前　　言
　　水资源是人类赖以生存的最重要的自然资源之一，也是国民经济发展所不可替代的战略资源。我国幅员辽阔，水资源总量虽然比较丰富（居世界第六位），但人均拥有水量只有世界人均占有量的1/4 。
　　我国西部地区，特别是西北地区生态环境脆弱，水资源极为紧缺。因此，在我国西北地区寻找地下淡水，并快速地评价全国地下淡水资源是目前地质工作者，也是中国地质调查局义不容辞的重点任务之一。
　　寻找和评价地下淡水资源的方法很多，有地质的、物探的、钻探的、遥感的和化探的，等等。其中，物探是先行方法，钻探是压轴方法，地质方法则贯穿于全过程。改革开放以来，我国引进了一批先进仪器、设备和软件，已拥有国际上大部分先进的勘查方法技术，但普及率很低，目前仍有少数地质调查急需的先进方法技术尚属空白，特别是还没有适合于西部地区快速找水的航空TEM 技术。
引　　言
　　联合国最近的一份报告认为，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。我国淡水资源形势更为严峻，人均淡水资源占有量低于世界平均水平；面临缺水问题的人口比例高达 40%以上；西部大开发的关键制约因素是淡水资源的不足和家底不清。因此，在我国北方干旱、半干旱地区和西南岩溶地区寻找地下淡水以及高效、廉价地评价全国地下淡水资源是地质工作者，特别是中国地质调查局义不容辞的重点任务之一。
　　寻找和评价地下淡水资源的方法很多，有地质的、物探的、钻探的、遥感的和化探的等等。依据实践的效果判断，最有效的主要方法组合是地质+物探+钻探。其中，物探是先行方法，钻探是压轴方法，地质方法则贯穿于全过程。本期情报介绍的新方法新技术属于物探方法和钻探方法，因此下面只介绍与这两种方法有关的内容。
　　重力、磁法、电法、地震、放射性和地温法六大类物探方法都可用于寻找地下水和进行地下水资源评价。其中，应用最早和最广的是各类电阻率方法。1950 年，顾功叙先生主持采用直流电阻率方法在北京石景山地区找水，是我国物探找水的开端。直流电阻率方法，特别是直流电阻率测深方法在20 世纪90 年代以前，始终是我国物探找水的主导方法。20 世纪70 年代，水电部和地质部合作，曾在华北和西北广大平原、盆地开展直流电阻率法找水工作。这期间在物探推断结果和地质成果的基础上，共打水井200 万眼。其中河北、山西、内蒙古、河南、山东、北京、天津五省（区）二市共计打井100 万眼，提水总量相当于黄河年径流总量。打井高潮期间，上述五省（区）二市共计出动近1000 个电法台班，电法找水为我国北方农业生产做出了重大贡献！除此以外，到目前为止，以直流电阻率方法为主的物探方法，已经在全国各地61 个城市和工矿企业大、中型地下水源地的发现和评价中发挥了重要作用。
　　在国外，寻找地下水也常采用电法。最成功的例子是在非洲撒哈拉大沙漠中采用航空电磁法找到了规模很大的古河道型淡水储层。
　　直流电阻率方法的找水效率低、成本高，易损坏植被，适用于小工区范围。若工区范围大，则采用不损坏植被的航空电磁法。西方国家多采用电磁法找水。自21 世纪90 年代开始，我国也出现了直流电法被电磁法逐渐取代的趋势。
　　电磁法也是一种电阻率方法，但其场源不是直流电源，而是交变的电流或磁场。由于两者测量同一物性参数，找水效果是类似的。这一方法在我国生产中应用时间虽然不长，投资强度不大，但已经取得一批找水成果--目前已有4 例电磁法在发现和评价大、中型地下水源地中发挥了重要作用的报道。电磁法相对于直流电法的最大优势是轻便、快速、成本低；特别是它可以采用航空作业方式，其快速、低成本的特点得以充分体现。
　　地面电磁法虽比直流电法轻便、快速、成本低，但是在交通、住宿不便的荒漠区（大西北的大部分地区就属于这类地区），工效远不如航空电磁法。因此，若要快速、廉价地评价我国北方干旱、半干旱地区的地下水资源，最优方法是航空电磁法。我国自行研制的和引进的航空电磁法，在河北平原、黄河口和河西走廊等地区寻找地下淡水资源工作中，已显示出其有效性和优势。但由于都是频率域方法，勘探深度偏浅，只有50 ~ 100 米，已不适应西北和华北地区地下淡水主要评价目标层大于100 米的现状。
　　因此本期情报推荐一种新的航空电磁法--航空TEM方法，又称为航空瞬变电磁法或航空INPUT 方法。这是一种时间域电磁方法，测量参数也是地层电阻率，但勘探深度可达300 ~ 500 米，满足我国西北和华北地区评价地下淡水资源的要求。美国已成功用于其荒漠地区水资源评价工作中，我们将重点介绍美国的应用实例。除电阻率方法外，我国自 20 世纪70 年代开始，还开发了一些具有中国特色的物探找水方法。其中，以激发极化法和核物探方法（α卡法等）效果最佳，应用最广。电阻率法、激发极化法和核方法均属于间接找水方法--它们测量的参数与水间接相关，是通过寻找可能含水的地层、断裂实现找水的。间接方法多解性强，误判率高，这是由方法原理决定的，不是通过提高工作者水平能完全克服的。
　　近年来，由俄罗斯物探专家原始创新，在法国形成商品化产品的核磁共振找水方法，是一种直接找水的物探新方法。这种方法目前虽然勘探深度偏浅（约100 米左右），效率低，不适合用于大面积评价，但由于成功率高，又可给出含水量参数，受到物探工作者的重视和欢迎。本期情报也将详细介绍这种方法的原理和应用实例。引进、开发这种方法技术，对解决缺水村寨和工矿企业的燃眉之急，能起到雪中送炭的作用。
