自1946年核磁共振(Nuclear Magnetic Resonance，缩写为NMR)现象的发现到现在的50多年时间里，NMR技术已应用到地学、物理学、化学、生物学、医学等领域。在地学方面的应用包括地面核磁共振(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。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，到现在也过去了近30年。在这近30年的时间里，SNMR方法成功的在世界各地探测到了地下水，并能一定程度的对地下含水层做出定量评价。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。然而，SNMR技术并没有发展到十全十美的地步，它仍然有着较大的局限性，这种局限限制了SNMR方法在更广泛范围的应用。地球物理工作者需要研究这种局限并试图突破它，以使SNMR方法获得新的发展。SNMR方法的局限性主要表现在它的抗电磁干扰能力、勘探深度以及探测精度问题。众所周知，目前所有的SNMR仪器均以一维解释为理论基础，即假设地下水呈层状分布，继而分层获取含水层的信息。这种假设显然不能总是成立，因为地下水的储存结构一般来讲都是比较复杂的三维体。当然我们可以把这种三维结构体看作水平层状含水层去探测，但这样必然会在探测精度上产生比较大的误差，这种误差限制了SNMR方法的进一步应用。这正是前已述及的目前SNMR探测理论的局限性之一。本文试图突破这种局限性，即研究提高SNMR方法的探测精度。为给复杂结构的地下水精确定位，首先需要研究该复杂结构含水体的SNMR响应，归结为地球物理术语，即研究三维含水体的地面核磁共振的响应特征三维正演，这正是本文的研究内容。本文先从原子核的磁性开始，介绍了NMR现象和SNMR方法。进而基于Bloch方程和电磁互易原理，导出了SNMR信号表达式。第三章主要研究SNMR方法的激发源，本论文主要考虑发射线圈为圆形线圈和地下介质电性均匀的情况下，对于地表大回线源，研究其载有Lamor频率脉冲电流时在地下介质中产生的激发场。作者在第三章对激发场做了较深入的研究，其中主要的难点为磁场表达式的快速计算，因为表达式中包含两个Bessel函数的乘积。Bessel函数具有强振荡与慢衰减的特征，两个Bessel函数的乘积加剧了这种特征，使得对其积分变得相当困难。为解决此问题，本文最终选择了华军的计算方法，经过验算，该算法能实现双重Bessel函数积分式的快速计算，且具有较高的精度。第四章第一节介绍了本文采取的计算方法，其中给出了两种网格化方法，并分析了它们的优缺点。第二、三、四节主要对垂直场、扳倒角、三维核函数进行数值模拟，得到它们在空间上的分布，进而得到不同参数对其的影响。第五节采用本文的三维正演方法计算一维情况，通过与NUMIS自带软件的结果的对比，验证了本文计算方法和思路的正确性。在此基础上，第六节正演了几种三维地下水模型。首先根据实际地下水类型建立几种典型三维含水结构体模型，然后变化其含水情况和储水环境，计算其在不同含水状态下的SNMR响应。通过对其振幅曲线和相位变化的分析，获得一定的特征认识。第五章结合目前国际上的研究前沿和SNMR方法发展的下一步趋势，探讨SNMR分离线圈工作方式下，几种地下水模型的SNMR响应。首先对不同发射接收线圈条件下，水平含水层的SNMR响应进行了正演。然后对地下暗河模型上方，不同测点位置的SNMR响应进行了数值模拟。通过对以上几种探测模式下各测点SNMR响应的分析，对分离线圈探测目标异常体的能力获得了一定的认识。综上，本论文针对目前SNMR方法资料解释工作停留在一维解释水平、理论研究正进入二维正反演领域、尚未突破三维正演的现状，对SNMR三维正演进行了较深入的研究。本文创新点为1．采用华军的计算方法实现了激发磁场表达式的快速计算，2．在此基础上作者分别应用柱坐标网格和笛卡尔坐标网格编程实现了SNMR的三维正演。该程序在微机上运行速度快、精度高，正演效率与NUMIS一维正演软件相当。3．作者根据地下水类型建立共19个地下含水体模型，用该程序进行正演，获得其收发共圈SNMR的响应，通过对该响应的分析得到一些具体的结论。4．对分离线圈工作方式下含水体的SNMR响应进行了一定程度的探讨，计算了发射、接收线圈为不同半径时的SNMR响应，并针对地下暗河模型用数值计算方法获得了地表一条SNMR测线共5个SNMR测点的暗河模型的SNMR响应。对分离线圈工作模式下的SNMR响应特征获得了一些初步的认识，这为将来进一步开展分离线圈SNMR工作方法与理论的研究打下了基础。应当指出，虽然本论文对SNMR三维正演进行了较深入的研究，但计算前提中假设发射、接收线圈为圆形大回线，三维含水体赋存在均匀半空间中。建议对更复杂的地电条件下的三维正演，继续开展研究工作。