地下磁共振响应特征与超前探测

地下（矿井和隧道内）超前探测灾害水源是磁共振测深（Magnetic Resonance Sounding,MRS）方法应用的新领域,在地球物理方法中是一个难题.本文在地面磁共振探测理论的基础上,建立地下全空间模型,推导直立线圈的磁共振响应信号表达式,对比国际标准模型验证了数值计算的准确性.引入旋转系数矩阵,计算任意地磁场方向和线圈方向的激发场垂直分量.研究了磁共振响应信号与线圈法向偏角和倾角的关系,指出当线圈法向方向垂直于地磁场方向时,磁共振响应信号最大.同时,研究表明磁共振超前探测距离与激发脉冲矩和接收灵敏度紧密相关,激发脉冲矩越大,接收灵敏度越高,则超前探测距离越大,但存在极限距离.在地下线圈尺寸受限的情况下,为使检测信号灵敏度为5 nV时,超前探测距离达到30 m,提出了边长2 m线圈的匝数优化方案,共圈模式最少需要100匝,分离线圈模式最少需要10匝发射线圈和160匝接收线圈.仿真模型试验结果证明,随着噪声水平增大,磁共振超前探测距离和反演分辨率均减小.泽雅隧道探测实践表明,本文提出的地下空间磁共振理论在矿井和隧道环境中进行超前探测是可行的.     

地下核磁共振小尺寸线圈设计和实验

很多国家在进行隧道挖掘、地下矿体开采时,经常会遇到突水涌泥事故.核磁共振方法(Magnetic Resonance Sounding,MRS)作为目前唯一一种直接找水的地球物理技术,在探测诱发灾害的水体方面具有明显的优势.本文首先给出了多匝分离式线圈的MRS信号响应和核函数的计算公式,分析了线圈的匝数、边长和含水层位置对MRS信号响应的影响.分析表明,在限定空间内,利用多匝分离式线圈的设计方法可以提高小尺寸线圈的探测能力.同时,对高匝数线圈给探测系统带来的不利因素进行了分析和改进.最后,为了验证本研究所采用的方法,利用6 m边长的方形线圈和改进型MRS探测系统在中国温州一处在建隧道内的地下场地进行实地探测,探测结果与瞬变电磁方法结果对比表明,6 m边长的方形线圈可以对地下30 m内的含水层进行有效探测.     

水下激发极化测深异常特征研究

利用有限单元法对水下激发极化测深进行数值模拟以研究其异常特征和适用条件.水下的电阻率测深和激电测深均可对水底地质体进行近距离探测,提高探测分辨率.而水底地形对视电阻率测深的影响很大.水底极化体有限元正演模拟的结果表明,水底地形对激发极化测深结果没有影响.采用水下激发极化法进行地质体探测是可行、有效的.通过计算不同水体和水底岩石电阻率对视极化率幅值的影响发现,水体电阻率是影响水下极化率测深的主要因素.由于海水的电阻率过低,观测视极化率异常微弱而不适合开展水下激电工作.     

MT激电效应的模拟研究及在油气检测中的应用

本文引入Cole-Cole模型来模拟大地的激发极化效应,对三层水平地层且中间层为极化层的大地电磁测深的视电阻率进行了理论计算,分析了极化参数对视电阻率曲线的影响规律.采用广义逆方法对三层水平地层且中间层为极化层的模型进行了反演研究,结果表明该反演方法能够较好地确定地层电阻率的同时获得地层激电参数,应用于实际资料的反演时,反演结果与已知含油气地层的实际参数十分吻合.     

隧道磁共振全弛豫信号三维反演研究

磁共振探测反演近些年得到较多的关注.传统的磁共振反演多为基于地面大线圈采集,基于初始振幅的反演,这种方法未考虑地下复杂的多孔地质环境,且限制了磁共振方法的应用范围.针对上述问题,本文尝试建立了基于隧道磁共振全弛豫信号的三维反演方法,在传统的磁共振三维正演核函数基础上,加入指数衰减项,在充分考虑地下电阻率不均匀体的情况下,采用有限元方法模拟了磁共振全弛豫信号响应.针对三维磁共振灵敏度矩阵的病态性和隧道中的电磁干扰,建立了考虑罚项的最小二乘目标函数,并结合实际对函数的解加以约束,利用基于不等式约束的最优化算法实现了三维反演.模型计算表明:本文的三维反演效果良好,不仅能实现掌子面前方含水异常体定位,而且能给出不同弛豫时间下的含水量信息,从而间接获知灾害水赋存状态,为隧道磁共振数据处理提供了一个可供借鉴的方法.     

