肖 都, 張 強(qiáng), 杜炳銳, 袁桂琴, 劉建勛, 裴發(fā)根, 李建華,賁 放, 歐 洋, 王 剛, 馮 斌, 朱 威, 孫 躍
(中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院地球物理地球化學(xué)勘查研究所 國(guó)家現(xiàn)代地質(zhì)勘查工程技術(shù)研究中心,廊坊 065000)
中國(guó)的地球物理勘查工作,包括新中國(guó)成立前后時(shí)期,已有80多年發(fā)展史。期間,世界各國(guó)地球物理發(fā)展呈現(xiàn)多種模式,而我國(guó)走的是一條有中國(guó)特色的地球物理發(fā)展道路。其技術(shù)進(jìn)步與發(fā)展歷程大致分為20世紀(jì)60年代-70年代的發(fā)展階段、20世紀(jì)80年代-90年代的提高階段和21世紀(jì)的創(chuàng)新階段。在創(chuàng)新階段,地球物理儀器設(shè)備以自主創(chuàng)新、研發(fā)和優(yōu)選引進(jìn)并存,儀器設(shè)備水平呈現(xiàn)數(shù)字化、智能化、多功能、多參數(shù)、人機(jī)可視化等特點(diǎn),通過(guò)引進(jìn)消化吸收再創(chuàng)新,我國(guó)地球物理儀器設(shè)備水平有了很大提高。隨著國(guó)家科技投入力度加大,地質(zhì)大調(diào)查深入開(kāi)展,地球物理勘查方法技術(shù)呈現(xiàn)全新面貌,高精度、高分辨率采集系統(tǒng)不斷成熟,信息化、數(shù)字化水平大幅提升,自動(dòng)化、智能化發(fā)展迅速,總體上地球物理勘查技術(shù)已接近或達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。
物化探所自1957年建所以來(lái),堅(jiān)持以地球物理勘查方法技術(shù)研究、示范、應(yīng)用和推廣為立所之根本,取得了以斜磁化理論及應(yīng)用研究、激發(fā)極化法應(yīng)用研究等為代表的一系列成果,帶動(dòng)了全國(guó)地球物理勘查工作的發(fā)展?!笆晃濉敝两瘢锘剿诤娇针姶欧?、地面電磁法、地震技術(shù)、地下物探等方面的研究成果呈現(xiàn)出勃勃生機(jī),航空-地面-地下立體勘查技術(shù)體系進(jìn)一步完善,應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)一步擴(kuò)大,在油氣與礦產(chǎn)資源、水文地質(zhì)與工程地質(zhì)、環(huán)境地質(zhì)與災(zāi)害地質(zhì)查、清潔能源等領(lǐng)域都取得了系列創(chuàng)新成果。筆者簡(jiǎn)要介紹了近15年來(lái),物化探所在勘查地球物理核心技術(shù)與裝備、方法技術(shù)體系創(chuàng)新應(yīng)用、標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)與信息化等方面取得的進(jìn)展,展望了下一步發(fā)展趨勢(shì)。
物化探所長(zhǎng)期致力于研發(fā)物探關(guān)鍵裝備和核心技術(shù),打破西方國(guó)家的技術(shù)封鎖,通過(guò)掌握“航空-地面-井中”自主核心技術(shù)來(lái)推動(dòng)工作能力和水平的提升,更好地服務(wù)地質(zhì)調(diào)查事業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。
為滿足國(guó)家在自然資源、生態(tài)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查等領(lǐng)域?qū)焖?、大深度、高分辨航空電磁勘查技術(shù)裝備的需求,物化探所依托國(guó)家“863”計(jì)劃項(xiàng)目,國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目和地質(zhì)調(diào)查項(xiàng)目,歷時(shí)15年,研發(fā)了我國(guó)首套大深度實(shí)用化固定翼時(shí)間域航空電磁測(cè)量系統(tǒng)[1]。實(shí)現(xiàn)了1.2×106Am22峰值磁矩發(fā)射,為國(guó)外同類型GEOTEM系統(tǒng)的1.7倍,探測(cè)深度達(dá)到650 m,噪聲水平(由十二五期間50 nT/s改善至2 nT/s)、續(xù)航時(shí)間(由十二五期間3.5 h提升至大于5 h)等關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)均滿足實(shí)用化調(diào)查需求并達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平,實(shí)現(xiàn)了我國(guó)大型航空電磁測(cè)量裝備從0到1的突破[2]。2021年,系統(tǒng)在吉林白城-松原、內(nèi)蒙古興安盟等地區(qū)開(kāi)展航空電磁測(cè)量,劃分了松嫩平原山前地帶200 m以淺含水層結(jié)構(gòu)和650 m以淺中生代地層電性結(jié)構(gòu),解譯了主要斷裂空間展布,支撐了基礎(chǔ)地質(zhì)、水文地質(zhì)調(diào)查工作,建立了一套實(shí)用化的固定翼時(shí)間域航空電磁測(cè)量技術(shù)體系。系統(tǒng)的成功研發(fā)并應(yīng)用打破了西方發(fā)達(dá)國(guó)家的技術(shù)壟斷,獲得了2021年度中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局地質(zhì)科技十大進(jìn)展。
