本文選題：地面核磁共振 + 地下水成像��； 參考：《中國地質(zhì)大學(xué)》2017年博士論文

【摘要】：地面核磁共振(Surface Nuclear Magnetic Resonance,SNMR)是目前唯一能夠?qū)崿F(xiàn)地下水直接定量探測的地球物理方法,且它在水文地質(zhì)調(diào)查、地下水管理與污染監(jiān)測、災(zāi)害水源超前探測等領(lǐng)域具有巨大應(yīng)用潛力。與常規(guī)物探找水方法相比,SNMR技術(shù)具有高分辨力、信息量豐富、直接定量、非侵害性等優(yōu)點,能有效解決一些常規(guī)物探方法不能解決的基本問題。自從首臺核磁共振找水儀誕生以來,SNMR技術(shù)被30多個國家廣泛應(yīng)用于地下水探測和水文地質(zhì)調(diào)查工作,在砂巖、粘土巖、石灰?guī)r等不同水文地質(zhì)環(huán)境下均獲得了良好的勘查效果。特別是商用型儀器NUMIS和GMR問世后,SNMR技術(shù)正獲得越來越多國家的認(rèn)可和推廣使用。目前,SNMR技術(shù)自身還處于快速發(fā)展階段,仍然存在探測深度有限、抗干擾能力較弱、2D/3D含水目標(biāo)體探測效果不佳、淺層應(yīng)用時儀器笨重,數(shù)據(jù)處理與解釋需提高等問題。比如隨著野外勘探場景更多地涉及到復(fù)雜水文地質(zhì)環(huán)境,僅用傳統(tǒng)收發(fā)共圈(coincident,COI)測量模式的振幅信號進行反演解釋的做法,對孤立含水體(如上層滯水)以及在復(fù)雜環(huán)境下(如山區(qū),巖溶,裂隙水)的探測精度與效率就不理想,這限制了地面核磁共振技術(shù)的實際應(yīng)用范圍。針對傳統(tǒng)收發(fā)共圈測量模式僅用振幅信號進行反演解釋的不足,本文基于新信號響應(yīng)公式,考慮橢圓極化和相位延遲效應(yīng),獲得了三種線圈模式的2D靈敏度函數(shù)及其實虛部分布,從基本層面詳細(xì)分析了三種線圈模式的橫縱向分辨率特性,然后充分利用不同線圈模式靈敏度函數(shù)的差異化分布以及虛部信號對深部含水體的高靈敏特性,基于GN-CG算法,自編程序?qū)崿F(xiàn)了不同線圈模式下SNMR二維振幅與復(fù)信號地下水成像。研究發(fā)現(xiàn):COI模式能提供最好的縱向分辨率,半覆蓋分離線圈模式(half-overlapping,HOL)具有較好的橫縱向分辨率,邊對邊(edge-to-edge,E2E)模式由于收發(fā)線圈分離距較大而引起信號過度衰減,導(dǎo)致其縱向分辨率較差,且橫向分辨率優(yōu)勢被淹沒,優(yōu)化組合多種線圈模式則能提供最佳的橫縱向分辨率和探測效率;相對于振幅信號單獨反演,復(fù)信號反演能顯著提高地下水成像精度,提高深部分辨率,且在較強噪聲條件下,復(fù)信號反演仍能獲得較好的成像結(jié)果。為了拓展SNMR技術(shù)的應(yīng)用范圍,實現(xiàn)復(fù)雜水文地質(zhì)環(huán)境下3D地下水探測,首先就必須深入開展3D正演研究,獲得不同條件下3D含水體的信號響應(yīng)規(guī)律,以及介質(zhì)導(dǎo)電性、含水體深度、覆蓋層厚度等因素對正演響應(yīng)的影響。本文將SNMR技術(shù)最常用的圓形回線源視為有限個首尾相接的電偶源,進行源的加載。在實現(xiàn)場源的有效加載之后,基于電場總場矢量有限元法,計算出3D復(fù)雜電性結(jié)構(gòu)下圓形回線在地下任意測點處的激發(fā)磁場。針對場源奇異性對回線附近測點數(shù)值解的不利影響,本研究采用非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格結(jié)合局部加密技術(shù)進行消除。并通過對比均勻半空間條件下的解析解和三維矢量有限元解,驗證了本文算法的正確性。然后基于SNMR正演響應(yīng)公式,考慮介質(zhì)導(dǎo)電性引起的橢圓極化和相位延遲效應(yīng),利用自主開發(fā)的算法獲得了典型三維含水構(gòu)造的振幅和相位響應(yīng)曲線,并進一步研究了介質(zhì)導(dǎo)電性、含水體深度、覆蓋層厚度等因素對信號響應(yīng)的影響,最終實現(xiàn)了不同水文地質(zhì)條件下三維復(fù)雜含水模型的正演模擬,為SNMR三維地下水勘查奠定了一定基礎(chǔ)。
[Abstract]:Surface Nuclear Magnetic Resonance (SNMR) is the only geophysical method to realize direct quantitative detection of groundwater, and it has great potential in the fields of hydrogeological investigation, groundwater management and pollution monitoring, and the advance detection of water source in disaster water. Compared with the conventional geophysical prospecting method, SNMR technology is used. With the advantages of high resolution, abundant information, direct quantitative, non invasive, and so on, it can effectively solve some basic problems that can not be solved by some conventional geophysical methods. Since the birth of the first nuclear magnetic resonance water detector, SNMR technology has been widely used in more than 30 countries in groundwater exploration and water geological survey, in sandstone, clay rock, limestone and so on. Good exploration results have been obtained in different hydrogeological environment. Especially after the advent of commercial instrument NUMIS and GMR, SNMR technology is gaining recognition and popularization in more and more countries. At present, SNMR technology itself is still in the rapid development stage, and there is still limited detection depth, weak anti-interference ability, and detection of 2D/3D water target body. The effect is not good, the instrument is heavy in the shallow layer and the data processing and interpretation need to be improved. For example, as the field exploration scenes are more involved in the complex hydrogeological environment, the amplitude signal of the traditional coincident (COI) measurement model is retrieved and interpreted, and the isolated water body (such as the upper stagnant