極低頻電磁技術的研究和應用

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”國家重大科學技術基礎設施項目，由中國艦船研究院、中國船舶集團722所、中國地震局地質研究所、中國科學院地質與地球物理研究所聯合開展。該工程利用人工產生的極低頻、超低頻無線電波(0.1-30-300Hz)，通過“地-電離層波導傳輸”開展深部地質探測，為地下深層礦產、石油、天然氣開發以及地震預測預報研究提供了全新的探測方法。

中國工程院陸建勛院士、中國科學院底青云院士研究團隊在中國工程院院刊《Engineering》2022年第3期發表《極低頻探地工程——無線電磁法》一文，詳細介紹了極低頻探地工程的工程目標、取得的主要成果，總結了極低頻探地工程的關鍵技術與創新點、工程應用與發展。文章指出，極低頻探地工程的建設為極低頻電磁技術的研究和應用提供了軟硬件設施，將促進極低頻電磁技術的發展，提高資源探測能力和地震預測水平，也為研究地下深層地質、空間物理和無線電物理等提供一種有力的新科學研究手段，具有廣闊的應用前景。

一、引言

超低頻（SLF, 30~300 Hz）電磁技術最早被應用于軍事對潛深水通信。20世紀50年代，為了加強戰略導彈核潛艇的隱藏性和安全性，美國和蘇聯開始研究超低頻通信，以解決陸地指揮中心與數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率地區建成了超低頻試驗臺（WTF），1972年，與4600 km外水下102 m的潛艇進行通信的試驗獲得成功。20世紀80年代，美國將WTF臺升級為正式工作臺，并在密執安州新建了MTF (Michigan test facility)臺。同期，蘇聯在科拉半島低電導率地區建造了Zevs臺，實現了對核潛艇的水下戰略指揮通信。

20世紀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、空間物理等領域，提出了國際極低頻研究計劃（圖1）。

圖1. 國際極低頻研究計劃。

根據中國無線電頻率劃分標準，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，本文將其統稱為極低頻。

20世紀90年代，在引進俄羅斯技術的基礎上，中國建立了第一個極低頻試驗臺，為我國極低頻電磁技術的理論和應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/超低頻無線電波進行地震預報及地下資源探測系統的方案研究》，深入研究了極低頻電磁波的地-電離層波導傳播技術，針對現有人工源電磁法[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，提出了應用固定大功率發射臺信號，將發射的電磁波中通過地-電離層波導傳播的部分應用于人工源電磁法中，使得實際可應用的信號半徑擴大到幾千千米、探測深度提高到10 km，大大拓展了現有人工源電磁法的應用范圍。為了區別于其他電磁法，我們將該方法命名為無線電磁法，簡稱WEM法。

為了更好研究和應用WEM法，發揮其在資源探測和地震預測等方面的作用，提出了WEM法所需基礎設施的建設方案——極低頻探地（WEM）工程。2005年，利用試驗臺對WEM法進行了資源探測和地震預測試驗，初步驗證了WEM法在資源探測和地震預測方面的應用效果；2006年，該項目被列為“十一五”國家重大科學技術基礎設施建設項目之一。

二、工程總體情況

（一）工程目標

WEM工程的目標如下：

（1）建造極低頻發射臺站等試驗設施，發射的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海區域；

（2）利用極低頻電磁波穿透介質和大面積覆蓋的傳播機理，開展WEM法的理論和方法研究，以及地下資源探測和地震預報等方面的探索性研究和工程試驗研究；

（3）探求復雜構造深部找礦新理論、地震電磁異常前兆新規律和機理，促進資源探測和地震預測領域具有重大科學意義的原創性成果的產生；

（4）推動地球物理學、空間物理學和無線電物理學等基礎學科的發展。

（二）工程主要成果

工程完成了極低頻發射臺及與資源探測和地震預測相配套的基礎設施建設，深入研究了WEM法的原理和工程應用，并應用建成的基礎設施開展了地下資源探測、地震預測、大陸架信號測試等試驗，取得多項成果。

1. 建成了世界上首座民用大功率極低頻發射臺

在華中低電導率地區建立一座大功率發射臺（簡稱WEM臺），配備兩條基本正交的發射天線，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的發射機（發射臺部分設備見圖2），發射工業和信息化部無線電管理局批準的0.1~300 Hz范圍內的98個頻率信號，其信號的頻率準確度優于3×10-8，頻率穩定度優于3×10-8。WEM臺發射的穩定、高信噪比信號滿足資源探測、地震預測及其他前沿領域的研究和應用需要（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。

發射臺建成后，在全國范圍內（北至黑龍江漠河，西至新疆奎屯）對發射臺發射的0.1~300 Hz信號強度進行了測試。測試結果表明，WEM臺發射0.5~300 Hz信號覆蓋半徑可達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臺發射信號實際測試結果

2. 地下資源探測研究和應用成果

與現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，開展了極低頻電磁波傳播機理的理論研究和WEM法在資源探測中的應用研究，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數據處理平臺，實現超大范圍組網式三維極低頻電磁波深部資源探測，以獲取10 km深度范圍內高精度和高分辨率的電性結構，為油氣、礦產資源的評估和找礦提供可靠的依據。

工程建設期間，在內蒙古曹四夭鉬礦區、河南省泌陽盆地、川東重慶明月峽構造區以及四川遂寧地區等金屬礦、油氣區進行了探測試驗（圖4、圖5），驗證了WEM法在金屬礦產和油氣資源中的探測能力。