　　物探找水给出的结果是推断成果，推断成果是否正确，需经钻探验证证实。另外，找到水源地后，需成井后才能被利用，因此钻探方法在找水中的作用也是不可替代的。钻探方法是经典的地质勘查方法，虽历史悠久，却也在不断创新。落后的和先进的钻探技术其效率、成本、质量相差悬殊。因此在找水工作中，必须不断引进先进的钻探技术，特别是在钻探施工困难的干旱地区--钻探本身也将遇到缺水的困扰，需要不用水或少用水的技术。本期情报另将介绍的就是这样一种不用水或少用水的空气反循环钻进技术。
    航空时间域瞬变电磁方法技术及其在找水中的应用
　　随着经济建设的发展和人民生活的改善，人们对水资源数量和质量的要求都在不断提高，水资源紧缺问题日益突出。在我国西部大开发中，解决水资源是战略性的首要问题，水资源的勘查和开发利用是开发西北广大干旱地区的基础。依靠常规的找水方法，从时间、成本和效果上都难于满足当前的需要。
近几年来，在世界各地干旱地区找寻地下水的勘查中，一种原来主要用于寻找良导金属矿床的航空物探技术--航空时间域瞬变电磁方法技术得到广泛应用，并取得了良好的效果。这种方法由于工作效率高，便于大面积工作，且成本较低，勘探深度较大（一般可达300~ 400 米，甚至达500 ~ 600 米），发现和区分能力较强，越来越受到水文勘查工作者的青睐。这种方法在美国、澳大利亚、非洲和亚洲等国家的找水工作中，尤其是在沙漠干旱地区的找水工作中发挥了重要作用。
1. 方法特点
　　（1）测量参数
　　由于含有不同盐分的地下水和不含水的岩石，具有明显不同的电阻率差别，通过测量人工激发的电磁场，再转换成地下视电阻率的分布，并结合当地水文地质的有关信息，给出当地地下水的分布状况，这是目前常规电磁法找水的基本原理。航空时间域瞬变电磁方法是通过安置在飞机上的发射和接收线圈，在空中飞行时从接收线圈观测在发射脉冲电流间断期间磁场随时间的变化，来了解地下从浅到深的电性变化或转换成视电阻率分布。它通常测量发射脉冲电流间断期间水平或空间三个方向的磁场随时间变化的场值，Hx(t)、Hy (t)、Hz(t)（这里t=t1、t2、t3…等，t1、t2、t3…是距发射脉冲电流间断时的时间），或者利用相应的软件，将磁场随时间的变化曲线转换成不同深度的视电阻率值。
（2）测量方式
　　航空时间域瞬变电磁方法通常是将一个多匝导线的发射线圈固定在飞机的鼻尖、两翼尖和尾锥上，由发射机向发射线圈通以强大的脉冲电流，从而在周围空间产生强大的脉冲一次电磁场（相当于一个垂直磁偶极子的场）；而接收线圈安装于拖吊在飞机后面下方的吊篮中，在发射脉冲间断期间测量异常体产生的随时间衰减的二次场水平分量或全部空间三个分量，这两部分组成航空时间域瞬变电磁系统。发射电流脉冲形态可以是方波、间歇的半正弦波或梯形
波。为了测量脉冲间断期间不同时间的二次衰减磁场的变化规律，系统的接收部分通过许多时间窗口（称为道），分别采集从脉冲间断后不同时间的信息，一般早道为早期时间，晚道为晚期时间。为了提高系统的空间分辨能力，近些年研制的系统接收部分多采用两个垂直和一个水平线圈的三分量测量。
（3）主要优点
　　这种方法的主要优点除勘探速度快、利于大面积工作，相对成本较低，有利于作为实时监测地下水和环境状态的手段外，由于观测点离地有一定高度，浅层影响减小，加上时间域电磁方法压制干扰和区分异常能力较强，勘探深度大也是其突出特点。
（4）方法的成果
　　这种方法一般绘制剖面线的Hx(t)、Hy(t)、Hz(t)的不同时间叠加的剖面图，供进行定性解释时使用；为进行定量解释，通过软件转换，制作沿剖面线的视电阻率剖面图和地电断面图，并通过面积性测量得到三维电阻率结构图；通过与已知的水文地质资料结合对比，还可给出这种方法解释的水文地质断面或平面图。
2. 找水效果
　　鉴于航空时间域瞬变电磁方法的上述优点，该方法在世界许多国家和地区水资源勘查和环境监测中得到了广泛应用。美国、澳大利亚等国已将其作为水资源勘查和环境监测中的主要手段之一。近几年，在西澳大利亚利用航空时间域瞬变电磁系统进行了大量的飞行测量，主要用于解决水文地质和土地管理问题，包括水资源评价、土地含盐度评价以及预测和处理，并与GIS 技术结合为农业规划服务。西澳大利亚州政府已把航空电磁-磁测量作为政府土地管理工作的一个重要组成部分，定期在州内进行监测。在昆士兰和维多利亚等州，也为解决水文地质调查和农业规划进行了大量航空电磁-磁测量。为了解目前国际上航空时间域瞬变电磁方法在寻找地下水中的重要作用，下面我们以美国西南部利用航空时间域瞬变电磁测量调查地下水状况的实例为主，介绍近几年国外在这方面应用的情况，这部分内容主要取自美国地调局Juff Wynn 发表的文章和部分地球物理公司的介绍。
实例一：美国西南部地区
　　在美国西南部亚利桑那州南部地区，对地下水的提取已开始超出有限的地下水补给，评价地区含水层正日益成为该地区的首要任务。
（1）地区特点和工作目的
　　该区的主要河流圣佩德罗河起源于墨西哥Sonora 州北部，流入亚利桑那州南部（图2 和3），最后与希拉河汇合。其东部靠近Mule山脉，西部靠近Huachuca 山脉，是地下水主要的补给源区。因为河谷和周围的峡谷是一个大的生物差异性带，因此美国国会于1988 年在此建立了圣佩德罗国家湖滨保护区，以保护候鸟群迁移路径所需要的地表水。自十九世纪八十年代以来，美国在Fort Huachuca 保持一个基地。基地从圣佩德罗河河谷地区含水层获得所需用水。基地附近有几个住宅区，最著名的是谢拉维斯塔城，往南是墨西哥巨大的卡纳内阿斑岩铜矿，也使用该地区同一个含水层。此外还有农业和畜牧业的用水需求。有文件证明，该地区地下水补给和提取之间的不一致，将威胁到圣佩德罗河的生存能力和候鸟的飞行路线。为了对保护区可能的威胁进行评价，周围群体、矿业、美国军队和当地社会团体普遍认为，了解地区含水层的精确信息是做出任何保护决定的先决条件。为此美国地调局进行了致力于地下水填图的航空地球物理测量。
