博文
用高精度探测“地下”导电性参数
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见习记者 张文静
号称世界屋脊的青藏高原，一直是国内外地球科学界研究大陆动力学的科学“圣地”。 然而，这里空气稀薄、冰川雪峰林立、风沙雨雪交加、气候瞬息万变，自然条件十分恶劣。
但是，从2009年开始，有一支队伍，不惧高原的极端条件，克服重重困难，用5年时间踏遍了青藏数十万平方公里地区，布设起1000多个大地电磁测深高精度观测台网。
他们，就是参与中国“深部探测技术与实验研究”专项（SinoProbe）“大陆电磁参数标准网实验研究”（SinoProbe-01）的中国地质大学（北京）的师生们。
在他们的努力下，在青藏高原，相距大约20公里、大致整齐排列的一台台大地电磁场接收器，不分昼夜地记录下地球的电磁场波动，它的名字叫做青藏实验区1°×1°网度的“大地电磁测深标准网”。
现在，对于SinoProbe-01项目组负责人、中国地质大学（北京）教授魏文博来说，这样的情景还尤如在眼前。不仅仅在青藏高原，5年来，他们携带着同样的仪器走过了我国东北、西北、华北和华南……
在SinoProbe专项中，SinoProbe-01承担的是偏向“基础性”的研究任务。“实现地球深部探测，首先要解决基础资料的问题，要对地壳或岩石圈的物性结构有所了解，包括电性、密度、磁性等。”魏文博告诉《科学新闻》记者。
建立大陆电磁参数标准网，就是在向“地下”要第一手导电性数据。而如今，他们做到了。
精度领先
广袤的中国大地集聚着丰富的矿产、能源和水资源，也伴生了地震、滑坡和泥石流等令人畏惧的地质灾害。这一切无不蕴含了地球内部物质运动与变迁的奥秘。
为了科学地解释地球内部的奥秘，人们首先需要了解地球内部物质各种物理性质结构变化的规律，“导电性”就是其中最重要的物理性质之一，而高精度的导电性参数便是地球深部探测的基础资料。
SinoProbe-01的科学目标即是为获取高精度的地球内部导电性参数服务，研究相应的方法技术和先导性的大地电磁测深“标准点”阵列网观测实验。如今，在此领域，项目组已取得了不凡的成绩。
从2009年项目正式启动到今年5月，项目组首次在中国大陆完成了覆盖全国的4°×4°大地电磁测深标准网试验，同时完成了覆盖华北和青藏的1°×1°标准网，建立了具有开创性的探测技术和工作模式。
在青藏高原、华北地区，项目团队布置了232个1°×1°“标准点”、2469个宽频测深点和232个长周期测深点。沿着东西方向，测点之间的距离已达到20公里。如此密集的观测网度和高精度大地电磁场观测数据，足以得到地壳和上地幔可靠的导电性探测结果。
因此，在这些数字背后，研究人员获得的是青藏高原和华北岩石圈、地壳尺度三维导电性结构模型，并对东北地区造山带、盆地、火山活动区等不同类型岩石圈电性结构特征进行了分析和研究。此外，他们还取得了南海海域深部结构、区域构造、磁条带识别与海盆扩张模式的新认识。
SinoProbe首席科学家、中国地质科学院副院长董树文曾评价说，SinoProbe-01团队获得了海量的高质量数据并进行了大规模三维处理，加深了人们对岩石圈结构和过程的认识，“第一次给出了青藏高原和华北岩石圈、地壳尺度的三维导电性结构模型，其精度处于世界上领先地位”。
野外作业
项目的研究目标是，为将来“地壳探测工程”所包含的中国大陆地壳及上地幔物性三维结构探测解决大地电磁场“标准化”探测的技术问题。5年里，项目团队一直为这个目标努力着。
项目获取的全部观测数据和探测、研究成果都是项目组成员亲手完成的，凝结了他们5年的心血与智慧，这并不容易。
大地电磁场的主体是自然界来自宇宙空间的、天然的电磁波场，它在地面上的信号非常微弱，并且有很强的随机性。因此，要观测到准确的大地电磁场信号，对仪器和野外观测技术的要求都非常高，是一项相当有难度的高技术工作。
