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物探与化探  2021, Vol. 45 Issue (3): 712-725    DOI: 10.11720/wtyht.2021.1238
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单斜地形情况下的磁共振测深方法反演研究
李凡1(), 周明2, 李开天1, 鲁恺1, 李振宇1()
1.中国地质大学(武汉) 地球物理与空间信息学院, 湖北 武汉 430074
2.广西交通工程检测有限公司, 广西 南宁 530012
Inversion of magnetic resonance sounding under the condition of surface slope
LI Fan1(), ZHOU Ming2, LI Kai-Tian1, LU Kai1, LI Zhen-Yu1()
1. Institute of Geophysics & Geomatics, China University of Geosciences(Wuhan), Wuhan 430074,China
2. Guangxi Communications Design Group Co.,Ltd., Nanning 530012,China
全文: PDF(7804 KB)   HTML
输出: BibTeX | EndNote (RIS)      
摘要 

磁共振测深方法是一种基于地磁场中地下水氢核的弛豫特性差异进行探测的地球物理勘查方法,它可以无损探测地下水含量及分布。近年来,随着磁共振测深方法的应用范围不断扩大,该方法常面临地表有较大坡度情况下的探测,使用传统手段反演时,容易导致反演结果不准确。本文对地磁场矢量与线圈所在平面之间的夹角——等效地磁倾角进行介绍,并据此给出了单斜地形情况下的磁共振测深方法的反演方法。依据地质资料或其他物探方法提供的先验信息,可以计算得出磁共振测深方法平行分层核函数或水平分层核函数的分布,从而对倾斜地表情况下的核磁共振信号进行反演。本文构建了倾斜地表情况下的地下一维含水层及二维含水体模型,通过正演计算求得相应的核磁共振信号,并分别采用等效地磁倾角计算得到的核函数及直接计算的核函数进行反演。反演结果显示,在地表倾斜的情况下,传统的磁共振测深反演方法会产生误差,而采用等效地磁倾角构建的核函数进行反演能够压制单斜地形的影响。对白水河滑坡区磁共振测深数据的反演工作验证了该方法的有效性及可行性。因此,本文所提出的基于等效地磁倾角的单斜地形反演能够极大提升磁共振测深方法的适用范围。

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李凡
周明
李开天
鲁恺
李振宇
关键词 磁共振测深方法单斜地形反演等效地磁倾角    
Abstract

Magnetic resonance sounding is a geophysical exploration method based on the difference of relaxation characteristics of hydrogen proton in geomagnetic field. It can detect the content and distribution of groundwater without damage. In recent years, with the expansion of the application of magnetic resonance sounding, this method is often faced with the detection when the surface has a large slope. When traditional inversion methods are used, inaccurate inversion results often occur. In this paper, the angle between the geomagnetic field vector and the coil is introduced, which is called the effective geomagnetic inclination, and the inversion method of the magnetic resonance sounding under surface slope is given. According to the prior information provided by geological data or other geophysical methods, the distribution of parallel or horizontal layered kernel functions of the magnetic resonance sounding is obtained, so as to carry out the inversion of the NMR signal under the condition of surface slope. In this paper, 1D and 2D aquifer models are constructed with the sloping surface, the corresponding NMR signals are obtained by forward calculation, and the kernel functions calculated by effective geomagnetic inclination and traditional method are used for inversion. The results show that, in the case of surface slope, the traditional inversion method of magnetic resonance sounding will inevitably produce errors, while the kernel function calculated by effective geomagnetic inclination can suppress the influence of surface slope. The validity and feasibility of the method were verified by the inversion of the filed NMR data in Baishuihe landslide area. Therefore, the inversion method based on the effective geomagnetic inclination proposed in this paper can greatly improve the application scope of magnetic resonance sounding.

Key wordsmagnetic resonance sounding    surface slope    inversion    effective geomagnetic inclination
收稿日期: 2020-05-07      修回日期: 2021-01-13      出版日期: 2021-06-20
ZTFLH:  P631  
基金资助:国家重点基础研究发展计划项目“973计划”(2011CB710600)
通讯作者: 李振宇
作者简介: 李凡(1990-),男,河南郑州市人,中国地质大学(武汉)博士在读,主要研究方向为电磁法勘探。Email: lifan@cug.edu.cn
引用本文:   
李凡, 周明, 李开天, 鲁恺, 李振宇. 单斜地形情况下的磁共振测深方法反演研究[J]. 物探与化探, 2021, 45(3): 712-725.
