竇智，尚新磊

0 前言

水資源是人類生存必需的重要自然資源之一。隨著人類社會的進步、人口的增加和經(jīng)濟的發(fā)展，社會對淡水的使用量急增，淡水資源越來越難已滿足社會需要。我國被列為世界上13個人均水資源缺乏的國家之一，而地下水資源在我國水資源中占有舉足輕重的地位，目前地下水用量約占全國總用水量的六分之一。特別是西北、西南、華北、東北部分地區(qū)，缺水問題更為嚴重，地下水是有效的補充水源。如何準確、快捷、經(jīng)濟探測地下水資源是物探工作者必須解決的問題。

目前，國內(nèi)外常用的水資源探測方法主要包括地質(zhì)雷達法、高密度電法、瞬變電磁法、磁共振測深法等，這些方法能夠在一定程度上對水資源進行探測，但是都有局限性。

磁共振測深（MRS－Magnetic Resonance Sounding）方法是一種非開挖式的直接地下水探測方法，該方法具有獲取信息全面、解釋唯一、結(jié)果量化等優(yōu)點，已取得了很好的應(yīng)用成果。但MRS方法存在探測深度有限、探測分辨率較低、測量速度慢、抗干擾能力較差等缺點；瞬變電磁（TEMTransient Electromagnetic Method）方法具有探測深度大、分辨率高、測量速度快抗干擾能力強等優(yōu)點，但作為一種間接地下水探測方法，TEM用于地下水探測時存在測量數(shù)據(jù)多解、結(jié)果不量化等缺點。

MRS－TEM聯(lián)合地下水探測系統(tǒng)將集合兩種物探方法的優(yōu)點，相互彌補彼此的缺點，具有探測范圍大、探測速度快、準確性好、抗干擾能力強、野外工作效率高、解釋唯一、結(jié)果量化等優(yōu)良特性。MRSTEM一體化的MRS－TEM聯(lián)用儀是目前比較實用的一種聯(lián)用兩種物探方法進行地下水探測的設(shè)備，具有探測直接，反演結(jié)果豐富等特點，在儀器體積、重量、成本、施工效率和探測性能等多個方面具有優(yōu)勢。

1 MRS地下水探測原理

MRS方法是目前唯一一種直接的地下水探測方法，是現(xiàn)在最為前沿的淺層地下水探測方法，核磁共振原理是它用來探測的基本原理（圖1）。

圖1 核磁共振地下水探測原理

核磁共振（MRS）技術(shù)應(yīng)用的唯一條件是所研究的原子核有不為零的磁矩。水（H2O）中氫核（質(zhì)子）磁矩不為零，在穩(wěn)定的地磁場B0作用下，具有一定磁矩的氫核繞外磁場進動，進動頻率由拉莫爾方程決定。如式（1）所示：

水的分子式為H2O，兩個氫原子和一個氧原子構(gòu)成一個水分子。因此，能夠利用MRS原理進行探測。在應(yīng)用MRS進行探測時，開始，氫質(zhì)子處于熱平衡狀態(tài)，將地球磁場定為靜磁場。然后進行激發(fā)，在線圈中發(fā)射具有拉莫爾頻率的交變電流，這樣可以產(chǎn)生一個外磁場，在兩個磁場的共同作用下，氫質(zhì)子從熱平衡狀態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)。激發(fā)結(jié)束后，氫質(zhì)子又會從激發(fā)態(tài)還原到熱平衡狀態(tài)，核磁共振信號就產(chǎn)生于這個還原的過程中。這個MRS信號的幅度大小反映了這些氫質(zhì)子的宏觀數(shù)量大小，利用鋪設(shè)在地面的線圈拾取這個衰減信號，分析這個信號的數(shù)據(jù)，就可以知道地下水的存在狀態(tài)［7］。

2 TEM地下水探測原理

TEM方法是一種間接的地下水探測方法，基本原理是電磁感應(yīng)原理。變化的磁場產(chǎn)生電場，變化的電場產(chǎn)生磁場的現(xiàn)象就是電磁感應(yīng)。也就是人們常說的“磁生電”和“電生磁”。安培環(huán)路定理闡述了“電生磁”的規(guī)律，它顯示了磁場的磁感應(yīng)線與載流導(dǎo)線互相的套嵌。其表達如下：

式（2）為積分形式，式（3）為微分形式。

TEM測量過程分三步，分別是發(fā)射，電磁感應(yīng)和接收。先向發(fā)射線圈中發(fā)射一定的電流，然后關(guān)斷發(fā)射電流，使其下降為零。由電磁感應(yīng)原理，發(fā)射線圈中的電流突然為零，會產(chǎn)生變化的磁場，叫做一次磁場。一次磁場在向四周擴散過程中，遇到地下良導(dǎo)體，將產(chǎn)生一個內(nèi)部感應(yīng)電流，叫做二次電流。二次電流是隨著時間變化而變化，在這個二次電流的周圍又會產(chǎn)生一個新的磁場，叫做二次磁場。因為感應(yīng)電流在良導(dǎo)電地質(zhì)體內(nèi)有熱損耗，所以二次磁場隨時間按照一定的規(guī)律來衰減，形成瞬變磁場。二次磁場與良導(dǎo)電地質(zhì)體的感應(yīng)電流是反比關(guān)系。因此，二次磁場含有地質(zhì)體的結(jié)構(gòu)信息。通過對二次磁場進行接收觀測，然后對數(shù)據(jù)進行分析，就可以對地下地質(zhì)體的結(jié)構(gòu)進行解釋（圖2）。

