同时也为深水油气电磁探测技术和气水合物电磁探测技术等方面的研究奠定坚实的理论和实践基础，对传统方法难以解决的滩浅海地区、古潜山构造等复杂条件下油气资源评价提供了新的技术手段。
　　2005年9月，课题组参与了我国某海域中-古生界深部成像的大地电磁探测技术试验研究。这是课题组成立以来，第一次将研究成果与生产单位合作，共同开展海洋油气资源的调查与评价。大地电磁方法应用于海洋探测有其方法上的优势。对于海域为碳酸岩覆盖且地质构造复杂的地震勘探困难区，现有的海上地球物理探测手段很难解决其深层探测问题。恰恰海底大地电磁探测由于具有电性分层的特点，因而大有希望在这些地区取得良好的应用效果。
　　在未来的海洋油气资源勘查中，大地电磁探测将是一种实用的、有效的方法。同时在海洋地球动力学及海底地壳演化规律的研究上也将发挥其独特的作用。
　　
　　经验借鉴
　　
　　本课题组由老中青各年龄段人员组成。科研过程中以老带新，注重发挥中青年技术骨干的作用。积极提供各方面的支持，鼓励中青年科技人员结合各自研究的题目攻读学位。课题组的依托单位――中国地质大学（北京）出台各种优惠政策，提倡有科研题目的中青年教师和学生提高学历层次。该课题立项以来，先后有3人进入博士学位的学习和研究，还培养出了多名硕士研究生。目前课题组以40岁以下的年轻人为主，年龄结构、学历结构、职称结构合理，科研气氛浓厚。在课题执行期间，共发表了14篇包括SCI、EI等具有学术影响的科研论文。
　　课题组实行项目管理模块化。从课题至子课题，从子课题至下属各技术模块，任务分工明确，有明显的学科交叉特征。各模块之间的技术交接，由子课题负责人积极协调。经费统一管理，由课题组负责人掌握经费使用额度。由于课题经费有限，课题组人员本着节约、高效的原则，尽可能把经费用到实处。
　　课题组注重国际学术交流。曾派出两名青年教师赴加拿大，先后在Albert大学、Toronto大学进行学术交流和研究，了解到目前国际上海洋电磁法的先进技术，探讨与国外同行进行互利合作的可能性，为下一步开展我国海洋人工源电磁法的研究做技术准备。

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