（2）采用航空时间域瞬变电磁方法的依据和简况
　　之所以选择航空时间域瞬变电磁方法，主要是因为该地区地形起伏不大，地表十分干旱，表层电阻率较高；该地区位于美国西南部，其饮用地下水含有较多的矿物质，比美国东部或西北部的地下水导电性更好；该地区与美国其它地区相比，人文干扰较小。如果含有一些矿物质的地下水，处于很少或没有人文干扰的条件下，非常适合于采用航空时间域瞬变电磁方法进行工作，通过大功率的航空电磁系统（AEM）的测量有可能直接给出地下水赋存状态的图像。为此，美国地调局于1997 和1999 年在圣佩德罗河谷美国一侧进行了航空地球物理测量。这些测量使用一台60 道时间域Geotem 航空电磁（AEM）系统和一台总场磁力仪。电磁系统的参数按航空电磁信号可能达到的最深穿透来设置。在Cypress 矿山山谷的墨西哥一侧，二十世纪九十年代中期由Terraquest 公司进行过航空磁测，这些数据最近已由美国地调局对外发布。
（3）工作效果
　　接收线圈在定向状态时与地表面共面，它将与水平状态导体呈最佳耦合。填出的图显示出覆盖河谷的近水平产出的良导沉积物和相对高阻沉积物。为便于了解地电断面，美国地调局通过一个电导率深度转换（CDT）软件对观测结果进行了处理，给出了沿飞行线的近水平地质体的电导率断面图。依据物性测量结果，推论这个导体是含地下水地层。导电较差的是（基本干旱）的沉积物及其下面的结晶基底。根据与实际井孔资料对比，沿这条剖面最大的穿透深度约为400 米。但在部分地区由于受到来自近地表的电力线和管道线的二次场影响，使测量的航空电磁响应饱和，压制了来自深部更弱的信号。
　　为提高解释的可靠性，美国地调局尽量对照附近水井的电测井来校准电导率深度转换。但由于在可得到这些数据的地方仅有九口水井，而受到限制。在距已知孔200 米以内航空时间域电磁测量结果，曲线为电阻率测深曲线与减去已知孔潜水面高程后深度的关系曲线。结果表明，电导率深度转换的电阻率最小值的位置与八口水井中的潜水面十分一致。然而有一口水井显然是由于半承压性质原因，有近100 米的长度不一致；该水井在靠近Huachuca 山前盆地的充填物有一个厚的未被水浸透部分；钻孔后水位上升使部分通道向上进入水井，给出一个假的潜水面。通过与九口水井电测井曲线对比表明，小于150 米深度时，航空时间域电磁方法的电导率深度转换的电阻率值与电测井曲线近乎一致，但是从150 米到约400 米的深度时，电导率深度转换的电阻率值偏高。在这个地区，潜水面深度可能随着来自Huachuca 山前的季节性补给而明显地波动。
　　美国地调局还利用航空时间域瞬变电磁测量的结果，绘制了电阻率断面图组合，该图具有三维显示功能。美国地调局还对附带进行和以前进行的两次磁测量数据，使用欧拉反褶积方法进行处理，得到了磁源深度。结果显示出基底地形十分复杂，典型的盆地和延伸型的地质构造易于识别。在大多数情况下，图上的深度代表结晶基底的深度。这种基底深度图可以供水文地质工作者用来评价盆地沉积物的潜在存储能力。它也用来指导其后规划地面电法测量，以评价圣佩德罗河谷各种次级盆地中地下水含量和地下水深度。
　　这次研究认为在美国西南部、墨西哥北部（可能还有中东、北非、印度次大陆和澳大利亚）干旱土地的盆地中，航空电磁和磁测方法能够用来填制地下水分布图。虽然有一些明显的干扰因素（主要是电力线和管道线），但一般情况下，航空电磁数据容易转换成可以显示地下水存在或缺失的二维电导率深度转换剖面。
　　从上面的例子中可以看出，这些断面能够在地面以下150 米深度以内定量地和在150 ~ 400 米深度上定性地填制地下水分布图。由于自压缩，沉积物的孔隙度趋向于随深度的增加而减少，这意味着航空电磁系统有可能图示出可用地下水的容积。此外还能够通过反演磁数据得到磁源深度。得到的磁源深度图，可以供水文地质工作者用来评价盆地沉积物的潜在存储能力。上述例子中，磁源深度大多数情况下被解释为结晶基底深度。
实例二：其它地区
　　澳大利亚World Geoscience 公司公布的许多实例表明，应用航空时间域电磁系统（QUESTEM）获得的数据，能够通过转换的电导率填图监测含盐度。最近，FUGRO 公司应用EM FLOW 软件对该公司在纳米比亚地区测量的QUESTEM AEM 数据进行了三维图像处理，该图展示了咸水和淡水的立体分布状况，其中良导的带状古河道反映明显。
3. 方法原理
　　根据电磁感应定律，导电体在一次电流脉冲场激励下会产生涡流，在脉冲间断期间涡流不会立即消失，在其周围空间形成随时间衰减的二次磁场。二次磁场的分布和大小，除取决于产生一次场的发射电流强度、形态、频率和发射线圈匝数、大小（它们的乘积称发射磁矩），以及发射线圈、接收线圈和异常体三者之间的相互空间位置以外，还与异常体的导电性、体积规模有关；而其随时间衰减的规律只取决于异常体的导电性、体积规模和埋深，以及发射电流的形态和频率。因此，我们可以通过水平或三个方向的接收线圈测量的二次场空间分布形态，了解异常体的空间分布；通过测量脉冲间断期间不同时间的二次衰减磁场的变化规律，了解异常体的导电性。当异常体导电性差、体积规模小时，二次场衰减快，早道信号明显大于晚道信号，并且往往在晚道时二次场已观测不到；而当异常体导电性好、体积规模大时，二次场衰减慢，早道信号虽然仍大于晚道信号，但相对变化小，往往在晚道时还可观测到二次场的异常。此外脉冲瞬变场是一种从脉冲间断开始，由发射线圈向外逐步传播的场，因此早道观测的场主要反映浅层的影响，而晚道主要反映深层的影响。我们正是利用上述异常的时间衰变特征，区分异常体的电性和埋深。为了解浅层导电性稍差的地质体的反映，要求尽可能测量到早期时间的信息，这就要求仪器系统具有良好的早期特性；而如需要了解较深的良导体的响应，仪器系统需要具有足够灵敏的晚期特性。当观测延时时间很长时，如达到脉冲间断30 毫秒后，则可能观测到地下地质体的激发极化特性产生的异常。这一点对于寻找地下水和异常
