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中南大学李帝铨教授:攻坚克难 为深地探测国家战略献科技

2022-05-26 16:27:28  来源:智能矿山杂志  作者:李帝铨
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    李帝铨

    教授,博士生导师,现任中南大学应用地球物理系副主任、有色金属成矿预测与地质环境监测教育部重点实验室副主任

    兼任中国大百科全书第三版《地质资源与地质工程卷》分支秘书,中国仪器仪表学会地质仪器分会第五届常务理事及副秘书长,中国地球物理学会工程地球物理专委会委员,湖南省矿业标准化技术委员会副主任委员,《中国有色金属学报》青年编委,科技部中亚地区地质矿产资源开发技术国际培训班特邀专家。获得2017年长沙市科技创新创业领军人才、2019年“长江学者奖励计划”青年学者等荣誉称号,入选湖南省科技人才托举工程“中青年学者培养计划”。长期致力于电磁勘探方法理论与探测技术的研究,助力实现了电磁法勘探“探得深、探得精、探得准”;在《Geophysics》《GeophysicalJournalInternational》《中国有色金属学报》《地球物理学报》等国内外高水平期刊发表论文60余篇,获得国家授权发明专利20余项、软件著作权4项,主要涉及固体矿产勘查、油气资源勘探开发与水力压裂三维电磁实时监测、地热能源勘探开发等领域;主持或参与国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目20余项,在国内多个大型油田、煤田、重点成矿带、页岩气开发重点区域开展了深部资源勘查与压裂监测等研究工作;获得国家技术发明一等奖1项、省部级一等奖2项。

    地球是人类居住的唯一场所,为人类提供生活必需的食物、水、能源和矿产资源等,但同时也会带来诸如火山喷发、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,才能充分了解矿产资源、能源的形成与分布规律,从而更准确、更快捷地勘探和开发;才能全面认识地质灾害的发生、发展过程与机理,从而更准确地预测预报灾害,最大限度地减轻自然灾害造成的损失。此外,地下物理参数对国防安全、核原料存储、核废料处理等也具有重要价值。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。因此,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。

    矿产资源是一个国家国民经济发展的根本保证,电磁勘探法是寻找矿产资源的最有效方法之一,随着浅部资源的日渐枯竭,大深度高精度的电磁勘探技术是世界各国开采深部资源面临的关键技术难题。

    在漫江碧透的湘江水畔,万山红遍的岳麓山下,有一所久负盛名的学府——中南大学,学府之中有一支专门研究地球物理学的特色团队,这支团队在何继善院士的带领下,致力创新、攻坚克难,提出了广域电磁法,研发了具有完全自主知识产权的大深度高精度广域电磁勘探技术与装备,实现了电磁法由“粗放”到“精细”的跨越,有力地支撑了面向国家重大需求的“深地”战略。广域电磁法具有独特的抗干扰能力,以及工作效率高、测量精度高、成本低、勘探深度大等特点,已成功应用于我国页岩气探测,充实了我国页岩气理论研究体系。

    作为这支团队的骨干之一,中南大学地球科学与信息物理学院李帝铨教授,非常热爱这支团队以及对电磁勘探方法理论与探测技术的科学探索。立身于底蕴深厚的团队之中,他以恭谦好学的态度站在前人的肩膀上,激扬青春、致力创新、不断专研,希望能够贡献自己的力量为中国地球物理科学发展添砖加瓦。

传承深厚底蕴沐师恩实现成长

    2001年,李帝铨考入中南大学地质工程专业,成绩一直名列前茅,2005年被评为湖南省优秀毕业生,并被免试推荐到中国科学院地质与地球物理研究所固体地球物理专业进行硕博连读。

