小波分析在提高核磁共振找水信号信噪比中的应用探讨

地面核磁共振(SNMR)找水方法是目前唯一能直接找到地下水的地球物理新方法。由于该方法接收灵敏度高,因此对电磁噪声也很敏感。为了提高信噪比和新方法的找水效果,必须对接收到的信号进行去噪处理。本文使用了小波分析去噪提高核磁共振信号信噪比的方法,并通过对湖北省新洲工区和王家湾工区实测数据的小波处理和对比分析,证明了这种方法的有效性。     

利用SE求取SNMR横向弛豫时间方法研究

自旋回波作为测量T₂时间的重要脉冲序列,由该脉冲系列交变磁场激发而获得的核磁共振信号不受磁场不均匀性的影响,这对于以地磁场作为稳定磁场的SNMR方法来说,可以减小地磁场不均匀对NMR信号的影响,得到真实、可信的T₂值,提高信噪比。将自旋回波信号应用到地面核磁共振找水方法中求取T₂分布,在国内尚属首例,本文借鉴核磁共振测井中的多指数反演方法,采用奇异值分解算法编程,反演得到T₂分布,并与SNMR反演软件的结果T₂*对比。结果证明,用SE信号提取T₂时间,可以减少地磁场不均匀对NMR信号的影响,更真实地反映T₂分布,提高信噪比。      

1980．0年东亚地区地磁场的勒让德多项式模型

根据中国、原苏联等地区的地磁复测点和地磁台资料，利用勒让德多项式方法，计算出１９８０．０年东亚地区的地磁场模型，绘制出总强度（Ｆ）、磁偏角（Ｄ）和磁倾角（Ｉ）地磁图．地磁场模型的均方偏差分别为：总强度１４４．６ｎＴ，磁偏角１９．１′，磁倾角８．５′．将勒让德多项式模型与ＤＧＲＦ１９８０进行了比较，并绘制出总强度的差值分布图．本文计算出来的地磁场勒让德多项式模型能较好地表示东亚地区地磁场的分布．     

基于稀疏表示的地面磁共振信号提取方法

在多孔隙含水层中地面磁共振（surface nuclear magnetic resonance,SNMR）信号呈现多弛豫衰减特性,常规盲源分离方法和单指数拟合方法引起信号严重失真和信息缺失等问题.本文提出了基于稀疏表示的随机噪声背景下多弛豫SNMR信号的提取方法.根据SNMR信号的衰减特征,设计了精确刻画SNMR信号且与随机噪声不相关的离散衰减余弦冗余字典.其次,针对多弛豫SNMR信号稀疏度未知的问题,通过设置合理的残差比阈值控制迭代次数,改进了广义正交匹配追踪（generalized orthogonal matching pursuit,gOMP）算法,使得该方法应用于SNMR信号的提取时,具有更好的自适应性和普适性.再次,鉴于SNMR测量数据为多次独立重复采集的结果,提出了基于数据流的SNMR信号提取策略,在提高算法鲁棒性的同时,保证了信号提取结果的唯一性.最后,通过仿真和实测数据证明了基于gOMP算法的稀疏表示方法可以显著地提升多弛豫SNMR信号的提取质量,降低随机噪声对含水层反演结果的影响,提高SNMR探测能力.     

关于我国地磁台布局的一些意见

一、概况观测地磁场的变化,约自十五世纪开始,利用简单的仪器观测磁偏角和磁倾角。1785年库伦(Coulomb)发明了测转动惯量的方法之后,开始有了测量地磁场强度的试验。1832年高斯(Gauss)建立了测量地磁场强度的绝对值方法。此后,系统的地磁测量才在世界各地广泛开展起来。十九世纪后,地磁台由人工定时读取数值变化的方法转为使用照相的方法连续     

