MRS－TEM联合地下水探测系统的应用

窦智，尚新磊

0 前言

水资源是人类生存必需的重要自然资源之一。随着人类社会的进步、人口的增加和经济的发展，社会对淡水的使用量急增，淡水资源越来越难已满足社会需要。我国被列为世界上13个人均水资源缺乏的国家之一，而地下水资源在我国水资源中占有举足轻重的地位，目前地下水用量约占全国总用水量的六分之一。特别是西北、西南、华北、东北部分地区，缺水问题更为严重，地下水是有效的补充水源。如何准确、快捷、经济探测地下水资源是物探工作者必须解决的问题。

目前，国内外常用的水资源探测方法主要包括地质雷达法、高密度电法、瞬变电磁法、磁共振测深法等，这些方法能够在一定程度上对水资源进行探测，但是都有局限性。

磁共振测深（MRS－Magnetic Resonance Sounding）方法是一种非开挖式的直接地下水探测方法，该方法具有获取信息全面、解释唯一、结果量化等优点，已取得了很好的应用成果。但MRS方法存在探测深度有限、探测分辨率较低、测量速度慢、抗干扰能力较差等缺点；瞬变电磁（TEMTransient Electromagnetic Method）方法具有探测深度大、分辨率高、测量速度快抗干扰能力强等优点，但作为一种间接地下水探测方法，TEM用于地下水探测时存在测量数据多解、结果不量化等缺点。

MRS－TEM联合地下水探测系统将集合两种物探方法的优点，相互弥补彼此的缺点，具有探测范围大、探测速度快、准确性好、抗干扰能力强、野外工作效率高、解释唯一、结果量化等优良特性。MRSTEM一体化的MRS－TEM联用仪是目前比较实用的一种联用两种物探方法进行地下水探测的设备，具有探测直接，反演结果丰富等特点，在仪器体积、重量、成本、施工效率和探测性能等多个方面具有优势。

1 MRS地下水探测原理

MRS方法是目前唯一一种直接的地下水探测方法，是现在最为前沿的浅层地下水探测方法，核磁共振原理是它用来探测的基本原理（图1）。

图1 核磁共振地下水探测原理

核磁共振（MRS）技术应用的唯一条件是所研究的原子核有不为零的磁矩。水（H2O）中氢核（质子）磁矩不为零，在稳定的地磁场B0作用下，具有一定磁矩的氢核绕外磁场进动，进动频率由拉莫尔方程决定。如式（1）所示：

水的分子式为H2O，两个氢原子和一个氧原子构成一个水分子。因此，能够利用MRS原理进行探测。在应用MRS进行探测时，开始，氢质子处于热平衡状态，将地球磁场定为静磁场。然后进行激发，在线圈中发射具有拉莫尔频率的交变电流，这样可以产生一个外磁场，在两个磁场的共同作用下，氢质子从热平衡状态跃迁到激发态。激发结束后，氢质子又会从激发态还原到热平衡状态，核磁共振信号就产生于这个还原的过程中。这个MRS信号的幅度大小反映了这些氢质子的宏观数量大小，利用铺设在地面的线圈拾取这个衰减信号，分析这个信号的数据，就可以知道地下水的存在状态［7］。

2 TEM地下水探测原理

TEM方法是一种间接的地下水探测方法，基本原理是电磁感应原理。变化的磁场产生电场，变化的电场产生磁场的现象就是电磁感应。也就是人们常说的“磁生电”和“电生磁”。安培环路定理阐述了“电生磁”的规律，它显示了磁场的磁感应线与载流导线互相的套嵌。其表达如下：

式（2）为积分形式，式（3）为微分形式。

TEM测量过程分三步，分别是发射，电磁感应和接收。先向发射线圈中发射一定的电流，然后关断发射电流，使其下降为零。由电磁感应原理，发射线圈中的电流突然为零，会产生变化的磁场，叫做一次磁场。一次磁场在向四周扩散过程中，遇到地下良导体，将产生一个内部感应电流，叫做二次电流。二次电流是随着时间变化而变化，在这个二次电流的周围又会产生一个新的磁场，叫做二次磁场。因为感应电流在良导电地质体内有热损耗，所以二次磁场随时间按照一定的规律来衰减，形成瞬变磁场。二次磁场与良导电地质体的感应电流是反比关系。因此，二次磁场含有地质体的结构信息。通过对二次磁场进行接收观测，然后对数据进行分析，就可以对地下地质体的结构进行解释（图2）。