　　区分也十分有利。这种方法的勘探深度，除取决于异常体的规模和表层电性影响以外，主要取决于发射线圈的磁矩、发射频率和接收系统的灵敏度以及测量的延时范围。为了加大发射磁矩，一方面增大发射电流，但加大飞机的电负荷是有限的；另一方面增大发射线圈面积，这将增大飞机体积，使飞机更加笨重。另一种办法是增加发射线圈匝数，但匝数增大，将使相同功率下的发射电流减小，反而使发射磁矩减小。延长间断时间测量较晚期时间的信号，虽然可以加大勘探深度，但受到有用信号过小和接收噪音的限制，并且这要求降低发射频率，将使系统更加笨重。提高接收系统灵敏度和增长测量的延时范围也受到当前技术条件的限制。因此，目前为了取得大的勘探深度，往往选取大的飞机以加大发射磁矩，从而降低了系统的机动性，使得难于在地形起伏较大的地区开展工作，但在干旱沙漠地区往往可以取得好的效果。使用大飞机后工作虽然成本提高了，但由于速度快，便于大面积工作，勘探深度较大，相对成本明显低于地面工作，而且可以在人员难于到达的地区（如沙漠、沼泽）工作。
　　为了能够在地形起伏较大地区工作，国际上有多个公司正在研制利用直升机作为运载工具的时间域瞬变电磁系统，其发射线圈和接收线圈均吊挂在直升机下面，各自研制的发射线圈和接收线圈之间的分布形态不同，据说勘探深度可达300 ~ 400 米，但目前尚无商业产品。
4. 硬件系统
　　目前，国际上商业用的固定翼时间域航空电磁系统主要有TEMPEST、GEOTEMR、GEOTEM DEEPTM、MEGATEM、QUESTEMR 450、SPECTREM 等系统。
（1）TEMPEST 电磁系统
　　这是由澳大利亚WGC 和CRC AMET 最近共同研制的目前世界上最先进的轻型固定翼飞机吊舱式数字电磁系统。主要技术指标：基频25 赫兹，发射线圈面积186 平方米，发射脉冲宽度10 毫秒，断电时间10 毫秒，峰值电流300 安，最大发射磁矩55,800 安平方米，采样间隔13μs，半周期采样1500 次，飞行高度120 米。系统选用Trislander 轻型飞机，野外作业时较为灵活。
它的主要特点是：
　　方波发射，通电和断电时间各50%，收录信号采用75 千赫兹的高采样率，应用先进的信号处理技术，获得了很低的噪声水平，改进了地面响应和数据处理；
　　测量地下地质体的电磁响应频率范围是25 赫兹~37.5 千赫兹，覆盖了高频系统和低频系统的频率范围，宽脉冲提高了对地下导电体的鉴别能力；
　　精确监视系统几何形态变化给地下响应带来的影响，包括测量发射线圈与接收线圈的方向，用来补偿由于系统几何形态变化给地下响应带来的影响。
　　该公司在昆士兰州北部应用TEMPEST 系统进行了三维电导率填图。经过数据处理，绘出了地下300 米深的WALFORD WEST 导体，并在其南部几公里处圈出地表下约400 米深的导体。去年8 月在佩斯城东南方向的Toolibin 湖区作了试验性飞行测量，取得了较好的效果。
（2）GEOTEMR 电磁系统
　　该时间域数字电磁系统由加拿大原Geoterrex-dighem 有限公司生产。经过数十年的获取、处理和解释的实践检验，它是目前世界上该类方法使用最多的系统。GEOTEMR 是带有高速数字EM 接收机的拖吊电磁系统，EM 一次场是由馈送到固定在飞机鼻尖、翼尖和尾部的三匝低阻抗发射线圈中的脉冲电流产生的。发射一次场是不连续的半正弦脉冲，脉冲宽度0.6 ~ 4.0 毫秒，峰值电流750 安，偶极矩6.5×105 安平方米。接收机是由放置在吊舱中的三个相互垂直线圈组成的，为了减少噪声，吊缆被去磁。接收机每半周期采集128个数字样，它被分成20 个时间道，时间道的中心和宽度是由软件选择的，可以是发射机脉冲供电和断电的任何时间。为了确保后来叠加的恒定极性，采样系统每半周期转换。 GEOTEMR 被安装在CASAC212-200 双螺旋桨STOL 飞机上，具有较好的爬升和下降能力，能应用在以前固定翼平台达不到的地区，最大勘探深度350 ~ 400 米。
（3）GEOTEM DEEPTM 电磁系统
    GEOTEM DEEPTM是在GEOTEM系统的基础上发展起来的一套时间域固定翼飞机吊舱式数字电磁系统。脉冲宽度增加到4 毫秒，在原系统5 个基频的基础上，又增加了2 个低频（25/30 赫兹）。断电时间延长到16 毫秒，系统功能进一步增强，可以记录到导电覆盖下深部目标的微小响应。偶极矩增大到831,600 安平方米，大大增加了穿透深度。而且由于新系统的信噪比提高了十倍，也增加了穿透深度。尽管穿透深度和测区的导电特性有关，GEOTEM DEEPTM 在许多地质条件下可达400 ~ 500 米的穿透深度。
（4）MEGATEM 电磁系统
