研究人员在野外探测 

从地表到地下20米左右，是地下人文活动最频繁的区域。当这一区域的介质电阻率较低（如介质为黏土）时，传统的地质雷达、常规瞬变电磁和大地电磁等地下探测方法在这一范围却是探测盲区（Gap）。在国家自然科学基金科学仪器基础研究专款支持下，吉林大学仪器科学与电气工程学院院长林君教授带领一支研究团队，从基础理论研究入手，采用“浅层高分辨全程瞬变电磁系统( ATTEM）”成功解决了这一问题，让我国的工程地质勘察和地下军事目标探测多了一双“火眼金睛”。

 

桥墩下的地质基础研究

 

2003年6月，林君所领导的浅层高分辨全程瞬变电磁探测研究组一行人马，携带自主研制的仪器来到浙江舟山，开始海岛地质探测。他们此行的目的不是寻找海底油气资源，也不是打捞沉船，而是应工程设计方之邀，来探测此处海岛是否存在海蚀空洞。

 

原来，为繁荣地方经济，开发旅游和解决交通问题，浙江省将舟山群岛进行了联岛工程的规划，拟通过六个跨岛桥梁工程把舟山本岛和它的四个附属岛屿变成半岛和大陆相连接。但舟山群岛联岛工程对桥梁建设师们来说也是一个挑战。其中册子岛经老虎山到金塘岛之间的西堠门大桥是座设计长度达1650米的悬索桥。工程设计人员除要面对超大跨度的桥梁、超深水基础和海上的复杂自然条件和恶劣环境，还要考虑桥墩位置的海底地质状况。

 

“这座大桥要经过东海中的一座小岛，从此处的地质条件来说，海底很可能被海水长期侵蚀，形成海底断裂、破碎或海蚀洞。而悬索桥中部有一个桥墩，用来拉起两边的悬索，这个受力的桥墩设计在什么地方，就显得格外重要，它一定要避开有海蚀空洞或破碎的地方。”林君说，“海底的情况和地面不一样，我们用肉眼是无法看到的，要想弄清海底的地质条件，就要进行海底探测，当时工程设计方就找到了我们。经过一周的探测后，我们项目组提交了一个报告，设计人员根据此报告，将桥墩位置向北又挪了几十米。”

 

林君介绍说，在国家自然科学基金科学仪器专项的支持下，近年来，他们采用自行研制的浅层高分辨全程瞬变电磁系统，在云南进行了地下不同埋深的航弹探测实验；在长春的蔡家、卫星桥、秦家屯等多处进行了地下活断层探测，为地震灾害的预测提供依据。在他们进行的野外实验模型测试中，所研制的新型仪器的探测深度最浅达到距地表1米以下。

 

搞好基础理论　突破探测盲区

 

“在地质探测中，不同电磁方法根据地质条件的不同都有最佳的探测范围，比如地质雷达（GPR）能探测到地下两米以上，瞬变电磁（TEM）法的探测范围在20米至1000米之间，而大地电磁（MT）适合探测1000米以下的地层。在地表到20米左右人文活动最频繁的区域，却一直是这些方法探测的盲区。我们的课题是利用瞬变电磁技术解决探测盲区。”林君说，“这套仪器可广泛应用在地表浅层探测，如寻找地下水，地下矿产资源、老矿井灾害水源查找、大桥基础探测、还可应用在军事探雷和其他的地下工程探测。在进行油气勘探时，要找到可能含油气的地质构造，需要了解浅地表的地质情况，以便对探测数据进行校正，这一技术为油气勘探的浅地表数据校正提供了有效的技术支持。”

 

林君说，他以前也一直在做地球物理探测方面的研究，但一直没有往浅层探测做。2002年，他得到国家自然科学基金的资助，开始了“浅层高分辨全程瞬变电磁系统与关键技术”研究。在进行了大量理论研究的基础上，提出了高速采集发射机的关断电流，并用其来消除发射机电流关断影响，从而使这种方法可以进行浅层探测的新思路，着手解决工程和环境中浅地表层高分辨率探测问题。他带领的研究团队通过对一次场、全程瞬变二次场及总场特征的理论研究，发现了当测量系统记录全程瞬变电磁信号及发射电流波形时，可以通过数值计算的方法，剔除一次场信号影响，缩短浅层探测盲区，提高浅层探测的分辨率。在此基础上，他们研制出了浅层高分辨全程瞬变电磁发射机和接收机，还研制出了浅层高分辨全程瞬变电磁系统的数据处理软件。2005年该项目通过国家自然科学基金委的验收，2006年，这一研究成果获得教育部科技进步二等奖。

 

“简单说，我们的基本方法就是测地下目标体电阻率的差异，因为如果地下有空洞，电阻率会和周围不同。在建造舟山联岛工程桥时，如果拟建桥墩区域的海底有海水侵蚀空洞，空洞里面会充进海水，我们探测时就会发现电阻率变低的异常，从而就可以知道海底的地质状况。”林君说。

 

林君说，在国家自然科学基金项目研究的基础上，他们还承担了多项国家“863”计划项目、国家科技攻关计划项目和国土资源部的重点科研项目，研制成功多种地下探测仪器。他所带领的研究小组在电磁驱动可控震源和金属矿地震勘察技术的研究方面，创造性地解决了可控震源激振器机械结构设计、测控软硬件设计与野外实验，研制成功的电磁驱动的高频可控震源，为高分辨率地震勘探提供了一种有效的非爆炸震源，已在河北唐山和迁安、北京、郑州、南京、鞍山、长春等地进行了实验，取得了成效，突破性地解决了城市地下探测不允许使用炸药和枪击等破坏性大的震源的难题，实现了地下无损探测。产品已系列化并在全国推广使用。

 

科学仪器研究需要大力支持

 

林君说：“科学仪器是科学研究的基础和关键，一些人认为购买比自己研制好，进口仪器设备既省心又好用，以至于现在我们在仪器研制上投入很少。基金委的科学仪器基础研究专项的定位很好，但资助力度有点偏小。以地球科学部来说，10年来资助项目数还不到每年一个。而很多发达国家对科学仪器研究的投入都占科研投入的10%或更高。”

 

林君认为，在地球科学仪器领域，上个世纪60年代初我国研制水平与国外比差距并不太大。但到了80年代，由于忽视了自主研制，就开始主要依赖于进口。进入本世纪，资源和环境问题日益突出，地质勘探已经引起了人们的高度重视，国内几个大的地学仪器厂才开始复苏。从他的研究经历来看，基础理论是科学仪器研制的基础，进行科学仪器研制也会促进基础理论研究。

 

“因为一些地学仪器能应用于军事方面或其他原因，有时我们花钱还买不到，不进行自己研制就受制于人！单从地学仪器来说，如果我们的地学仪器研究水平进一步提高的话，就可以发现更多的地下更深处的矿产，更科学地进行工程勘探设计，更清楚地了解我们的地下资源。”林君说。