地面核磁共振三维响应影响因素

引用本文

任志平, 李貅, 戚志鹏, 赵威, 智庆全, 刘磊. 地面核磁共振三维响应影响因素[J]. 物探与化探, 2017,41(1): 92-97.
REN Zhi-Ping, LI Xiu, QI Zhi-Peng, ZHAO Wei, ZHI Qing-Quan, LIU Lei. An analysis of factors affecting SNMR 3D response[J]. Geophysical and Geochemical Exploration, 2017,41(1): 92-97. 复制到剪切板

Doi:10.11720/wtyht.2017.1.14
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地面核磁共振三维响应影响因素

任志平^1,², 李貅¹, 戚志鹏¹, 赵威¹, 智庆全¹, 刘磊¹

1.长安大学地质工程与测绘学院,陕西西安 710054

2.西安石油大学电子工程学院,陕西西安 710065

作者简介: 任志平 (1980-),男,博士,长安大学地质与测绘学院地球探测与信息技术专业博士研究生。Email:renzp@xsyu.edu.cn

收稿日期: 2015-11-23

基金: 国家自然科学基金项目(41174160); 国家重点基础研究发展计划(“973”计划) 项目(2013CB036002)

摘要

传统的核磁共振激发场的计算中,很少考虑三维地下介质的电性变化以及发射线圈姿态对激发场的影响,笔者借助地面核磁共振三维有限元正演模拟,开展了核磁共振三维响应影响因素分析。首先,基于三维有限元方法实现了非均匀介质条件下地面核磁共振激发场的计算,以便于分析介质电性变化对核磁共振响应的影响;其次,在源的加载过程采用近似函数来等效场源的作用,使之能够适用于不同发射回线激发的情况,进而利用旋转矩阵实现垂直地磁场分量的计算;最后通过不同条件下核磁共振响应的计算,分析了盖层电阻率、含水体背景电阻率、局部不均匀体以及发射线圈姿态等参数对核磁共振信号的影响。计算结果表明:核磁共振响应对高阻盖层电阻率变化不敏感;低阻含水体背景对核磁共振响应的影响较大;异常体规模越大,对核磁响应的影响越大,对于一定规模的异常体,低阻条件下的核磁共振响应差异明显;与电性参数变化相比,不同的发射线圈姿态对核磁信号影响更大,野外应考虑线圈姿态影响。

关键词: 地面核磁共振; 三维正演; 有限元; 非均匀介质; 线圈姿态

中图分类号:P631 文献标志码:A 文章编号:1000-8918(2017)01-0092-06

An analysis of factors affecting SNMR 3D response

REN Zhi-Ping^1,², LI Xiu¹, QI Zhi-Peng¹, ZHAO Wei¹, ZHI Qing-Quan¹, LIU Lei¹

1.School of Geology Engineering and Geomatics,Chang’an University,Xi’an 710054,China

2.School of Electronic Engineering,Xi’an Shiyou University,Xi’an 710065,China

Abstract

In view of the problem that the traditional calculation of surface nuclear magnetic resonance (SNMR) excitation field seldom considers various three-dimensional subsurface electric properties and different forms of launcher, the authors carried out surface NMR three-dimensional finite element modeling which premeditates the impact of a conductive medium. First, based on the three-dimensional finite element method, the authors realized the calculation of surface NMR excitation field under the condition of inhomogeneous medium. An approximate function was adopted to replace field source, so that it could be applied to different cases of transmitter loop. Then, the vertical component of excitation field was obtained through rotation matrix. Finally, the NMR response under different conditions was calculated. Several typical models were designed to analyze the effect of cap rock resistivity, formation resistivity, inhomogeneous medium and transmitter coil posture on SNMR signal. Numerical simulation shows that nuclear magnetic resonance is not sensitive to the change of the high cap rock resistivity. Low formation resistivity has great effect on SNMR response. The larger the inhomogeneous medium, the greater the SNMR response. For a certain size of the local inhomogeneous body, the difference between the SNMR response curves under the condition of low resistance is obvious. The coil posture should be considered in the field because it considerably impacts the NMR signal, and the coil orientation should be considered because the influence of the coil orientation on the magnetic signal is greater than electrical parameters.

