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.     

地面磁共振与瞬变电磁横向约束联合反演方法研究

大地电阻率分布信息是影响磁共振地下水探测反演结果准确性的重要因素.在众多电磁法勘探技术中,瞬变电磁法具有高分辨率、高效率和大探测深度等优势,能准确探测地下几百米范围内的电阻率分布信息.因此磁共振与瞬变电磁联合解释方法具有重要意义.然而,利用单一测点拼接的磁共振与瞬变电磁联合解释方法进行模拟二维反演时存在解释结果不唯一,容易出现错误异常体等问题,尤其在复杂地质情况下,同一测线上相邻测点探测结果连续性差,解释结果偏离实际.基于此,本文提出磁共振与瞬变电磁横向约束联合反演方法（Laterally Constrained Inversion,简称LCI）,重点引入外推积分法（quadrature with extrapolation,简称QWE）,解决了传统正演过程中基于直接数值积分方法引起的求解效率低的问题,保证了联合反演方法的顺利实施,进而以相邻测点地下结构应具备连续性为依据,引入横向约束反演思想,通过在联合反演目标函数中加入相邻测点间各模型参数约束矩阵,提高磁共振解释结果准确性,加强探测剖面地质结构和含水模型连续性.经过理论模型证实,本文提出的LCI方法能有效提高传统一维反演结果的稳定性和唯一性.最后,对安徽黄山野外实际探测数据进行横向约束联合反演,验证了磁共振与瞬变电磁LCI联合反演方法的实用性.本文的研究成果将为磁共振与瞬变电磁空间约束联合反演奠定基础.     

地面磁共振与瞬变电磁橫向约束联合反演方法研究

大地电阻率分布信息是影响磁共振地下水探测反演结果准确性的重要因素.在众多电磁法勘探技术中,瞬变电磁法具有高分辨率、高效率和大探测深度等优势,能准确探测地下几百米范围内的电阻率分布信息.因此磁共振与瞬变电磁联合解释方法具有重要意义.然而,利用单一测点拼接的磁共振与瞬变电磁联合解释方法进行模拟二维反演时存在解释结果不唯一,容易出现错误异常体等问题,尤其在复杂地质情况下,同一测线上相邻测点探测结果连续性差,解释结果偏离实际.基于此,本文提出磁共振与瞬变电磁横向约束联合反演方法(Laterally Constrained Inversion,简称LCI),重点引入外推积分法(quadrature with extrapolation,简称QWE),解决了传统正演过程中基于直接数值积分方法引起的求解效率低的问题,保证了联合反演方法的顺利实施,进而以相邻测点地下结构应具备连续性为依据,引入横向约束反演思想,通过在联合反演目标函数中加入相邻测点间各模型参数约束矩阵,提高磁共振解释结果准确性,加强探测剖面地质结构和含水模型连续性.经过理论模型证实,本文提出的LCI方法能有效提高传统一维反演结果的稳定性和唯一性.最后,对安徽黄山野外实际探测数据进行横向约束联合反演,验证了磁共振与瞬变电磁LCI联合反演方法的实用性.本文的研究成果将为磁共振与瞬变电磁空间约束联合反演奠定基础.     

地下工程灾害水源的磁共振探测研究

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.     

基于参考线圈和变步长自适应的磁共振信号噪声压制方法

核磁共振地下水探测仪的灵敏度高,接收到的纳伏级磁共振探测信号极易受到强工频谐波噪声的干扰,导致信号特征参数提取的准确度降低,影响反演解释的水文地质参数结果.为了解决这一难题,基于相关抵消的原理,针对全波磁共振信号,设计带有参考线圈的90°移相自适应噪声抵消系统,理论计算了参考线圈相对于探测线圈的距离,提出变步长LMS算法进行噪声压制.仿真结果表明,在不同的信号强度及不同的信噪比下,当信号与工频谐波干扰频谱不重合时,采用设计的自适应噪声抵消系统和变步长算法,信噪比可以提高到5.94 dB以上,初始振幅、弛豫时间特征参数的拟合误差在2.8%以内;当信号与工频谐波干扰频谱重合时,采用双向自适应滤波算法,信噪比可以达到5dB以上,初始振幅、弛豫时间特征参数的拟合误差在10%以内,可以满足实际应用的要求;实测数据处理进一步证明了方法的有效性.     