依托地質(zhì)調(diào)查項(xiàng)目,物化探所突破了氣動(dòng)外形、電磁兼容、遙測(cè)遙控等關(guān)鍵技術(shù),在國(guó)際上首次研制了中大型無(wú)人機(jī)航空磁/放綜合勘查系統(tǒng)[3]。實(shí)現(xiàn)了高精度超低空地形跟隨飛行測(cè)量,提高了航空物探測(cè)量精度;攻克了超遠(yuǎn)程測(cè)控及夜航測(cè)量技術(shù),提高了測(cè)量效率。航磁數(shù)據(jù)補(bǔ)償后標(biāo)準(zhǔn)差53 pT,改善比11.3,動(dòng)態(tài)噪聲水平優(yōu)于60 pT,磁測(cè)總精度達(dá)到1.65 nT,航空放射性穩(wěn)定性優(yōu)于±1%,晶體分辨率優(yōu)于12%,峰位漂移小于±1道,系統(tǒng)單架次續(xù)航超過(guò)7.5 h1 200測(cè)線km,測(cè)線偏航小于±10 m,實(shí)用化性能優(yōu)越。該系統(tǒng)目前已完成了國(guó)內(nèi)外油氣、礦產(chǎn)資源及灘涂區(qū)無(wú)人機(jī)航空物探調(diào)查任務(wù)總計(jì)約26萬(wàn)測(cè)線千米,取得了高質(zhì)量的航空物探測(cè)量數(shù)據(jù)和很好的地質(zhì)效果,獲得了中國(guó)地質(zhì)學(xué)會(huì)2013年度十大科技進(jìn)展、中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院2013年度十大科技進(jìn)展、中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局2013年度地質(zhì)調(diào)查十大進(jìn)展[4]。
為打破國(guó)外壟斷,在國(guó)家863重點(diǎn)、國(guó)家重大科學(xué)儀器設(shè)備開(kāi)發(fā)專項(xiàng)、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、地質(zhì)調(diào)查等項(xiàng)目支持下,針對(duì)我國(guó)能源資源勘查對(duì)地球電磁特性大深度高分辨的探測(cè)需求,物化探所成功研發(fā)了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的大功率多功能三維電磁測(cè)量系統(tǒng),填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)空白,并實(shí)現(xiàn)了我國(guó)電磁勘探技術(shù)由二維測(cè)量向三維測(cè)量的跨越式發(fā)展。基于天然電磁場(chǎng)和人工電磁場(chǎng)的傳播特點(diǎn),創(chuàng)新提出了多種電法(AMT/MT、CSAMT、TDIP、SIP)的三維分布式探測(cè)方法;攻克電流精細(xì)采樣的大功率發(fā)射、大動(dòng)態(tài)范圍的陣列分布式測(cè)量,以及高精度同步等關(guān)鍵技術(shù),成功研發(fā)了大功率多功能的電磁法測(cè)量設(shè)備,最大發(fā)射功率達(dá)160 kw,最大電流為100 A;通過(guò)研究抗干擾數(shù)據(jù)采集、處理與帶地形的電磁二、三維正反演解釋方法,開(kāi)發(fā)集成了實(shí)用化國(guó)產(chǎn)多功能三維電磁軟件,當(dāng)以50 Hz為主的環(huán)境電磁干擾超過(guò)測(cè)量有效信號(hào)1 000倍時(shí),仍可獲取可靠的電性信息[5-7]。近年來(lái)在資源能源勘查、三維地質(zhì)填圖、深部結(jié)構(gòu)探測(cè)等領(lǐng)域開(kāi)展了廣泛的應(yīng)用示范,取得顯著成效。相關(guān)研究成果獲國(guó)土資源部科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)和中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)。
為解決可控源電磁法固有的場(chǎng)源效應(yīng)、靜態(tài)位移影響,以及CSAMT因限于“遠(yuǎn)區(qū)”觀測(cè)而深度受限等問(wèn)題,研究了全區(qū)多源觀測(cè)方法,以及靜態(tài)位移改正、電磁場(chǎng)直接反演等數(shù)據(jù)處理與解釋技術(shù),創(chuàng)新形成了全區(qū)多源電磁探測(cè)方法(MSEM)。作為一種新型的人工源頻率域電磁勘探方法,突破了傳統(tǒng)可控源電磁測(cè)深法的場(chǎng)源效應(yīng)畸變和靜態(tài)位移影響等,增強(qiáng)了觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量,提升了勘探深度和精度,使得可控源電磁法探測(cè)深度從傳統(tǒng)方法的1 500 m提升到5 000 m。研發(fā)方法技術(shù)獲國(guó)家發(fā)明專利3項(xiàng),支撐我國(guó)多金屬礦產(chǎn)、地?zé)?、?yè)巖氣等能源資源勘探開(kāi)發(fā)取得重要進(jìn)展,如在河北省博野縣建議的地?zé)峥捉沂镜貙优c推斷地層吻合良好,在3 240 m~4 007 m見(jiàn)到溫度為135℃的地下熱水,單井可供暖面積超過(guò)25×104m2。
地下電磁波法是在鉆孔或坑道中,利用介質(zhì)對(duì)電磁波傳播造成的振幅衰減或時(shí)間延遲異常,來(lái)探測(cè)地下目標(biāo)體的一種地下物探方法。物化探所從1959年就開(kāi)始了地下電磁波法儀器與方法技術(shù)研究,使我國(guó)躋身開(kāi)展地下電磁波層析成像技術(shù)研究與應(yīng)用最早的國(guó)家之一。在國(guó)家“863”課題、國(guó)土資源公益性行業(yè)科研專項(xiàng)、地質(zhì)調(diào)查等項(xiàng)目的資助下,物化探所攻關(guān)深井電磁波大功率發(fā)射、高靈敏度接收及耐高溫高壓技術(shù),研發(fā)了集軟硬件一體的大透距地下電磁波層析成像系統(tǒng)。該系統(tǒng)發(fā)射機(jī)輸出功率由10 W提高到100 W,接收機(jī)靈敏度提升到0.1 V,耐溫、耐壓分別達(dá)到85℃、25 MPa,探測(cè)深度增加到2 000 m,實(shí)現(xiàn)了大功率發(fā)射和高靈敏度接收,在中高電阻率條件下跨孔透距達(dá)500 m,主要技術(shù)指標(biāo)與應(yīng)用水平均達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。