　　GEOTEM 和GEOTEM DEEPTM 系统是安装在CASA212STOL双涡轮螺旋桨飞机上。但一些地区的高度和温度超过了CASA212STOL 双涡轮螺旋桨飞机性能指标，大大限制了上述系统的效果。Fugro Airborne Surveys 选择了具有4 台发动机的DeHavillandDash 7 作为测量平台，飞机安全可靠，航程远，可在偏远山区作业。该飞机的体积和负载能力允许安装更大功率的发射线圈，发射偶极矩更大，比GEOTEM 的偶极矩增大70%，有效穿透深度更大。它的测量能力已经打开了偏远地区和高海拔地区的市场。这个系统目前正在秘鲁进行测量，在15,000 英尺的高度上取得了较好的效果，到目前为止已经成功地飞行了40,000 测线公里的野外勘查，最大勘探深度500 米。
（5）QUESTEMR 450 电磁系统
　　该系统由澳大利亚原World Geoscience 公司生产。主要技术指标：
　　方波脉冲，基频25 ~ 30 赫兹，脉冲宽度4 毫秒，接收X、Y、Z 三个正交分量。偶极矩500,000 安平方米，每周期采样次数256，输出道数10。使用机型Shorts Skyvan，最大勘探深度350 米。
（6）SPECTREM 电磁系统
　　该系统由南非的Anglo American Corporation 生产。主要技术指标：阶跃方波脉冲，基频25，30，75，90 赫兹，接收X、Y、Z 三个正交分量。收发距为128 米，偶极矩630,000 安平方米，发射电流1500安，回线面积420 平方米，全波型记录，使用机型DC-3TP67，最大勘探深度350 米。该系统的特点主要是拥有100%的占空系数的发射机，对二次场的全部测量可以在一次场存在的情况下进行。
　　TEMPEST 是最先进的时间域瞬变航空电磁系统，它的频谱范围最宽，采样率最高，最大勘探深度可达400 ~ 500 米，而且属较轻型的系统。MEGATEM 系统虽航程远，勘探深度大，但系统较为庞大，属专用型系统。而GEOTEMR 电磁系统仍然是目前使用最普遍的系统。
5. 应用软件
　　为了将航空时间域瞬变电磁系统测得的信息很好地转换成地质信息，近些年在航空时间域电磁数据的处理和解释方面进行了大量研究工作，取得了明显进展。
（1）在处理方面
　　可以将航空时间域瞬变电磁方法观测的数据转换成电导率-深度断面（CDI），这种方法又称作电导率-深度转换（CDT）。它是把阶跃响应数据转换成电导率深度剖面，是在假设似层状大地的情况下，得到的电导率垂向变化资料。CRC AMET 研究开发了CDI 断面程序，不仅可用于阶跃响应的系统，而且也可用于目前常用的商用固定翼AEM 系统（如GEOTEM 和QUESTEM 等主要使用半正弦波形的系统），甚至在不假设均匀层状和孤立导体的情况下，也能详细地确定
　　地电断面。这种处理技术，在采用近似图像算法时考虑了地面和飞机之间（发射和接收之间）距离变化的影响，而在过去，这些高度变化产生的很大异常响应会被错误地解释为良导体。而且电导率-深度算法利用的是总的响应，不是单分量，因而它对接收器方向的变化是不灵敏的。这种电导率-深度表示形式可用于似层状地区的地质填图，也有利于增强层状环境下（含有非水平导体时）产生的微小响应，适合于地下水的勘查。
（2）在解释方面
　　近年来，在处理和解释软件开发方面取得了较大进展，在正演模拟、快速解释方面出现了一些新的软件和程序，显著地提高了航空电磁测量的效果。
1）在正演模拟程序方面：
　　可以用于模拟含有复杂地质情况的三维航空电磁响应，包括模拟地形、多类型浮土和任意几何形状的多个目标；
模拟利用二维断面响应计算不均匀介质的二维半空间电导率变化情况；
多层介质中的三维棱柱体响应和模拟多层交叉的薄板，包括均匀介质中上覆均匀覆盖层等。
2）提出了一些近似的解释方法：
　　利用线电流源近似确定导体深度，快速反演寻找最佳拟合线电流，这对大而浅的地质体给出了好的结果，而对较深的地质体很少有效。这种方法是专门为观察和解释大量航空电磁数据而开发的，也能够用于剖面绘图，产生航迹图
和图像，实施衰减率分析，以及利用水平薄板下面的板体模型进行数据的正演模拟；
　　通过测量数据转换找出最佳拟合板状地质体或最佳拟合层状大地模型；
　　把多个延迟时间的许多剖面减少到由感应和传导范围响应描述的两种剖面，然后确定两个线环电流。在早期（感应范围）和晚期（传导范围）电流流动可以具有不同的几何特性，因此确定两个模型是适当的。它们能最好地解释这两种剖面。
3）在快速解释方面：提供了能够自动或由物探人员交互式地把时间域系统电磁数据转换成精确的物理特征图和断面图，同时可以在处理中结合地质情况进行约束。
4）在图像处理方面：有能够提供快速显示AEM 数据图像的软件。所有处理都是以剖面数据进行，如果需要，最后结果可以用网格和图像显示。它能够输入各种类型的航空时间域瞬变电磁系统的数据；通过指数还原将输入数据转换为阶跃响应；通过能量定律和其他简单的代数方法进行数据比例换算；能够进行地球物理转换、计算视偶极深度、视电导率、电导率深度图和时间常数；对系统几何参量变化（高度、吊舱位置等）进行动态校正；选择多元转换、主分量、MNF 转换等；提供数据空间的一维直方图、二维和三维离散图；进行图像网格化和显示等。由于航空电磁测量能够快速、大面积、实时地提供与地下水有关的信息，随着航空电磁测量技术和解释方法的发展，这种方法将会在水文地质调查、环境调查和农业规划中发挥越来越重要的作用。
核磁共振找水方法
1．简介
　　核磁共振（NMR）技术是当今世界上的尖端技术，用核磁共振方法直接探查地下水是该技术应用的新领域，开创了地球物理方法直接找水的先河。
