水是人类赖以生存、不可或缺的物质，是人类最重要的自然资源之一.由于自然环境的恶化以及人类的不合理利用，如今全世界超过20亿人口面临缺水问题，淡水资源缺乏已成为世界性重大难题(林君等，2010).我国也面临严重的水资源紧缺问题，一方面，我国水资源分布极不均匀，南多北少，东多西少，人均占有量不足世界人均值的1/4，是世界上13个人均水资源最缺乏的国家之一(潘玉玲和张昌达，2000)；另一方面，最近几十年，我国经济持续高速发展，人民生活水平显著提高，工农业及生活用水量剧增，加之水资源的污染与浪费，造成我国水资源整体状况与以往相比发生了较大变化，地表及地下较浅处可直接利用的淡水资源愈加匮乏，地下水的开采力度不断加大，许多地区的淡水资源越来越难以满足需求，特别是北方干旱-半干旱地区的许多城市和乡村水资源供需形势严峻，水资源己成为制约当地经济发展的一个重要因素.

地下水是淡水资源的重要组成部分，是全世界许多地区最主要的淡水来源，据估计地下水约占全世界液态淡水资源总量的95%.地下水在我国淡水资源总量中同样占有举足轻重的地位，由于其分布广、水质好、不易被污染、调蓄能力强、供水保证程度高等优点，在工农业及生活用水供应中发挥着日益重要的作用，目前地下水占全国总用水量已超过1/6.面对日益突出的水资源紧缺问题，我国在《新一轮国土资源大调查纲要》中明确指出：我们应该减少浪费，防治污染，加强管理；积极依靠科技进步，推广国内外水文地质的新理论，采用遥感、物探、同位素、计算机等新技术和钻探、成井新工艺，想方设法提高地下水的探测能力，缓解水资源供需矛盾(潘玉玲和张昌达，2000).

磁共振测深技术是最近30年发展起来的地球物理高新技术，开创了地球物理方法直接找水的先河.常规的物探找水方法都是通过勘查含水构造和层位间接找水，不具备解决何处有水、有多少水等一些与地下水探测紧密相关的基本问题的能力(林君等，2012).与常规物探找水方法相比，MRS技术具有高分辨力、高效率、信息量丰富、直接、定量、非侵害性等优点，能有效解决常规物探方法不能解决的基本问题.

磁共振测深也叫地面核磁共振(Surface Nuclear Magnetic Resonance，SNMR)，核磁共振是指具有非零磁矩的原子核在恒定磁场作用下发生塞曼分裂，能级简并解除并分裂为一系列量子化的子能级之后，原子核选择性吸收特定频率的交变电磁场的能量，发生能级共振跃迁的现象.核磁共振是低能量电磁波与物质相互作用的一种物理现象，是一种量子效应，世界上第一次高精度观测到NMR现象是上世纪40年代，如今，NMR技术已发展成为当今世界的尖端技术，在物理学、化学、生物学、医学、地学等诸多领域得到了广泛而深入的运用，其在地学领域的运用主要有质子磁力仪、NMR波谱仪、NMR测井、岩心测试仪等.首次提出运用MRS技术寻找地下水构想的是美国学者R. Varian，1962年，他申请了核磁共振找水技术的美国专利，但由于技术限制，所申请的专利没有实现仪器样机.直到上世纪80年代初，地面核磁共振层析找水仪——Hydroscope的问世，才真正开启了MRS技术在地学运用中的又一新领域.

磁共振测深技术与医学磁共振成像(Magnetic Resonance Imaging，MRI)原理相同，只是MRI使用的恒定磁场是人工场，而MRS利用的是地磁场，地磁场强度大约只有MRI人工场的十万分之一左右.在MRS方法中，地下水中的氢核在地磁场作用下发生能级分裂，当向地面铺设的线圈中通入当地拉莫尔频率的交变电流时，线圈产生的激发磁场激发氢核发生能级跃迁，激发停止后，在信噪比适宜的情况下，若有地下水存在，接收线圈便可接收到氢核由激发态恢复到平衡态所产生的NMR信号，且信号幅值与所探测空间内的含水量成正比.再在计算机的控制下，通过有规律地改变脉冲矩的大小，激发地下不同深度的氢核，最终实现不同深度含水层的直接定量探测.另一方面，由于NMR信号的相位包含丰富的地下介质电阻率信息，并且信号弛豫时间与含水层孔隙大小、水的赋存状态等因素有关，所以MRS技术可用于推断含水层的孔隙度、渗透率、导水率等水文地质参数，从而应用于水文地质调查.

1 MRS仪器的发展历程与进展

MRS技术成功应用于地下水探测已有近30年的历史，为全世界20多个国家找到了地下水，但当前全世界仅有4个国家研制出了地面核磁共振找水仪: 俄罗斯，法国，美国和中国.

世界上第一个成功研制出MRS仪器的国家是前苏联.R. Varian首次提出运用NMR技术探测地下水的构想后，当时并未引起多少科学家的重视，直到上世纪70年代末，以A. Semenov为首的前苏联科学院西伯利亚分院化学动力学和燃烧研究所的科学家们才重拾这一思想，经过数年的刻苦钻研，于80年代初成功研制出世界上第一台地面核磁共振找水仪——Hydroscope.研制成功后，Hydroscope被广泛运用在前苏联各地、沙特阿拉伯、澳大利亚、中国、以色列以及欧洲的一些国家和地区进行试验和找水工作，他们总结和研制出了一套正反演数学模型和水文地质解释方法，首次论证了MRS方法是目前世界上唯一可直接找水的地球物理新方法.如今世界上绝大多数国家使用的都是法国IRIS仪器公司生产的NUMIS系列仪器，只有俄罗斯仍在使用他们自己研制的核磁共振层析找水仪.