Keyword: SNMR; 3D forward; finite element; inhomogeneous medium; coil orientation

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0 引言

核磁共振方法是目前唯一能够直接探测水源的地球物理方法^[1], 在确定含水层深度、厚度及含水量大小方面具有较强的探测能力, 成功应用于地下水探寻、水文地质调查、滑坡灾害监测等多个领域。

与传统的地球物理找水方法相比, 核磁共振找水具有高分辨、高效率、信息量丰富和解唯一等优点^[2], 但实际勘探过程中也存在很多因素制约着核磁共振找水的探测效果。国内外的物探人员为此展开了一系列研究, 其中围绕介质导电性影响这一典型问题, Braun和Yaramanci^{[3, 4]}尝试利用核磁共振信号的相位信息反演获得电性分布, 在理论模型的建立与验证方面取得了一定的试验效果。但在实际工作中, 受环境干扰影响, 相位信息信噪比较低, 反演结果的可信度不高。Hertrich和Yaramanci^{[5, 6]}利用电测深法获得地下介质的电性模型, 基于模拟退火法实现了核磁共振方法和电测深方法的联合反演。Vouillamoz J^[7]将电测深和核磁共振联合解释方法应用于缅甸沿海含水层的确定。在国内, 许多学者也认识到地下介质导电性对核磁共振响应具有较大的影响, 林君^{[8, 9, 10, 11]}等对核磁共振信号多种影响因素进行了总结分析; 翁爱华^{[12, 13]}等分析了层状介质条件下核磁共振响应的规律, 指出导电性是产生地面核磁共振相位信号的先决条件, 并专门针对介质电性等效方法的合理性进行了讨论。为了避免地层导电性的影响, 胡祥云^[14]等学者提出利用全局优化算法同时反演电阻率与含水率, 万玲^[15]等在利用遗传算法实现了瞬变电磁与核磁共振的联合反演的同时提供了介质的电阻率与含水率。然而上述正反演研究均以一维层状模型为研究对象, 并未考虑介质的三维变化。实际水的储存结构一般来讲都比较复杂, 特别是对于裂隙水、岩溶水、孤立水体等局部三维含水构造, 一维核磁共振的正反演方法不再完全适用复杂地电条件, 因此有必要对复杂地质环境下三维核磁共振开展研究。

笔者利用频率域电磁场比较成熟的有限元法进行核磁共振三维正演, 考虑了地下介质电性不均匀性对核磁响应的影响, 通过加载电流源的方式, 实现不同回线激发场的计算。在此基础上分析不同因素对核磁响应的影响, 为后期核磁共振资料解释奠定基础。

1 核磁共振三维正演基本原理

核磁共振找水过程中, 向地面铺设的线圈中馈送拉莫尔频率的正弦电流进行激发, 在撤去外加磁场后, 将释放出等于拉莫尔频率的自由衰减信号, 其初始振幅可以表示为:

$\begin{matrix} E_{0} (q) = \frac{ω_{0} M_{0}}{I} \int B_{⊥} \sin (γ \frac{B_{⊥}}{I} q) n (r) dv, \end{matrix}$ （1）

其中:ω ₀为拉莫尔角频率, M₀为单位体积水的磁矩, I为发射线圈中通入的电流强度, B_⊥为外加磁场垂直于地磁场的分量, n(r)代表空间固定位置的含水率, γ 为氢质子的磁旋比, q为发射脉冲矩。

由式(1)可知自由衰减信号的初始振幅与含水率、原子核磁旋比和外加磁场沿地磁场分量的大小等因素有关。在地电参数确定的前提下, 若要获得初始振幅, 必须进行激发场B_⊥的计算。

1.1 基于三维有限元的激发磁场分布计算

在仅存在外加电性源、时谐情况下, 假定谐变因子为exp(iω t), 电磁场所满足的Maxwell方程组为:

$\begin{matrix} \begin{matrix} \nabla \times E = iωμH, \\ \nabla \times H = σE - iωεE + J_{s}, \end{matrix} \end{matrix}$ （2）

其中:E和H分别为电场和磁场矢量, ω 为激励源的角频率, ε , μ , σ 分别为介电常数、磁导率及电导率, J_s为外加电流源的电流密度。由于不存在磁荷和面电流密度, 磁场在内部电性界面上同时具有法向和切向连续性。为通用起见, 在外边界上S₂给出磁场的第三类边界条件为

$\begin{matrix} \dot{n} \times (\nabla \times H) + γ_{h} \dot{n} \times (\dot{n} \times H) = V, \end{matrix}$ （3）