　　利用核磁共振技术找水的首创国是前苏联。从1978 年起，前苏联科学院西伯利亚分院化学动力学和燃烧研究所（ICKC）以A GSemenov 为首的一批科学家开始了利用核磁共振技术找水的全面研究。他们用三年时间研制成了原型仪器，在其后十年间对仪器进行改进，开发出世界上第一台在地磁场中测定NMR 信号的仪器，称为核磁共振层析找水仪（Hydroscope）。该仪器作为新的探测地下水的重要手段，于1988 年在苏联和英国申请了专利。在此期间他们进行了仪器改进和解释方法的研究，试验研究遍及前苏联的大部分国土，北到极地附近的新地岛，南到中亚的哈萨克斯坦、吉尔吉斯斯坦、乌兹别克斯坦、土库曼斯坦、乌克兰及西部的波罗的海沿岸的立陶宛和白俄罗斯。根据在中亚等地区已知的400 多个水文站上的对比试验，总结和研制出了一套正反演数学模型、计算机处理解释程序和水文地质解释方法，这一成果居世界领先水平。与此同时，在澳大利亚、以色列等国家（地区）先后进行的试验，也证明了地面核磁共振方法是目前世界上唯一的可直接找水的地球物理新方法。1991 年俄罗斯科学院西伯利亚分院化学动力学和燃烧研究所与俄罗斯"中央地质"生产地质联合体共同创办水文地质层析成像公司，开展水文、工程地质和生态学方面的业务活动，在具有不同水文地质条件的地区进行了现场作业，包括葡萄牙、西班牙、沙特阿拉伯、中国辽宁、新疆等国家和地区，进一步检验和证实了该方法的找水效果。
　　1992 年俄罗斯的核磁共振层析找水仪在法国进行了成功演示。两年后法国地调局（BRGM）的IRIS 公司购买了该仪器的专利，并与原研制单位ICKC 合作，着手研制新型的核磁共振找水仪--核磁感应系统（NUMIS）。作为第二个研制NMR 找水仪的国家，法国在1996 年春推出商品型NMR 找水仪，并生产出6 套NUMIS 系统。法国IRIS 公司研制的NUMIS 系统是在俄罗斯Hydroscope 的基础上改进的，二者的工作原理一致， 但NUMIS 系统在重量、制造工艺和抗干扰能力等方面有了许多改进。到目前为止，拥有NUMIS 系统的国家除俄罗斯和法国外，还有中国和德国。1999 年IRIS 公司将NUMIS系统（勘探深度为100 米）升级为NUMIS＋（勘探深度为150 米）。拥有NUMIS＋系统的国家有法国、中国、毛里塔尼亚和伊朗。
　　1997 年底中国地质大学（武汉）引进了法国IRIS 公司研制的NUMIS 系统。这是我国引进的第一套NUMIS 系统。1999 年中国地质科学院水环所、新疆水利厅石油供水办公室各引进一套NUMIS。
　　2001 年春天水利部牧区水利科学研究所引进一套NUMIS系统的升级找水设备NUMIS+。上述单位利用NMR 找水方法成功地在湖北、湖南、河北、福建、内蒙古、新疆等11 个省市和地区进行了找水实践，并在上述缺水区找到了地下水。研究成果填补了我国用NMR 技术直接找水的空白，使我国跃居使用该技术找水的世界先进国家行列。
2．核磁共振找水方法的原理及特点
（1）核磁共振找水的原理
　　核磁共振是原子核的一种物理现象，指具有核子顺磁性的物质选择性地吸收电磁能量。氢核是地层中具有核子顺磁性物质中丰度最高、磁旋比最大的核子。除油层、气层外，水（H2O）中的氢核是地层中氢核的主体。核磁共振找水方法就是通过测量地层水中的氢核来直接找水。
　　当施加一个与地磁场（B0）方向不同的外磁场（B1）时，氢核磁矩将偏离地磁场方向，一旦B1 消失，氢核将绕B0 旋进，其磁矩方向恢复到地磁场方向。设旋进频率（拉摩尔圆频率）为ω0，氢核的磁旋比为γ，则：
ω0＝ γB0　通过施加具有拉摩尔圆频率的外磁场，再测量氢核的共振讯号，便可实现核磁共振测量。
　　在NMR 找水方法中，通常向铺在地面上的线圈（发射/接收线圈,）中供入频率为拉摩尔频率的交变电流脉冲，交变电流脉冲的包络线为矩形。在地中交变电流形成的交变磁场激发下，使地下水中氢核形成宏观磁矩。这一宏观磁矩在地磁场中产生旋进运动，其旋进频率为氢核所特有。在切断激发电流脉冲后，用同一线圈拾取由不同激发脉冲矩激发产生的NMR 信号，该信号的包络线呈指数规律衰减。NMR 信号强弱或衰减快慢与水中质子的数量有直接关系，即NMR 信号的幅值与所探测空间内自由水含量成正比，这就是核磁共振找水方法的原理。
（2）核磁共振找水方法的特点
1）NMR 找水仪是由PC 机控制的输出功率和接收灵敏度均较高的直接探测仪
　　目前，世界上有两种类型的NMR 找水仪：前苏联研制、俄罗斯仍在使用的NMR 找水仪（hydroscope）和法国与俄罗斯合作研制、由法国IRIS 公司生产的NUMIS和NUMIS+。NUMIS系统是hydroscope 的改进型，二者的原理没有差异，但NUMIS 系统在制造工艺和抗干扰能力方面有所提高。商品型NUMIS 系统于1996年春问世，在探查地下水方面效果显著，但其勘探深度仅在100 米左右，且整个系统重量达300 公斤。为了加大勘探深度和使仪器轻便化，在NUMIS 的基础上升级的NUMIS+除了具有NUMIS 的全部功能外，还是一套具有更大发射功率（瞬时最大输出功率为450 安、4000 伏特）的模块式找水设备。该设备每个部分的重量都在25 公斤以内，便于一个人搬运。NUMIS 和NUMIS+均是输出功率高（瞬时最大输出分别为：300 安、3000 伏特；450 安、4000 伏特）、接收灵敏度高（接受纳伏级信号）并由PC 机控制的直接探测地下水的仪器。
2）直接找水
