我国应用地球物理领域的重要研究平台和人才培养基地——国土资源部应用地球物理重点实验室

2017-01-08

国土资源部应用地球物理重点实验室2012年由国土资源部正式批准立项建设，挂靠在吉林大学地球探测科学与技术学院，实验室的前身是成立于20世纪50年代的长春地质学院地球物理系的综合方法实验室。实验室依托吉林大学地球探测与信息技术国家重点学科和地球物理学吉林省优势特色重点学科，在创新科学研究和人才培养方面具有独到的优势。实验室现设岩石物理性质与地球物理场模拟理论与方法、应用地球物理数据处理方法与技术和地球物理场信息融合-综合解释与应用等特色研究方向。

实验室现有固定人员62人，其中，吉林大学双聘院士2人、国家千人计划特聘教授2人、长江学者特聘教授1人、国家优秀青年基金获得者1人、吉林省长白山学者1人，博士生导师18人。建设高水平的可持续发展的研究团队是实验室核心工作任务，目前实验室拥有以吉林省长白山学者、实验室主任刘财教授领衔，副主任韩立国教授、曾昭发教授为骨干的管理团队，主要研究力量包括学术领军人才滕吉文院士（双聘）和高锐院士（双聘），千人计划特聘教授黄大年、殷长春和长江学者特聘教授孙建国以及国土资源部级创新科技人才冯晅教授、国家优秀青年基金获得者刘洋教授等青年科学家，形成了学历层次、年龄和知识结构分布合理的老中青相结合的学术队伍。近年来实验室获得国家科技进步二等奖1项，省部级一等奖2项、二等奖3项。近3年实验室年均经费4 500万元，年均发表SCI/EI检索论文60篇。

一、主要研究方向与特色

（一）岩石物理性质与地球物理场模拟理论与方法

1．岩石物性测试与研究

实验室岩石物性测试研究始于2003年，以基础岩石物理和复杂油气储层作为实验测试与分析的目标，为应用地球物理理论与方法研究及生产应用提供可靠的数据。实验室现拥有储层岩石毛管压力和电阻率测量、储层条件孔隙度-渗透率联合测量仪和岩石核磁测量系统MARANII等国外先进设备，并与美国斯坦福大学等国外大学建立了良好的岩石物性分析合作关系。通过精确的岩石物性测量结果，重新认识岩石导电机理与孔隙结构的关系，改进了实验室早期提出的著名的“三水模型”理论。在火山岩岩石分析方面，提出了“QAPM”模型、“三重孔隙模型”，开展了裂缝性岩石多频导电与介电特性测量等研究，进而提高裂缝和含油性识别的可靠性。

在油页岩物理性质分析与测试技术体系方面，研发了页岩储层岩石物理实验分析评价技术，可应用于页岩脆性评估、体积模型的建立，为油页岩开发提供了技术支撑。构建了油页岩基本的物性参数测量装置，研究建立了油页岩的体积模型，依据在油页岩中油的存在形式，分两部分计算含油率，最后得到油页岩总含油率。此外还自主研发了超宽带复介电常数测量技术及仪器，制定了测试技术规范。

２．地球物理场物理模拟

1985年，开始以美国休斯顿大学的物理模型室为原型建设地球物理模拟实验室，经过多年的建设，目前已建成三维地震勘探物理模型坐标扫描装置、地震勘探模型实验水槽等。自制了几十种地震勘探、电磁勘探的物理模型，包括各向异性介质裂缝储层模型、油页岩物理模拟等。

3．地球物理场数值模拟体系

（1）电磁勘探模型与电磁场的数值模拟。在电磁法数值模拟方面，利用有限元、有限差分和积分方程技术，实现了起伏地形条件二维和三维直流电法、复电阻率、三维张量可控源音频大地电磁测探法和三维大地电磁测深数值模拟以及海洋复杂介质和航空勘探模型下三维电磁法数值模拟。实验室航空电磁勘查技术在理论研究和技术开发方面均处于国际前沿，特别是在航空电磁正演方面取得的成果为国内突破该项技术的发展瓶颈打下了基础。

（2）地震勘探数值模拟方面。开展了地震波在各向异性介质中传播的正演模拟研究，在陆地和海洋油气能源与固体矿产资源地震勘探中发挥了重要作用。采用有限差分、伪谱法、谱元法等数值模拟方法，对弹性及粘弹性各向异性介质模型、双相弹性各向异性介质模型和随机介质模型等复杂介质模型中地震波传播特性进行了模拟研究，通过复杂介质波场模拟揭示了一些具有应用前景的重要现象。探索了多种非线性反演方法在各向异性介质中应用的可行性。在双相各向异性介质项目研究中，导出了由横波速度和地层逆品质因子求储层渗透率的解析式，开辟了直接由地震数据反演渗透率的途径。该系列研究成果曾获国家教育系统自然科学二等奖和吉林省自然科学二等奖。