其中: $\begin{matrix} \dot{n} \end{matrix}$ 为S₂的外法向单位向量, V, γ _h为关于边界条件的已知量。利用代入法消去式(2)中电场项, 即可得到磁场满足的双旋度方程

$\begin{matrix} \nabla \times \nabla \times H - k^{2} H = \nabla \times J_{s}, \end{matrix}$ （4）

其中, k²=ω ²ε μ +iω μ σ 。根据变分原理, 通过求解泛函(5)的驻点, 能够获得满足方程(4)和边界条件(3)的磁场解

$F (H) = \frac{1}{2} \underset{v}{\int \int \int} [(\nabla \times H) \cdot (\nabla \times H) - k^{2} H \cdot H] dv - \underset{v}{\int \int \int} H \cdot (\nabla \times J_{s}) dv 。$ (5)

假定剖分单元内部物性均匀, 并设单元节点i上的磁场3个分量分别为H_xi, H_yi, H_zi, 则对剖分后的所有单元, 求解变分问题式(5)的驻点等价于求解方程组(6)

(6)

其中:n为剖分单元个数, e为单元编号, 对所有单元进行组合并强加驻点条件得:

$\begin{matrix} [\begin{matrix} K_{xx} & K_{xy} & K_{xz} \\ K_{yx} & K_{yy} & K_{yz} \\ K_{zx} & K_{zy} & K_{zz} \end{matrix}] \cdot [\begin{matrix} H_{x} \\ H_{y} \\ H_{z} \end{matrix}] = [N_{ij}] [\begin{matrix} R_{x} \\ R_{y} \\ R_{z} \end{matrix}] \end{matrix}$ (7)

其中:

$\begin{matrix} \begin{matrix} \begin{matrix} [K_{xx}] & = \underset{v_{e}}{\int \int \int} (\frac{\partial N_{i}^{e}}{\partial y} \frac{\partial N_{j}^{e}}{\partial y} + \frac{\partial N_{i}^{e}}{\partial z} \frac{\partial N_{j}^{e}}{\partial z} - k^{2} N_{i}^{e} N_{j}^{e}) dv \\ = [N_{y}] + [N_{z}] - k^{2} [N_{ij}], \\ [K_{yy}] & = \underset{v_{e}}{\int \int \int} (\frac{\partial N_{i}^{e}}{\partial x} \frac{\partial N_{j}^{e}}{\partial x} + \frac{\partial N_{i}^{e}}{\partial z} \frac{\partial N_{j}^{e}}{\partial z} - k^{2} N_{i}^{e} N_{j}^{e}) dv \\ = [N_{x}] + [N_{z}] - k^{2} [N_{ij}], \\ [K_{zz}] & = \underset{v_{e}}{\int \int \int} (\frac{\partial N_{i}^{e}}{\partial y} \frac{\partial N_{j}^{e}}{\partial y} + \frac{\partial N_{i}^{e}}{\partial x} \frac{\partial N_{j}^{e}}{\partial x} - k^{2} N_{i}^{e} N_{j}^{e}) dv \\ = [N_{y}] + [N_{x}] - k^{2} [N_{ij}], \end{matrix} \\ [K_{pq}] = - \int_{v^{e}} \frac{\partial N_{i}^{e}}{\partial q} \frac{\partial N_{j}^{e}}{\partial p} dv = [N_{pq}] \\ p, q = x, y, z; p \neq q \end{matrix} \end{matrix}$

通过对式(7)的求解, 可以得到空间中任意点的磁场强度。

在利用节点有限元法求解式(2)时, 为了规避计算电流密度的旋度或电场法向不连续的问题, 一般先计算电场或矢量势, 然后通过求导来获取磁场值。为了提高计算精度, 笔者直接利用有限元法计算磁场值, 引入空间分布伪δ 函数^[16]等效细导线源产生的场效应(图1), 通过将源分布于一定范围内, 直接求解总场值。图1中参数τ 控制了源分布的宽度和幅值, 空间(x₀, y₀, z₀)处电流强度为I、沿着y方向的导线源, 其电流密度的分布可以表示为J_y=Iδ _s(x-x₀)(z-z₀), 这样对电流密度求旋度的运算可转换为对伪δ 函数的导数运算。

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	图1 伪δ 函数分布

由于地磁场同时包含地磁倾角I和地磁偏角D, 激发场垂直地磁场分量B_⊥的表示较为复杂。在获得地下磁场分布后, 利用旋转矩阵^[17]可以简化B_⊥计算, 获得B_⊥后, 即可实现核磁共振的三维正演。