1992年，法国地调局、IRIS物探仪器公司与俄罗斯开展合作，并购买了Hydroscope的技术专利.1995年，IRIS公司在Hydroscope的基础上成功研制出新型NMR找水仪——核磁共振感应系统(Nuclear Magnetic Induction System，NUMIS).1999年，IRIS公司将NUMIS系统(勘探深度100 m左右)升级为NUMIS Plus(勘探深度150 m左右).2003年下半年，为了探查浅层地下水和研究水环境变化引起的水文地质和工程地质问题，IRIS公司又推出了轻便型的NUMIS Lite(勘探深度50 m)(张昌达等，2011).NUMIS是世界上第一款商业型核磁共振找水仪，商用型NUMIS的推出引发了全球科学界对MRS技术的广泛关注，随后中国、美国、德国、以色列、伊朗等多个国家引进了NUMIS，并成功用于地下水探测.

2002年，吉林大学与水利部牧区水利科学研究所开始合作，在NUMIS的基础上，经过大量理论研究与野外试验，2004年，研制出了国产核磁共振找水仪原理样机——吉林磁共振测深-I型找水仪(JLMRS-I).经过近几年的不断改进，JLMRS-I型找水仪在较少的叠加次数下能获得较高的信噪比，能可靠地探测到地下100 m深度以内的NMR信号，且测得的含水信息与法国NUMIS Plus 仪器 基本一致，性能达到与NUMIS Plus相近水平，已为我国吉林、内蒙、贵州、广西以及蒙古国等缺水地区成功找到了地下水(林君，2010).

在此之前，不论是Hydroscope、JLMRS-I还是NUMIS系列仪器均为单通道NMR找水仪，单通道仪器仅能进行常规的一维地下水探测，且易受环境与人文噪声的干扰.为了尽快实现复杂水文地质条件下的2D/3D地下水探测，提供更丰富、精确的含水信息，扩大MRS的使用范围，上世纪90年代，美国维斯塔克拉雷公司(Vista Clara Inc.)加快了磁共振测深仪的研发工作.2006年，该公司首创地面多道MRS技术，推出了多道大地磁共振成像仪GeoMRI，相对NUMIS仪器，GeoMRI做了多处实用性改进：具备多道发射接收能力和多通道NMR信号处理技术，大幅缩短死区时间(Dead Time)至10 ms左右，并采用参考回线和自适应信号处理技术大幅压制了电磁干扰，接收机输入噪声密度低至0.4 nV/Hz^1/2，有效探测深度达150 m.2008年和2009年，Vista Clara公司又分别推出了死区时间固定为8 ms的商业型仪器(GMR)和小功率MRS探测仪(NMR MidiⅡ)，2010年该公司进一步将死区时间缩短至4 ms.维斯塔克拉雷公司的研发工作是MRS技术的重要进步，如今该公司生产的仪器已在美国多地成功用于1D/2D地下水探测与水文地质调查(Walsh，2008).2009年，IRIS公司也推出了勘探深度为150 m的四通道抗干扰仪器(NUMIS Poly).为了早日实现三维MRS探测，Vista Clara公司正在进行8/16通道MRS仪器的试验研究.

2 MRS正反演理论研究

目前，从事MRS技术研究的机构主要集中在德国、法国、俄罗斯、美国、中国等国家，主要有德国柏林工业大学应用地球物理系与德国地调局(BGR)、法国IRIS公司和法国地调局(BRGM)，俄罗斯新西伯利亚分院和美国的Vista Clara公司等.从1997年起，德国柏林工业大学应用地球物理系与德国地调局对MRS理论和应用进行了广泛、深入的研究，近年来逐渐成为MRS研究的主力军(Hertrich，2005).由于正演是反演的前提和条件，且实际磁共振测深工作与其它地球物理方法一样，都是通过采集到的地球物理信号来反演获得相应的地球物理模型，从而达到磁共振测深的目的，所以必须深入开展MRS正反演理论研究(刘道涵，2012).