LI Fan, ZHOU Ming, LI Kai-Tian, LU Kai, LI Zhen-Yu. Inversion of magnetic resonance sounding under the condition of surface slope. Geophysical and Geochemical Exploration, 2021, 45(3): 712-725.
链接本文:  
https://www.wutanyuhuatan.com/CN/10.11720/wtyht.2021.1238      或      https://www.wutanyuhuatan.com/CN/Y2021/V45/I3/712
Fig.1  地表水平及倾斜情况下线圈与地磁场角度关系示意
a—水平地表;b—倾斜地表
Fig.2  地表水平与倾斜情况下坐标系转换关系
a—水平坐标(x,y,z)、辅助坐标(x1,y1,z1)、倾斜坐标(x2,y2,z2)角度关系示意;b—水平坐标与辅助坐标的转换关系;c—辅助坐标与倾斜坐标的转换关系
Fig.3  不同地形倾角情况下MRS方法的核函数断面
a—α=0°;b—α=30°;c—α=45°;d—α=90°;各子图已按照真实地形角度摆放,红色坐标轴为水平坐标系。计算用参数为:激发—接收线圈为半径10 m的圆形,2匝。地下电阻率100 Ω·m,激发脉冲矩为10 A·s,地磁倾角45°N,倾向正南,磁偏角0°
Fig.4  地下含水体分布示意
a—水平地形下的水平含水层;b—倾斜地形下的水平含水层;c—倾斜地形下,含水层与地形平行;d—倾斜地形下,沿地形走向分布的二维含水体
Fig.5  倾斜地表的情况二维核函数求取示意
a—沿倾向方向分布的二维核函数;b—沿走向方向分布的二维核函数;右侧附图为空间几何位置示意图。计算参数为:激发/接收线圈为半径10 m的圆形,2匝。地下电阻率100 Ω·m,地形倾角30°,倾向正南,地磁倾角45°N,磁偏角0°,激发脉冲矩为10 A·s
Fig.6  倾斜地表的情况一维核函数求取示意
a—平行分层;b—水平分层
Fig.7  单斜地形一维含水体模型设置及核函数分布
a—预设含水层模型,代表含水层位于地下5~9 m及15~21 m处;b—正演计算得出的平行含水层、水平含水层及在无地形倾角情况下的NMR信号初始振幅与激发脉冲矩关系曲线;c—无倾斜地形情况下的核函数分布;d—单斜地形情况下的平行分层核函数;e—单斜地形情况下的水平分层核函数
Fig.8  单斜地形平行含水层的NMR信号一维反演结果
a~d—使用经地形校正后的平行核函数Kp及未矫正的核函数K对平行含水层模型信号Ep进行反演的结果;e—反演数据拟合结果
Fig.9  单斜地形水平含水层的NMR信号一维反演结果
a~d—使用经地形校正后的水平核函数Kh及未矫正的核函数K对水平含水层信号Eh进行反演的结果;e—反演数据拟合结果
Fig.10  单斜地形二维含水体模型设置及NMR信号正演结果
a—预设含水层模型,图中红色三角形代表测量线圈中心点位置;b—各线圈所对应的理论NMR信号
Fig.11  单斜地形NMR信号的二维反演结果
a~d—分别代表无噪声和添加5%高斯白噪声的情况下,采用地形校正后的核函数Ks2D反演以及未地形矫正的核函数K2D反演的结果;e~i—反演数据的各线圈信号拟合结果
Fig.12  白水河滑坡地质剖面
a—研究区照片;b—研究区地质剖面
Fig.13  白水河滑坡磁共振测深方法反演结果对比
a—01号测点反演结果;b—02号测点反演结果;图中红色虚线为钻孔标定滑坡体位置
[1] 潘玉玲, 张昌达. 地面核磁共振找水理论和方法 [M]. 武汉: 中国地质大学出版社, 2000.
