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。”■