早期的MRS正反演理论都是基于发射线圈与接收线圈共用同一线圈(简称收发共圈)的一维层状假设理论，没有考虑含水层对地下介质导电性的影响，将地下介质视为均匀地电模型.Schirov，Trushkin，Legchenko等(Schirov et al., 1991；Trushkin et al., 1993；Legchenko et al., 1995)围绕收发共圈模式的一维正反演理论开展了大量研究工作.1998年，Legchenko和Shushakov(1998)首次采用Tikhonov正则化方法对一维层状含水模型NMR信号的初始振幅进行反演，得到了比较准确的含水率随深度变化的反演结果.2000年，美国学者Weichman等(2000)对MRS基本响应方程作了改进，首次考虑了NMR现象的矢量性和地下介质导电性导致的椭圆极化效应，改进后的方程能够准确计算导电环境下的复信号与分离线圈MRS信号，为分离线圈MRS找水研究奠定了理论基础，是MRS理论研究的一个重要里程碑.同年，Mohnke首次运用模拟退火方法反演MRS数据，2002年，他又在模拟退火法的基础上提出了平滑和分块反演方法，应用正则化反演思想快速得到了地下含水量与平均弛豫时间，并讨论了正则化参数的选取对反演结果的影响(Mohnke and Yaramanci， 2002).同年，Weichman等(2002)又对MRS正反演做了进一步深入研究，指出地下介质导电性的存在将导致激发场发生畸变，产生相位扩散与延迟效应，并对比了奇异值分解和蒙特卡罗两种方法对相同含水模型与实测数据的反演效果，同时还指出：要想获得更加稳定且准确的反演效果，必须联合相位信息进行反演.但限于当时仪器测量的相位不够准确、稳定，他们最终放弃了对实测数据进行振幅与相位的联合反演.几乎与此同时，Guillen和Legchenko(2002)利用改编的蒙特卡罗法也成功反演出精度较高的地下含水信息与孔隙分布.2005年，Braun等(2005)一改以往仅用初始振幅值反演的方式，利用NMR信号虚部比实部对深部结构更加灵敏的特点，联合初始振幅和相位信息(即信号的实部和虚部)反演地下含水率分布，相对初值反演，结果表明：即使存在较大人工干扰的情况下，联合反演也能显著提高反演的稳定性与含水边界的分辨率，不仅降低了等值性问题，增加了垂直分辨率，还能反演更深处的含水信息.2008年，Braun等(2008)又在前人的基础上，再次利用模拟退火法进行反演，不同的是，这次他们不再以地下电阻率分布为先验信息，而是在反演含水层参数的同时结合NMR相位信息直接提取地下电阻率分布，开创了利用NMR信号提取地下电阻率信息的先河.2009年，Yaramanci等(2009)进一步总结了MRS反演理论的最新进展，实现了地下含水率、衰减时间和电阻率的同时反演.在国内，吉林大学的翁爱华等(翁爱华等，2000；2004；翁爱华等，2007；Weng，2010)对MRS一维正反演理论相对做了较多研究，2000年，他们利用递推方法求得水平层状导电介质中任意层的电磁波透射和反射系数，较精确地计算出了地表大回线源在任意层产生的磁场，为MRS一维正反演奠定了基础.2004年他们采用直接数值积分与不等距的空间剖分技术，正确模拟了一维 MRS响应，分析了1D层状导电介质的MRS响应特征，并研究了介质导电性、含水层埋深与厚度、装置大小等因素对信号振幅与相位的影响.2007年和2010年他们又分别运用基于奇异值分解的非线性反演方法和Occam方法，对导电性影响下的一维MRS理论模型和实测数据进行反演，在迭代次数较少的情况下，取得了准确度较高的反演结果.此外，戴苗等(戴苗，2008；戴苗等，2009)基于Chave算法和改进的模拟退火法也取得了不错的正反演效果.

当地下含水量横向分布不均匀时，标准的收发共圈测量模式仅能提供有限或有较大偏差的地下含水信息.分离线圈测量模式采用独立线圈接收信号，工作方式更加灵活多样，采集信号信息丰富、可靠，有利于局部含水构造的探测，提高横向分辨率.另外，它还能够控制间歇时间的长短，提高噪声的监测与抗干扰能力，有利于数据的后期滤波处理，是一种具有较高研究价值的测量方法.2002年，Weichman等人(2002)进行了在相同地点通过改变线圈布置方式来改善反演效果的试验，他们发现当接收线圈在x和y方向上同时偏离发射线圈一个半径时，该测量方式可以减小误差的影响，改善含水结构边缘的反演效果.Hertrich(2005)在Weichman基本响应理论的基础上对分离线圈测量模式进行了初步研究，证明能够接收到有效信号的最大收发线圈分离距为一个线圈直径，且随着分离距的增大，信噪比随之下降，当分离距进一步增大时，即使增加叠加次数，信号幅度仍低于环境噪声而无法测量.2011年，龚胜平等(2011)正演计算了分离线圈MRS响应，分析了核函数的变化规律，指出通过加大激发脉冲矩能提高MRS横向分辨率.如今，基于GeoMRI与NUMIS Poly的分离线圈MRS方法已广泛应用于1D/2D的水文地质调查，在干扰较大或水文地质条件较复杂的环境下，实践证明分离线圈测量方法比收发共圈具有更优越的探测效果，拓展了MRS的应用范围(Walsh，2008).

上述学者的研究成果不断提高了MRS一维正反演的精度与效率，随着研究的深入和应用的推广，上述一些反演方法的固有缺陷逐渐显现.首先，初值和分块等反演方法均需对测量信号的振幅进行单一指数拟合，经拟合延拓得到初始振幅后再进行反演，由于仪器死区时间的客观存在，拟合程度会严重影响上述方法的反演效果；其次，反演获得的平均弛豫时间T^*₂仅能反映含水层的平均孔隙度信息，不利于多孔隙地质环境的解释(林婷婷等，2013).

