作者：陸建勛，卓賢軍，劉勇，趙國澤，底青云

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

中國工程院陸建勛院士、中國科學(xué)院底青云院士研究團(tuán)隊(duì)在中國工程院院刊《Engineering》2022年第3期發(fā)表《極低頻探地工程——無線電磁法》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，提高資源探測能力和地震預(yù)測水平，也為研究地下深層地質(zhì)、空間物理和無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題。1969年，美國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（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，美國將WTF臺升級為正式工作臺，并在密執(zhí)安州新建了MTF (Michigan test facility)臺。同期，蘇聯(lián)在科拉半島低電導(dǎo)率地區(qū)建造了Zevs臺，實(shí)現(xiàn)了對核潛艇的水下戰(zhàn)略指揮通信。

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

圖1. 國際極低頻研究計(jì)劃。

根據(jù)中國無線電頻率劃分標(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，中國建立了第一個極低頻試驗(yàn)臺，為我國極低頻電磁技術(shù)的理論和應(yīng)用研究提供了一個良好平臺。2000年，陸建勛院士與馬宗晉院士首先在中國工程院開展了《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》，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）]所用的移動發(fā)射源功率小，存在信號覆蓋范圍?。?0~20 km）、探測深度淺（1~1.5 km）的缺點(diǎn)，提出了應(yīng)用固定大功率發(fā)射臺信號，將發(fā)射的電磁波中通過地-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)用的信號半徑擴(kuò)大到幾千千米、探測深度提高到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線電磁法，簡稱WEM法。

為了更好研究和應(yīng)用WEM法，發(fā)揮其在資源探測和地震預(yù)測等方面的作用，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)臺對WEM法進(jìn)行了資源探測和地震預(yù)測試驗(yàn)，初步驗(yàn)證了WEM法在資源探測和地震預(yù)測方面的應(yīng)用效果；2006年，該項(xiàng)目被列為“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。

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基本覆蓋中國國土和領(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)資源探測和地震預(yù)測領(lǐng)域具有重大科學(xué)意義的原創(chuàng)性成果的產(chǎn)生；

（4）推動地球物理學(xué)、空間物理學(xué)和無線電物理學(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)射臺及與資源探測和地震預(yù)測相配套的基礎(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、地震預(yù)測、大陸架信號測試等試驗(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

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

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

發(fā)射臺建成后，在全國范圍內(nèi)（北至黑龍江漠河，西至新疆奎屯）對發(fā)射臺發(fā)射的0.1~300 Hz信號強(qiáng)度進(jìn)行了測試。測試結(jié)果表明，WEM臺發(fā)射0.5~300 Hz信號覆蓋半徑可達(dá)2000~3000 km，信噪比為10~20 dB；0.1~0.5 Hz信號覆蓋半徑為1000~2000 km，信噪比為10~20 dB（表1）。

表1WEM臺發(fā)射信號實(shí)際測試結(jié)果

2. 地下資源探測研究和應(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，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，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能力。

圖4. 內(nèi)蒙古曹四夭鉬礦WEM探測綜合解釋結(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為測線編號；F1~F4為斷層編號；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探測結(jié)果（a）與地震法測量斷面（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個固定臺站和兩個流動臺組成的極低頻地震電磁觀測網(wǎng)（表2、表3），可以同時觀測WEM臺人工源和天然源極低頻電磁信號；依托已有的國家地震專網(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)時監(jiān)測首都圈和南北地震帶南段地下電性介質(zhì)結(jié)構(gòu)和電磁場的動態(tài)變化（包括電磁時間序列、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)測預(yù)測能力。

表2首都圈15個地震電磁臺站的位置

表3南北地震帶南段15個地震電磁臺站的位置

2015年以來，地震電磁臺網(wǎng)觀測產(chǎn)出大量觀測數(shù)據(jù)，包括2017年3月27日云南漾濞5.1級地震、2017年8月8日四川九寨溝7.0級地震的余震以及2017年9月30日四川青川5.4級地震等，可以清楚觀測到地震前后電磁場或電性結(jié)構(gòu)的變化，如漾濞5.1級地震數(shù)周前開始出現(xiàn)的74 Hz的電阻率和阻抗相位脈動式增大的現(xiàn)象（圖6），四川青川5.4級地震前8天接收到的WEM臺4 Hz電磁信號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)測數(shù)據(jù)庫，作為地震預(yù)測參數(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）的波動變化。XY：南北向視電阻率；YX：東西向視電阻率；M5.1：震級為里氏5.1級。

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

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)過程中，開展了大陸架信號測試試驗(yàn)，在中國南海海域水下300 m接收到WEM臺發(fā)射的信號，為利用WEM法進(jìn)行大陸架資源探測奠定了基礎(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)，測量深度大、精度高和施工簡便的優(yōu)點(diǎn)，為地下資源探測、地震預(yù)測和其他前沿領(lǐng)域的研究提供了一種新的科學(xué)技術(shù)平臺。

（2）攻克了極低頻大功率級聯(lián)合成、雙頻段高精度信號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滿足預(yù)測探測、地震預(yù)測及其他前沿領(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。

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

（5）提出了極低頻水下廣域探測方法。通過理論計(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)行海洋資源探測及其他探測應(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，提高資源探測能力和地震預(yù)測水平，也為研究地下深層地質(zhì)、空間物理和無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)電磁探測技術(shù)的發(fā)展

電磁法正從天然源電磁法（無源）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 法的信號由一個固定的發(fā)射源統(tǒng)一發(fā)射，便于大面積組網(wǎng)式觀測，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精度和地震電磁監(jiān)測地震預(yù)測水平。WEM法將推動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)測技術(shù)實(shí)現(xiàn)跨越式發(fā)展。

（二）提高地下資源探測水平

WEM法的信號具有信噪比高、覆蓋面積大、探測深度大等特點(diǎn)，通過控制發(fā)射不同頻率的電磁信號對地質(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精度。這對于復(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臺發(fā)射的高信噪比信號和背景場經(jīng)過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)測和地震預(yù)測水平

WEM臺提供的穩(wěn)定高精度電磁場信號覆蓋范圍大，可以在某些地震頻發(fā)區(qū)域長期組網(wǎng)接收，同時觀測所在區(qū)域地殼結(jié)構(gòu)的電性參數(shù)變化信息，以及電磁信號在傳播過程中攜帶的大氣層和電離層信息，為我們提供了一種同時捕捉地下深層地震活動和相關(guān)電離層變化（即“源和場”的異常信息）的綜合技術(shù)手段，可以在很大程度上提高對異常的識別和捕捉能力，為確定地震發(fā)生地點(diǎn)、時間和震級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臺發(fā)射的穩(wěn)定高信噪比極低頻電磁信號，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，將推動地球物理學(xué)、空間物理學(xué)和無線電物理學(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)收過程中，與會專家給予了高度的評價，認(rèn)為“該項(xiàng)成果是中國無線電通信技術(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)性能處于國際領(lǐng)先水平?！?/p>

審核編輯：郭婷