1.2 有限元算法验证

为了验证有限元算法的正确性, 计算了激励电流频率为2 350 Hz时, 半径为50 m的回线源在电阻率为100 Ω · m的半空间频率响应, 与积分公式求出的场值进行了对比。如图2所示, 除导线附近位置, 有限元计算结果和积分公式求解基本一致。

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	图2 有限元解和积分求解比较

2 三维核磁共振响应特征分析

为了进一步了解地面核磁共振三维响应特征, 针对覆盖层介质、含水背景电阻率、局部不均匀体参数变化以及不同线圈姿态条件下的核磁共振响应进行了数值模拟。计算时, 取地磁场强度48 000 nT, 磁倾角60° , 磁偏角0° , 拉莫尔频率2 350 Hz, 发射线圈边长20 m, 线圈中心位于地面(0, 0)处。

2.1 覆盖层介质对核磁共振响应的影响

为考查盖层介质电性参数变化对核磁共振响应的影响, 对不同覆盖层介质电导率条件下, 核磁共振响应振幅随发射脉冲矩的变化规律进行了模拟, 地电模型如图3所示。其中第二层介质中的含水体大小为40 m× 40 m× 15 m, 含水率为10%, 固定参数h₁=15 m, ρ ₂=100 Ω · m。当h₂=20 m, 盖层电阻率ρ ₁分别为1、2、10、100、500 Ω · m时, 计算得到的核磁共振初始振幅响应曲线如图4所示。

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	图3 三维单含水体地电模型

由图可见, 随着盖层电阻率变大, 核磁共振响应的最大振幅相应增大, 当盖层电阻率从100 Ω · m增加到500 Ω · m时, 磁共振响应曲线基本重合, 表明核磁响应对高阻覆盖层的变化不敏感, 但是相同模型在不同低阻覆盖层条件下, 核磁共振响应差别明显, 尤其当电阻率小于 10 Ω · m 时, 盖层电性变化对核磁响应影响较大, 因此在反演过程中应充分考虑实际探测环境下低阻覆盖层对解释结果的影响。

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	图4 覆盖层电阻率对核磁共振响应的影响

2.2 含水体背景电阻率对核磁共振响应的影响

不同的地层背景电阻率会对电磁波信号产生不同程度的衰减, 直接影响到探测信号的强度和探测距离, 因此有必要了解含水体所在地层电性参数变化对核磁共振响应的影响。沿用图3的计算模型, 保持含水体规模及含水率参数不变, 当ρ ₁=20 Ω · m, h₁=10 m, h₂=20 m时, 对地层背景电阻率ρ ₂为1、5、10、50、100、200 Ω · m等不同情况进行计算, 相同线圈在不同地层背景电阻率下接收到的核磁共振响应曲线如图5所示。由图可见, 不同含水体背景电阻率下磁共振响应曲线形态基本相同, 高阻背景下核磁响应曲线间的差别较小, 随着地层背景电阻率增高, 当含水体所在地层电阻率大于50 Ω · m时, 背景电阻率对响应信号带来的影响可忽略不计, 而电阻率越低, 核磁响应曲线的最大振幅越小, 说明电磁波在低阻介质中能量损耗较大, 随着背景电阻率减小, 磁共振响应差异逐渐增大, 低阻背景对核磁响应的影响愈发明显。

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	图5 背景电阻率对核磁共振信号的影响

2.3 局部不均匀体对核磁共振信号的影响

实际勘探过程中地下可能存在多个异常体, 下面分析局部不均匀体对核磁共振信号的影响。给定模型如图6所示, 在均匀半空间中含有2个异常体, 模型参数设置如下:均匀半空间背景电阻率为100 Ω · m, 1#异常体中心点位置坐标为(0, 0, 10), 2#异常体大小为40 m× 40 m× 15 m, 中心点位置坐标为(0, 0, 30), 电阻率为20 Ω · m, 含水率为10%。分别考察1#异常体的大小、电阻率变化对核磁共振响应的影响。首先固定1#异常体电阻率为10 Ω · m, 改变异常体规模, 核磁共振响应如图7a所示, 而固定1#异常体尺寸为80 m× 80 m× 15 m, 改变1#异常体电阻率分别为1、10、50、100、500 Ω · m, 核磁共振响应如图7b所示。