在礦產(chǎn)勘查,尤其深部找礦、危機(jī)礦山隱伏礦探查中發(fā)揮了重要作用,還廣泛應(yīng)用于煤炭、油氣資源開(kāi)發(fā)、水文地質(zhì)、工程地質(zhì)、地質(zhì)災(zāi)害防治等國(guó)家基礎(chǔ)地質(zhì)調(diào)查及重大工程領(lǐng)域。近十年已累計(jì)向25家生產(chǎn)單位及科研院所推廣26臺(tái)套,相關(guān)成果獲得中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院2012年度十大科技進(jìn)展獎(jiǎng)、2019年度中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局地質(zhì)科技一等獎(jiǎng)。
我國(guó)高靈敏度磁場(chǎng)傳感器匱乏,長(zhǎng)期依賴國(guó)外進(jìn)口,同時(shí)深部地質(zhì)調(diào)查及深部能源、礦產(chǎn)資源勘查急需高靈敏度磁場(chǎng)傳感器。2011年,在國(guó)家重大儀器專項(xiàng)和地質(zhì)大調(diào)查項(xiàng)目的支持下,物化探所開(kāi)展了高溫超導(dǎo)三分量磁測(cè)技術(shù)研究和感應(yīng)式磁場(chǎng)傳感器研制,采用阻抗匹配、高頻小信號(hào)放大、光電隔離、分格繞制、磁通反饋以及弱信號(hào)低噪聲放大等關(guān)鍵技術(shù),研制了高溫超導(dǎo)三分量磁測(cè)系統(tǒng)和系列高靈敏度磁場(chǎng)傳感器,實(shí)現(xiàn)了多分量、多頻段、寬頻帶磁場(chǎng)信號(hào)測(cè)量,性能指標(biāo)達(dá)到(近半數(shù)超過(guò))國(guó)外同類產(chǎn)品水平,具有高靈敏度、低噪聲、頻帶寬、防水性好和返修率低的特點(diǎn),獲得國(guó)土資源科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)一項(xiàng)[8-9]。該項(xiàng)技術(shù)在青海、甘肅、新疆等地區(qū)開(kāi)展了大量工作,獲得了高質(zhì)量的原始數(shù)據(jù)[10]。高靈敏度磁場(chǎng)傳感器的成功研制和應(yīng)用,實(shí)現(xiàn)了助推國(guó)內(nèi)電磁探測(cè)裝備進(jìn)步、打破國(guó)外產(chǎn)品壟斷的明顯成效。
當(dāng)今世界正處于百年未有之大變局。圍繞新時(shí)代地質(zhì)工作面臨的新形勢(shì)、新任務(wù)、新需求,物化探所加大地球物理技術(shù)對(duì)地質(zhì)調(diào)查工作的支撐力度,優(yōu)化完善傳統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域,加快拓展新應(yīng)用領(lǐng)域,初步構(gòu)建了現(xiàn)代地球物理研發(fā)與應(yīng)用體系。
2.1.1 金屬礦電磁勘探技術(shù)
我國(guó)礦區(qū)找礦的目標(biāo)已指向“第二深度空間”,對(duì)當(dāng)前的礦區(qū)物探方法深部找礦提出了更高的要求。物化探所在國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、重大儀器專項(xiàng)、基礎(chǔ)地質(zhì)調(diào)查等項(xiàng)目的資助下開(kāi)展了地面大功率高溫超導(dǎo)瞬變電磁、大功率地-井瞬變電磁、大功率綜合電磁法測(cè)量等方法技術(shù)的研究和裝備研制。利用高溫超導(dǎo)瞬變電磁法直接測(cè)量磁場(chǎng),大大提高觀測(cè)時(shí)間和晚期信噪比將常規(guī)瞬變電磁的探測(cè)深度提高50%。地-井瞬變電磁方法采用地面發(fā)射井中接收的裝置形式,傳感器沿鉆孔深入地下更接近于深部目標(biāo)體,從而提高見(jiàn)礦率和找礦效果。大功率IP測(cè)量中,基于傳統(tǒng)的時(shí)域激電觀測(cè)模式,創(chuàng)新研究了基于全波形采樣的時(shí)頻激電多參數(shù)提取的數(shù)據(jù)處理方法,僅一次供電即可提取多種時(shí)、頻域激電參數(shù)[11];CSAMT中,創(chuàng)新研究了場(chǎng)源效應(yīng)畸變和靜態(tài)位移影響校正方法,頻點(diǎn)優(yōu)化、數(shù)字濾波、二/三維正反演等,可有效壓制人文干擾和電性不均勻體造成的靜態(tài)位移等;三維IP/ CSAMT測(cè)量可多角度、多細(xì)節(jié)顯示地下介質(zhì)電性特征的分布情況,明確電性突變界面的延展?fàn)顟B(tài),快速圈定成礦有利區(qū)[12]。利用研發(fā)的高溫超導(dǎo)瞬變電磁、地-井瞬變電磁和綜合電磁法測(cè)量系統(tǒng)已經(jīng)在新疆、內(nèi)蒙、云南、青海、西藏、遼寧、吉林地等多個(gè)金屬礦區(qū)開(kāi)展應(yīng)用示范,獲得了良好的應(yīng)用效果[13-16]。
2.1.2 金屬礦地震勘探技術(shù)
