宇宙浩渺,目前的科技和研究结果表明,地球是人类居住的唯一场所。色彩斑斓的地球,百花吐艳、层林尽染,她为人类提供了生活必需的粮食、水、能源和矿产资源,维系万物生存的物质和能量基础;同时也给人类带来了诸如火山、地震、海啸等灾难。只有精细了解地球深部（尤其是与人类活动密切相关的表层）的物质、结构和动力学过程,才能充分了解资源、能源的形成与分布规律,全面认识地质灾害发生、发展的过程与机理,从而更准确、更快捷发现资源与能源,预报灾害的发生,最大限度减轻灾害造成的损失。然而,要获得对地下物质、结构和演化过程的准确认识,必须依靠先进的探测技术。

我国提出“深地探测”战略,发展大深度高分辨精细探测技术,不仅是人类对自然奥秘和科学进步的追求,更是人类汲取资源、保障自身安全的基本需要。矿产资源短缺已经成为制约我国经济社会发展的主要瓶颈,解决矿产资源问题将是未来我国地质工作的主要任务。电磁法是寻找矿产资源最有效的方法之一,主要有大地电磁法（MT）、可控源音频大地电磁法（CSAMT）、瞬变电磁法（TEM）,等等。大地电磁法（MT）探测深度大,但测量精度和工效低;可控源音频大地电磁法（CSAMT）浅部测量精度高,但探测深度小;瞬变电磁法工效低、地形适应性差、探测深度难以加大。随着社会发展,原有电磁法无法满足矿产资源大深度精细勘探的要求,我们团队经过多年的科研攻关,发明了广域电磁法,研发了具有完全自主知识产权的大深度、高精度地下探测技术与装备,为电法勘探开辟了新路。

1917年,美国工程师Harry W. Conklin提出了电磁感应法并获得专利,至今已有百余年。电磁波向地下传播方程的解极其复杂,100多年来,国际上都不得不采用定性、半定量解释,或者是用近似公式作定量解释,如可控源音频大地电磁法没有对复杂方程严格求解,而是假设在远区,将高次项省略掉,近似地简化为平面波区的表达式,进而采用只在平面波区成立的Cagniard视电阻率计算,导致深部测量误差。可以说,世界上此前电磁法建立在粗放、近似的基础上。

我国主要以跟踪、引进、消化、吸收国外方法技术和仪器设备为主,虽然在方法、数据处理等方面取得了一些具有自主知识产权的创新成果,但仪器的研制有待加强,且工艺水平和稳定性能与国外先进产品有相当差距。而国内外的电磁法仪器虽然越来越先进,且向多功能化、集成化方向发展,但西方传统的频率域电法勘探,不论是谱激电法、还是电磁测深法,在方法上的创新不够。

我们认识到,用电磁波的方法进行地球物理勘探相对高效,相比地震勘探的方法,不仅可以节省大量的人力、物力、财力,而且对地球的扰动也非常小。可是电磁法市场近百年来却一直被国外垄断,且尚处于粗放阶段,还有很大的发展空间。所以我们从20世纪70年代就开始研究电磁法,通过不间断的试验勘探,找到了适合中国国情的一种电磁勘探法——广域电磁法。

广域电磁法在以下三方面取得了一定的成果：一是突破了风行世界的可控源音频大地电磁法近似定义视电阻率,导致无法进行大深度探测的理论局限和技术缺陷,解决了传统人工源电磁法探测深度小、测量效率低、三维探测能力差等重大难题,实现了地质结构的大面积、大深度、高精度、高效率、多参数探测;二是实现了不限数量分布式接收机阵列式测量,野外效率大大提高,抗干扰能力强,信息量大,有利于大面积快速扫面,使测量精度明显提高,为实现真正的三维电磁法勘探打下坚实基础;三是联合电阻率和极化率参数,实现页岩气储层关键地质参数识别和勘探,建立了适合于我国复杂地质、地表条件的富有机质页岩电磁法识别与预测评价技术体系。