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	图6 局部异常体模型

从图中可以看出:当异常体规模相对发射线圈较小时, 局部异常对核磁共振响应影响不大; 当异常规模相对发射回线不可忽略时, 给定模型电阻率分布, 随着局部异常体规模的增加, 异常对核磁响应的影响逐渐显现。当异常体规模较大时, 逐渐改变异常体电性参数, 其变化规律与覆盖层电阻率对核磁共振影响类似。

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	图7 局部不均匀体对核磁共振的影响

2.4 线框姿态对核磁共振响应的影响

分析发射线框姿态的改变对核磁共振响应的影响规律。固定发射线圈边长为20 m, 均匀半空间中设置单一含水体, 含水体体积为20 m× 20 m× 10 m, 电阻率为40 Ω · m, 含水率为20%, 含水体中心点位置坐标为(0, 0, 15), 针对不同均匀半空间的电阻率, 分别计算了线圈布置在xy平面, 线圈法向指向z轴时与线圈布置在yz平面, 线圈法向指向x轴时的核磁共振响应, 如图8所示。

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	图8 不同线框姿态下的核磁共振响应对比

从图中可知:两种情况下磁共振响应的形态基本类似, 但是在yz平面观测的初始振幅最大值大于在xy平面观测的初始振幅的最大值, 线圈的倾向对核磁信号影响远远超过了半空间电阻率变化所产生的影响, 因此在野外工作时应考虑地形造成的线圈倾斜对核磁响应的影响。

3 结论

根据核磁共振找水理论, 利用有限元方法计算了三维空间频域激发场的分布, 改进了源的加载方法, 实现了地面核磁共振的三维正演, 与积分公式解的对比验证了文中三维有限元正演方法的有效性和准确性。在此基础上分析覆盖层电阻率、含水体背景电阻率、局部异常体参数以及线圈姿态变化下的核磁共振响应特征, 数值模拟结果表明:

1)盖层电阻率对核磁共振响应具有一定影响, 尤其是在低阻覆盖地区, 覆盖层影响尤为明显。因此, 进行核磁共振解释工作时, 必须考虑低阻覆盖的电性分布。

2)含水体背景电阻率信息是影响核磁共振探测效果的一个重要因素, 高阻背景介质中核磁共振响应难以分辨地层电阻率的变化, 而背景电阻率越小, 核磁共振响应差异越大, 会产生较大的测量误差。

3)较小的异常体规模对核磁共振响应影响不大。当异常体规模较大时, 随着异常体电阻率增大, 核磁共振初始振幅最大值逐渐增大, 但异常体电阻率变化对初始振幅信号的影响逐渐减弱。

4)线圈姿态会影响核磁共振响应的初始振幅, 特别是在地形起伏严重地区, 地形起伏会改变发射线圈的选取方向, 进而对核磁共振响应产生较大的影响。相比之下, 电性参数的变化对核磁响应影响不大, 除非是在极低阻地区, 需要考虑介质电性的影响。

三维核磁共振响应特征的数值计算可用于研究复杂环境下地层电性、线圈特性对磁共振响应的影响, 为地层电阻率校正、三维空间下含水体的正演计算和反演解释提供了理论依据, 为核磁共振找水的应用打下良好基础。

The authors have declared that no competing interests exist.

参考文献

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Nuclear magnetic resonance (NMR) has emerged as a new geophysical technique allowing direct, noninvasive groundwater investigations from the surface. Comparing to the traditional geophysical methods, the current state-of-the-art NMR method is higher resolution, more efficiency, more information and unique interpretation for hydrogeological investigations. In the last two decades, MRS has been widely used, not only in groundwater exploration, but also in water-disaster forewarning, including dam leakage, tunnel gushing, waterimpacted landslide, and seawater intrusion. The purpose of this paper is to give an overview of various aspects of MRS for groundwater exploration in complex geophysical settings. We report the recent researches, includes adaptive signal processing for mitigating electromagnetic noise, 2D/3D MRS methods for low-volume detection, forward modeling and field-data inversion under complex conditions, as well as joint uses of MRS and TEM methods in karst aquifers. By introducing several case studies, we prospect the developing trends of MRS for groundwater assessment.