    攻读硕博期间,在导师底青云院士指导下,李帝铨先后参与了北京奥运会应急水源地勘查、大亚湾中微子实验室岩体完整性评估、山东新立金矿海底巷道海水倒渗监测、库布齐沙漠国家级生态建设示范区生态修复后地下水情况调查等国家级重大项目。在开展博士论文研究期间,李帝铨作为团队科研骨干参与了国家重大科技基础设施建设项目之一的“极低频探地(WEM)工程”,开始了极低频电磁法的基础研究工作,这对当时的他来说极其富有挑战性,计算复杂且国内没有相关参考资料。他用了1年多的时间推算公式,半年的时间写程序,最终推导出了极低频电磁法的电磁波计算表达式,首次实现了该方法的精确理论计算,为进一步揭示极低频电磁法探测地下电性细结构的理论基础,提高极低频电磁法勘探分辨率的技术水平,仪器研发,数据处理和最佳测量装置制定等提供了支持。因成绩优异,2010年李帝铨被评为中国科学院优秀毕业生。

    十年寒窗苦读,丰满羽翼时当以振翅高飞。2010年,李帝铨从中国科学院博士毕业后便返回中南大学从事教学与科研工作,回到了他最初梦想开始的地方。在这里,他遇见了循循善诱的何继善院士,加入了一支温暖、可敬、可爱的团队,站在新起点,开启了新征程。

    在何继善院士的教导和团队成员的帮助下,从理论研究、技术攻关到仪器研发,李帝铨很快融入了团队的发展理念和模式。在李帝铨眼中,何继善院士是个话不多,但是一生勤勉为学的人,善于因材施教,对他在科研工作中所犯的错误并不在当时予以批评,但总会在适当时机通过实例加以点拨。

    无论是做人、做学问,还是搞科研,他深受何继善院士优秀品质的影响,他认为搞科研要坐得住冷板凳,沉得下心,待得了实验室,出得了野外。为了推导出一个关键公式,他可以连续几个星期都待在办公室;为了不漏掉每一处细节和掌握原始数据,他始终坚持活跃在勘探一线,在施工现场进行调研,与现场生产单位管理者和工作人员探讨制定野外施工安全措施和要求规范。

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    李帝铨博士期间在位于海底下方150m处的巷道中监测海水倒渗

明确科研担当练本领开创未来

        团队协作,攻关页岩气勘探技术

    页岩气具有含气面积广、资源储量大和开采周期长等优点,已成为全球油气资源研究的热点,正在改变着世界能源格局。我国页岩气资源开发潜力巨大,大力发展页岩气产业对优化国家能源结构、保障国家能源安全战略、打造清洁能源产业有重要意义。我国南方页岩气可采资源储量为14.58万亿m3,占全国总量的58%,主要分布在四川盆地及周缘地区。地形地质条件简单的北美地区主要采用地震勘探技术进行页岩气勘探,但地震勘探技术在四川盆地及周缘地区的页岩气勘探中受到2个不利因素的制约:①地质与地貌条件复杂、灰岩发育,地震勘探难度大、费用高;②地震勘探技术只利用了密度差异,导致“甜点区”识别技术应用效果不佳。

    为了解决上述难题,何继善院士带领团队首次从电磁波方程出发,率先将几何(观测系统)和物理(电磁感应)参数全部考虑在内,定义了在任意位置均正确的广域视电阻率参数,发明了可在不限于“远区”的“广大区域”测量的广域电磁法,大幅拓展了人工源电磁法的观测范围,提高了观测速度、精度和野外勘探效率。

    作为何继善院士的助手,李帝铨在团队科研攻关中发挥着“承上启下”的作用。虽然加入团队的时间不算太早,但他力求尽自己所能,在方法理论、探测技术、仪器研发和推广应用等各个环节,为广域电磁法的升级完善贡献力量。在何继善院士的指导下,李帝铨从2012年开始进行基于广域电磁法的页岩气探测研究,经过大量的理论研究和现场实践,揭示了页岩气储层与围岩之间有4个物理参数存在明显差异,呈现出明显的低密度、低磁、低电阻率、高极化率特征;率先基于高精度的广域电磁法进行电阻率反演,得到储层的埋深、厚度、构造信息,并基于Cole-Cole模型反演提取各地层的极化率,最后综合分析了具有适当埋深(1500~3000m)、一定厚度(>30m)、低电阻率(50~200Ω·m)、高极化率(>5%)及构造完整性的重叠区域,圈定了页岩气“甜点区”。首次联合电阻率和极化率参数实现了页岩气储层关键地质参数的高效、低耗、高精度和大深度识别与勘探,形成了适用于我国特殊地形地质条件的页岩气“甜点区”预测技术,不受地表灰岩屏蔽,为页岩气的大规模勘探和开发提供了重要的地质信息和依据。团队提出的页岩气勘探预测技术已在中国石油天然气集团有限公司、中国石油化工集团有限公司等50多家单位成功应用,累计提交页岩气资源量多亿m3,经济和社会效益显著,被誉为“绿色、高效、低成本”的勘探技术。