MRS多弛豫时间反演起步于2005年，在此之前MRS反演解释主要集中于含水率与衰减时间分布方面，未考虑NMR信号弛豫过程的多指数特性.2005年，Mohnke等(2005)率先提出了一种基于多指数分解的反演方法(COIN法)，利用NMR信号随时间变化的衰减曲线，反演得到不同时间下含水率与深度的关系，再通过多指数拟合关联含水率与弛豫时间，实现了多弛豫时间反演，理论模型和野外数据均证明该方法能提高含水率和衰减时间估计的准确性，但缺点是反演结果不够稳定.2010年，Mueller等(2010)人提出了一种全新的反演方法——QT反演，QT法直接反演整个MRS数据，提取地下含水率和衰减时间，通过多指数拟合的方式得到含水率随深度及弛豫时间T₂的分布，相对初值反演等方法，QT反演能够提高衰减时间的空间分辨率和反演稳定性，为复杂地质构造下的MRS全数据反演解释提供了新思路，可进一步拓展应用到2D/3D全数据反演解释之中.12年，Behroozm and 等(2012)通过另外引入一个有助于决定初始振幅与信号弛豫时间的描述孔隙度的参数——伸展指数，又提出了一种新的基于伸展指数近似的全数据多指数反演方法.

目前，不论共圈还是分离线圈测量模式，MRS一维正反演理论已比较成熟，实用仪器也以一维解释为基础，即假设地下水呈层状分布，继而分层获取含水信息.然而实际地下水的储存结构一般来讲都是比较复杂的三维体，往往不能满足均匀层状分布的假设，所以强行将所有地下含水构造当作一维层状模型来处理常常会产生较大误差，甚至得不到合理的结果.比如MRS方法对孤立水体(如上层滞水)和复杂水文地质环境下(如山区，岩溶，裂隙水)的探测效果就不大理想，这限制了MRS技术的应用范围，为了拓展它的应用范围，实现复杂水文地质环境下的2D/3D探测，就必须深入开展MRS技术的2D/3D正反演研究.近年来，特别是多道磁共振测深仪问世以来，MRS技术的2D/3D正反演研究也取得了一系列进展.

德国学者Hertrich对2D磁共振成像(Magnetic Resonance Tomography，MRT)技术的研究深入而富有卓效，2003年他通过数值模拟初步证明了分离线圈MRT的有效性.2005年他在博士论文中进一步详细研究了分离线圈二维MRS方法的电磁场性质、核函数、空间分辨率以及2D模型的正反演，综合评估了分离线圈测量方法的潜力与局限性，并在德国和法国做了实际二维MRS探测，结果表明沿剖面方向成倍偏移接收线圈采集到的数据能够进行高分辨成像反演，在同等条件下，分离线圈测量模式较收发共圈测量模式对浅部构造具有更高的空间分辨率，能给出更准确的地下含水信息和含水边界(Hertrich，2005).2007年，他又提出了一种基于不规则网格划分和高斯-牛顿方法的快速二维MRT反演方法，在共圈模式下较准确地刻画出了2D透镜状上层滞水模型的含水率和含水边界(Hertrich et al., 2007).2009年，Hertrich等(2009)又在之前研究的基础上，综合考虑采集时间、野外工作量、测量效果等因素，深入研究了收发线圈间所有不同偏移距的组合测量效果，提出了一种适合较复杂水文地质条件下，集野外采集与层析成像反演于一体的二维MRS找水方法.野外试验与理论模拟研究表明收发共圈测量模式能提供最好的纵向分辨率，线圈半重叠模式(收发线圈中心距离为一个线圈半径)能同时提供较好的横纵向分辨率，线圈紧邻模式(收发线圈中心距离为一个线圈直径)则能产生最好的横向分辨率.最后作者联合使用3种测量模式，成功实现浅部2D模型与实测数据的高分辨率层析成像.2007年，Girard等(2007)运用MRT技术对2D岩溶管道含水模型进行了数值模拟和灵敏度研究，结果表明MRT响应对地下2D目标体的尺寸和位置敏感，基于同一发射/接收线圈沿异常区域的一个剖面移动测量，可以确定截面比线圈尺寸小的岩溶管道水的深度、截面和位置，野外测量结果也证实了作者所使用的2D数据处理方法的可行性，在一定条件下解决了岩溶管道水的探测问题.2008年，Walsh(2008)通过计算机模拟和实验室MRT证明了三维MRS地下水探测的可行性，指出拓展MRS使用范围的关键之一是消除噪音的干扰，并运用GeoMRI仪器在美国西部多个地点实现了2D水文地质调查.2012年，Behroozm and 等(2012)通过改变磁场计算、介质离散与积分方式，提出了一种高效、准确的正演计算方法，通过与其它3种正演方法相比，该方法在不改变精度的情况下加快了正演速度，一次完整的正演计算仅需20 s.同年，Warsa等(2012)正演计算了共圈模式下具有不同衰减时间的3D含水模型，做出了不同脉冲矩下不同深度处的3D灵敏度分布图，并将其正演方法融入到2D倾斜层状含水模型的反演中，得到与模型比较一致的含水率与衰减时间随测点的分布图.国内方面，中国地质大学(武汉)的王鹏(2007)和刘道涵(2012)分别对均匀地电条件下核磁共振三维正演和基于椭圆极化效应下的二维正反演进行了研究并取得了一定的成果.除此之外，尚没有发现其它2/3D正反演相关的文章，目前，我国MRS正反演研究水平与国外尚有一定差距，亟需开展广泛、深入的研究工作.