基于能量运算的磁共振信号尖峰噪声抑制方法

磁共振探测信号微弱,使用高灵敏度的核磁共振地下水探测仪,极易受到环境噪声干扰.其中,工频谐波噪声和尖峰噪声,是影响信号质量最严重的两类噪声.国内外研究表明,通过参考线圈的布设,依据探测线圈和参考线圈中噪声相关性,利用自适应参考对消算法,能够有效抑制工频谐波噪声.然而,尖峰噪声的存在严重影响了主通道与参考道的数据相关性,成为了参考对消算法应用的难题与障碍.为解决这一问题,本文提出磁共振信号中尖峰噪声的抑制方法,推导了能量域磁共振信号表达式,通过计算信号能量,可有效检测尖峰噪声并突出不易识别的小幅度尖峰噪声,采用基于中位数的绝对偏差法确定阈值,进而剔除尖峰噪声.为了验证去噪效果,与应用较广的统计叠加法进行对比研究.仿真结果表明,对于干扰幅度较大、持续时间较长的尖峰噪声,能量运算法和统计叠加法均能识别并剔除,且不损失有效的磁共振信号,标准差偏差控制在0.3%以内,可以满足实际应用的要求;对于小于信号幅度1.5倍的尖峰噪声,能量运算法可有效识别并剔除,而统计叠加法无法实现.针对多通道探测系统,使用能量运算法剔除尖峰噪声后,可明显提高主通道和参考道的数据相关性,为后续自适应参考对消算法的应用奠定了基础.实测数据处理结果进一步证明了本文方法的实用性.     

磁共振测深技术的发展历程与新进展

磁共振测深(Magnetic Resonance Sounding,MRS)技术作为目前唯一能够实现地下水直接定量探测的地球物理高新技术已有近30年的历史,最近10年,MRS技术在仪器、正反演理论、信号影响因素、实际应用等方面都取得了一系列进展.死区时间不到10ms的商用型多道磁共振测深仪的推广使用,大幅改善了MRS方法的找水效果和仪器的抗干扰能力;正反演研究的重心已由简单的一维层状假设理论转入更符合实际情况的复杂地质条件下的高分辨率2/3D磁共振成像研究;信号影响因素与机制的研究也更加深入、全面;特别是实际应用方面,正在由单纯的地下水探测向水文地质调查、地下水管理与污染监测、灾害水源的超前探测等多个领域拓展.随着磁共振测深技术的进一步发展与完善,它定将在更多领域更好地造福于人类.     

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.     

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.     

庐枞矿集区大地电磁测深强噪声的影响规律

天然大地电磁场信号微弱,极化方向随机,极易受电磁噪声污染.张量阻抗分析、远参考技术、Robust估计等对随机噪声和不相关噪声有比较好的压制效果,但对强的相关噪声目前还没有有效的压制方法.庐枞矿集区人烟稠密、工业发达,是我国著名的铁、铜、硫等矿产基地之一,区内强烈的工业、通讯、矿山、民用等电磁干扰严重污染了大地电磁测深数据.本文首先根据实测的电磁场时间域波形和卡尼亚电阻率测深曲线形态,挑选出基本未受噪声污染的测点(Y1650).然后利用数学形态学从受严重污染的电磁场时间序列中提取出类方波、三角波、阶跃、脉冲和充放电5种典型噪声的波形,并以不同的方式将这些噪声波形与Y1650的电磁场波形叠加,对比分析加噪后Y1650点电阻率和相位测深曲线的变化,进而归纳出典型强噪声对庐枞大地电磁测深资料的影响规律,为进一步压制强噪声和资料处理提供依据.     

二维阵列线圈核磁共振地下水探测理论研究

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...     