在金屬礦資源勘查領(lǐng)域,創(chuàng)新形成了適合我國(guó)金屬礦資源特點(diǎn)的深部精細(xì)探測(cè)地震方法技術(shù)體系。首次提出利用地震散射波尋找塊狀硫化物金屬礦體的新理念,研發(fā)了散射波地震成像新技術(shù)和反演處理新思路,在山東、內(nèi)蒙古以及新疆等地金屬礦勘查中得到了成功應(yīng)用。率先在國(guó)內(nèi)開(kāi)展了高分辨率反射地震與地震層析成像聯(lián)合勘探技術(shù)研究,應(yīng)用地面地震層析成像技術(shù)有效解決了復(fù)雜地質(zhì)條件下高精度速度構(gòu)造問(wèn)題,研發(fā)的寬頻去噪和礦體追蹤地震處理解釋技術(shù),降低了金屬礦地震勘探成果的多解性,有效勘探深度達(dá)到10 km。該項(xiàng)成果應(yīng)用于新疆喀拉通克銅鎳礦區(qū),首次在礦區(qū)深部新發(fā)現(xiàn)了隱伏含礦巖體(671.45 m~1 176.25 m)并獲鉆探驗(yàn)證,對(duì)礦區(qū)尋找深部隱伏礦具有重要指導(dǎo)意義。在國(guó)內(nèi)首次開(kāi)展了金屬礦三分量地震試驗(yàn)研究,突破了三分量金屬礦地震數(shù)據(jù)采集、處理和解釋的關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn),利用三分量成像技術(shù)對(duì)礦體進(jìn)行了橫向追蹤,利用縱-橫波速度比預(yù)測(cè)了巖體巖性,實(shí)現(xiàn)了我國(guó)深部金屬礦地震勘探技術(shù)的又一突破。
2.1.3 地下及井中地球物理勘探技術(shù)
在深部礦產(chǎn)資源勘查中,深部礦體異常弱、地表干擾嚴(yán)重等問(wèn)題影響了物探工作的效果,地下及井中地球物理探測(cè)技術(shù)作為物探勘查技術(shù)的重要組成部分,能夠在鉆孔中實(shí)現(xiàn)全方位測(cè)量,避開(kāi)了淺部干擾,更接近地質(zhì)體,具有較高的垂向分辨率,是服務(wù)深部礦產(chǎn)資源勘查,礦體精細(xì)定位的重要技術(shù)手段。物化探所是我國(guó)井中物探領(lǐng)域的先行者,并通過(guò)不斷創(chuàng)新,逐步形成了地下及井中地球物理探測(cè)技術(shù)體系。近十幾年來(lái),物化探所研發(fā)的井中物探與測(cè)井技術(shù),從單一方法應(yīng)用,發(fā)展成為包括井中磁測(cè)、井中激電、地下電磁波、井中聲波、地-井瞬變電磁和地球物理測(cè)井的綜合物探技術(shù)體系,探測(cè)深度由1 500 m提升到4 000 m,井中磁測(cè)精度由數(shù)百納特提升至30 nT,井中激電發(fā)射功率由10 kW提高到50 kW,地下電磁波跨孔探測(cè)距離達(dá)數(shù)百米。融合信息化技術(shù)后,形成集硬軟件為一體的地下及井中地球物理探測(cè)技術(shù)體系,探測(cè)精度和工作效率進(jìn)一步提高[17-19]。目前,物化探所自主研發(fā)的井中電磁波、井中聲波、地-井瞬變電磁等新型地下物探設(shè)備,推廣應(yīng)用到全國(guó)30多個(gè)省(區(qū)、市),已成為我國(guó)高質(zhì)量低成本開(kāi)展科研與生產(chǎn)的利器;地球物理測(cè)井在安徽某礦集區(qū)鉆孔1 500 m~1 900 m井段連續(xù)發(fā)現(xiàn)21處強(qiáng)放射性異常,異常段累計(jì)厚度達(dá)93.02 m,取得了重要地質(zhì)發(fā)現(xiàn)[20]。相關(guān)成果獲2017年度中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局地質(zhì)科技一等獎(jiǎng)、2018年度國(guó)土資源科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)。
2.2.1 油氣地球物理勘探技術(shù)
我國(guó)油氣對(duì)外依存度逐年攀升,能源安全形勢(shì)嚴(yán)峻,加大油氣資源勘探開(kāi)發(fā)和增儲(chǔ)上產(chǎn)力度日益迫切。自2008年起,物化探所參加了中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局新一輪油氣資源戰(zhàn)略調(diào)查與評(píng)價(jià)工作,在油氣地球物理勘探新技術(shù)、新方法和儀器研發(fā)等方面取得重要進(jìn)展[21-23]。針對(duì)制約火山巖下伏地層成像質(zhì)量的六大因素,創(chuàng)新建立了“兩高、一寬、一長(zhǎng)”地震采集技術(shù)和高保真去噪、長(zhǎng)排列各向異性處理等精細(xì)成像技術(shù),總結(jié)提出了銀額盆地石炭-二疊系“三套標(biāo)志層+三個(gè)不整合面”的地質(zhì)地球物理識(shí)別標(biāo)志,顯著提高了火山巖覆蓋區(qū)油氣地球物理調(diào)查技術(shù)的應(yīng)用效果[24]。針對(duì)復(fù)雜地表、復(fù)雜構(gòu)造區(qū)油氣頁(yè)巖氣勘探需求,集成創(chuàng)新了“雙復(fù)雜”區(qū)地球物理勘探技術(shù),建立了“有線+節(jié)點(diǎn)”聯(lián)合采集的寬線地震探測(cè)技術(shù)方法,首次應(yīng)用于柴達(dá)木盆地東部取得良好實(shí)效;全區(qū)多源電磁測(cè)量技術(shù)在硬件和軟件方面得到進(jìn)一步升級(jí)和完善,在長(zhǎng)江下游頁(yè)巖氣勘探中實(shí)現(xiàn)了大深度勘探,成功實(shí)現(xiàn)向能源調(diào)查領(lǐng)域應(yīng)用轉(zhuǎn)型。開(kāi)展了頁(yè)巖氣水力壓裂電磁監(jiān)測(cè)技術(shù)和微地震監(jiān)測(cè)技術(shù)試驗(yàn),在川中和長(zhǎng)江下游等地區(qū)頁(yè)巖氣壓裂監(jiān)測(cè)中取得了良好應(yīng)用效果,為非常規(guī)能源開(kāi)發(fā)提供了技術(shù)支撐。
2.2.2 陸域凍土區(qū)天然氣水合物地球物理勘探技術(shù)
