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自1946年核磁共振现象(Nuclear Magnetic Resonance,缩写为NMR)的发现到现在的50多年时间里,NMR技术已经成为当今世界上的尖端技术。NMR技术已应用到了多个领域。其中在地学方面的应用重要包括地面核磁共振(Surface Nuclear Magnetic Resonance,缩写为SNMR)、质子磁力仪、NMR波谱仪、岩心测试仪、NMR测井等。NMR方法直接探查地下水是该技术应用的新领域,1978年前苏联以A G Semenov为首的一个科学家小组开始利用NMR现象研制Hydroscope找水仪,开创了地球物理方法直接找水的先河。随后一系列SNMR仪器,包括Hydroscope、NUMIS等,也相应研制成功,它们为地球物理工作者提供了研究地下水的工具。
在这30年的时间里,SNMR方法成功的在世界各地探测到了地下水,特别是在地下水资源评价等方面取得了明显的地质效果。并且它可以用来求取水文地质中十分重要的参数-渗透率k,这是一个在水文地质、工程地质中都很重要的参数,许多其它水文地质相关参数都是建立在它的基础之上的,例如:导水系数,导压系数等。这种应用使得水文地质、工程地质工作在定量化方面也取得进展。并且由于SNMR方法可以做到无损测量,大大地拓展了SNMR方法技术的应用领域。
然而,由SNMR方法求取渗透率还没有达到一个十分精确的程度。这主要在于根据SNMR观测资料求渗透率的Seevers公式k=CФT<2>中的参数C的取值问题。一般情况下科技工作者们习惯使用由前人用试配法得到结果:C=2.2。但是这是一个很普遍数值,是不能完全适用于一些局部的,特定的区域或不同的岩性,从而使所求得渗透率与实际的数值出现一定误差。因此科学工作者们想到这样一种方法:在实验室中,利用某区域内的多个钻井资料获得符合该区域的渗透率的数值。这种方法比较准确,但是耗时耗力耗材,只适用于大型的石油部门。而对于要求快速,经济,环保的水文地质部门,则希望能够少打钻,不打钻就可以得到某区域内较准确的渗透率。
本文就试图将这两者统一起来,即利用现有的钻井资料或岩性的经验渗透率值以及SNMR观测数据,通过不同的统计方法,得到对应不同区域和不同岩性的较为准确的C值范围。本文将这种求取渗透率的方法编制成软件,做到可视化。
本文涉及到了多个学科:地球物理学,水文学,物理学,数学,统计学,灰色理论和计算机学等学科,具有学科交叉性。利用SNMR数据求取渗透率是地球物理工作者和水文、地质工程工作者十分关注的前沿课题,目前尚未见到利用灰色理论、结合SNMR方法求取渗透率的文献和报导,因此,本研究具有前沿性;本研究从实际科学问题出发,提出一种新的求取渗透率的方法,具有一定的实际意义。本文首先从SNMR的基本原理和工作原理开始。在第二章第一、二节里,简单的叙述了SNMR的原理以及如何在野外展开工作。然后在第三节介绍了渗透率以及相关的几个水文地质参数的推导及意义,以及参数间的换算关系。
在第二章第四节里,介绍了SNMR观测数据中的三个重要的数据:信号初始振幅E<,0>(q)(nv),信号的衰减时间T<*><,2>(ms),信号的初始相ψ<,0>。在第四节中本文从理论上阐述了三个数据如何得到以下水文地质参数:含水量(有效空隙度),渗透性(孔隙大小),地下岩石电阻率,以此,我们将SNMR观测数据和渗透率联系了起来。本文利用Seevers公式求取渗透率。公式中的Ф即为由信号初始振幅E<,0>(q)反演得到的含水量,而T则直接为信号的衰减时间T<*><,2>,而C值却是随岩性,空间变化而变化的。而单纯的取C=2.2和利用钻井资料都各有各的不足之处。因此我们需要有一个在准确的范围内可以变化的C值或者范围。
在第三章我们引入两种统计方法来得到这个C值范围。一种方法是基于最小二乘法的回归方程。它通过各种方法,例如:差分、迭代、选取正确的自变量、通过计算残差选取经验公式等方法来提高回归方程的准确度,获得正确的回归模型。另外一种方法就是最近几十年兴起的灰色理论建模方法。它的最大好处在于它针对的就是贫信息,小样本的情况,恰恰弥补了回归建模中的样本越大才准确的缺点。也正好弥补了本文中给出的数据不大的缺陷。它通过累加,累减,级比,均值等方法扩大信息量。然后利用这些信息建立了数据的GM(1,1)模型。
由于数据较多,并且两种方法的计算步骤十分复杂。在第四章本文利用VC++将两种计算方法编制成软件。并将两种模型以方程的形式显示出来。
在做完这些工作以后,我们利用已有的数据使用本文的统计方法,进行计算。首先使用基于最小二乘的回归方法,得到的模型基本符合实际情形。但是误差有些偏大。然后使用的灰色理论,模型和误差都比较令人满意。最后我们将部分经过灰色理论处理过的数据代回第一种方法进行再次回归,得到了满意的结果。