圖4. 內蒙古曹四夭鉬礦WEM探測綜合解釋結果。（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. 重慶明月峽油氣構造WEM探測結果（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. 地震預測研究和應用成果

在首都圈和南北地震帶南段地震重點災害預防區建成了各由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（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，建立了地震服務子系統，具備數據傳輸與監控、數據管理、數據處理與應用等功能，可以實時監測首都圈和南北地震帶南段地下電性介質結構和電磁場的動態變化（包括電磁時間序列、頻譜和視電阻率等參數），用于研究地震與電磁異常的關系和機理，提高地震監測預測能力。

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，地震電磁臺網觀測產出大量觀測數據，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構的變化，如漾濞5.1級地震數周前開始出現的74 Hz的電阻率和阻抗相位脈動式增大的現象（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象（圖7）。目前，地震電磁數據已進入地震預測數據庫，作為地震預測參數之一。

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. 其他前沿領域研究和應用成果

根據極低頻研究國際計劃，極低頻電磁技術可以廣泛應用于地球物理、空間物理等領域。在WEM工程建設過程中，開展了大陸架信號測試試驗，在中國南海海域水下300 m接收到WEM臺發射的信號，為利用WEM法進行大陸架資源探測奠定了基礎，進一步拓展了極低頻電磁技術應用領域，推進極低頻電磁技術的發展。

三、關鍵技術與創新點

WEM工程的關鍵技術與創新如下：

（1）應用地-電離層波導傳播技術，提出了極低頻無線電磁法。該方法兼有天然源電磁法和現有人工源電磁法的優點，具有抗干擾能力強，測量深度大、精度高和施工簡便的優點，為地下資源探測、地震預測和其他前沿領域的研究提供了一種新的科學技術平臺。

（2）攻克了極低頻大功率級聯合成、雙頻段高精度信號生成和極低頻天線復雜參數匹配調諧等關鍵技術，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射系統，發射的高精確、高穩定的極低頻電磁信號滿足預測探測、地震預測及其他前沿領域的研究。

（3）開展極低頻電磁波傳播機理的理論研究，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式三維極低頻電磁波深部資源探測難題，首次實現了人工源大面積、遠距離、大深度的油氣礦產資源探測。

（4）應用極低頻電磁地震觀測臺網，解決了電磁場連續觀測、快速診斷等技術難題，提出了空間電磁場和地下結構監測的四維動態變化的WEM地震電磁觀測方法，提高了與地震活動相關的電磁異常信息的識別和捕捉能力，在地震電磁監測和預報實踐中取得了顯著效果，填補了中國在人工源交變電磁監測和天然源極低頻段電磁監測方面的空白。

（5）提出了極低頻水下廣域探測方法。通過理論計算和水下接收試驗，首次驗證了極低頻大面積、大深度穿透海水的能力，為實現“透明海洋”、進行海洋資源探測及其他探測應用奠定了基礎。

四、工程的應用與發展

WEM 工程的建設，為極低頻電磁技術的研究和應用提供了軟硬件設施，將促進極低頻電磁技術的發展，提高資源探測能力和地震預測水平，也為研究地下深層地質、空間物理和無線電物理等提供一種有力的新科學研究手段，具有廣闊的應用前景。

（一）促進電磁探測技術的發展

電磁法正從天然源電磁法（無源）發展到人工源電磁法（有源），電磁數據處理手段從一維、二維向三維發展。WEM 法的信號由一個固定的發射源統一發射，便于大面積組網式觀測，具有信噪比高、覆蓋面積大等特點，為三維電磁勘探技術的發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測地震預測水平。WEM法將推動人工源三維電磁技術的發展，促進地下資源勘探和地震電磁監測技術實現跨越式發展。

（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，通過控制發射不同頻率的電磁信號對地質剖面或區域實行分層掃描，形成二維或三維的電性結構圖像，將明顯地提高地下資源探測精度。這對于復雜地區和深部地區的油氣、礦產資源的勘探和開發具有重要的作用。

WEM臺發射的高信噪比信號和背景場經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域的海洋資源的勘探，為中國大陸架地區的石油、礦產資源的勘探開發和地質調查提供一種新手段。

（三） 提高地震電磁監測和地震預測水平

WEM臺提供的穩定高精度電磁場信號覆蓋范圍大，可以在某些地震頻發區域長期組網接收，同時觀測所在區域地殼結構的電性參數變化信息，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電離層變化（即“源和場”的異常信息）的綜合技術手段，可以在很大程度上提高對異常的識別和捕捉能力，為確定地震發生地點、時間和震級提供一種最新的科學研究工具。

（四）促進相關領域的發展

WEM工程是“深地、深海、深空”研究的重要設施，WEM臺發射的穩定高信噪比極低頻電磁信號，為空間物理、大氣物理、地質、應用地球物理及軍事通信等領域的研究提供了新的技術手段，將推動地球物理學、空間物理學和無線電物理學等基礎學科的發展。

五、結論

WEM工程提出的WEM法及其應用，涉及無線電、地球物理等諸多學科，取得多項突破性進展，是原創性工程技術之一。在工程驗收過程中，與會專家給予了高度的評價，認為“該項成果是中國無線電通信技術與地球物理學交叉融合的創新產物，突破了0.1~30 Hz的極低頻發射難題，成果原創性強，整體技術性能處于國際領先水平?！?/p>

審核編輯：郭婷