天然氣水合物資源調(diào)查評(píng)價(jià)及開(kāi)發(fā)技術(shù)是當(dāng)今國(guó)際地學(xué)領(lǐng)域的熱點(diǎn)和前沿。自2009年起,在國(guó)家863計(jì)劃、行業(yè)專項(xiàng)、地質(zhì)調(diào)查項(xiàng)目等支持下,物化探所歷經(jīng)10年進(jìn)行永久凍土區(qū)天然氣水合物地球物理調(diào)查評(píng)價(jià)關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)。開(kāi)展了水合物物性特征物理實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬研究,揭示了低孔低滲硬巖型水合物儲(chǔ)層導(dǎo)熱性、彈性、電性、密度等基礎(chǔ)性質(zhì)的變化規(guī)律、微觀主控因素和響應(yīng)機(jī)制;攻克了高速凍土層屏蔽效應(yīng)、可控震源諧波干擾、低信噪比地震數(shù)據(jù)保真處理、水合物藏地震學(xué)識(shí)別等技術(shù)難題,建立了凍土區(qū)天然氣水合物地震勘探技術(shù)[25];攻克了音頻大地電磁場(chǎng)噪聲壓制、“死頻段”數(shù)據(jù)采集、凍土層反演、水合物藏電磁學(xué)識(shí)別等技術(shù)難題,建立了凍土區(qū)天然氣水合物電磁勘探技術(shù)[26-27];創(chuàng)新集成了大深度低頻探地雷達(dá)系統(tǒng),首次將低頻探地雷達(dá)技術(shù)應(yīng)用于凍土區(qū)天然氣水合物勘探[28]。建立了水合物藏綜合地球物理識(shí)別標(biāo)志和勘查模型,開(kāi)發(fā)了凍土區(qū)天然氣水合物儲(chǔ)層識(shí)別與參數(shù)評(píng)價(jià)系統(tǒng)和天然氣水合物成藏預(yù)測(cè)系統(tǒng)。提出的建議井位成功鉆獲天然氣水合物實(shí)物樣品,方法有效性得到檢驗(yàn)。在羌塘盆地、南祁連盆地和東北漠河盆地等地區(qū)開(kāi)展了調(diào)查應(yīng)用,圈定了多處水合物成藏有利遠(yuǎn)景區(qū),為我國(guó)陸域天然氣水合物資源調(diào)查評(píng)價(jià)提供了重要的技術(shù)支撐和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。“青藏高原永久凍土區(qū)天然氣水合物地球物理勘探關(guān)鍵技術(shù)”獲2022年中國(guó)地球物理科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)。
2.2.3 地?zé)?干熱巖)資源調(diào)查與開(kāi)發(fā)中的地球物理勘探技術(shù)
地?zé)豳Y源是一種綠色低碳的可再生資源,是未來(lái)改變我國(guó)能源結(jié)構(gòu)的重要基礎(chǔ)能源。近年來(lái),物化探所依托地質(zhì)調(diào)查和科技項(xiàng)目,致力于地?zé)峥辈榧夹g(shù)體系的建設(shè)與深井測(cè)井儀器的研發(fā),充分發(fā)揮綜合物探技術(shù)優(yōu)勢(shì),構(gòu)建了基于地震、長(zhǎng)周期/寬頻大地電磁與地球物理測(cè)井等方法的地?zé)峥辈榉椒夹g(shù)體系,在冀中坳陷區(qū),特別是雄安新區(qū)的地?zé)豳Y源調(diào)查評(píng)價(jià)、熱源機(jī)制研究、靶區(qū)優(yōu)選、井位建議等方面均取得了優(yōu)質(zhì)成果,高質(zhì)量支撐了京津冀地區(qū)水熱性地?zé)豳Y源與青海共和干熱巖資源調(diào)查。研發(fā)集成了300℃存儲(chǔ)式井溫測(cè)井儀、230℃直讀式井溫測(cè)井儀、200℃超聲成像測(cè)井儀,創(chuàng)新形成了地?zé)?干熱巖)儲(chǔ)層測(cè)井評(píng)價(jià)解釋方法,建立了高溫綜合測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)采集及地?zé)醿?chǔ)層測(cè)井評(píng)價(jià)技術(shù)體系。完成的共和盆地6口干熱巖井成像測(cè)井和綜合評(píng)價(jià)解釋工作,精準(zhǔn)獲取三段壓裂有利層位,有效支撐壓裂方案設(shè)計(jì),相關(guān)成果獲2020年、2021年度中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局地質(zhì)調(diào)查十大進(jìn)展。
2.3.1 厚覆蓋區(qū)地質(zhì)填圖中的地球物理勘探技術(shù)
京津冀地區(qū)是中國(guó)的“首都經(jīng)濟(jì)圈”,位于平原覆蓋區(qū)。近年來(lái)城市國(guó)土空間規(guī)劃利用的迫切需求對(duì)基礎(chǔ)地質(zhì)調(diào)查提出了更高的要求,傳統(tǒng)基巖區(qū)地質(zhì)填圖的手段已不能滿足覆蓋區(qū)地質(zhì)填圖的需求,急需開(kāi)展厚覆蓋區(qū)地質(zhì)填圖方法技術(shù)研究。物化探所承擔(dān)了地質(zhì)調(diào)查項(xiàng)目“永定河沖積平原區(qū)域地質(zhì)調(diào)查”試點(diǎn)工作,在永定河中下游平原區(qū)涿縣幅等6個(gè)1:50 000圖幅內(nèi)開(kāi)展了地質(zhì)填圖示范。針對(duì)平原區(qū)第四系“二元結(jié)構(gòu)”地質(zhì)特征,以及建筑密集、人文干擾強(qiáng)和施工難度大的問(wèn)題,針對(duì)不同地球物理方法特點(diǎn)在工作方法、采集裝置、野外采集參數(shù)、抗干擾數(shù)據(jù)處理和施工時(shí)間等方面做出了針對(duì)性的改進(jìn)和調(diào)整。應(yīng)用1:50 000區(qū)域重力調(diào)查、淺層反射地震、大地電磁、瞬變電磁、可控源音頻大地電磁、高密度電法以及綜合測(cè)井等物探工作,系統(tǒng)地解決了厚覆蓋區(qū)填圖中涉及的構(gòu)造單元?jiǎng)澐?、主要斷裂展布、第四系地層劃分、基巖界面探測(cè)、活動(dòng)斷裂評(píng)價(jià)和應(yīng)急水源地圈定等問(wèn)題[29-31]。形成的基礎(chǔ)地質(zhì)圖件為京津冀地區(qū)經(jīng)濟(jì)建設(shè)和基礎(chǔ)地質(zhì)科學(xué)問(wèn)題研究提供了新資料,總結(jié)評(píng)價(jià)了物探方法技術(shù)在填圖問(wèn)題解決中的作用和效果,形成了一套可供推廣應(yīng)用的厚覆蓋區(qū)物化探填圖方法技術(shù)組合,為我國(guó)基礎(chǔ)地質(zhì)調(diào)查提供了實(shí)用的勘查技術(shù)支撐。在2021年度全國(guó)區(qū)域地質(zhì)調(diào)查優(yōu)秀圖幅展評(píng)中,“宮村幅”入選優(yōu)秀圖幅。