基于同步大地电磁时间序列依赖关系的噪声处理

本文从信号与系统的角度讨论了同步大地电磁时间序列信号之间的依赖关系,选取高信噪比的时间序列信号作为先验数据,用最小二乘法估算依赖关系;结合参考道的数据,合成本地道含噪声时段的数据,最后用合成数据替代噪声段数据,组成新数据,从而在时域中去除大地电磁噪声.西藏地区高信噪比实测数据的试算结果表明,无论电场还是磁场,信号之间的依赖关系是相对稳定的,只与先验数据的长度有关,与时间无关;虽然不同参考点之间的依赖关系不同,但都可以精确合成本地点数据,与参考点地下电性结构和参考距离无关.仿真实验显示,去噪后的信号与原始信号基本一致.实测数据处理结果表明,该方法可以有效去除强噪声干扰,抑制中高频段的近场源效应,同时保留了微弱的有效信号,保证了处理结果的正确性.最后针对方差比方法无法识别的方波噪声,提出了一种简单的平移方法,成功去除了持续时间大于窗口长度的方波噪声;将该方法与远参考技术结合,可以有效抑制近场源噪声干扰,获得光滑连续并且可信的测深资料.     

基于广义S变换的大地电磁测深数据处理

S变换是一种优于短时傅里叶变换和小波变换的时频分析方法.采用广义S变换进行大地电磁场时间序列频谱分析,一方面能够提高对电磁噪声成分的时间定位能力,便于实现电磁噪声的滤波处理;另一方面可以增加频谱系数的个数,从而改善大地电磁阻抗张量元素的统计特性.本文从广义S变换和大地电磁测深数据处理方法的原理出发,给出了采用叠加窗函数的离散广义S变换形式,讨论了广义S变换窗口宽度比例因子、窗口宽度与可提取频谱系数个数之间的关系,定义了利用离散广义S变换时频谱计算大地电磁场分量功率谱公式;在此基础上,研究了基于S变换时谱频的大地电磁测深数据ROBUST处理方法.最后,通过实测资料进行方法检验,结果表明本文方法比短时傅里叶变换处理效果更好,并且有利于识别和压制电磁噪声.     

利用分段时频峰值滤波法抑制磁共振全波信号随机噪声

磁共振信号极其微弱,容易受到周围环境中各种电磁噪声干扰.其中随机噪声,由于频带宽、不规则、无规律、与有效信号混叠,难以抑制.近年来,采用数量级为10⁴~10⁵ Hz采样频率收录的全波磁共振信号,以其携带丰富全面的信息量,为数据处理及解释提供了更多的潜能.然而,只要随机噪声的幅度大于信号幅度,拟合得到的信号特征参数准确度就会降低.目前普遍采用的数据叠加方法仅能抑制部分随机噪声,且需要多次采集信号,探测效率低.本文针对全波磁共振信号采样点数多和信号非线性强的特点,提出采用分段时频峰值滤波（STFPF）法消噪,将全波磁共振信号分成若干段,编码为解析信号的瞬时频率,采用短窗长PWVD计算解析信号的时频分布,利用时频分布沿瞬时频率集中的特性,通过提取时频分布的峰值获得信号的无偏估计,达到抑制全波磁共振信号随机噪声的目的.为了验证消噪效果,与传统叠加法进行对比分析,仿真结果表明,对于单次采集信号,信噪比低至-5 dB时,STFPF方法依然能有效抑制信号中的随机噪声,消除随机噪声后信噪比提高23.19 dB,信号的初始振幅拟合误差为3.03%,平均横向弛豫时间拟合误差为2.7%,消噪效果优于传统叠加法,且由于无需多次采集磁共振信号,可有效提高探测效率.模型数据的反演解释进一步验证了STFPF方法的有效性,本文研究结果为实际数据处理奠定了良好的基础.     

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.     

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.     

Magnetic resonance sounding applied to aquifer characterization

Magnetic resonance sounding (MRS) is distinguished from other geophysical tools used for ground water investigation by the fact that it measures a magnetic resonance signal generated directly from subsurface water molecules. An alternating current pulse energizes a wire loop on the ground surface and the MRS signal is generated; subsurface water is indicated, with a high degree of reliability, by nonzero amplitude readings. Measurements with varied pulse magnitudes then reveal the depth and thickness of water saturated layers. The hydraulic conductivity of aquifers can also be estimated using boreholes for calibration. MRS can be used for both predicting the yield of water supply wells and for interpolation between boreholes, thereby reducing the number of holes required for hydrogeological modeling. An example of the practical application of MRS combined with two-dimensional electrical imaging, in the Kerbernez and Kerien catchments area of France, demonstrates the efficiency of the technique.