磁共振地下水探测是一种直接非侵害性探测地下水的地球物理新方法,与传统地球物理探测地下水方法相比，具有高分辨力、高效率、信息量丰富和解唯一等优点。近年来地下水磁共振探测技术发展迅速，不仅用于缺水地区的地下水勘查，还在地下灾害水源（由于地下水引起的灾害如堤坝渗漏、隧道/矿井水害、滑坡、海水入侵等）的探测预警中进行了探索性研究。综述了复杂条件下地下水磁共振探测技术的研究现状，包括强电磁干扰环境的自适应噪声压制、地下小水体的2D/3D磁共振探测、复杂条件的数据处理与反演、针对喀斯特地貌等地质环境的地下水磁共振与瞬变电磁联合探测研究成果，简要介绍了磁共振技术用于滑坡、海水入侵和隧道涌水等灾害水源探查的探索性研究示例，展望了地下水磁共振探测技术的未来发展趋势。

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... 在国内,许多学者也认识到地下介质导电性对核磁共振响应具有较大的影响,林君^[8,9,10,11]等对核磁共振信号多种影响因素进行了总结分析 ...

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孙淑琴, 林君, 张世雄. 导电性对地面核磁共振信号的影响研究[J]. 物探化探计算技术, 2005(2): 127-130.

与其它勘探方法相比,核磁共振(Nuclear Magnetic Resonance ,缩写NMR)的方法是直接勘探地下水中NMR信号的唯一有效方法,该信号的初始振幅决定了含水层深度及自由水的含量.但在实际工作中,大地导电性对含水地层中的NMR信号有直接影响,使得同样脉冲矩条件下,勘探深度有变化.为了评价大地(岩石)导电性对勘探深度的影响,建立了一个地面找水模型,对NMR信号进行数值模拟.仿真结果表明, NMR信号的振幅可以评价含水地层的结构,但大地导电性的增强将导致勘探深度的降低.

... 在国内,许多学者也认识到地下介质导电性对核磁共振响应具有较大的影响,林君^[8,9,10,11]等对核磁共振信号多种影响因素进行了总结分析 ...

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林君, 蒋川东, 林婷婷, 等. 地下工程灾害水源的磁共振探测研究[J]. 地球物理学报, 2013(11): 3619-3628.

Surface Magnetic Resonance Sounding (SMRS) has emerged as a new geophysical technique which allows detecting the abundant degree of hydrogen nucleus in the subsurface directly on the surface. It has been widely used, not only in groundwater exploration and evaluation, but also in water-induced disasters (disasters caused by groundwater, such as dam leakage, landslides and seawater intrusion) forewarning. This paper discusses how to introduce SMRS into the detection and prediction of production safety in underground engineering and achieve MRS exploration in the extreme environments (narrow spaces including tunneling project and coal mining), which we call it Underground Magnetic Resonance Sounding (UMRS). To this goal, some challenges has to overcome when UMRS is carried out in underground engineering, including advance detection theories, detection by small coils in narrow space, adaptive signal processing for suppressing electromagnetic noise, quasi-whole space forward modeling and inversion strategies, the processing and inversion of quasi-full space 2D/3D disaster water detection data, as well as joint detection of MRS and TEM methods in complex geological environments like karst aquifers. We also briefly introduce superconducting detection technology and real-time detection technologies for shield and driving methods in underground engineering.

地面磁共振探测(Surface Magnetic Resonance Sounding,SMRS)是近年来发展起来的一种地球物理新方法,这种在地面直接探测地下介质中氢核丰度的技术,不仅可以用于缺水地区的地下水资源勘查与评价,还可以在地下水引起的堤坝渗漏、滑坡、海水入侵等地质灾害水源的探测预警中发挥独特的作用.本文首次提出了地下磁共振探测方法(Underground Magnetic Resonance Sounding,UMRS),将SMRS方法引入到地下工程领域,实现隧道工程和煤矿开采等地下狭窄空间极端环境的探测.为应用UMRS方法,需要深入研究地下水超前探测理论、准全空间处理与反演方法、旋转多匝小线圈探测模式,强电磁干扰环境自适应噪声压制策略、以及复杂地质环境磁共振与瞬变电磁联合探测关键技术等难题.论文还简要介绍了超导磁探测技术和工程盾构及掘进实时探测等新技术在地下工程生产安全探测预警中的应用前景.

... 在国内,许多学者也认识到地下介质导电性对核磁共振响应具有较大的影响,林君^[8,9,10,11]等对核磁共振信号多种影响因素进行了总结分析 ...