3 MRS信号影响因素研究

影响NMR信号的因素主要包括自然与人为技术两方面，自然因素包括岩石导电性、地磁场强度与倾角、含水岩石类型与含水层赋存状态、电磁噪声等，由于不同测点的自然条件一般不同，所以MRS技术的实际应用效果与测点位置有关.人为技术因素主要包括天线形状和大小、激发脉冲矩大小和个数、仪器检测能力等.充分认识自然与人为技术因素对NMR信号的影响规律，对实际找水与测深工作具有非常重要的指导意义，一方面可以充分发挥MRS找水方法的优越性，另一方面可以减少野外测量工作的盲目性，达到事半功倍的效果.

MRS技术作为一种电磁方法，由于激发磁场的分布与介质电阻率息息相关，电阻率的变化对NMR信号的初始振幅和相位存在直接影响，因此在反演过程中若不考虑介质电阻率的影响，反演结果将会产生很大误差.国内外学者(Legchenko et al., 1995；Shushakov and Legchenko， 1998；Mohnke and Yaramanci， 2002；张荣等，2006；翁爱华等，2007)的研究结果均表明：由于地下介质导电性的影响，NMR测深曲线形态将发生畸变，MRS技术的探测深度与垂直分辨率降低；当介质不导电时，NMR信号初始相位为零，随着介质导电性增强，初始相位值由小变大.近几年，Braun和Yaramanci等人的研究，进一步加深了对导电性影响NMR信号的认识.2008年，Braun等(2008)通过引入相似度的概念，发现均匀导电半空间对NMR信号的影响程度与线圈尺寸有关，拟合得到最大有效电阻率与线圈直径的关系为：ρ_max≈2.1d，即当介质电阻率大于相应线圈的最大有效电阻率ρ_max时，反演过程中才可忽略电阻率对NMR信号的影响，视为不导电介质.2011年，Braun和Yaramanci(2011)为了单纯研究电阻率对NMR信号的影响，假设地下含水率为100%，通过分析固定2D电性不连续层改变线圈位置，与固定线圈位置改变2D电性不连续层宽度两种情况下的响应曲线，并用1D电阻率模型拟合2D电性结构下的正演振幅与相位曲线，开启了2D电性结构对NMR信号影响的研究，证明只有当线圈中心距离2D电性结构大于线圈直径，或2D电性结构的延伸大于两倍线圈直径，且含水率不具备2D变化时，才能用等效的1D层状导电模型近似研究2D电性结构对NMR信号的影响.2012年，Lehmann-Horn等(2011)将单个核自旋磁矩视作虚拟磁偶极子接收器，运用有限元方法计算单个自旋磁矩的频率域电磁灵敏度，研究了3D导电性异常体引起的NMR信号畸变，研究表明：大小与线圈尺寸处于同一量级的浅部(<50 m)导电性异常体(≤10 Ωm)，对NMR信号影响比较大，在反演时必须考虑异常体的影响，并且影响的程度随着异常体尺寸的增大、电阻率的减小、埋深的变浅呈非线性增强.

从MRS正演表达式可以看出，NMR信号大小与地磁场强度、倾角有关，地磁场强度与倾角会直接影响找水效果与探测深度.在世界范围内，地磁场强度大约在25000 nT(赤道附近)到65000 nT(两极附近)变化，对应的拉莫尔频率约为0.8~3 kHz，虽然高纬度地区由于拉莫尔频率的增大会导致更大的电磁衰减，但由于信号幅度 E₀∝H²₀ ，所以在相同地电条件下高纬度地区一般具有更大的NMR信号和探测深度(Weichman et al., 2000).地磁场倾角由两极的90°逐渐变化到赤道的0°，随着磁倾角的减小，平均说来激发磁场与地磁场方向间的夹角更大，使激发磁场在地磁场垂直方向上具有更大的分量，因而在相同条件下具有更强的信号响应，但磁倾角对NMR信号幅度的影响小于地磁场强度，对NMR信号和相位的影响也不如导电性敏感.地磁场的短期变化对NMR信号也有重要影响，地磁场的不均匀性和仪器误差会导致激发磁场的频率难以与地下氢核的拉莫尔频率完全一致.2011年，Walbrecker等(2011)研究表明对于频率差值在5 Hz以内的单脉冲MRS技术，只要脉冲值较小且含水层较深，是能够得到可靠地下含水信息的，否则将会出现较大偏差，他们还指出双脉冲技术对偏离共振效应更为敏感.由于某一地区的地磁场强度会受外部磁源的干扰与影响而发生变化，且变化幅度与纬度、一天的不同时段、季节、月球活动等因素有关，一般变化的幅度为10~40 nT，激烈时可达3000 nT，所以在实际MRS找水勘探中，均须事先测定和分析测区的磁场，以保证MRS资料解释的可靠性(Hertrich，2005).一般说来，小测区地下水勘查，可认为测区内地磁场是均匀的，当进行大范围的水文地质调查时，必须考虑地磁场变化对NMR信号的影响.