白令海岩芯记录的冰消期14 ka以来地磁场强度和方向

对白令海北部陆坡B5-4孔进行了古地磁和岩石磁学研究,尝试获得该岩芯的地磁场相对强度和方向变化信息.结果表明:(1)除0~0.44 m沉积物的磁性矿物粒度比其余沉积物细以外,岩芯的磁学性质总体均一,其记录的地磁场相对强度可以与北大西洋ODP983孔相应记录进行高度对比.(2)根据B5-4孔与ODP983孔地磁场相对强度记录对比结果,并结合该孔4.54~4.56 m处有孔虫AMS¹⁴C测年结果,可以确定3个深度-年龄对比点,并据此初步建立了B5-4孔的年龄模型.(3)B5-4孔磁偏角和磁倾角记录与贝加尔湖、北美、欧洲全新世以来的记录和当地地磁场球谐模型结果一致,其对比点丰富了强度对比点年龄模型,揭示了14 cal ka B.P.以来近线性的沉积模式.(4)根据与中国东部陆架两个钻孔的磁倾角对比,我们推测B5-4孔9~14 ka之间两段浅化的磁倾角可能是哥德堡极性事件的记录,但是受到早期成岩或者沉积物平滑效应的影响.以上结果足以证明,地磁场相对强度和方向变化可以从适宜的白令海沉积物中获得,它可以为确定该海区沉积物年龄提供相关辅助信息,有助于解决北极、亚北极古环境和古海洋研究中由于有孔虫等钙质生物壳体缺乏导致的年龄信息匮乏问题.     

中国地磁测量、地磁图和地磁场模型的回顾

系统回顾中国地磁测量、地磁图和地磁场模型的发展过程.我国每10a(1950-2000年)进行一次全国范围的三分量地磁测量(磁偏角、磁倾角、水平强度或总强度),并出版相应年代的中国地磁图.还出版了1965.0年青藏高原地磁图、1980.0年青海省地磁图以及1990.0年中国海域地磁偏角图.地磁场模型包括多项式模型、矩谐模型、冠谐模型和曲面样条函数模型.根据相同的地磁资料,分别计算1950-2000年中国地磁场的多项式模型和冠谐模型.     

塔里木地块库车坳陷早白垩世古地磁结果及磁倾角偏低的成因探讨

运用主成分分离及线性区段等方法 ,使早白垩世样品明显分离出二组磁组分 .叠加剩磁为喜山期重磁化 ,特征剩磁明显偏离现代地磁场方向 ,经倾斜校正后 ,有很好的一致性并通过了倒转检验 ,给出塔里木地块库车坳陷早白垩世巴西盖组古地磁新数据 .综合已有的古地磁结果 ,获得了塔里木地块早白垩世平均剩磁方向及平均古地磁极 ,阐明了塔里木地块早白垩世磁倾角明显偏低这一现象 .分析导致磁倾角偏低的诸多因素 ,认为压实作用可能是导致磁倾角偏低的重要因素之一 .     

华南地区地磁场长期变化特征

使用华南地区5个国家基准地磁台2008—2018年地磁观测数据,通过对磁偏角D、磁倾角I、总强度F、北向分量X、东向分量Y、水平分量H、垂直分量Z月均值及年变率的分析,研究该区地磁场长期变化特征。结果表明,华南地区5个地磁台近10年来七要素月均值及年变率均呈缓慢变化趋势,且变化量相当,反映了该区域地磁场长期变化的特征。     

北京地区史期地磁場及其变化的研究

本文利用考古地磁法,对北京地区汉、三国、唐、宋、金、元、明、清各朝代的古砖标本进行了研究,测定了标本的剩余磁性,并做了逐步加热的实验,从而推算出上述各时期北京地区的磁倾角值和磁埸强度值。结果表明,北京地区近两千午来磁倾角是在51°-66°之间变化,并且有循环性特征,其周期为一千余年;而地磁埸强度则是逐渐减小的,汉、三国、唐、宋、元、清各时期的地磁场强度分别为现代地磁埸强度1.57,1.41,1.42,1.29,1.21,1.12倍。     