2.3.2 海岸帶地質(zhì)填圖中的地球物理勘探技術(shù)
灘淺海區(qū)屬海陸過(guò)渡地帶,陸地和海洋地質(zhì)調(diào)查工作均無(wú)法有效地在此類區(qū)域開(kāi)展工作, 造成灘淺海區(qū)地質(zhì)調(diào)查工作不足,形成海陸地質(zhì)調(diào)查統(tǒng)籌管理工作的缺失環(huán)節(jié)。2016年開(kāi)始至今,物化探所依托中國(guó)地質(zhì)調(diào)查項(xiàng)目和基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)在灘淺海區(qū)進(jìn)行了大量地球物理調(diào)查工作,研發(fā)了適用的勘探技術(shù),針對(duì)灘淺海獨(dú)特的基礎(chǔ)地質(zhì)調(diào)查需求,對(duì)灘淺海區(qū)進(jìn)行地質(zhì)填圖,取得了較顯著的成果[32-34]。研發(fā)了拖拽式淺層反射地震勘探系統(tǒng)和τ-p域反褶積處理技術(shù),提高了勘探精度和工作效率。改造了音頻大地電磁儀器裝備,解決了海水腐蝕、水中穩(wěn)定和實(shí)時(shí)定位、電磁場(chǎng)畸變等技術(shù)問(wèn)題,研發(fā)了拖拽式音頻大地電磁數(shù)據(jù)采集技術(shù)和校正處理技術(shù),有效填了陸海過(guò)度帶的調(diào)查技術(shù)空白和基礎(chǔ)地質(zhì)調(diào)查空白,實(shí)現(xiàn)了陸海數(shù)據(jù)一體化采集和處理解釋。集成研發(fā)了無(wú)人機(jī)水平橫向梯度測(cè)量系統(tǒng),提高了磁測(cè)數(shù)據(jù)的水平橫向分辨能力,并首次在灘涂區(qū)取得了成功應(yīng)用。綜合梳理總結(jié)了地球物理基礎(chǔ)地質(zhì)調(diào)查的技術(shù)組合,針對(duì)調(diào)查的不同地質(zhì)目標(biāo)體,形成了高效、高精度的地球物理技術(shù)方法組合,進(jìn)而形成了服務(wù)與基礎(chǔ)地質(zhì)調(diào)查的灘淺海區(qū)綜合地球物理調(diào)查技術(shù)體系,為陸海統(tǒng)籌地質(zhì)調(diào)查提供了海陸過(guò)渡地帶的地質(zhì)調(diào)查技術(shù)支撐。
2.3.3 區(qū)域地球物理調(diào)查技術(shù)
近年來(lái),為了更好地發(fā)揮區(qū)域地球物理的基礎(chǔ)性、先行性作用,物化探所依托地質(zhì)調(diào)查工程、國(guó)土資源公益性行業(yè)科研專項(xiàng)等組織開(kāi)展了1:1 000 000區(qū)域大地電磁測(cè)深,為我國(guó)區(qū)域地球物理調(diào)查增添了一項(xiàng)新的調(diào)查參數(shù)。編制形成了《1:1 000 000區(qū)域大地電磁調(diào)查技術(shù)指南》,開(kāi)展了大地電磁數(shù)據(jù)去噪、反演方法技術(shù)研究,形成了搭載國(guó)際主流反演程序的三維大地電磁測(cè)深反演處理平臺(tái),基本形成了一套涵蓋“數(shù)據(jù)采集-數(shù)據(jù)處理-地質(zhì)解譯”的區(qū)域大地電磁測(cè)深方法技術(shù)體系,并為多個(gè)公益性、基礎(chǔ)性調(diào)查項(xiàng)目提供了計(jì)算服務(wù)[35-37]。組織完成了華南地區(qū)、松遼盆地、銀額盆地及四川盆地南部等地區(qū)1:1 000 000區(qū)域大地電磁測(cè)量工作,覆蓋陸域國(guó)土面積達(dá)110×104km2,獲得了這些地區(qū)巖石圈三維電性結(jié)構(gòu)模型,在深部結(jié)構(gòu)和成礦成藏背景等方面取得了一些重要發(fā)現(xiàn)和認(rèn)識(shí)[38-40]。積極推進(jìn)區(qū)域重力調(diào)查由造山帶向含油氣盆地拓展,累計(jì)完成1:250 000區(qū)域重力調(diào)查143×104km2,研發(fā)了重力三維快速約束反演算法[41],初步建立了多地球物理方法綜合識(shí)別隱伏斷裂技術(shù),在構(gòu)建三維精細(xì)結(jié)構(gòu)模型、深化盆山耦合關(guān)系研究等方面發(fā)揮了積極作用。
2.4.1 城市地下空間調(diào)查與開(kāi)發(fā)利用中的地球物理勘探技術(shù)
隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的加速,城市建設(shè)開(kāi)始由地表轉(zhuǎn)向地下。開(kāi)展地下空間資源調(diào)查,摸清地下空間資源底數(shù),既是國(guó)家戰(zhàn)略的客觀需求,也是服務(wù)民生的重要保障。依托地質(zhì)調(diào)查項(xiàng)目與基本科研業(yè)務(wù)費(fèi),針對(duì)物探方法在城市地下空間調(diào)查中面臨的諸多挑戰(zhàn),物化探所創(chuàng)新研發(fā)基于層剝離的Laplace-Fourier域多尺度全波形反演方法,有效克服實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)缺少低頻信息的問(wèn)題;發(fā)展地震和大地電磁同步聯(lián)合反演方法,同時(shí)提高地震反演精度與電阻率異??坍?huà)精度;研發(fā)多電磁法數(shù)據(jù)聯(lián)合反演技術(shù),在保證淺部探測(cè)分辨率的基礎(chǔ)上獲得了深部電性信息;研發(fā)水上拖曳式瞬變電磁系統(tǒng)、解決了水上實(shí)時(shí)定位、連續(xù)采集技術(shù)難題[42]。在雄安新區(qū)三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)調(diào)查工作中,物化探所應(yīng)用創(chuàng)新成果,充分發(fā)揮各方法特點(diǎn),針對(duì)不同地質(zhì)問(wèn)題進(jìn)行有機(jī)結(jié)合,開(kāi)展鉆孔-地震-重磁電逐級(jí)標(biāo)定解釋,實(shí)現(xiàn)點(diǎn)-線-面綜合解譯,精準(zhǔn)推斷地層結(jié)構(gòu)及構(gòu)造形態(tài),獲取地下萬(wàn)米地質(zhì)結(jié)構(gòu),構(gòu)建了新區(qū)“淺-中-深”不同尺度三維可視化地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型,有力支撐城市水工環(huán)地質(zhì)調(diào)查,為雄安新區(qū)規(guī)劃建設(shè)、地下空間利用提供了可靠依據(jù)[43-44]。