图2 TEM探测原理图

瞬间变化的磁场引发一个按照时间变化的，由浅层向深层发展的瞬变响应过程。早期信号反映浅部的结构，晚期信号反映深部的结构。因此，测量随时间变化的二次磁场就可以得知不同深度的电阻率（图3）。对于低阻异常体，这种方法有较好勘测效果。

图3 TEM信号向下扩散示意图

3 仪器性能指标

MRS－TEM联合地下水探测系统是一种联用两种地球物理方法对地下水进行探测的仪器，其系统由 MRS－TEM主机箱、主机电源箱、上位机笔记本电脑、发射线圈和接收线圈，以及附件箱组成。相比其他物探仪器，具有探测直接、反演结果丰富等特点。系统实物见图4，仪器的各项性能指标见表1。

图4 RS－TEM联合地下水探测系统

表1 MRS－TEM联合地下水探测系统性能指标

4 MRS－TEM实验结果及分析

4.1 勘查区地形

为了检验 MRS－TEM联合地下水探测系统的实际应用效果，我们在长春市烧锅镇太平池水库以南二百米进行了相应的实验。实验场地卫星照片如图5所示。该地区地下水分布和储量比较稳定，四周为农田，地势比较平坦，已经成为了吉林大学的野外测试实验场，适合仪器的野外测试。

图5 实验场地卫星照片

实验区域地下水类型主要包含第四系松散岩类孔隙潜水，主要赋存于第四系松散堆积层的空隙中；白垩纪碎屑岩裂隙孔隙承压水，主要赋存于白垩纪粉细砂岩和泥页岩裂隙中；构造裂隙水，主要赋存于断裂构造破碎带的节理裂隙中。地下水的主要补给来源为降水渗入作用，降水主要集中在七月到九月份，这期间地下水位呈上升趋势，九月份达到高峰。表2给出了测区中心位置的钻孔地层结构情况。地表为黄土状亚粘土，厚度为13m，为地表水主要赋存区域；地下20～39m间地层以泥岩为主，构成良好的区域性隔水层；39～60m以泥岩和灰白色细砂岩互层为主，埋藏有较丰富的地下水；底层以泥岩为主，岩石胶结程度较好，富水性差，且裂隙孔隙不发育，水量贫乏。

表2 测区钻孔处的地层结构表

4.2 工作装置与勘探方法

采用吉林大学研发的磁共振与瞬变电磁联合探测系统，在实验场地进行了磁共振与瞬变电磁探测实验。发射接收采取的是收发一体方式，发射和接收为同一个100m×100m的单匝铜芯方形大线，MRS测量模式时，用16个脉冲矩从小到大发射，叠加次数为16次，TEM测量模式时，使用双极性发射，发射电流30A，其占空比为1：3。MRS的反演结果如图6、7、8所示。

图6 信号参数图

图7 参数关系图

从图6的信号数据可以看到每次发射的脉冲距和信噪比都达到了要求，在Current－time图可以看到激发电流为10.23A，发射时间为40ms，在signaltime图中，红蓝线是信号，黑线是噪声，通过叠加，信号和噪声实现了分离，测量到了地下有水存在。从amplitude－frequency图中，可以看到在频率为2325Hz时明显的信号尖峰。

图7可以看到，信噪比为6.04，说明所测数据可信度较好，从曲线图中可以看到，脉冲矩与信号幅值、弛豫时间的对应关系比较准确，不同的脉冲矩对应的不同的信号强度，在脉冲矩一定的情况下，有水的位置则E0大，信号强。

从图8中可以明显看到水量的分布，通过对数据进行反演解释可以得知，含水层大概分布在10～20m，20～50m，最大含水在10m左右，其量为8%左右。发射频率为2326Hz，接收到的拉莫尔频率属于2325.5～2326.5Hz范围之内。

图8 水量反演图

图9 TEM电阻率反演图

从图9的TEM测量结果图中，可以看出电阻率最小为10Ωm，主要在10～20m之间，90m向下的电阻率比较高，从140～300m的深度几乎没有含水。

以上处理解释结果与实际资料比较，基本吻合，说明MRS－TEM联用仪在野外能够有效探测到地下水资源。

4 结论

MRS－TEM联合地下水探测系统将 MRS和TEM两种物理探测方法巧妙地融合在一体，具有探测范围大、探测速度快、准确性好、抗干扰能力强、野外工作效率高、解释唯一、结果量化等优点，是一种新型有效的地下水探测物探设备。

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［6］林君，段清明，王应吉，等.核磁共振与瞬变电磁联用仪及其方法：中国，200610017226.8［P］.2007－03－28.

［7］习晓红.地面核磁共振与瞬变电磁联用找水的可行性研究［D］.吉林长春：吉林大学.2009.

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