地面核磁共振找水三维有限元数值模拟

针对地下含水体结构复杂,一维模型难以准确描述含水体分布特征的问题,建立了三维核磁共振响应模型,结合回线源条件下核磁共振的响应表达式,推导了频率域三维磁场分布方程与边界条件,应用有限元法实现了正演计算,并对算法的正确性进行了验证.在此基础上分析了含水体参数变化对磁共振响应的影响,结果表明:核磁共振具有测深功能,增大发射脉冲矩可以有效提高勘探深度;与响应振幅相比,各测点曲线之间的差异更能反映含水体位置的变化;对于浅层含水体,电阻率的变化对响应曲线初始振幅的影响较大.三维核磁共振的响应研究对复杂环境下核磁共振找水应用具有重要的参考价值.     

瞬变电磁法多匝重叠小回线装置实验研究

文中采用实验方法对瞬变电磁法多匝重叠小回线装置发射磁矩、关断时间、感应信号强度随发射线圈匝数及接收线圈匝数的变化分别进行了研究。对固定发射线圈匝数改变接收线圈匝数与固定接收线圈匝数改变发射线圈匝数这2种实验方式进行了对比,从而找出了更适合地质响应的发射与接收线圈的匝数。同时还分别采用线圈边长为0.5m×0.5m与1m×1m的线框进行了对比实验,通过分析发射磁矩、关断时间、感应信号强度随线圈边长、线圈匝数的变化,找到合理的重叠小回线装置。实验结果表明发射磁矩随线圈的边长与发射线圈匝数的增加而增加;关断时间随发射线圈匝数近乎呈正比增加,与接收线圈无关;感应信号强度与线圈匝数呈正比关系,但是相比之下,接收线圈匝数更占主导地位。     

地面磁共振测深分布式探测方法与关键技术

地面核磁共振方法(MRS)因具有对地下水探测定性、定量的特点而备受地球物理工作者关注.传统研究中,人们局限于一维探测方法,假设层状含水构造,导致复杂地质环境下难以确定井位、不均匀含水层小水体难以分辨的反演解释瓶颈.针对现有测量中的不足,本文提出了MRS二维分布式探测模式,依据激发场不均匀特性,定义了实际测量中的测线方位角α,推导了分布式接收线圈MRS响应核函数表达式,实现了二维正演计算,探索了α角与探测灵敏度之间的关系.在此基础上,首次将Occam方法用于MRS二维反演解释中,实现了磁共振断层成像MRT(magnetic resonance tomography).模型试算中,根据含水层位置以及环境噪声变化的磁共振响应,客观评价了分布式MRS探测适用范围.理论先行可推动仪器完善,本文通过分布式接收单元设计、接收线圈数量和匝数增加与调整、放大器参数自适应设置与矫正,成功研制了地面分布式磁共振探测系统,并进行了野外验证.本文的研究成果将为基岩裂隙水定位、堤坝渗漏灾害水源评价,喀斯特溶洞含水构造精确探测提供有力的科学支撑.     

基于CPMG脉冲序列的地面磁共振探测玄武岩磁性含水层研究

地面磁共振测深是目前唯一直接探测地下水的地球物理方法,具有灵敏、高效、无损等优点,在地下水探测中具有独特优势.玄武岩含水层常富含锶、偏硅酸等矿物质,为潜在矿泉水水源地,但其内部磁性矿物的存在限制了常规地面磁共振测深方法的应用.针对这一难题,笔者分别采用FID和CPMG两种脉冲序列开展了地面磁共振测深实验,结合钻孔资料验证了该方法的可行性.通过对两种脉冲序列反演弛豫时间和含水量的对比研究,发现FID脉冲序列反演获得平均横向弛豫时间T2*受非均匀磁场主导,并不能反映含水层孔隙度大小,但反演含水量结果优于CPMG脉冲序列;CPMG脉冲序列可以反演横向弛豫时间T2,但易导致含水量低估.因此,笔者认为在磁性含水层地面磁共振测深中,可采用FID脉冲序列反演含水量并结合CPMG脉冲序列反演T2,实现对含水层富水性和孔隙度大小进行探测.     