　　在传统的物探找水方法中，电法勘探在地下水勘查中几乎承担了80％的工作量，成为配合水文地质工作的主要手段。与间接找水的电阻率垂向电测深（VES）相比，NMR 方法具有如下优点：首先，NMR找水方法的原理决定了该方法能够直接找水，特别是找淡水。在该方法的探测深度范围内，只要地层中有自由水存在，就有NMR 信号响应，反之则没有响应；其次，NMR 方法受地质因素影响小。这些优点可用来区分间接找水的电阻率法和电磁测深法卡尼亚视电阻率的异常性质。例如，在岩溶发育区，特别是在西南岩溶石山缺水地区，当溶洞、裂隙被泥质充填或含水时，视电阻率均显示为低阻异常，是泥是水难以区分。NMR 测深不受泥质充填物干扰，很容易将二者区分开来。此外，在淡水电阻率与其赋存空间介质的电阻率无明显差异的情况下，电阻率法找水就显得无能为力，而NMR 测深却能够直接探测出淡水的存在。NMR 方法采用测深方式，通过改变激发脉冲矩q，实现不同深度的测量。
q ＝ I0t　式中I0 为脉冲电流的幅值，t 为脉冲电流的持续时间。
　　NMR 找水方法测量的参数有E0、T2*、φ0。该方法能直接找水，主要是因为这些参数的变化能直接反映地下含水层的赋存状态和特征。
NMR 信号初始振幅E0
　　E0 值的大小与含水层的含水量成正比，随q 值变化形成测深曲线，通常用E0～q 曲线表示。对该曲线（原始资料）进行解释后就可得到该测深点探测范围内的水文地质参数，包括含水层的深度、厚度和单位体积的含水量。
　　　　　　　NMR 信号平均衰减时间T2 *
　　NMR 信号平均衰减时间用T2 *表示，单位为毫秒（ms）。每个激发脉冲矩q 均可以得到一条E0 随时间按指数规律衰减的E0～t 曲线，由此曲线可以求出该q 值探测深度内含水层的T2 *。T2 *值的大小可反映含水层类型（平均孔隙度）的信息。国内外的研究统计规律表明，自由水和束缚水具有不同的T2 *值，自由水的T2 *变化范围在30 毫秒至1000 毫秒之间。而束缚水的T2 *小于30 毫秒。由于NMR找水仪的电流脉冲的间歇时间是30 毫秒，因此，NMR 找水仪接收不到
　　　　　　　束缚水的NMR 信号。
　　　　　　　NMR 信号初始相位φ0
　　初始相位是天线中激发的电流与测量到的衰减电压之间的相位差。NMR 信号的初始相位反映地下岩石的导电性。
3）反演解释具有量化的特点，信息量丰富
　　核磁共振方法可将核磁共振信号解释为某些水文地质参数和含水层的几何参数。在该方法的探测深度范围内,可以给出定量解释结果，确定出含水层的深度、厚度、单位体积含水量，并可提供含水层平均孔隙度的信息。
4）经济、快速
　　完成一个核磁共振测深点的费用仅为一个水文地质勘探钻孔费用的十分之一，并可以快速地提供出打井位置及划定找水远景区。
5）缺点
　　前已述及，NUMIS 系统的探测深度为100 米，NUMIS+系统的探测深度为150 米，它们尚不能用来探测埋藏深度大于150 米的地下水；此外，由于核磁共振找水仪的接收灵敏度高（可以接收纳伏级的信号），故易受电磁噪声干扰，在电磁噪声干扰强的区段不能开展工作。
3．应用效果实例
　　目前，世界上拥有NMR 找水仪并成功地应用于地下水勘查的国家有俄罗斯、法国、中国、德国、毛里塔尼亚和伊朗。在此仅举几例说明NMR 找水方法的应用效果。
（1）中国的应用情况
　　自中国地质大学（武汉）于1997 年年底引进了中国第一套NUMIS以来，已成功地在湖北、湖南、河北、福建、内蒙古、新疆等9 省区开展了找水实践。
1）在前人认为是无水区的湖北永安地区找到了优质岩溶水我国南方和北方分布着大片的岩溶地貌，其中南方以贵州为中心的桂、滇、川、湘、鄂、粤、赣、渝等 9 省区相邻地区的联片裸露碳酸盐岩山区，称为岩溶石山地区。传统的物探找水方法在上述地区探测岩溶水遇到许多困难，NMR 方法为解决这些困难提供了一种新的技术手段。
　　湖北永安工区位于岩溶发育区，前人认为是无地下水区。工区大部分为耕植农田，被第四系粘土覆盖。在永安农牧开发区，中国地质大学在指定区段开展了地下水勘查工作。以NMR 找水方法为主，辅以电阻率法，探查到了优质的岩溶水。工区有两个主要含水层，第一个含水层位于23～42 米的深处，含水层NMR 信号的平均衰减时间T2*为110 毫秒；第二个含水层位于75～100 米以下，其T2 *为230 毫秒。这两个含水层的T2 *值变化表明，深处含水层的平均孔隙度变大，意味着含水岩石更加破碎。实际钻探（终孔深度130 米）证实了上述解释。基岩为灰岩，主要含水层为破碎灰岩层，特别是深部的灰岩溶洞，裂隙发育，富水性强。含水体属碳酸盐岩类岩层，水质很好。三口井日出水量在5000 吨以上，从此结束了当地居民祖祖辈辈吃混水的日子，为农牧业和工业生产以及旅游业提供了充足的水源。同时，也积累了用NMR 方法探查岩溶水的经验。
2）在风化的花岗岩中找到了地下水
　　中国地质大学（武汉）与中国人民解放军北京军区给水工程团合作，在常规物探找水方法难以奏效的河北省花岗岩发育的康保地区探测出地下水。工区地表可见亚砂土、亚黏土和碎石。在采集NMR 信号时使用大方天线（75×75 平方米），激发脉冲矩16 个，噪声水平小于1500 纳伏，记录长度为240 毫秒。NMR 测深结果表明，NMR 信号的E0 值大，E0～q 曲线和E0～t 曲线均具有明显的含水特征：实测信号与计算信号拟合较好；E0～t 曲线呈指数规律衰减。将NMR 测深反演解释结果与据此施钻的岩性柱状图对比可见，NMR 测深解释资料与钻孔资料符合甚好。该工区有3 个含水层，分别位于7.5～10 米、13～24 米、32～43米，其中第一含水层的NMR 信号的衰减时间Ｔ2*为64 毫秒，与钻孔
　　钻到的2.5 米处的含水砂层对应，第二含水层（层厚11 米）的含水量在6％左右。该含水层上、下部的NMR 信号衰减时间分别为267毫秒和128 毫秒，说明上、下部岩石颗粒不同，上部Ｔ2*值大，表明含水层颗粒大，平均孔隙度也大。第二含水层对应岩性柱状图中11米厚的砂层。第三含水层（32～43 米）的含水量约为3％, Ｔ2*值为76 毫秒，与风化花岗岩层对应。日出水量达84 吨，解决了康保农场解放军官兵的饮用水问题。
