基于结构约束和参数耦合的磁共振与探地雷达联合成像研究

Groundwater exploration and development are one of the core issues in China's economic development and ecological construction. As the only direct detection method of groundwater, magnetic resonance sounding (MRS) has obvious advantages in the quantitative assessment of aquifer properties. However, the low resolution is a key issue of MRS inversion, making it difficult to delineate aquifer boundaries. Considering the advantage of ground penetrating radar (GPR) in sensitive to the structure, a joint imaging method of MRS and GPR data based on structural constraint and parameter coupling is proposed. In this project, we build the coincident mesh division method and constraint scheme for matching aquifer boundaries, and explore the coupling relationship between the hydrological parameter and the dielectric constant. Therefore, based on the "structural-parameter" iterative strategy, the research will realize high resolution imaging and interpretation for shallow groundwater. Subsequently, synthetic examples and field measurements are used to verify the effectiveness and practicability of the proposed method. The establishment of structural mesh and constraint solves the contradiction between the smooth model and the sharp boundary of the MRS inversion. Meanwhile, joint imaging of MRS and GPR based on complementary mechanisms settles the problem of non-uniqueness of the inversion. This project will provide a new joint imaging method and propose a novel scientific research idea of innovation on MRS and GPR data based on structural constraint and parameter coupling. The new joint imaging method will support the key science and technology foundation for rapid and high resolution groundwater resources prospecting in China.

地下水勘查和开发是我国经济发展及生态建设的核心问题，磁共振（MRS）作为唯一的地下水直接探测方法，在定量评估含水层属性方面具有明显优势。本项目针对MRS反演结果分辨率低，难以划定含水层边界等问题，鉴于探地雷达（GPR）对地层结构敏感，但无法直接获取水文参数的特点，提出基于结构约束和参数耦合的MRS与GPR联合成像方法。研究匹配地层边界的剖分网格和约束方案，探索水文参数与介电常数的耦合关系，形成“结构-参数”互补机制的循环迭代策略，实现浅层地下水精细成像和解释，并通过野外实验验证其有效性和实用性。结构网格和约束条件的建立，解决了MRS反演中光滑模型与尖锐边界的矛盾；互补机制的MRS和GPR联合成像方法，避免了反演结果的非唯一性。本项目的实施将提供一套MRS和GPR联合成像新算法，开拓地球物理反演中结构约束和物性耦合联合应用的创新思路，为我国实现快速高精度地下水资源普查提供关键科学技术支撑。

在进行浅层地下水探测时，GPR方法能够获得含水层的结构和边界信息，而MRS方法能够获得含水层的含水量和孔隙分布信息。但是两种方法都存在自身的局限性，MRS方法对含水层边界的反演分辨率较低，GPR方法无法直接获得准确水文参数。因此，本项目提出基于结构约束和参数耦合的浅层地下水MRS与GPR联合成像方法。首先建立了MRS与GPR针对同一地下水体的正演模型，实现了利用统一的剖分网格进行有限元计算。其次，利用GPR走时数据获得地质结构信息，作为MRS二维模型正演的网格边界和反演约束条件，以达到网格完全匹配地质构造边界的效果。进一步，通过水文参数与介电常间耦合关系，将MRS反演结果作为GPR成像的先验信息，形成互补机制的循环迭代联合成像方法，避免了多种地球物理数据单独反演结果不一致的问题，实现了MRS和GPR高精度联合成像。最后，利用德国Schillerslage地区MRS、GPR和钻探综合地下水探测数据，验证了算法的有效性。基于本项目的研究内容，任务执行期间发表SCI论文8篇（第一作者4篇），核心论文3篇。授权相关发明专利5项（第一发明人1项），申请4项（第一发明人2项）。形成MRS和GPR联合成像方法1套，完成DataProcessor 数据处理和JLMRSInversion 反演解释软件2套，培养博士研究生1名，硕士研究生2名。本项目的研究内容解决了传统MRS反演分辨率低、边界模糊及GPR无法直接获得水文参数的难题，突破了复杂地质环境中多种地球物理反演结果非唯一性的瓶颈，无论对于MRS技术还是GPR技术向更广阔的应用领域推进，都具有重要的科学意义和实用价值。