water) and the complexity are complex. The detection precision and efficiency of the environment (such as mountain area, karst, fissure water) is not ideal, which limits the actual application range of the ground magnetic resonance technology. The paper is based on the new signal response formula, considering the elliptical polarization and phase delay effect. The 2D sensitivity function and the virtual part distribution of the three coils mode are analyzed in detail from the basic level. Then the differential distribution of the sensitivity functions of different coils and the Gao Ling sensitivity characteristic of the virtual part signal to the deep water body are fully utilized, and the self compiled program is implemented based on the GN-CG algorithm. SNMR two-dimensional amplitude and complex signal groundwater imaging under different coil modes. The study shows that the COI model provides the best longitudinal resolution, the semi cover separation coil mode (half-overlapping, HOL) has a better transverse resolution, and the side pair edge (edge-to-edge, E2E) mode causes the over attenuation of the signal due to the larger separation distance of the receiving and receiving coils. As a result, the vertical resolution is poor, and the lateral resolution superiority is submerged. The optimal combination of multiple coil modes can provide the best transverse resolution and detection efficiency. Compared with the amplitude signal, the complex signal inversion can significantly improve the accuracy of the groundwater imaging, improve the deep part discrimination, and the complex signal inversion under the strong noise condition. In order to expand the application range of SNMR technology and realize the detection of 3D groundwater in complex hydrogeological environment, first of all, we must carry out the 3D forward research to obtain the signal response law of 3D containing water under different conditions, as well as the positive response of the medium conductivity, the depth of the water body, the thickness of the cover layer and so on. In this paper, the most commonly used circular return source of SNMR technology is regarded as a limited first and end connection source, and the source is loaded. After the effective loading of the field source, the excitation magnetic field of the circular return line under the ground is calculated on the basis of the field vector finite element method, which is based on the singularity of the field source. This study uses unstructured tetrahedral meshes and local encryption technique to eliminate the negative influence of the numerical solution of the measured points near the loop. The correctness of the proposed algorithm is verified by comparing the analytical solutions of the uniform half space and the three-dimensional vector finite element solution. Then, based on the SNMR forward response formula, the conductivity of the medium is considered. With the effect of elliptical polarization and phase delay, the amplitude and phase response curves of typical three-dimensional water bearing structures are obtained by using the autonomous development algorithm, and the influence of dielectric conductivity, depth of water body and thickness of cover layer on the response of the signal is further studied. Finally, the three-dimensional complex water cut model under different hydrogeological conditions is realized. Forward modeling lays a solid foundation for SNMR 3D groundwater exploration.

【學(xué)位授予單位】：中國地質(zhì)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：P631;P641.7

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本文編號：1846497