方法理论和配套仪器缺一不可,从2007年开始,我们团队就以广域电磁法理论为基础,致力于广域电磁仪的研制。历时12年,广域电磁仪接收机从最初的GY-1单通道发展到现在的2通道广域电磁仪、5通道广域电磁仪、8通道广域电磁仪、16通道广域电磁仪等多元化的仪器与装备,而发送机已完成200千瓦发射机原型样机的研制,功能上实现了200千瓦伪随机多频信号的发送。近年来,广域电磁仪装备由原来的剖面测量逐渐发展成三维矢量阵列测量,其主要工作方法为：在工作区内,按一定比例尺布置数百台2分量电场数据记录器和5分量电磁数据采集站,形成固定的二维接收网格;在离工区一定距离上先后布置3个以上不同收发距、且方向不同的接地导线,并依次向地下供包含多个主频率的伪随机信号电流,接收站同步测量2个相互正交的水平电场分量（部分测点上同时测量3个磁场分量）,并进行长时间（4~8小时）全波形采集,在每个测点上获得多个收发距的高精度电（磁）场矢量,从而形成真正的三维电磁场全息测量。在室内计算广域视电阻率和极化率;进行电（磁）场三维全息联合反演,形成三维矢量广域电磁法正反演成像与解释软件系统。

三维矢量广域电磁法具有以下特点：①采集站固定,场源按一定规律移动。在相同工作量下,可极大提高工作效率;②每个测点上观测多个收发距数据,同时获得电阻率和激电信息,将直流电阻率、频谱激电和电磁测深有机地统一;③对每个场源,采用长时间叠加,结合全波形过采样、同步阵列去噪、伪随机信号相干辨识和发送、接收波形同步反褶积等技术,可以极大地消除各种干扰,提高信噪比和分辨率;④不同方向的激励场源,可以更全面地刻画三维复杂地质体。

我们在研究可控源音频大地电磁法时,发现它将复杂的曲面波简化成平面波,计算公式做了严重的简化,只在浅部适用,有效探测深度不超过1.5千米,再往地球深部探测时,这一方法的分辨率和准确度就会急剧降低。

为了解决这一问题,扩大探测深度,我们花了8年的时间,解出了复杂的曲面波方程。2006年开始研究仪器,进行野外探测,当时探测是把美国的仪器作为标准,并与之对比。而我们的仪器,首先它那个对的部分,我们对不对得上,然后它做不到的部分,更深的部分我们能不能做到。一开始就能够展现出一个什么前景呢,就是我们的确浅部跟可控源音频大地电磁法对得很好,而深部可控源音频大地电磁法不对的地方,我们跟这个大地的实际情况也对得很好。

我们团队专门去已知地下情况的区域探测,来检测自己的理论和仪器,结果令人非常惊讶。广域电磁法初步测试的效果非常好,但是前期推广起来却异常艰难。在一个被国外垄断了近百年的领域,推广中国人发明的新技术,在推广之初,其难度可想而知。为了在地球物理探测的行业内推广使用广域电磁法,我们使出了浑身本事,但是最初得到的依然是一片质疑声。

面对这样的质疑,我们认为只有用事实来说话。恰好在2013年的时候,中国地质调查局在安徽铜陵冬瓜山组织了一场“危机矿山电（磁）法有效性比对”的大比武。各个国家的技术和设备都来到了冬瓜山一显神通。正是这场比武,开辟了广域电磁法的新天地。

决定参加冬瓜山大比武时,我们团队中出现了不同意见。因为冬瓜山所处的区域,对于电磁法来说具有强干扰因素。有人担心如果广域电磁法不能精准测量出冬瓜山地下的状况,是不是就砸了自己的招牌呢?我们说：“不怕不识货,就怕货比货。”大家一起来比,去参加这个项目的这个单位和人员,都是我们国家做电磁法很有经验的,为什么就不能去比了?而且我们认为这次比赛对于广域电磁法来说既是一个挑战,也是一个机遇。就这样,我们参加了这次大比武。