1D SNMR吉洪诺夫正则化反演方法研究

地面核磁共振（SNMR）技术是目前世界上直接用来寻找地下水的技术。本文在讨论反演基本问题的基础上,用共轭梯度法实现了核磁共振的一维正则化反演。通过反演理论数据、噪声数据和实测数据,说明该方法的可靠性。     

Advantages of the Optimum Pulse Moment in Surface NMR and Application in Groundwater Exploration

The surface nuclear magnetic resonance (SNMR) method is widely used in groundwater detection because of its sensitivity to hydrogen in water and direct water detection. However, low signal-to-noise ratios (SNRs) restrict the development of this technique. An optimum pulse sequence is designed according to correspondence between the pulse moment strength and its best detection depth. Because only selection of the pulse intensity distribution according to the target aquifer depth is required and the “on-resonance” pulse pattern is still employed, this pulse sequence emission can be easily achieved using existing SNMR instrumentation. Numerical simulation results and field experiments show that, compared with traditional exponential growth pulses, the optimum pulse sequence effectively improves the SNR of the SNMR method. The aquifer boundary, water content, and pore characteristics of the inversion result are thus more consistent with characteristics of underground structures. Additionally, because the optimum pulse sequence focuses most of the pulse moments in the target depth range, in situations where two aquifers are separated by a relatively narrow aquitard, it is better able to resolve the individual aquifers than the traditional pulses. Optimum pulse moments improve the SNR by enhancing the signal amplitude, compared with various filtering methods, and obtain a better detection effect. This kind of pulse sequence can be used as an alternative pulse sequence form of the SNMR method.     

Surface NMR within a geophysical study of an aquifer at Haldensleben (Germany)

The surface nuclear magnetic resonance (SNMR) method has been tested at a site in Haldensleben, northern Germany, to assess the suitability of this new method for groundwater exploration and environmental investigations. More information is obtained by SNMR, particularly with respect to aquifer parameters, than with other geophysical techniques. SNMR measurements were carried out at three borehole locations, together with 2D and 1D direct current geoelectrics, as well as ground-penetrating radar, and well logging (induction log, gamma-ray log and pulsed neutron-gamma log). Permeabilities were calculated from the grain-size distributions of core material determined in the laboratory. It is demonstrated that the SNMR method is able to detect groundwater and the results are in good agreement with other geophysical and hydrogeological data. Using the SNMR method, the water content of the unsaturated and saturated zones (i.e. porosity of an aquifer) can be reliably determined. This information and resistivity data permit in situ determination of other aquifer parameters. Comparison of the SNMR results with borehole data clearly shows that the water content determined by SNMR is the free or mobile water in the pores. The permeabilities estimated from the SNMR decay times are similar to those derived from sieve analysis of core material. Thus, the combination of SNMR with geoelectric methods promises to be a powerful tool for studying aquifer properties.     

压缩小波变换和非线性阈值技术压制磁共振尖峰噪声方法研究

地面磁共振是一种新的地球物理探测方法,能够通过探测地下水中氢质子丰度获取地下水含量、孔隙度等水文地质信息.然而,磁共振信号甚为微弱,仅达到纳伏级(10~(-9)V),极易受到噪声干扰.其中,尖峰噪声对磁共振信号影响最为严重,亟待研究有效的噪声抑制方法.小波多尺度分解硬阈值是近两年国际磁共振领域专家提出的尖峰噪声有效消除方法,但硬阈值算法设定阈值的固有缺陷会引发信号震荡,出现伪吉布斯效应,导致信号损失.基于此,本文提出压缩小波变换(Synchrosqueezing Wavelet Transform,SWT)和非线性國值处理(Nonlinear Thresholding,NT)算法联合消除磁共振信号尖峰噪声干扰.首先选择Morlet小波作为基小波,使得信号与噪声数据具有更高的时频集中性,利于尖峰噪声消除.其次,基于压缩小波系数进行非线性处理,可以弥补利用硬阈值和软阈值进行噪声消除时所引起的信号损失.仿真数据和实际数据结果表明,SWT联合NT方法可以利用单次采集数据有效消除尖峰噪声干扰并还原信号.本文提出的消噪方法将为磁共振数据后续反演解释,如多指数弛豫反演,奠定坚实的基础.     