磁共振测深技术的研究对象是赋存于地下岩层孔隙或裂隙中的水，即研究含水的多孔介质，根据NMR弛豫理论，孔隙流体的弛豫时间与孔隙大小、形状以及水的赋存状态密切相关，较小孔隙和束缚水的NMR信号弛豫时间短，反之，较大孔隙和自由水的信号弛豫时间长(潘玉玲和张昌达，2000)，这正是MRS技术用于水文地质调查的基本原理.Legchenko，Grunewald，Knight等(Legchenko et al., 2002；刘堂晏等，2004；Grunewald and Knight， 2011；Vouillamoz et al., 2012)对利用NMR弛豫时间参数T₁与T^*₂，并借助钻孔抽水试验、测井等其他方法获取的数据，求取含水岩层孔隙度、渗透率、导水率等水文地质参数的理论与方法，以及孔隙大小、结构等因素对T^*₂的影响做了深入研究与试验，拓宽了MRS技术在水文地质调查中的应用范围，但当前该技术还不够成熟，实际应用效果还与场点有关.Grunewald等(2012)最新研究成果表明MRS信号的衰减类型强烈依赖于孔隙几何结构与孔隙尺度磁场，尤其是大尺度孔隙和磁场不均匀条件下，MRS信号曲线呈指数衰减的假设将不再成立，衰减趋向于非指数形式，在此情况下，若仍采用标准的指数拟合方式常会导致含水率的高估，且在实际运用中，仅基于测量信号很难识别由非指数衰减导致的误差，他们的研究提高了MRS测量数据对水文地质的解释效果.此外，当含水岩层存在局部磁性体时，同样会严重影响NMR信号，不仅会大幅降低NMR信号幅度，还会缩短信号弛豫时间，以致仪器很难甚至无法测量到自由感应衰减(Free Induction Decay，FID)信号，直接影响MRS方法的探测能力，因此磁性岩地区(特别是火成岩地区)通常被认为是MRS技术应用受限的主要地区之一.例如，在加拿大格伦维尔地区，其他多种物探方法均表明该地区浅部存在孔隙度较大的含水层，电阻率为100 Ωm左右，且具有较低的环境噪声，但MRS却探测不到有效信号，2008年，Roy等(2008)详细研究发现其原因正是该地区含水层中存在大量浸染状磁铁矿，形成不均匀地磁场和较大地磁场梯度，以致拉莫尔频率变化范围大，相位偏移严重，并最终导致信号一致性差而无法测量到有效信号.最近，Legchenko等(2010)为改善MRS在磁性岩地区的应用效果做了很有意义的研究，他们将实验室NMR和NMR测井中广泛应用的自旋回波(SE)技术运用到MRS测量中，在没有改变MRS仪器硬件的条件下，重新开发数据采集程序、数值模拟方法和反演软件，对SE与FID测量模式下MRS探测深度和垂直分辨率进行了对比，并在Cyprus(1999)，Canada(2008)和India(2008)三地进行了MRS自旋回波测量试验，结果表明：在含有磁铁矿与玄武岩的砂砾岩地区和基底为磁性岩的无磁性砂岩地区，SE模式下的MRS可以使用，但SE信号比FID信号幅度小、频带宽，且效率更低，需要消耗更多的时间，数据解释也更复杂.在当前条件下，由于仪器、测区磁场分布等因素限制，MRS-SE方法的准确性也与场点有关，还无法提供完全准确的初始振幅值，只能实现含水量的定性估计，更加成熟的方法还有待研究，但Legchenko的研究成果为解决MRS在磁性岩地区的应用受限问题提供了一个突破口.

MRS地下水探测信号属于nV级的微弱信号，仪器接收灵敏度高，易受电磁噪声的干扰，尤其是工频噪声和奇异噪声的干扰最为严重，噪声干扰会使NMR信号提取变得困难，信号曲线发生畸变，甚至产生假异常，导致无法获取可信的测量结果.MRS技术的易受干扰性，成为限制它广泛应用的首道障碍.目前单通道磁共振找水仪通常采用电力线陷波、窄带通滤波、信号多次叠加以及野外铺设“8”字形线圈等常规抗干扰技术提高仪器信噪比.Lange等(2006)对常规铺设的“8”字型线圈做了改进，他们将另一极性相反的参考线圈采用单通道无源二极管开关与发射线圈链接，并铺设在与探测线圈平行的地方，该参考线圈在脉冲发射期间能有效阻止发射电流的流入，但在信号接收时便充当“8”字型线圈的另一部分，相对常规的“8”字型线圈，改进后的“8”字型线圈最大的优点是勘探深度不变.近年来研发的多通道磁共振测深仪又采用基于参考线圈的自适应信号处理和FID图像积分等现代信号检测与处理技术，相对单通道仪器大幅提高了压制电磁干扰的能力，信噪比至少提高了一个数量级(Walsh，2008).最近，我国学者林君(林君等，2012)等采用窄带可调中心频率、4倍拉莫尔频率采样、自适应陷波等有效抗干扰技术，在相同的电磁环境下，利用较少的叠加次数获得了信噪比较高的NMR信号.

