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.

     

基于Matlab的一维电测深正反演可视化软件设计

基于Matlab设计一款一维电测深正反演可视化软件,主要包括正演拟合、直接反演和影响系数计算等功能。该软件界面简洁友好,反演速度快,结果误差小。该软件的使用,可为科研工作提供更加可靠的电性结构模型。     

隧道磁共振测深超前探测模型参数不确定度分析方法研究

地面磁共振方法探测地下水趋于成熟.随着研究的深入,磁共振技术在隧道超前探测方面也开展了应用.然而,由于隧道空间特殊环境限制,获取的磁共振信号信噪比极低,解释结果中各参数的确定性值得深思.基于这一问题,本文提出隧道磁共振测深超前探测模型参数不确定度分析方案,实际工作前,根据不同探测目标要求及环境噪声水平,优化仪器装置参数设计,提高解释结果准确性.本文首先在地面磁共振探测理论基础上,推导了考虑天线铺设角度影响的隧道矩形线圈激发场计算表达式,模拟了隧道准全空间磁共振测深正演响应.其次,基于后验模型协方差矩阵,计算模型参数标准偏差因子,划分参数不确定度等级.最后,构建三层含水模型,将第二层含水体作为观测目标.在仿真合成数据的基础上,分别探讨了电阻率、含水量、水体厚度、线圈边长、匝数、线圈旋转角度以及噪声水平等参数对目标含水体测定的影响.通过对比分析,得到如下结论：当探测目标前方地层的电阻率小于10 Ωm时,目标含水体的不确定度随着该电阻率的增大而降低;当该电阻率大于10 Ωm时,其不影响目标含水体的不确定度;目标体前方地层含水量的增大能够明显增加目标含水体的不确定度;目标层电阻率以及含水量对该层含水体的不确定度几乎不造成影响;目标层厚度越大其含水体的确定度越高;线圈边长和匝数的增大都能在很大程度上降低含水体的不确定度;线圈的偏转角度不影响目标体的不确定度;磁共振信号中噪声的幅度越大,含水体参数的不确定度越大.本文的研究结论有助于提高隧道磁共振探测数据反演参数的准确性,同时能够为实际探测提供预先优化参数的分析方案.

     

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.     

隧道磁共振测深超前探测模型参数不确定度分析方法研究

地面磁共振方法探测地下水趋于成熟.随着研究的深入,磁共振技术在隧道超前探测方面也开展了应用.然而,由于隧道空间特殊环境限制,获取的磁共振信号信噪比极低,解释结果中各参数的确定性值得深思.基于这一问题,本文提出隧道磁共振测深超前探测模型参数不确定度分析方案,实际工作前,根据不同探测目标要求及环境噪声水平,优化仪器装置参数设计,提高解释结果准确性.本文首先在地面磁共振探测理论基础上,推导了考虑天线铺设角度影响的隧道矩形线圈激发场计算表达式,模拟了隧道准全空间磁共振测深正演响应.其次,基于后验模型协方差矩阵,计算模型参数标准偏差因子,划分参数不确定度等级.最后,构建三层含水模型,将第二层含水体作为观测目标.在仿真合成数据的基础上,分别探讨了电阻率、含水量、水体厚度、线圈边长、匝数、线圈旋转角度以及噪声水平等参数对目标含水体测定的影响.通过对比分析,得到如下结论：当探测目标前方地层的电阻率小于10 Ωm时,目标含水体的不确定度随着该电阻率的增大而降低;当该电阻率大于10 Ωm时,其不影响目标含水体的不确定度;目标体前方地层含水量的增大能够明显增加目标含水体的不确定度;目标层电阻率以及含水量对该层含水体的不确定度几乎不造成影响;目标层厚度越大其含水体的确定度越高;线圈边长和匝数的增大都能在很大程度上降低含水体的不确定度;线圈的偏转角度不影响目标体的不确定度;磁共振信号中噪声的幅度越大,含水体参数的不确定度越大.本文的研究结论有助于提高隧道磁共振探测数据反演参数的准确性,同时能够为实际探测提供预先优化参数的分析方案.     