此外，在室内还需要经过很复杂的数据处理和反复多次、大运算量的三维计算，才可能获得可靠的、高水平的研究结果。
在这5年里，项目组大部分成员长期在野外工作，每天常常有十几辆汽车同时在外作业，国际最先进的大地电磁仪器就要用到几十套。
每到新的工作地区，研究团队首先要进行仪器检测，随后开始布设观测站，即把仪器和设备严格按照技术规范布置在选定的地点，并设置好采集参数、进行试验性观测。在完成所有的技术准备之后才能开始正式观测。
一般来说，宽频测深点要观测20多个小时，大概一昼夜。而长周期测深点需要的时间则更长，在信号较好的情况下也至少要观测一周。
每到一个工作地区，项目团队成员即分成几个野外组，每个野外小组负责布一个宽频带的测深点，同时在某些地方布上长周期测深点。等到第二天，把宽频测深点仪器收起来，再去布下一个点。一个小组每天只能布一个点。
研究人员的野外作业往往意味着要在路上不停地奔波。尤其在青藏高原，点与点之间看起来似乎只有几十公里，但由于道路蜿蜒曲折，真正走起来却得有一二百公里。最开始没有地方住，团队成员就只能睡在卡车里。
提到研究团队的野外作业，魏文博用“艰苦”二字来形容。但如今，项目取得了这样的成绩，他们觉得再艰苦也是值得的。
不断创新
在项目实施过程中，一定会遇到各种各样的问题。而对于魏文博负责的大陆电磁参数标准网实验研究项目组来说，解决问题的有效方式就是创新。
在长期的大地电磁测深研究和应用实践中，项目组成员都已经认识到，从提高应用效果的角度考虑，当然希望地下各个深度的探测结果尽可能接近真实的岩石电阻率（电导率）参数。但是，大量理论计算研究和实测资料的处理、解释都说明，地下介质的导电性受许多因素的影响，电性参数本身就是个最复杂的物性参数，并不是一个“单值”的参数，而是有一定变化范围的。
按目前大地电磁测深区域性探测常规的“单站”观测方式，即使在最简单的环境条件下，大地电磁测深的探测结果与地下真实的电性参数差异也很大。当测点之间的距离太大时，也影响探测结果的真实性。
怎么办？
项目组经过理论研究和野外实验，提出大地电磁测深“标准点”阵列观测技术，即把地面上每个“标准点”之下的岩石，都看成地球内部的小体积单元，围绕地面“标准点”布设大地电磁中心测站和多个辅助测站，采用大地电磁场“多站面元”观测方式，获取“标准点”地下柱状体单元各个深度的岩石电性参数的“中值”与“偏差”，构成地壳各个深度更接近岩石真实电性参数的“标准值”。
和欧美等西方发达国家同类的研究工作相比，他们并没有考虑岩石导电性参数的“标准化”问题，而SinoProbe-01项目组却考虑了，并研究了具体实施方法技术。
另一方面，项目组所创造的以中心测站上超宽频带大地电磁场观测，结合了中心测站的短“十”字剖面上辅助测站的宽频带大地电磁场观测，构成超长周期和宽频带相结合的大地电磁测深“标准点”阵列观测技术。这既能兼顾地壳尺度的探测精度，又能保证岩石圈尺度探测结果的可靠性。
为了确保长周期大地电磁场数据的观测质量，项目组改进了长周期不极化电极的结构和填充物配方，使用于接收长周期大地电磁场的不极化电极的极差很小，而且能保持长时间稳定。同时，还改进了野外测站的电极埋置方法。
对于SinoProbe-01，国际著名电磁探测领域专家、欧洲科学院院士、爱尔兰皇家科学院院士Alan G.Jones教授曾表示：“这是一个了不起的规划！你们在数据采集、处理、分析以及建模等多方面处于世界前列。”
在魏文博看来，“获得科学研究的基础数据”，是SinoProbe-01最重要的意义。“随着数据处理等技术的持续进步，基于这些数据，以后可能会有更好的结果做出来。我们希望，项目组取得的这些成果，能使我们原来对地学一些重要科学问题的认识更深入一步。”■
《科学新闻》 (科学新闻2014年10月刊 硕果)
https://blog.sciencenet.cn/blog-85876-845638.html
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