斜阶跃电流激励下多匝小回线瞬变电磁场延时特征

采用Duhamel积分对斜阶跃电流激励的瞬变电磁场进行直接计算,应用叠加原理得到了多匝小回线全域瞬变电磁响应.研究了多匝小回线的早、晚延时临界条件以及等磁矩单匝大回线与多匝小回线的延时和关断时间特征,分析了电阻率、厚度等参数变化时斜阶跃电流对层状模型瞬变响应的影响特征,最后采用实测数据验证了关断效应的校正效果.结果显示,回线边长越小或表层电阻率越大,瞬变响应越早离开早期并进入晚期.多匝小回线的关断时间远大于等磁矩的单匝大回线,但由前者激发的瞬变响应进入晚期的时间却大幅提前,更有利于晚期条件下各种理论公式的使用.斜阶跃影响校正结果显示,增加多匝小回线的匝数可以扩展反演深度的范围,减少匝数则可以提高反演电阻率的精确性;实测数据处理结果显示校正方法产生了一定的效果.本研究补充了多匝小回线瞬变电磁理论内容,研究结果可以为复杂环境中小尺寸多匝线圈的工作参数选择提供参考.     

基于多匝环形线圈的核磁共振信号响应计算与试验研究

核磁共振接收信号的质量主要受探测天线的传递特性影响,当传递特性较差时,严重影响测量效果.结合目前国内外核磁共振找水仪天线的研制情况,给出了接收天线传递特性的计算方法,根据数值计算结果讨论了影响传递特性的天线参数.利用吉林大学研制的核磁共振找水仪进行实际测试,结果证明与讨论结果一致.本文得出的传递特性影响因素和接收信号质量评估方法,可以为不同类型核磁共振找水仪天线的设计提供依据,将促使核磁共振方法在复杂地形环境找水及隧道、矿井灾害水源探测等方面得到有效应用.     

坑(井)-地多参数电磁接收系统

坑（井）-地多参数电磁接收系统在地面、坑道、井中三维空间观测天然场源及人工源电磁信号,观测装置接近或穿过矿体,借助动源、大功率发射可获得更加明显的异常值,旨在加大探测深度的基础上提高深部分辨率,同时获取电阻率、极化率、复阻抗等参数.为坑（井）-地电磁成像方法现场数据采集提供硬件设备支持,针对坑道、井中电磁观测的特殊需求,开发了由不极化电极、非接触电极、小型感应式线圈、微型三分量音频磁传感器、地面-坑道电磁接收机、井中电磁接收机等组成的坑（井）-地多参数电磁接收系统,解决了传统不极化电极坑道硬岩表面接地困难和传统感应式磁传感器难以适应坑道狭窄空间的问题;通过多层次的室内、弱干扰条件下野外测试验证了接收系统的各项技术指标,接收机通道全频段噪声水平接近10 nV/rt（Hz）,微型三分量音频磁传感器体积压缩至32 cm×32 cm×32 cm;强干扰条件下的矿山试验验证了接收系统的可靠性、适用性及先进性.     

Resolution studies for Magnetic Resonance Sounding (MRS) using the singular value decomposition

We present a new approach to analyse the subsurface water content distribution obtained by inversion of MRS data in terms of resolution and penetration depth. It is based on a singular value decomposition (SVD) of the MRS forward operator to derive the model resolution matrix including regularisation parameters, i.e. including noise conditions. The approach takes loop size, subsurface resistivity distribution and noise conditions as input parameters affecting MRS into account and allows an assessment on resolution and penetration.The application of the new approach shows that the loop diameter must be carefully chosen depending on the investigation site to obtain optimal resolution and penetration. Using the introduced resolution measures the quality and reliability of the estimated model can be assessed.     

Interpretation of magnetic resonance soundings in rocks with high electrical conductivity

Magnetic resonance sounding (MRS) is an electromagnetic method designed for groundwater investigations. MRS can be applied not only for studying fresh-water aquifers, but also in areas where intrusion of saline water is rendering the subsurface electrically conductive. In the presence of rocks with a high electrical-conductivity attenuation and a phase shift of the MRS signal may influence the efficiency of the MRS method. We investigated the performance of MRS for allowing us to propose a procedure for interpreting MRS data under these conditions. For numerical modeling, we considered a subsurface with a resistivity between 0.5 and 10 Ω m. The results show that the depth of investigation with MRS depends upon the electrical conductivity of groundwater and surrounding rocks, on the depth of the saline water layer, and on the amount of fresh water above the saline water. For interpreting MRS measurements, the electrical conductivity of the subsurface is routinely measured with an electrical or electromagnetic method. However, due to the equivalence problem, the result obtained with these methods may be not unique. Hence, we investigated the influence of the uncertainty in conductivity distribution provided by transient electromagnetic measurements (TEM) on MRS results. It was found that the uncertainty in TEM results has an insignificant effect on MRS.     