（3）数字岩心与井孔中地层物理勘探数值模拟。岩石物理数值模拟已经成为岩石物理研究的另一重要手段，它可以在微观尺度上研究复杂储层中各种因素对岩石物理性质的影响，并且具有灵活性高、可重复性强、周期短、费用低等优点。实验室结合数字岩心技术领域的新进展，采用岩心的X射线CT图像或岩心的二维图像等信息构建岩石物理模型。然后，采用有限差分法或有限元法对岩石物理属性进行数值模拟。通过研究，构建了不同分布形式的双相、三相的孔隙介质模型。

（二）应用地球物理数据处理方法与技术

1．移动平台地球物理探测技术及软件系统

航空地球物理勘探是该实验室历史最为悠久的研究方向之一，近年来更是拓展成了移动平台地球物理探测技术及软件系统特色方向。围绕高效率连续获取高精度探测数据的搭载平台和探测传感器技术组合，研发和集成智能化无人机搭载平台和相关减震稳定平台，攻克了无磁低静电特殊材料组合、垂直安全起降、高速稳定平移、重载悬挂多探头、长航程和远距离数据监控等关键核心技术。针对各类探测数据和移动平台多参数和海量数据以及发现隐伏目标难度等难点，研发了能够体现数据高效率和高分辨率特点的处理方法解释技术以及快速计算处理手段；针对计算机软硬件环境、跨操作系统平台技术以及大型机先进的并行计算、图形图像、数据库管理和安全存储等关键技术，设计了面向三维地质对象的综合数据处理解释一体化软件平台，实现了多方法、多功能、多领域专家信息融合。

2．复杂条件下地球物理勘探方法技术

实验室针对陆地和海洋地质资源探测中面临的复杂地质构造和地表地质环境，组建了多个攻关团队，解决地球物理勘探中的理论与技术问题，涉及到应用地球物理的各个方法技术方向。在地震勘探方法技术、电法勘探应用、重磁数据处理方法与技术等方面取得了一系列重要研究成果，并在实际应用获得了良好效果。在近地表环境与工程地球物理勘探中，实验室的地质雷达研究团队通过多年研究，取得了一系列具有国际影响力的研究成果。

（三）地球物理场信息融合-综合解释与应用研究

将各种类型、多种尺度的应用地球物理信息进行科学合理的融合，解决地质构造研究、能源与矿产资源探测以及工程与环境地质问题，是该实验室的特色方向之一。自20世纪70年代末开始开展深部地球物理领域的科学研究，参加和负责完成了国内实施的多条GGT研究，形成了独特的多尺度地学剖面的研究方法技术体系，并连续承担国家相关的科研课题。在复合尺度地球物理剖面、区域地物理场与深部油气能源关系，工程与环境地球物理勘察、检测与监测，深部固体矿产资源勘探和地热资源勘查方面，形成了多个稳定的学术团队并取得了重大成果，获得省部级科技二等奖以上奖励多项。

二、近年来标志性研究成果

（一）黑龙江板块地球物理场与油气多元勘探

以综合地球物理勘探为先导，寻找盆地之下的低阻区，结合断裂系统性质进一步厘定勘探油气区的范围，形成了盆地之下寻找油气的理念。油气资源的多元勘探理论的基本特征是：由受控区域构造、不同地质时代构造运动叠合作用下的多构造属性单元，不同的油气属性特征的目标单元，不同物源属性的多学科、多尺度主体地球物理勘探单元，不同作用的地球物理方法技术单元等所组构。在佳-伊断裂上的汤-伊地堑带等地区应用，对深层、探查程度低的油气新层系新领域目标提出了油气性新认识，形成了地球物理场与多元油气勘探理论与技术体系，其主要应用成果“黑龙江板块地球物理场与油气资源多元勘探”获得吉林省科技进步一等奖。

（二）移动平台地球物理探测技术及软件系统

针对各类探测数据和移动平台多参数和海量数据以及发现隐伏目标难度等难点，研发了能够体现数据高效率和高分辨率特点的处理方法解释技术以及快速计算处理手段。在引进和自主研发的两类高端平台上，研制出“移动平台探测数据质量控制系统”“探测目标发现可行性分析评估系统”和“综合地球物理数据处理与集成软件系统”三大类处理系统。自主研发出“深部探测多参数综合一体化软件平台”。