地面核磁共振技术发展述评

核磁共振技术在医学、地质等方面都有广泛的应用.运用核磁共振技术找寻地下水资源，开创了用地球物理方法直接找水的先河.地面核磁共振技术是目前唯一能直接探测地下水的地球物理方法.本文通过对核磁共振技术在国内外的应用和发展现状的介绍，总结了地面核磁共振技术现在存在的问题及其影响，同时提出了该技术今后的发展前景.     

地下水潮与抽水地震——以恩口、斗竺山、桥头河、水口山矿区为例

本文主要包括三部分,首先概括地介绍了水口山、恩口、桥头河矿区抽水期间诱发地震的某些特点,接着从空、时两方面论证了地下水潮与抽水地震的关系及诱发机制,最后部分讨论了地下水潮研究方面目前存在的三个问题。     

SNMR联合SP用于滑动带水体赋存状态的探测研究

地下水的空间分布及运移规律是建立地下水流系统和分析渗流场规律的重要因素。具有直接找水特性的地面核磁共振方法（SNMR）可以用于确定地下水的空间分布,而自然电场法（SP）是一种可以探测地下水流动方向的物探方法,这两种方法的联合使用为地下水研究提供了一种较好的工作模式。本文以滑动带水体探测为例,阐述该工作模式的应用效果。首先,通过SNMR方法得到地下含水量和纵向弛豫时间（T1）的空间分布,并利用我们所总结的半定量公式进一步计算得到地下空间滑动面存在的概率。然后,采用SP方法的环型观测方式,对滑带内地下水的流向进行测量。这两种方法的综合探测结果为滑坡地下水模型的建立提供更加全面的水文地质信息,证明这两种方法综合应用的有效性。      

基于相关建模检测的磁共振探水同频消噪方法

地面磁共振技术能够对地下水进行直接探测,具有定性定量的优点,是一种新兴的地球物理方法.然而,磁共振信号只有纳伏级,极其微弱,易受环境噪声干扰,尤其是具有拉莫尔频率的噪声,在时频域上均与信号重叠,难以有效去除,导致提取的信号参数准确度低、反演解释误差较大.本文针对同频噪声干扰问题,提出了相关建模检测(CMDT)方法,通过相关方法实现频谱迁移和低通滤波,结合信号和噪声特征建立数学模型,采用模型变换实现同频噪声的抑制,并利用最小二乘指数拟合方法提取高精度SNMR信号.为了对新方法进行定量分析,以验证其效果,对含有不同幅度的同频噪声和磁共振信号进行仿真实验,实验结果表明在信噪比为-31.17 dB的情况下,所有参数的最大提取误差不大于1.22%,验证了新方法能够在压制同频噪声的同时提取出高精度信号参数.为了模拟野外情况,在同频噪声和信号数据中加入随机噪声进行实验,结果表明当信噪比大于-10.12 dB时,CMDT方法仍可以获取有效的信号.因此,本文的研究为处理含有同频噪声干扰的实际SNMR信号数据提供了理论依据,为后期高精度反演提供了技术支撑.     

一种应用于三峡滑坡探测的新方法-SNMR法

三峡库区蓄水后,由于水位上升滑坡地区的软弱层遇到水就会变软并引起滑塌。核磁共振是当今世界尖端技术之一,我们首先将该技术应用于滑坡探查。本文探讨了用SNMR探查滑坡的方法技术以及通过SNMR实测数据求取与滑坡稳定性有关的水文地质参数,通过一个三峡的实例说明了该方法是一种快速有效的探测滑坡的方法。