[1] Pan Y L, Zhang C D. Theory and method of surface nuclear magnetic resonance [M]. Wuhan: China University of Geosciences Press, 2000.
[2] 潘玉玲, 万乐, 袁照令, 等. 核磁共振找水方法的现状和发展趋势[J]. 地质科技情报, 2000, 19(1):105-108.
[2] Pan Y L, Wan L, Yuan Z L, et al. Current status and development theory of detecting underground water with nuclear magnetic resonance[J]. Geological Science and Technology Information, 2000, 19(1):105-108.
[3] 马国凯, 李振宇. 综合物探技术在滑坡监测中的应用研究[J]. 工程地球物理学报, 2016, 13(2):191-195.
[3] Ma G K, Li Z Y. The Application of comprehensive geophysical prospecting technology to landslide monitoring[J]. Chinese Journal of Engineering and Geophysics, 2016, 13(2):191-195.
[4] Irons T, Quinn M C, Li Y, et al. A numerical assessment of the use of surface nuclear magnetic resonance to monitor internal erosion and piping in earthen embankments[J]. Near Surface Geophysics, 2014, 12(2):325-334.
doi: 10.3997/1873-0604.2014004
[5] 蒋川东, 林君, 秦胜武, 等. 磁共振方法在堤坝渗漏探测中的实验[J]. 吉林大学学报:工学版, 2012, 42(3):858-863.
[5] Jiang C D, Lin J, Qin S W, et al. Experiment on dam leakage detection with magnetic resonance sounding[J]. Journal of Jilin University:Earth Science Edition, 2012, 42(3):858-863.
[6] 鲁恺, 朱源婷, 马国凯, 等. 地面核磁共振方法在石质文物保护中的应用[J]. 文物保护与考古科学, 2018, 30(6):92-97.
[6] Lu K, Zhu Y T, Ma G K, et al. Application of surface nuclear magnetic resonance (SNMR) to protection of stone relics[J]. Sciences of Conservation and Archaeology, 2018, 30(6):92-97.
[7] 潘剑伟, 占嘉诚, 洪涛, 等. 地面核磁共振方法和高密度电阻率法联合找水[J]. 地质科技情报, 2018, 37(3):253-262.
[7] Pan J W, Zhan J C, Hong T, et al. Using the combination of SNMR method and multi-electrode resistivity method in detecting groundwater[J]. Geological Science and Technology Information, 2018, 37(3):253-262.
[8] Girard J F, Legchenko A, Boucher M, et al. Numerical study of the variations of magnetic resonance signals caused by surface slope[J]. Journal of Applied Geophysics, 2008, 66(3):94-103.
doi: 10.1016/j.jappgeo.2008.04.003
[9] Rommel I H M, Yaramanci U. The effect of topography on MRS measurements with separated loops[M]. 3rd Magnetic Resonance Sounding International Workshop: A reality in applied Hydrogeophysics: MRS2006 Proceedings. 2006.
[10] Lehmann-Horn J A, Hertrich M, Greenhalgh S A, et al. Three-dimensional magnetic field and NMR sensitivity computations incorporating conductivity anomalies and variable-surface topography[J]. IEEE Transactions on Geoscience & Remote Sensing, 2011, 49(10):3878-3891.
[11] Greben J M, Meyer R, Kimmie Z. The underground application of magnetic resonance soundings[J]. Journal of Applied Geophysics, 2011, 75(2):220-226.
doi: 10.1016/j.jappgeo.2011.06.010
[12] 任志平, 李貅, 戚志鹏, 等. 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.
[12] Ren Z P, Li X, Qi Z P, et al. An analysis of factors affecting SNMR 3D response[J]. Geophysical and Geochemical Exploration, 2017, 41(1):92-97.
[13] 李振宇, 唐辉明, 潘玉玲. 地面核磁共振方法在地质工程中的应用 [M]. 武汉: 中国地质大学出版社, 2006.
[13] Li Z Y, Tang H M, Pan Y L. The application of surface nuclear magnetic resonance method in Geological Engineering [M]. Wuhan: China University of Geosciences Press, 2006.
[14] Mcelhinny M, Mcfadden P L. The magnetic field of the earth: paleomagnetism, the core, and the deep mantle [M]. New York: Academic Press, 1998.
