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核磁共振与瞬变电磁三维联合解释方法

李貅1，刘文韬1，智庆全2，赵威1
1 长安大学地质工程与测绘学院，西安　710054
2 中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所，河北廊坊　065000

　　摘要 传统核磁共振地下含水量解释多采用基于均匀半空间或层状导电模型的一维反演，分层给出地下含水信息。然而，这些方法忽略了地下复杂电阻率分布信息对结果的影响，也不能很好地反映局部三维含水构造。本文从三维电介质中核磁共振响应的正演理论出发，提出首先利用瞬变电磁数据进行基于等效导电平面法的快速电阻率成像，然后将成像结果作为核磁共振三维反演的电性模型，进行联合解释。激发磁场的分布采用有限元法直接求解，通过引入伪δ源实现电流源的加载，并强加散度条件排除了三维磁场模拟中“弱解”的影响。针对核磁共振灵敏度矩阵的病态性和数据中存在的干扰信号，提出考虑罚项的非线性拟合目标函数，利用线性化方法进行核磁共振反演。模型数据表明该方法能较准确反映地下三维含水构造，实测算例进一步证明了方法的有效性。本研究将促使核磁共振方法在岩溶、裂隙水、孤立水体等复杂水文地质条件及隧道、矿井灾害水源探测等方面得到有效应用。

　　关键词 核磁共振；瞬变电磁，等效导电平面，三维联合解释

　　核磁共振（Nuclear　Magnetic　Resonance，NMR），作为目前世界上唯一直接探测地下水体的地球物理方法（林君等，2011；潘玉玲和张昌达，2000），因具有直接确定含水体的空间分布和水量的能力，近年来得到了广泛的应用（潘玉玲等，2000；Chalikakis　et　al.，2008；Legchenko　et　al.，2010；Lubczynski　and　Roy，2005；李振宇等，2003；林君等，2011；万乐和潘玉玲，1999）。目前核磁共振一维正反演理论已比较成熟（戴苗等，2009；林婷婷等，2013；Legchenkoand　Shushakov，1998；Guillenand　Legchenko，2002；Weichman　et　al.，2002；翁爱华等，2007），即假设地下水呈层状分布，分层给出地下含水信息。对于近似水平层状分布的地下水，目前解释方法能取得较好效果，然而对于地下岩溶、裂隙水、孤立水体等局部三维含水构造，由于不满足1372地球物理学报（Chinese　J。Geophys。）58卷层状分布，强行将地下含水构造当作一维层状模型来处理往往会产生较大误差，甚至得不到合理的结果（陈斌等，2014）。为拓展核磁共振找水的应用范围，实现复杂水文地质环境下的有效探测，应开展NMR技术的三维正反演研究。

　　对于这一问题，Warsa和Grandis（2012）对均匀半空间下三维含水构造进行了NMR正演，Warsa等（2014）又在之前研究基础上进行了二维、三维含水构造的反演，模型算例表明三维反演能够实现对三维含水构造的较好分辨。此外，国内王鹏（2014）也对均匀半空间下三维含水体进行了NMR正演，并对几种常见三维含水构造响应特征进行了一定讨论。但上述研究均基于均匀半空间模型，没有考虑地下电阻率信息的影响，而实际中地下电阻率信息是影响核磁共振探测效果的一个重要因素（翁爱华等，2007；Braun　and　Yaramanci，2011）。传统的NMR数据反演方法，通常依据地质情况估计一个等效半空间模型，这导致反演结果受人为因素影响（万玲等，2013），对于复杂三维导电模型，这种等效将严重偏离真实地质构造。因此，要进行核磁共振的精确解释，必须首先获得合理的电性模型......

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