（三）复杂介质地球物理勘探技术

地震勘探方法技术系列主要针对陆地和海洋油气及固体矿产资源开展数据采集、处理与解释方法的研究。在海洋地震勘探中形成了以全波形反演为核心的速度建模体系、高斯射线束成像和多域多次波去噪体系，研究了多震源组合激发与波场成像技术系列等，提出了复杂地质条件下Kirchhoff型反射地震有限孔径成像的实现技术。陆地地震勘探方面，以多尺度高分辨率地震数据处理为主要特色，开展了硬岩及金属矿地震勘探数据处理与软件系统的研发，取得了一系列成果，特别是开展了主动源与被动源联合地震勘探模式研究，将随机介质波场分析与成像技术、全波形反演技术、混采地震及处理技术、多源地震勘探技术引入地震勘探中。

电法勘探应用领域，研究了三维复杂介质反演方法在综合地球物理方面的联合反演，研制了带地形重磁电交叉梯度联合反演软件，提出并实现了建立在严格电磁场正演理论和地球物理反演意义基础之上的视电阻率和视相位联合反演方法，在实际应用中取得了良好的效果。

重磁数据处理方法与技术方面，自主创新一套完整的重磁数据处理与解释方法体系，形成改进的小子域滤波法算法和局部相位滤波器法等12项数据处理方法。

井中地球物理与岩石物理技术方面，不断完善改进“三水模型”理论，同时提出了基于“QAPM模型”“三重孔隙模型”的火山岩与裂缝油气的评价技术。研发了页岩储层岩石物理实验分析评价技术体系，构建了油页岩基本的物性参数测量装置，研究建立油页岩的体积模型，依据在油页岩中油的存在形式，分两部分分别计算含油率，最后得到油页岩总含油率。

（四）超宽带探地雷达理论与高精度探测技术

建立了超宽频带地质雷达探测理论及高精度探测技术体系。在对地下超宽带雷达波传播规律深入认识的基础上，研发了3种探地雷达硬件技术：低频干涉、MIMO、超宽带极化探地雷达技术；一种井中雷达硬件技术（钻孔雷达技术）；一种岩石物性测试硬件技术（介电常数测试技术）。针对硬件获取的高质量数据，进行了信号处理软件即超宽带探地雷达高精度成像技术的研发，可有效获取地下目标的高精度三维映像。融合理论创新、地质雷达硬件和信号处理技术，创立了地下介质超宽带雷达波高精度探测理论与技术体系。基于宽频带介电常数测量技术，可比常规技术在更宽频带范围内测量，探测深度比常规方法扩大到2～4倍。

（五）地热资源勘探方法技术研究与应用

地热资源的综合地球物理探测技术是该实验室近年来的研究方向之一，得到了国家有关部门及吉林省的重点支持。到目前已经形成了如下3个技术体系：（1）区域地热勘查选区地球物理方法技术；（2）地热资源靶区定位技术体系；（3）热储评价技术体系。在基础地质资料基础上，开展精细电磁测量和地震探测，通过干热岩等热源形成控制因素的重磁异常和地热梯度响应模拟，可精确地确定热源靶区。

三、学术交流、国际合作和人才培养

实验室作为重要的开放基地，近年来接待国内外访问学者53人次，出国访问交流65人次，共有40余人次在国际学术会议上作大会报告和邀请报告。聘请了瑞典科学院院士乌普萨拉大学C.Juhlin教授、挪威Oslo大学的孔凡年教授，美国Richard J.Blakely和Walter D. Mooney教授等一大批国际知名学者为吉林大学客座教授。

实验室与美国麻省理工、美国特拉华州立大学、日本东北大学、斯伦贝谢地球物理公司、加拿大UBC大学、美国斯坦福大学、美国威斯康辛-麦迪逊大学、英国帝国理工学院和韩国江原大学等院校、研究所建立了科研合作关系，已有来自美国、加拿大等国学者和学生在实验室开展合作研究。国内方面，先后有滕吉文院士、彭苏萍院士、许厚泽院士、石耀霖院士、何继善院士和高锐院士来实验室进行学术交流，指导实验室的建设工作。同时，依托吉林大学地质资源与地质工程一级学科国家重点学科和地球物理学吉林省重点学科，2012年以来实验室共培养博士52名、博士后7名、硕士180名。目前在读博士生98名、硕士生237名，在站博士后6名。

立足优势，开拓创新，不断进步。近年来，国土资源部应用地球物理重点实验室在科学研究、队伍建设、人才培养和开放交流等方面取得了突出成绩，已经建设成为我国应用地球物理领域的一个重要的研究平台和人才培养基地。