诸如线圈形状和大小、激发脉冲矩大小和个数等人为技术因素对NMR信号同样有重要而直接的影响，当天线大小和形状改变时，直接影响被激发氢核的数量和空间范围，进而改变NMR信号的大小.改变脉冲矩的大小则能改变MRS的探测深度，前面已指出，通过有规律地改变激发脉冲矩的大小便能实现不同深度含水层的探测.所以在进行地下水探测时，就必须根据工区内待探查含水层的预估深度、含水量以及工区电磁干扰的强弱、方向等具体情况，考虑人为技术因素对NMR响应信号的影响，选择形状、大小最合适的线圈，并科学地铺设.从勘探深度和铺线方便考虑，当前通常使用的线圈形状是直径一定的圆形线圈或每边边长一定的正方形天线，NUMIS、NUMIS Plus、NUMIS Lite系统针对不同的用途就分别配备了300 m、600 m、240 m的线圈(李振宇等，2006).Shushakov等(1998)专门研究了脉冲矩个数对MRS技术运用效果的影响，提出了一种在特定的信噪比下，能够减少脉冲矩个数而不影响反演精度，并确定最佳脉冲个数的算法，有利于充分发挥MRS找水方法的优越性，提高测量效率.

4 MRS技术应用现状

地下水作为全世界许多地区首要的淡水来源，当前地下水探测与管理所采用的钻孔、测井和水文测试等技术手段费用昂贵，MRS技术的推广应用将大幅降低地下水探测与管理的成本，自从Hydroscope诞生之后，Hydroscope被广泛用在前苏联、哈萨克斯坦、乌克兰、立陶宛、澳大利亚、以色列、西班牙、沙特阿拉伯和中国等十几个国家进行试验和找水工作，在砂岩、粘土岩、石灰岩等不同的水文地质条件下均获得良好的找水效果.商用型仪器NUMIS问世后，MRS技术获得了越来越多国家的认可和推广使用，1997年，中国地质大学(武汉)引进了我国第一套NUMIS仪器，水利部牧区水利科学研究所等单位又先后引进了多套NUMIS仪器，NUMIS仪器的引进促进了我国MRS技术的发展，一定程度上为我国湖北、湖南、河北、内蒙古、新疆等缺水地区解决了饮水困难问题，MRS技术也成为水文地质工作者获取含水地层孔隙度、渗透率、涌水量等水文地质参数的一种有效方法(孙淑琴等，2008).近年来，随着多道仪器的投入使用，MRS技术改变了过去只能进行简单环境下1D地下水探测的现状，已被成功用于强电磁干扰与较复杂地质条件下2D地下水探测与水文地质调查，特别是仪器死区时间进一步缩短后，改善了早期FID信号的采集质量，提高了细晶粒、磁性等短弛豫含水层探测的可靠性，拓展了MRS技术的应用范围.目前，3D地下水探测还处于理论研究阶段，离实际应用还有一定距离，另外，近年来MRS技术开辟了一系列具有发展潜力的应用新领域.

全球滑坡、泥石流等地质灾害频发，常造成巨大的经济损失和人员伤亡，其中灾害水源是引发滑坡等地质灾害最重要的诱因之一. 灾害水源是指能够引起滑坡与堤坝渗漏、矿井突水、隧道涌水、冰川积水崩塌等地质灾害的水源. 灾害水源的超前探测在地球物理方法中是一个难题，目前，国内外应用的隧道地震探测法、矿井电磁法和探地雷达等方法主要根据地层电性、弹性和空间构造间接判断是否存在水害隐患，不具备直接和定量预测的能力.利用MRS技术进行灾害水源的超前探测是MRS应用的新领域，当前还处于理论研究和试验阶段，有许多技术难题需要攻克.近年来，李振宇等(2006)根据堤坝渗漏、滑坡与水活动的相关性，以及MRS技术探测含水层位置、含水量、孔隙度等水文地质参数的优越性，利用NUMIS仪器在三峡库区率先开展了滑坡地下水变化特征及滑坡稳定性研究，之后吉林大学基于自主研发的JLMRS-I仪器也开展了相关研究.2010年，林君等利用JLMRS-I找水仪对吉林长松岭隧道进行了实地测量，测量结果与实际含水状况基本吻合.2011年，Greben等正演计算了矿井突水模型，认为在当前技术条件下，矿井突水MRS超前探测技术面临严峻挑战，只有在噪声干扰很小的条件下，才能实现有效探测.显然，如何突破矿井/隧道空间狭小、噪声大等限制，开发特定环境下适用的探测仪，是灾害水源MRS超前探测技术未来最具挑战性的发展方向.

地下水污染监测是MRS技术又一个有潜力的应用方向，可为地下水环境监测发挥重要作用.地下水污染有多种形式，主要包括金属污染、有机污染、海水入侵等，MRS技术用于地下水污染监测时，常与瞬变电磁法、电阻率法、激发极化法等其他物探方法配合使用，根据地下水电阻率等物性参数的变化来区分咸淡水，圈定有机污染物的污染范围和程度.2007年，Hertzog等运用NMR测量技术描述、监测和评估了近地表多孔隙环境下水与非水溶性有机溶剂的混合液体的动力学机制，并尝试使用横向弛豫时间T₂鉴定近地表是否存在非水溶性有机溶剂，为MRS技术应用于地下水的有机污染监测提供了可能.海水入侵源于人为超量开采地下水，造成水动力平衡被破坏的结果，目前，全世界已有几十个国家和地区的几百个地方出现了海水入侵问题.海水入侵轻则导致地下水水质变咸，土壤盐渍化，灌溉机井报废，荒地面积增加，重则还会导致工厂、村镇整体搬迁，入侵区成为不毛之地(郭占荣和黄奕普，2003).当前，已有学者探索性地运用MRS技术进行海水入侵监测，2009年，Legchenko等针对上世纪80年代以来，死海南部海岸岩溶坍塌频发的现象，联合运用瞬变电磁(TDEM)和MRS方法，试图评价地质学家提出的盐溶解模型导致坍塌的解释理论，探测结果不支持盐溶解模型解释理论，并获得了咸淡水分界面和坍塌易发区，给坍塌事故的防范提供了宝贵建议.2012年，林君等利用JLMRS仪和瞬变电磁仪(ATEM-Ⅲ)在辽东湾开展了海水入侵探索性研究，推断出咸淡水过渡的分界线，对成井井位的选择也给出了很有参考价值的建议.