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    广域电磁法应用分布

    作为团队骨干,依托“大深度高精度广域电磁勘探技术与装备”项目,李帝铨协助团队开发了大深度高精度电磁勘探技术装备及工程化系统,以及系列发射系统,覆盖地矿、有色金属、冶金、核工业、煤田、建材、化工等资源勘探行业,涉及地下水、固体矿产、干热岩、生物气、页岩气、油气等多种资源类型;并已在全国范围内推广应用,累计提交页岩气资源量3401.22亿m3、地质储量1240亿m3、常规油气地质储量1.86亿t、生物气可采资源量80亿m3;累计找到固体矿产、石油天然气等资源的潜在经济价值超过15000亿元,助力国家实现1000多亿元的国民产值。李帝铨作为主要完成人(排名第二)的“大深度高精度广域电磁勘探技术与装备”项目获得“2018年度国家技术发明奖”一等奖。

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    李帝铨作为项目主要完成人荣获国家技术发明一等奖

    创新突破,协助建立以“全空间耦合”为核心的电磁勘探理论

    电磁勘探法是矿产资源勘查的支柱技术手段,然而同时兼顾高精度和大深度,一直以来都是电磁深部探测的关键难题。主动源的相对分辨率高,但探测深度小于1km,被动源的探测深度大,但抗干扰能力差、分辨率低,只有实现电磁理论创新和探测技术突破才能解决上述难题。

    长偶极天线激发的“天波”是电离层-大气层-岩石层全空间曲面耦合传播的电磁波,能够实现远距离、大深度、高精度电磁探测。美国和俄罗斯仅将“天波”用于军事通信,虽然提出了“天波”深部探测设想,但未见相关探测理论研究与应用的报道。传统通信利用的“天波”仅考虑在大气层和电离层中的传播,相关理论无法借鉴。

    李帝铨攻读博士学位期间,在导师底青云院士的指导下,依托“十一五”国家重大科学技术基础设施建设项目之一的“极低频探地(WEM)工程”,主攻“电离层-大气层-岩石层”耦合下电磁波的传播特性,揭示了“电离层-空气层-岩石层”耦合下全空间模式中电磁波的慢衰减传播机制,阐述了“电离层-大气层-岩石层”耦合下电磁波传播特性,协助建立了以“全空间耦合”为核心的电磁勘探理论,实现了频率域电磁法由“半空间”到“全空间”的理论跨越;实现了将人工源电磁法测量范围由“数十千米”扩展到“数千千米”,探测深度由1km增加到10km,为电磁勘探开辟了崭新的研究领域,有力地推动了电磁地球物理学的进步。

    构建深部油(气)藏勘探技术,助力油气资源开发

    我国在松辽盆地深层、二连盆地、渤海湾盆地、准噶尔盆地及三塘湖盆地等地发现多个火山岩油气藏。2002年,我国首次在松辽盆地火山岩发现东部最大的气田-庆深气田,具有超过1万亿m3的资源潜力,但火山岩油气勘探一直面临“成像难、识别难、雕刻难、认识难”的四大世界性难题。李帝铨带领团队直面火山岩油藏勘探难题,研究提出了针对火山岩油藏的大深度高精度广域电磁法勘探技术,从野外大功率高效率的信号发射和采集到室内有针对性的数据处理手段,再到后期的成果展示等方面进行了全链条创新,构建了深部油(气)藏勘探技术,大幅提高了广域电磁法在油气勘探中的效果,为深层油气及火山岩型油藏勘探提供了一种新的技术手段。