2.4.2 地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查中的地球物理勘探技術(shù)
我國(guó)是地質(zhì)災(zāi)害最嚴(yán)重的國(guó)家之一,其中滑坡災(zāi)害危害尤為突出?;麦w地球物理探測(cè)方面的研究還存在許多薄弱環(huán)節(jié),特別是缺少快速可靠圈定滑坡體規(guī)模和探測(cè)滑坡體精細(xì)結(jié)構(gòu)的技術(shù)方法。物化探所從2020年開(kāi)始,陸續(xù)開(kāi)展了南方地區(qū)典型滑坡地球物理調(diào)查研究、西南地區(qū)典型滑坡三維速度結(jié)構(gòu)與災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)研究和國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目“土質(zhì)滑坡體淺地表結(jié)構(gòu)主動(dòng)源和被動(dòng)源聯(lián)合成像研究”,針對(duì)滑坡地質(zhì)災(zāi)害探測(cè)的關(guān)鍵技術(shù)開(kāi)展攻關(guān)。突破了空中寬頻傳感器繞制工藝、收發(fā)高精度同步等關(guān)鍵技術(shù),解決了接收機(jī)降噪、傳感器失穩(wěn)等飛行平臺(tái)改裝難題,研發(fā)成功基于旋翼無(wú)人機(jī)的回線源地空瞬變電磁系統(tǒng),并在重慶彭水、貴州六盤(pán)水、廣西河池等地開(kāi)展了應(yīng)用試驗(yàn),獲得了良好應(yīng)用效果,相關(guān)成果已申請(qǐng)11項(xiàng)國(guó)家發(fā)明和實(shí)用新型專利[45]。
我國(guó)自上世紀(jì)90年代開(kāi)始制定地球物理勘查技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),經(jīng)過(guò)30多年幾代人不懈地努力,使地球物理勘查技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)從零散到成系列,逐步形成重磁測(cè)量技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、電法測(cè)量技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、地震測(cè)量技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、測(cè)井及井中地球物理勘查標(biāo)準(zhǔn)、地球物理綜合方法應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)等5個(gè)門(mén)類。不同層次、配套齊全、適應(yīng)空中-地面-地下立體探測(cè)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系[A],涵蓋地球物理勘查技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)61項(xiàng),其中國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)5項(xiàng)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)53項(xiàng)、中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局標(biāo)準(zhǔn)3項(xiàng)。這些標(biāo)準(zhǔn)中,由物化探所牽頭或參與制修訂的標(biāo)準(zhǔn)共25項(xiàng)。近年來(lái),物化探所在地球物理勘查技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)制修訂方面取得累累碩果,出臺(tái)多項(xiàng)在業(yè)內(nèi)有影響的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[B],研制了無(wú)人機(jī)航空磁測(cè)、天然場(chǎng)音頻大地電磁法、可控源音頻大地電磁法、鉆孔電磁波法、地-井瞬變電磁法等一批新方法新技術(shù)標(biāo)準(zhǔn);制修訂了地球物理勘查術(shù)語(yǔ)、技術(shù)符號(hào)、圖式圖例及色標(biāo)、巖礦石標(biāo)本物性測(cè)量等學(xué)科通用標(biāo)準(zhǔn);更新了大地電磁測(cè)深法、區(qū)域重力調(diào)查、電阻率剖面法、自然電場(chǎng)法、充電法等一批老標(biāo)準(zhǔn),極大提升了標(biāo)準(zhǔn)適應(yīng)性,為我國(guó)地球物理勘查技術(shù)方法體系不斷完善和新方法新技術(shù)推廣發(fā)揮了重要作用。