[15] Legchenko A, Valla P. A review of the basic principles for proton magnetic resonance sounding measurements[J]. Journal of Applied Geophysics, 2002, 50(1-2):3-19.
doi: 10.1016/S0926-9851(02)00127-1
[16] Weichman P B, Lavely E M, Ritzwoller M H. Theory of surface nuclear magnetic resonance with applications to geophysical imaging problems[J]. Physical Review E, 2000, 62(1):1290-1312.
doi: 10.1103/PhysRevE.62.1290
[17] 余永鹏, 李振宇, 龚胜平, 等. 1D SNMR吉洪诺夫正则化反演方法研究[J]. CT理论与应用研究, 2009, 18(2):1-8.
[17] Yu Y P, Li Z Y, Gong S P, et al. The research on 1D SNMR inversion by Tikhonov regularization method[J]. CT Theory and Applications, 2009, 18(2):1-8.
[18] Mueller-Petke M, Costabel S. Comparison and optimal parameter settings of reference-based harmonic noise cancellation in time and frequency domains for surface-NMR[J]. Near Surface Geophysics, 2014, 12(2):199-210.
doi: 10.3997/1873-0604.2013033
[1] 刘豹, 杨宇山, 刘天佑. 铜绿山矿田成矿远景预测及三维地质模型[J]. 物探与化探, 2023, 47(4): 906-915.
[2] 张阳阳, 杜威, 王芝水, 缪旭煌, 张翔. 基于Lévay飞行的粒子群算法在大地电磁反演中的应用[J]. 物探与化探, 2023, 47(4): 986-993.
[3] 许第桥, 李茂. 二连盆地宽频大地电磁法数据精细反演处理研究——以满都拉图地区的数据为例[J]. 物探与化探, 2023, 47(4): 994-1001.
[4] 丁志军, 罗维斌, 连伟章, 张星, 何海颦. 基于两步变异差分进化算法的激电测深一维反演[J]. 物探与化探, 2023, 47(4): 1033-1039.
[5] 陈晓, 曾志文, 邓居智, 张志勇, 陈辉, 余辉, 王彦国. 基于不等式和Gramian约束的MT和重力正则化联合反演[J]. 物探与化探, 2023, 47(3): 575-583.
[6] 张瑾爱, 杨渊, 张林. 基于重力异常的镇安西部隐伏岩体空间分布规律研究[J]. 物探与化探, 2023, 47(3): 618-627.
[7] 陈子龙, 王海燕, 郭华, 王光文, 赵玉莲. 地震全波形反演研究进展与应用现状综述[J]. 物探与化探, 2023, 47(3): 628-637.
[8] 王莉利, 杜功鑫, 高新成, 王宁, 王维红. 基于U-Net网络的FWI地震低频恢复方法[J]. 物探与化探, 2023, 47(2): 391-400.
[9] 王仕兴, 何可, 尹小康, 魏栋华, 赵思为, 郭明. 半航空瞬变电磁一维聚焦反演研究[J]. 物探与化探, 2023, 47(2): 410-419.
[10] 任宪军, 李钟, 马应龙, 董萍, 田行达. 地震分频迭代反演在薄层河道砂体预测中的应用[J]. 物探与化探, 2023, 47(2): 420-428.
[11] 邢文军, 曹思远, 陈思远, 孙耀光. 基于谱反演方法的叠后纵波阻抗反演[J]. 物探与化探, 2023, 47(2): 429-437.
[12] 程正璞, 郭淑君, 魏强, 周乐, 雷鸣, 李戍. AMT地形影响与带地形反演研究[J]. 物探与化探, 2023, 47(1): 146-155.
[13] 张明, 李相文, 金梦, 郑伟, 张磊, 马文高. 超深断控缝洞型储层迭代反演方法——以富满油田为例[J]. 物探与化探, 2023, 47(1): 22-30.
[14] 王智, 王程, 方思南. 基于非结构化有限元的三维井地电阻率法约束反演[J]. 物探与化探, 2022, 46(6): 1431-1443.
[15] 朱剑兵, 高照奇, 田亚军, 梁兴城. 带有横向约束的全局优化波阻抗反演方法及应用[J]. 物探与化探, 2022, 46(6): 1477-1484.
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