圖2 TEM探測原理圖

瞬間變化的磁場引發(fā)一個按照時間變化的，由淺層向深層發(fā)展的瞬變響應(yīng)過程。早期信號反映淺部的結(jié)構(gòu)，晚期信號反映深部的結(jié)構(gòu)。因此，測量隨時間變化的二次磁場就可以得知不同深度的電阻率（圖3）。對于低阻異常體，這種方法有較好勘測效果。

圖3 TEM信號向下擴散示意圖

3 儀器性能指標(biāo)

MRS－TEM聯(lián)合地下水探測系統(tǒng)是一種聯(lián)用兩種地球物理方法對地下水進行探測的儀器，其系統(tǒng)由 MRS－TEM主機箱、主機電源箱、上位機筆記本電腦、發(fā)射線圈和接收線圈，以及附件箱組成。相比其他物探儀器，具有探測直接、反演結(jié)果豐富等特點。系統(tǒng)實物見圖4，儀器的各項性能指標(biāo)見表1。

圖4 RS－TEM聯(lián)合地下水探測系統(tǒng)

表1 MRS－TEM聯(lián)合地下水探測系統(tǒng)性能指標(biāo)

4 MRS－TEM實驗結(jié)果及分析

4.1 勘查區(qū)地形

為了檢驗 MRS－TEM聯(lián)合地下水探測系統(tǒng)的實際應(yīng)用效果，我們在長春市燒鍋鎮(zhèn)太平池水庫以南二百米進行了相應(yīng)的實驗。實驗場地衛(wèi)星照片如圖5所示。該地區(qū)地下水分布和儲量比較穩(wěn)定，四周為農(nóng)田，地勢比較平坦，已經(jīng)成為了吉林大學(xué)的野外測試實驗場，適合儀器的野外測試。

圖5 實驗場地衛(wèi)星照片

實驗區(qū)域地下水類型主要包含第四系松散巖類孔隙潛水，主要賦存于第四系松散堆積層的空隙中；白堊紀碎屑巖裂隙孔隙承壓水，主要賦存于白堊紀粉細砂巖和泥頁巖裂隙中；構(gòu)造裂隙水，主要賦存于斷裂構(gòu)造破碎帶的節(jié)理裂隙中。地下水的主要補給來源為降水滲入作用，降水主要集中在七月到九月份，這期間地下水位呈上升趨勢，九月份達到高峰。表2給出了測區(qū)中心位置的鉆孔地層結(jié)構(gòu)情況。地表為黃土狀亞粘土，厚度為13m，為地表水主要賦存區(qū)域；地下20～39m間地層以泥巖為主，構(gòu)成良好的區(qū)域性隔水層；39～60m以泥巖和灰白色細砂巖互層為主，埋藏有較豐富的地下水；底層以泥巖為主，巖石膠結(jié)程度較好，富水性差，且裂隙孔隙不發(fā)育，水量貧乏。

表2 測區(qū)鉆孔處的地層結(jié)構(gòu)表

4.2 工作裝置與勘探方法

采用吉林大學(xué)研發(fā)的磁共振與瞬變電磁聯(lián)合探測系統(tǒng)，在實驗場地進行了磁共振與瞬變電磁探測實驗。發(fā)射接收采取的是收發(fā)一體方式，發(fā)射和接收為同一個100m×100m的單匝銅芯方形大線，MRS測量模式時，用16個脈沖矩從小到大發(fā)射，疊加次數(shù)為16次，TEM測量模式時，使用雙極性發(fā)射，發(fā)射電流30A，其占空比為1：3。MRS的反演結(jié)果如圖6、7、8所示。

圖6 信號參數(shù)圖

圖7 參數(shù)關(guān)系圖

從圖6的信號數(shù)據(jù)可以看到每次發(fā)射的脈沖距和信噪比都達到了要求，在Current－time圖可以看到激發(fā)電流為10.23A，發(fā)射時間為40ms，在signaltime圖中，紅藍線是信號，黑線是噪聲，通過疊加，信號和噪聲實現(xiàn)了分離，測量到了地下有水存在。從amplitude－frequency圖中，可以看到在頻率為2325Hz時明顯的信號尖峰。

圖7可以看到，信噪比為6.04，說明所測數(shù)據(jù)可信度較好，從曲線圖中可以看到，脈沖矩與信號幅值、弛豫時間的對應(yīng)關(guān)系比較準確，不同的脈沖矩對應(yīng)的不同的信號強度，在脈沖矩一定的情況下，有水的位置則E0大，信號強。

從圖8中可以明顯看到水量的分布，通過對數(shù)據(jù)進行反演解釋可以得知，含水層大概分布在10～20m，20～50m，最大含水在10m左右，其量為8%左右。發(fā)射頻率為2326Hz，接收到的拉莫爾頻率屬于2325.5～2326.5Hz范圍之內(nèi)。

圖8 水量反演圖

圖9 TEM電阻率反演圖

從圖9的TEM測量結(jié)果圖中，可以看出電阻率最小為10Ωm，主要在10～20m之間，90m向下的電阻率比較高，從140～300m的深度幾乎沒有含水。

以上處理解釋結(jié)果與實際資料比較，基本吻合，說明MRS－TEM聯(lián)用儀在野外能夠有效探測到地下水資源。

4 結(jié)論

MRS－TEM聯(lián)合地下水探測系統(tǒng)將 MRS和TEM兩種物理探測方法巧妙地融合在一體，具有探測范圍大、探測速度快、準確性好、抗干擾能力強、野外工作效率高、解釋唯一、結(jié)果量化等優(yōu)點，是一種新型有效的地下水探測物探設(shè)備。

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