近年來(lái),物化探所信息化建設(shè)實(shí)現(xiàn)快速發(fā)展,通過(guò) “地球物理地球化學(xué)數(shù)據(jù)集成與服務(wù)”、“地質(zhì)大數(shù)據(jù)支撐平臺(tái)建設(shè)”等地質(zhì)調(diào)查項(xiàng)目和基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)的資助,在信息化基礎(chǔ)設(shè)施、數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)研發(fā)等方面取得了一系列突出進(jìn)展。建成了地質(zhì)云物化探所分節(jié)點(diǎn),搭建了物化探數(shù)據(jù)共享服務(wù)系統(tǒng),構(gòu)建了多專業(yè)、多要素的物化探數(shù)據(jù)“一張圖”,建立了重力、電磁法、地震探測(cè)、測(cè)井、巖石物性、區(qū)域地球化學(xué)、土地質(zhì)量地球化學(xué)等地球科學(xué)核心數(shù)據(jù)庫(kù)。累計(jì)共享發(fā)布物化探數(shù)據(jù)服務(wù)300余個(gè)、地質(zhì)信息服務(wù)產(chǎn)品1 400余個(gè),范圍覆蓋全國(guó)90%陸域面積,數(shù)據(jù)量達(dá)100 GB,提供下載服務(wù)6.6×104余次,有力地支撐了資源能源勘查、區(qū)域地質(zhì)調(diào)查、土地利用規(guī)劃、特色土地資源開(kāi)發(fā)和污染土地整治修復(fù)等工作。相關(guān)成果獲中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局、中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)調(diào)查十大進(jìn)展2項(xiàng)、地質(zhì)科技十大進(jìn)展2項(xiàng)、地理信息科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)1項(xiàng)。
物化探數(shù)據(jù)處理新方法、新技術(shù)和軟件開(kāi)發(fā)工作成果斐然,在國(guó)家重大科學(xué)儀器設(shè)備開(kāi)發(fā)專項(xiàng)、“863”課題、地質(zhì)調(diào)查等項(xiàng)目資助下,自主研發(fā)形成了“電法工作站軟件系統(tǒng)”“三維電磁測(cè)量數(shù)據(jù)處理與反演軟件系統(tǒng)”“重、磁數(shù)據(jù)三維交互反演系統(tǒng)”“金屬礦地下物探數(shù)據(jù)處理解釋系統(tǒng)”等軟件系統(tǒng),覆蓋了重、磁、電等數(shù)據(jù)預(yù)處理到反演成像等實(shí)用化功能,并應(yīng)用到能源與礦產(chǎn)資源勘查、基礎(chǔ)地質(zhì)調(diào)查等領(lǐng)域,為地質(zhì)解譯提供了強(qiáng)有力支撐,向全國(guó)的地調(diào)、煤田、冶金、石油、核工業(yè)等部門(mén)的生產(chǎn)單位以及有關(guān)院校、院所、地質(zhì)儀器廠等單位推廣400余套,在實(shí)際應(yīng)用中取得了較好的效果。
綜上所述,在科技部、自然資源部、中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局持續(xù)支持下,依托國(guó)家科技和地質(zhì)調(diào)查項(xiàng)目,物化探所在地球物理技術(shù)研發(fā)和儀器裝備研制方面形成了一批重要成果,構(gòu)建了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的“航空-地面-地下”地球物理立體探測(cè)技術(shù)體系,取得了服務(wù)能源與礦產(chǎn)資源勘查、基礎(chǔ)地質(zhì)調(diào)查、工程與環(huán)境調(diào)查等領(lǐng)域的良好應(yīng)用成效,形成了一批國(guó)內(nèi)外有一定影響力的優(yōu)勢(shì)研究領(lǐng)域和方向,為推動(dòng)我國(guó)地球物理學(xué)科建設(shè)和勘查地球物理事業(yè)發(fā)展起到了重要作用。面對(duì)國(guó)家和時(shí)代發(fā)展的需要,物化探所勘查地球物理事業(yè)發(fā)展將堅(jiān)持守正創(chuàng)新,既要傳承,又要?jiǎng)?chuàng)新。對(duì)照國(guó)內(nèi)外勘查地球物理前沿進(jìn)展與現(xiàn)實(shí)差距,未來(lái)在技術(shù)創(chuàng)新上要向深部探測(cè)和淺部精細(xì)精準(zhǔn)探測(cè)并重發(fā)展,在探測(cè)方式上要從二維、三維探測(cè)向立體探測(cè)乃至?xí)r空探測(cè)發(fā)展,在工作范式上要加快地球物理大數(shù)據(jù)和智能化應(yīng)用并向基于知識(shí)和機(jī)器的預(yù)測(cè)發(fā)展。
“十四五”期間,物化探所將圍繞國(guó)家需求,堅(jiān)持使命導(dǎo)向,聚焦支撐國(guó)家能源資源安全保障、服務(wù)生態(tài)文明建設(shè)和自然資源管理中心工作,攻克一批勘查地球物理探測(cè)關(guān)鍵核心技術(shù)裝備;加快勘查地球物理技術(shù)與大數(shù)據(jù)、人工智能等新興技術(shù)的融合發(fā)展,推進(jìn)具備大數(shù)據(jù)管理、智能識(shí)別與分析能力的地球物理數(shù)值模擬預(yù)測(cè)技術(shù)研究;進(jìn)一步加大國(guó)內(nèi)、外開(kāi)放合作,推動(dòng)依托物化探所建設(shè)運(yùn)行的國(guó)家現(xiàn)代地質(zhì)勘查工程技術(shù)研究中心、自然資源部地球物理電磁法探測(cè)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局陸域地球物理研究中心聚力發(fā)展,打通數(shù)據(jù)獲取、基礎(chǔ)研究、技術(shù)研發(fā)、成果轉(zhuǎn)化的創(chuàng)新鏈條,探索構(gòu)建產(chǎn)學(xué)研用高效協(xié)同的新機(jī)制,為我國(guó)勘查地球物理事業(yè)高質(zhì)量發(fā)展做出新的貢獻(xiàn)。