但是冬瓜山特殊的环境,对所有的电磁法仪器都是严峻的考验。主办方所选定的区域,不仅地处居民生活区,而且对电磁具有强干扰的因素非常多,高压线、信号塔。这些对于用电磁法来说,无疑提出了更高的挑战。

虽然我们对自己的技术仪器很有信心,但是对于第一次进行这样的公开大比武,在结果没出来之前,所有人的心情都是非常忐忑的。因为在广域电磁法测试之前,很多国外的仪器已经在冬瓜山进行了测试,但是结果却并不乐观。

这是一个比对性项目,在已知地质情况、同样的线路、同样的点、强磁干扰的环境,所以每一个点都至少要重测两次,甚至测十次,要不停地重测,国外的几种常用仪器设备和技术都没能经得住考验,得出的数据不仅完全不能重复,而且也反映不出矿体的准确位置。在这紧张的测试中,经过两个月的实地探测和数据演算,最后广域电磁法得出了惊人的结果。

这次比武,“先进”的国外仪器设备,没有一家能测出有效数据,而广域电磁法在同样的位置,重复的误差率小于1%,能正确反映出已知矿体位置。不仅如此,还在已知矿体周边发现了异常信号,这表明可能有新的矿藏。广域电磁法的数据不仅准确,而且还有意外收获。

经过这次比武,广域电磁法的优势完全表现了出来,它与国外的仪器设备相比,不仅是分辨率高,准确性强,而且探测地下的深度至少可以达到1千米以下。

广域电磁法是我国以自主创新理论为基础研发的电磁探测成套装备,这一创新成果,不仅打破了西方在这一领域的垄断,而且使我国在电磁探测装备的研发上,也实现了由仿制到自主研发的根本性转变。

广域电磁法被誉为“绿色、高效、低成本”之法,为油气勘探、深部找矿、煤矿水害探测、地质灾害防治、压裂监测、城市物探、潜艇探测等提供了全新的技术手段,在国家能源探测利用方面也具有战略意义。

广域电磁法统一了频率域电磁法全区电阻率的定义和算法,构建了包括广域三维电磁场全波形数据采集、分析、处理和信号提取、三维电磁场张量的全波形正反演理论技术体系,成功研制了广域电磁法的仪器和装备,并在油气勘查、固体矿产勘探、工程勘察等领域应用,取得了突出的地质效果和经济效益,为电磁勘探开辟了崭新的研究领域。

广域电磁法已在四川盆地、贵州六盘水、重庆巫山、新疆吐哈盆地、青海柴达木盆地、宁夏固原、山东招远、安徽淮南、内蒙古查干、江西宜春及湖南龙山、保靖、花垣等地开展了大量野外实验与研究工作,在油气藏探测、页岩气勘探、金属矿探测、煤田采空区探测等方面取得了很好的效果,为石油天然气,特别是湖南省非常规天然气勘探作出了重要的贡献。

在页岩气勘探上,广域电磁法与地震勘探法展开了“擂台赛”。结果显示,在南方地区页岩气勘探上,前者成本不足后者的1/4,但探测周期更短,探测效果良好。页岩气是我国近年来花大力气勘探开发的能源。由于南方地区地形起伏大,交通不便,地质构造复杂,使地震勘探受到限制。广域电磁法对地形适应性高,因此在这类复杂地形区域,优势更加明显。

深地探测既是我国的重大战略举措,也是世界各国竞相抢占的学科制高点。页岩气对我国意义重大,这么大量的页岩气,如果我们自己能开采出来,就改变了我国长期以来北煤南运、西气东输的格局,这将是我国能源史上的一次革命。自然资源是大自然给我们的,我们是需要去应用的,从目前来看,若干年我们都离不开大自然的这种赠予,我们怎么样能够既去获取大自然给我们的礼物,同时又要不破坏环境,或者少破坏环境,或者比较容易修复的环境,这就需要我们去寻找这种优质资源。

目前,我们团队正进行“高效频谱拖曳式海洋电磁法探测技术与装备”和“低空无人机电磁法探测技术与装备”的攻关,向陆、海、空三位一体全面推进。