MRS技术还有一个重要的应用方向就是作为辅助性手段，辅助地下水的管理或为其它物探方法提供解决问题的有用信息.2003年，国家863计划《考古遥感与地球物理综合探测技术》课题以秦皇陵区为研究对象，该项目的专家曾运用遥感、物探等多种方法，对秦皇陵区地宫进行无损探测，均不能确定地宫中有没有进水.李振宇等(2004)在其它物探方法所获结果的基础上，首次将MRS技术运用于考古，查明了封土堆下的含水情况，得出地宫中没有进水的结论，为地宫完好性的推断提供了重要依据，给考古工作提供了重要的指导作用.尼日尔西南部地区广泛分布着松散的砂岩地层，2009年，Boucher等联合使用电阻率层析成像(ERT)，TDEM，电阻率测井，MRS等多种方法，进行地层包气带的水动力学过程和地下水数学模拟研究，依据MRS获得的渗透率和含水率等信息，降低了地下水数学模拟所使用的含水层参数的自由度，并修正了地下水补给估计模型的参数，结合野外观测、抽水测试等手段，最终估算出由地下水位长期变化引起的区域性地下水补给量，为尼日尔西南部地区地下水的平衡使用提供了宝贵建议.

5 MRS技术展望

地面核磁共振技术成功应用于地下水探测还不到30年，尤其是商品化仪器问世只有15年左右的时间，自身发展还不够成熟，在抗干扰能力、勘探深度以及探测精度等方面仍然存在较大的局限性，这限制了MRS技术在全世界的应用范围和影响力.从事MRS技术研究的国内外学者们，为了扩大它的影响力和应用范围，推动MRS技术取得更大的进步，更好地造福于人类，正在付出艰辛的努力攻克各种难题.为此，他们专门组织举办国际MRS学术研讨会，迄今为止研讨会已成功举办5届，最近的一次于2012年9月在德国汉诺威成功举办.由于MRS技术当前存在的局限性，加之进口仪器价格昂贵，目前我国引进了磁共振测深仪的科研院所和生产单位还比较少，MRS技术在我国的影响力还远小于其它地球物理方法，只有吉林大学和中国地质大学(武汉)相对投入了较多的研究精力，国内研究的理论水平和实际应用程度还与德国、法国、美国等国家存在一定差距.对于这项具有广阔发展潜力和应用前景的新技术，我国应及时投入更多人力、财力、物力，加大理论研究和仪器研发的力度，加强科研院校、生产单位之间的交流合作，以推动MRS技术更加快速地发展与完善，促进它在地下水探测、地下水管理与污染监测、水文地质调查等方面发挥更大的作用.笔者依据历次研讨会出版的论文集和近几年国内外学者的研究动态，认为MRS技术未来的研究方向主要有： 1)进一步开展地下介质导电性不均匀且存在地形影响的更符合实际情况的2/3D正反演研究，探索具有更快运算速度且精度更高的2D/3D正反演方法，弥补当前MRS技术2D/3D成像应用的不足，为早日实现复杂地质条件下的2D/3D地下水探测奠定理论基础. 2)目前，MRS方法还很难突破150 m的探测深度，应设法在软硬件方面进一步增强现有仪器的性能，提高仪器探测精度和深度，进一步缩短死区时间，通过研发新型的现代信号检测与处理技术大幅提高仪器的抗干扰能力，争取早日突破深层地下水探测这一技术难题.在不断拓展MRS技术应用领域的同时，针对不同的应用领域研发相应仪器. 3)建立NMR弛豫时间与水文地质参数之间以及不同弛豫时间T₁，T₂以及T^*₂之间更加可靠的关系，借鉴NMR在核磁共振测井等方面的应用成果，并联合其他地球物理方法进一步提高MRS方法在水文地质调查中的可靠性与应用效果. 4)运用孔隙尺度数值模拟与实验室地磁场核磁共振测量等方法进一步深入研究孔隙大小、磁化率等因素对NMR信号以及弛豫过程的影响机制，特别是地磁场不均匀对NMR信号的影响，引进自旋回波等新型测量技术，改善MRS技术在磁性岩地区的应用效果.

地面核磁共振是一种当前被广泛关注，属于较尖端较前沿且具有一定学科交叉性质的新技术，整个学科的发展还受到测控技术、软件技术、工程水文地质、岩石物理学等相关学科的制约(戴苗，2008).目前磁共振测深技术还在不断发展与完善当中，其在地学(特别是地球物理领域)中的应用也正在不断扩展，相信在全世界相关学者的共同努力下，MRS技术当前存在的局限与难题终将攻克，它在地下水探测、水文地质调查、灾害水源的超前探测等领域一定会获得越来越广泛的应用而造福于人类.

致 谢 感谢审稿专家帮助和支持.