    李帝铨带领团队构建的深部油(气)藏勘探技术为深层油气及火山岩型油藏勘探提供一种新的技术手段。利用深部油(气)藏勘探技术在长庆油田发现了11个穹窿构造(20.91km2)和4个起伏幅度的鼻状隆起(8.83km2),清晰地揭示了油气运聚有利区,为该区提交1000多万t地质储量提供了技术支持;2017年,为解决松辽盆地西部斜坡石油地质构造问题,采用了深部油(气)藏勘探技术,最终获得地下7km深度范围内的电性特征,确认了岩浆岩之下沉积岩的存在,确定洮地1井,钻遇沙子河组,在1384m深处见油浸,取得了松辽盆地西坡重大油气突破,为大庆油田的“第二个一百年”目标提供了技术支撑。

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    大深度高精度广域电磁勘探技术在大庆油田进行探测试验

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    矢量广域电磁接收机

情牵地球物理坚守初心育桃李

    科研之外,李帝铨还肩负着培养学生的任务,主讲《地球物理学概论》《电磁场与电磁波》等专业课程。在学生眼里,年轻的李老师为人和善,亦师亦友,学生们亲切地称他为铨哥。“铨哥上课风趣幽默,经常将历史知识融入课堂,很有意思,我们很喜欢听他讲课。”他的本科学生说。在教育学生上,李帝铨以技术推互动、以互动促教学,他认为在互联网2.0时代,PPT、思维导图等可以促进师生互动,师生在课堂上共同设计开放性问题,完善PPT,促进课件每学期实时更新。他主张将复杂理论知识可视化,制作一种可视化的手机小程序,实现简单的地球物理数值模拟功能,让学生在课上课下能随时随地学习知识,增强教学的简易性和趣味性。

    李帝铨已培养硕士、博士12名,目前他带领的团队中在校在读硕士、博士研究生20余名,团队以“瞄准学科前沿、结合国家战略需求、追求特色发展”为指导方针,以“师生关系亲如一家、科学研究锐意创新、文化生活丰富多彩”为发展理念,以“全面培养、个人定制、个性化发展”为人才培养原则,师生关系融洽、情谊深厚。李帝铨定期召开课题组内部研讨活动,了解学生的学习、生活和科研情况,与学生沟通聊天,关注学生的思想、心态等,及时为学生疏导思路、排忧解难。

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    李帝铨课题组学术交流会议

锐意创新补短板志为油气增储上产献科技

    “我们有火焰般的热情,战胜了一切疲劳和寒冷,背起了我们的行装,攀上了层层山峰,我们满怀无限的希望,为祖国寻找出富饶的矿藏。”李帝铨说。然而在他求学初期,曾因不了解地球物理学的奥妙而有意远离,在时任辅导员李建军老师的沟通、点拨下,他才逐渐认识到这个专业的奥妙所在,激起了对地质工程专业学习探索的兴趣,当他一头“扎进去”之后便逐渐开始“迷恋”。他喜欢解开地球物理学未知而带来的快感,喜欢野外探索带来的愉悦心情。自攻读硕博期间开始从事这项专业工作以来,他的足迹已经遍及全国各地。

    川藏铁路被称为“最难建的铁路”,线路呈台阶式八起八伏,累计爬升高度超1400m,沿线超长深埋隧道众多,地形高差大、海拔高、地质条件复杂、探测深度大,沿线勘探成为世界性难题;我国油气资源比较匮乏,石油、天然气对外依存度分别达到70%、40%以上,“十四五”期间,随着油气消费量的增长,对外依存度将继续攀升。当前及今后一段时期,油气都是我国能源安全的主要短板,加大国内油气勘探开发力度,推动油气增储上产是保障国家能源安全的关键。为了解决上述难题,为我国油气勘探和开发提供技术支持,在何继善院士指导下,李帝铨带领团队正在研发攻关水力压裂三维电磁实时监测系统,以期为改善压裂增产作业效果提供技术支撑;同时向陆-海-空三位一体探测全面推进,以期在长江经济带油气勘探、雄安新区地热勘探、青海干热岩勘探、川藏铁路勘探、海洋资源勘探等关系国计民生的领域发挥关键作用。



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