隧道强干扰环境瞬变电磁响应规律与校正方法:以TBM为例

以隧道掘进机(Tunnel Boring Machine,TBM)为例模拟了隧道强干扰环境下,瞬变电磁超前探测的响应曲线,系统分析了异常体(以直立充水断层为例)与掌子面距离、围岩电阻率差异、TBM长度、异常体规模等条件下的曲线特征和影响规律,发现TBM干扰源表现为低电阻率目标特征,其影响主要集中在早期,对于电性差异较大或目标规模较大的低电阻率异常(充水断层)模型能够明显地通过衰减曲线区分.根据电磁场叠加原理,将隧道腔体中包含TBM模型的响应减去纯隧道腔体响应可以获得TBM的响应信号,以此作为干扰背景,从实际包含TBM和充水断层的隧道模型总响应中减除,获得去除TBM干扰的响应信号.通过8组算例进行对比,发现经过校正的衰减曲线与模型计算曲线吻合较好,视电阻率曲线差异相对较小,能够表现探测区域的电性分布情况,确认该方法在不同情况下的适用性.即使在TBM响应计算时给定背景电阻率与实际电阻率差异达到100%的情况下,依然能够通过校正获得合理的响应信号和视电阻率曲线.该方法不仅仅适用于隧道环境,对于其他诸如地面、航空、半航空、海洋瞬变电磁勘探同样适用.     

巷道超前探测的并行Monte Carlo方法及电阻率各向异性影响

直流电阻率法通过观测单极-双极装置视电阻率曲线最小值位置估计掌子面前方低阻异常体距离,在巷道超前探测及矿井水害预测与防治工作中有广泛应用,并形成多种经验预测模型.本文基于直流电法巷道超前探测的各向异性电阻率三维有限元数值模拟,给出超前探线性预测模型.然而,实际井下地质结构复杂,异常大小不定且任意分布,而且可能存在有电阻率各向异性,使得目前由简单模型实验或数值模拟获得的预测公式不确定性较大,而且可靠性难于评价.Monte Carlo方法用随机化思想解决非确定性问题,我们将该方法与并行算法结合,对大量不确定的随机模型进行三维数值模拟,以验证各预测模型的准确度及可靠性.结果表明,本文的超前探线性预测模型较其他预测模型更为准确及可靠.但介质各向异性的影响很大,尤其当围岩电阻率具有各向异性时,所有预测模型的准确度及可靠性较差,给安全生产带来很大隐患.     

Effects of uncertainty in rock-physics models on reservoir parameter estimation using seismic amplitude variation with angle and controlled-source electromagnetics data

This paper investigates the effects of uncertainty in rock-physics models on reservoir parameter estimation using seismic amplitude variation with angle and controlled-source electromagnetics data. The reservoir parameters are related to electrical resistivity by the Poupon model and to elastic moduli and density by the Xu-White model. To handle uncertainty in the rock-physics models, we consider their outputs to be random functions with modes or means given by the predictions of those rock-physics models and we consider the parameters of the rock-physics models to be random variables defined by specified probability distributions. Using a Bayesian framework and Markov Chain Monte Carlo sampling methods, we are able to obtain estimates of reservoir parameters and information on the uncertainty in the estimation. The developed method is applied to a synthetic case study based on a layered reservoir model and the results show that uncertainty in both rock-physics models and in their parameters may have significant effects on reservoir parameter estimation. When the biases in rock-physics models and in their associated parameters are unknown, conventional joint inversion approaches, which consider rock-physics models as deterministic functions and the model parameters as fixed values, may produce misleading results. The developed stochastic method in this study provides an integrated approach for quantifying how uncertainty and biases in rock-physics models and in their associated parameters affect the estimates of reservoir parameters and therefore is a more robust method for reservoir parameter estimation.