2007

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翁爱华, 王雪秋, 刘国兴, 等. 导电性影响的地面核磁共振反演[J]. 地球物理学报, 2007, 50(3): 890-896.

... 翁爱华^[12,13]等分析了层状介质条件下核磁共振响应的规律,指出导电性是产生地面核磁共振相位信号的先决条件,并专门针对介质电性等效方法的合理性进行了讨论 ...

2004

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翁爱华, 李舟波, 王雪秋. 层状导电介质中地面核磁共振响应特征理论研究[J]. 地球物理学报, 2004, 47(1): 156-163.

水平层状导电大地中层状含水层地面核磁共振响应的数值计算技术涉及到导电介质中回线源磁场的计算以及地下含水层中质子磁矩在线圈中产生感应信号的体积积分.文中采用直接数值积分技术,对具有振荡核函数的Hankel变换进行积分,以求取回线源磁场的径向与垂向分量,计算并研究了回线产生的径向与垂向磁场分量随空间位置的变化规律.基于磁场空间分布特点,利用不等间距空间剖分技术计算地面核磁共振的体积积分,模拟了不同模型的地面核磁共振响应并讨论了其影响因素.结果表明,结合能对任意层状导电介质中磁场进行稳定快速计算的直接数值积分技术与不等距空间模型剖分技术,可正确模拟地面核磁共振响应.导电性是产生地面核磁共振信号相位的先决条件,但影响响应振幅强度与相位的因素还有含水层的埋深、厚度以及装置大小等.

2009

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戴苗, 胡祥云, 吴海波, 等. 地面核磁共振找水反演[J]. 地球物理学报, 2009, 52(10): 2676-2682.

The paper simply introduced the basic principle of surface nuclear magnetic resonance and computed the numerical integral of nuclear magnetic resonance kernel function which contained double Bessel functions using the method of Gauss quadrature and continued fraction expansion, and then discussed influence of conductivity to nuclear magnetic resonance′s signal. Based on singular value decomposition algorithm, we studied the theoretical model of surface nuclear magnetic resonance and gained the ideal inversion result. We also made inversion experimentation respectively on insulative and electric model using the improved simulated annealing algorithm, and showed that it was desirable to this method. The inversion result was relatively stable and the convergence was very fast.

1 Institute of Geophysics and Geomatics, China University of Geosciences, Wuhan 430074, China 2 Institute of Seismology, China Earthquake Administration, Wuhan 430071, China

简要介绍了地面核磁共振找水的正演理论方法，采用高斯求积并结合连分式展开的方法对核磁共振核函数中包含双重贝塞尔函数的积分核进行了数值积分，进而计算出精度较高的核函数值，在此基础之上，讨论了导电性对地面核磁共振信号的影响.基于奇异值分解算法，对核磁共振找水理论模型进行了反演研究，在不导电的情况下，重构出了比较理想的含水率分布.总结并改进了模拟退火算法，用改进的模拟退火算法分别对覆盖层高阻和导电条件下的核磁共振人工合成数据进行了反演，试验结果表明，利用改进的模拟退火算法反演地面核磁共振是可行的，而且反演结果较稳定，收敛速度较快.

... 为了避免地层导电性的影响,胡祥云^[14]等学者提出利用全局优化算法同时反演电阻率与含水率,万玲^[15]等在利用遗传算法实现了瞬变电磁与核磁共振的联合反演的同时提供了介质的电阻率与含水率 ...

2013

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万玲, 林婷婷, 林君, 等. 基于自适应遗传算法的MRS-TEM联合反演方法研究[J]. 地球物理学报, 2013, 56(11): 3728-3740.

The method of Magnetic Resonance Sounding (MRS) provides a new technology to determine subsurface water qualitatively and quantitatively, which has received much concern of geophysicists. The traditional inversion of MRS uses homogeneous half-space models and ignores effects of resistivity distribution on inversion results. Based on the MRS theory in the multi-layer earth model, we developed a new scheme for joint inversion of MRS data and Transient Electromagnetic (TEM) data. By correcting MRS inversion with resistivity in real time, the accuracy of inversion result was improved greatly. The Adaptive Genetic Algorithm (AGA) was applied. By adaptively adjusting the probability of crossover and mutation, AGA has not only avoided the premature convergence of GA but also has obtained the global optimal solution. Studies with synthetic data show that the MRS-TEM joint inversion scheme can obtain the aquifer structure accurately even 10% noise applied. Compared with the traditional MRS inversion scheme, the advantage of this new approach is obvious. By applying this method to filed data processing, and with the good inversion result, we have verified the the applicability of AGA and the practical significance of MRS-TEM joint inversion scheme.