核磁共振测深方法的新进展

核磁共振测深(MRS)方法是目前唯一直接探查地下水的新方法。本文概要介绍了参加第二届核磁共振测深(MRS)国际学术研讨会的主要收获。阐述了核磁共振找水仪的研制和进展以及扩大了MRS方法的应用领域方面的情况。在应用MRS方法探测地下水取得很大成效的此基础上,我们率先用MRS方法进行了三峡滑坡监测和秦始皇陵考古工作,又取得了新成果。     

基于双通道参考技术的磁共振地下水探测电磁噪声分布规律研究

磁共振地下水探测（MRS）技术能直接测量水中氢质子的拉莫尔进动,可表征地下水含水量和介质孔隙度等信息,因而获得了广泛应用.然而,MRS信号微弱,实际探测中电磁噪声强度大,若噪声未被有效去除,会导致后续水文参数解释不准确,采用"8"字形线圈或运用带参考线圈的噪声抵消等方法可抑制噪声干扰,但这些方法消噪效果的好坏取决于电磁噪声的空间分布.另外,在强噪声或多噪声源环境下应用MRS方法,选择恰当的探测位置对提高探测效率以及增加探测结果的有效性具有重要意义.因此,本文使用双通道噪声采集装置在实验前记录环境中的电磁噪声,通过双通道参考技术推导同一时刻不同测点的噪声强度,再得到测区电磁噪声分布结果,该噪声分布情况对MRS方法探测方式的选取具有指导性的作用.同时,可根据噪声分布情况为探测线圈选择最佳测点以避开噪声强度大的区域,进而提高采集信号的信噪比.最后,通过采集室外环境下的电磁噪声,验证本文提出的基于双通道参考技术的电磁噪声分布规律研究方法的有效性,为可靠高效地开展磁共振地下水探测提供了新的技术手段.     

核磁共振找水技术的研究现状与发展趋势

近20多年来,用核磁共振(Nuclear Magnetic Resonance,NMR)方法形成的一种直接非侵害性的探测地下水的地球物理新技术,与传统的地球物理探测地下水的方法相比具有高分辨力、高效率、信息量丰富和解的唯一性等优点,是一种很有发展前景的找水方法技术.我国的水资源短缺,对地下水资源的勘探、开发与利用十分重视,已将核磁共振找水技术研究列入国家十一五科技支撑计划.本文在广泛收集迄今为止的国内外大量资料的基础上,并根据作者近年来有关核磁共振找水技术的研究经历,综述了核磁共振找水技术的发展历史、现状和发展趋势,以推进我国核磁共振找水技术的发展.     

基于GIS技术的大地电磁测深数据库系统设计与实现

大地电磁(Megnetotelluric,简称MT)测深数据子库是中国岩石圈三维结构数据库所属子库之一。本文阐述了结合GIS技术开发大地电磁测深数据库管理系统的必要性。讨论了新型大地电磁测深数据库及基于GIS平台的数据库管理系统的总体设计思想。在分析原ACCESS大地电磁测深数据库所存在问题的基础上,建立新的MT数据库实体-关系模型,并进一步把原有的MT数据库改造为SQL Server 2000数据库;同时,开发了基于GIS的MT数据库管理系统。本文介绍了基于GIS的MT数据库管理系统所具有的功能。     

海洋地球物理研究与海底探测声学技术的发展

海洋地球物理以物理学的思维与方法研究占地球三分之二面积的海洋系统.20世纪地球科学迅猛发展,它的重大进展是海底扩张说与板块构造说的出现和海底大洋的发现,以及前者所引发的地球科学思想革命,从固定论向活动论的思维转变.海底研究对于20世纪地球科学发展的贡献极为巨大,而海洋地球物理是推动海底科学研究的重要原动力.海洋地球物理在20世纪地球科学的发展中有过辉煌的成就,占有十分重要的地位;在新的21世纪里,海洋地球物理研究仍然保持着前沿科学的地位,继续推动着地球科学的进展.目前的海底探测主要还是依赖于声学探测技术.水下声学定位技术是实现水下探测系统精确定位和海底高精度探测的基础.传统性的海洋地震探测技术是研究海底构造与海洋岩石圈深部结构和寻找海底矿产的主力技术,它近年来无论在海上采集技术还是数据处理技术方面都发展得很快.多波束测深、侧扫声呐测图和海底地层剖面测量等则是近数十年快速发展起来探测海底浅部结构信息的技术.这些技术已经在当代海底科学研究、海底资源勘查、海洋工程和海洋开发,以及海洋军事活动等方面发挥出极其重要的作用.     

地震重力观测技术的新发展方向:绝对重力与重力梯度一体化观测

高精度绝对重力与重力梯度一体化和阵列式观测可有效提高不同深度重力场源体的识别精度。本文基于中国地震局发布的《中国地球物理站网（重力）规划（2020—2030）》中绝对重力观测技术的不足和发展方向,提出了绝对重力与重力梯度一体化的观测技术思路。在监测中发现,强震孕育过程中壳—幔热物质运移引起的微重力变化信号,有利于提升破坏性地震的中、短期和临震预测能力。有必要进一步拓展重力站网绝对重力控制能力等方面的应用,为我国专业地震台站探索重力观测技术新发展方向。