地面磁共振法(MRS)因具有定性、定量分析地下水能力,而备受关注.传统磁共振地层含水量反演多采用均匀半空间模型,忽略电阻率分布信息对结果的影响.针对这一问题,本文基于多层电介质中磁共振响应理论,提出MRS与瞬变电磁(TEM)联合反演方法,通过电阻率分布信息对含水量反演过程的实时修正,提高了解释结果的准确度.反演算法采用自适应遗传算法(AGA)进行,基于繁殖规则,动态调整交叉概率和变异概率,解决了标准遗传算法易未成熟收敛而难以得到全局最优解问题.模型数据表明,含噪10%情况下,联合反演仍能较准确地反映地下含水单元模型结构,对比MRS单独反演优势明显.同时,内蒙古白旗野外观测数据联合反演结果与钻井资料基本一致,充分验证了AGA反演算法的实用性及MRS-TEM联合反演的实际意义.

1979

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... 函数^[16]等效细导线源产生的场效应(图1),通过将源分布于一定范围内,直接求解总场值 ...

2011

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蒋川东, 林君, 段清明, 等. 二维阵列线圈核磁共振地下水探测理论研究[J]. 地球物理学报, 2011, 54(11): 2973-2983.

Magnetic Resonance Sounding (MRS) is a geophysical method designed for direct groundwater exploration. Initially, MRS was developed for characterizing horizontally stratified aquifers. However, for the 2D/3D target whose size may be much smaller than the loop, the accuracy and the lateral resolution may not be sufficient. In this paper, possibility of 2D MRS with an array loop for groundwater exploration is studied firstly. Then, the expressions of the elliptically polarized excitation field induced by the transmitting loop and MRS response signal received by the array loop are derived. The 2D imaging of MRS initial amplitude and detection sensitivity measured with the array loop are numerically simulated, and are compared with the result from using the coincident loop. Conclusions are as follows: (1) 2D MRS measurement with the array loop can directly detect the horizontal position of water conduit in the subsurface, but requires higher excitation current and receiver sensitivity. (2) When the horizontal position, depth and section area of the water conduit vary, the detection sensitivity of 2D MRS measurement with the array loop is higher than that using the coincident loop, and the improvement of sensitivity is most obvious when horizontal position varying. (3) The sensitivity of 2D MRS measurement with the array loop detecting horizontal position varying decreases with increasing of the water conduit depth. (4) For shallow groundwater, the horizontal, vertical and section resolution determined by the instrumental noise level is 5 m, 4. 5 m, 8 m(2), respectively. By increasing the number and turns of the receiver loop, improving excitation pulse moment and decreasing noise level, the existing instrument can be utilized to 2D MRS measurement. The theory and method presented in this paper will contribute to the application of 2D MRS with the array loop to fast detection of 2D/3D targets such as underground rivers, karstic conduits and dam seepages.

核磁共振法(Magnetic Resonance Sounding, MRS)是一种直接探测地下水的地球物理方法,目前只能对水平层状的含水层进行一维测深,对于尺寸小于线圈直径的二维或三维含水构造成像时,其灵敏度和横向分辨率很低.本文从研究二维阵列线圈核磁共振地下水探测方式的可行性出发,推导了地面发射线圈产生的椭圆极化激发场和阵列接收线圈的核磁共振响应核函数的表达式,数值计算了二维阵列线圈测量方式的MRS信号初始振幅图像和探测灵敏度,通过与二维发射/接收同一线圈测量方式对比,得到结论如下:二维阵列线圈测量方式可直接确定地下含水构造的水平位置,但需更大的激发电流强度和接收灵敏度;当中浅层( 2 ,以上三种分辨率均由仪器噪声水平所决定.通过实施增加接收线圈的数量和匝数、提高激发脉冲矩和接收灵敏度等改进措施,现有的仪器系统可用二维阵列线圈测量方式.本文提出的理论和方法,将促使二维阵列线圈核磁共振方法在地下暗河、喀斯特溶洞和堤坝渗漏等二维或三维含水构造快速探测方面得到应用.

... 在获得地下磁场分布后,利用旋转矩阵^[17]可以简化B_⊥计算,获得B_⊥后,即可实现核磁共振的三维正演 ...