3）为长江三峡水电站输送电网的变电站解决用水问题
　　在湖北省变质岩（白云质千糜岩）发育的孝感县某地，用NMR方法找到了基岩裂隙水（含水层位于52~81 米），日出水量为348 吨。此外，为湖南省红层发育的长沙、益阳地区变电站勘查到了红层裂隙水，日出水量80 多吨。上述解释结果与钻探结果完全一致，为三峡水电站输送电网的某些变电站提供了生产、生活以及消防用水。
4）为开发利用地下热水提供了后备基地
　　在2000 年初，应福建省安溪县地热开发公司要求，用NMR 测深等找水方法为安溪县上汤和榜寨工区提供地下热水资源后备基地。上汤和榜寨工区位于安溪县境内的龙门镇，基本上被第四系所覆盖，在南北走向的龙门溪（蓝溪）中有少量花岗岩零星出露，溪内还有温泉，且早为当地居民使用。上汤测区没有以往物探工作的资料，榜寨测区虽进行过地质、物探、钻探等工作，但所做物探工作的深度不足以直接反映深部情况。虽然井中测温反映有高热存在，但含水情况不理想。磁测工作由于精度及干扰因素等的限制，也未获得理想效果。
　　本次工作采用了核磁共振测深、电阻率测深、浅层米测温、高精度磁测等方法。由于电磁干扰大，在榜寨工区试图进行的两次大方型线圈测量均未成功。为压制干扰，采用了8 字型线圈测得4 个核磁共振测点，并对测量信号进行了256 次叠加，以提高信噪比。由于采用8 字型线圈进行工作，测量结果主要反映50 米左右深度以上的地下含水情况。从上汤工区AX01 号测点测量解释结果。来看，此处的地下含水情况很好，主要含水层的深度30~45 米，含水量大，属于大孔隙含水。虽然受到较大电磁噪声的影响，但测量结果反映出含水特征明显，结果可靠性好。结合电阻率测深、浅层米测温、
　　高精度磁测等方法的资料解释结果，确定了钻孔位置。经钻探验证找到了水温高达79°C 的地下热水，日出水量大于1000 吨，为该县地热公司开发利用地下热水资源提供了后备基地。
5）圈定了地下淡水资源远景区
　　塔河油田位于塔克拉玛干大沙漠北缘，是二十世纪八十年代发现并开发的国家石油接替区之一。油田距塔里木河二十余公里，距轮台县城八十余公里，位于塔里木河中下游的渭干河与库车河冲洪积扇的扇缘地带，在洪水季节常有大量的洪水灌入油田，区内地下水的排泄方式主要依赖于高强度的大气蒸发。因此，地下浅部的水井由于氯离子和硫酸根离子含量较高，导致矿化度过高而不宜饮用。大量的生产、生活用水靠汽车从70 公里外的轮南小区拉运，耗资巨大，供水问题已严重地困扰着油田的发展。为解决塔河油田供水问题，2001 年3～10 月，受新星石油公司西北石油局委托，中国地质大学负责在塔河油田及其附近用物探方法探查低矿化度淡水资源。
　　普查工地位于塔克拉玛干大沙漠北缘。在第四系的粉细砂与薄层亚砂土、亚粘土的互层中探测到了低矿化度的含淡水岩体。本区影响含水地层电阻率变化的主要因素是地下水矿化度的高低。在其它条件不变的情况下，地下水矿化度高则含水地层的电阻率低，矿化度低则含水地层的电阻率高。前人工作的资料及中国地质大学实测资料表明：工区地表干燥砂层电阻率高，含咸水地层电阻率低（0.55～2 欧姆·米），含淡水地层电阻率为十几到几十欧姆·米。不同岩性特征与其电阻率变化的关系为电法勘探找水提供了物性前提，也为资料解释提供了依据。根据普查低矿化度淡水资源的要求和工区的地质、地球物理条件，先后使用了瞬变电磁测深（TEM-67）、地面核磁共振测深（NUMIS）、频率电磁测深（EH- 4）和VES 等四种找水方法。通过对比研究四种找水方法的地球物理场异常特征，从理论上肯定了塔河油田存在地下淡水资源的可能性，并得出了塔河油田存在地下淡水资源的结论，圈定了淡水远景区（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ区，其中Ⅰ区最好）。通过在新疆的找水实践和理论研究，总结并提出了在新疆沙漠地区找水的物探方法的优化组合系列。其中，在探查100 米深度范围内的地下水时，NMR 测深（NUMIS）作为首选方法，NUMIS 与TEM（或VES）组合是最佳组合。在TEM、EH-4、VES、NMR 测深资料对比过程中，NMR 测深划分含水层的分辨能力最强。此外，还用NMR 测深资料区分了视电阻率的异常性质，即区分出岩性变化引起的视电阻率异常，提高了反演结果的唯一性。NMR 测深的量化程度高，可以提供各含水层的深度、厚度和单位体积含水量，以及各含水层的平均孔隙度等信息，这是其他物探找水方法所不能比拟的。不仅如此，在塔河油田地下水普查工作中，100 米勘探深度的NUMIS 系统能够探测到本区含淡水岩组的顶板深度（几十米），可准确确定本区淡水层的顶板和隔水层位置，为成井工艺和储量计算提供了十分有用的信息，可以大大减少打浅钻的工作量，进而节约经费。
　　到目前为止，由西北石油局在圈定的淡水远景区内完钻3 口水源井，出水量稳定，且水质良好（矿化度＜1 克/升），均达到国家一级饮用水标准。
6）水利部牧区水利科学研究所利用NUMIS＋在内蒙古开展了找水工作
　　自2001 年春天引进NUMIS+以来，已在内蒙古牧区完成了300多个NMR 测深点，为牧民解决防氟改水、应急用水问题，已有40～50 口井出水。图11 是水利部牧区水利科学研究所于2002 年5 月20日在内蒙古牧区某地一个NUMIS+测深点的资料解释结果（发射／接收天线为边长100 米的大方形）。工区地处沙漠区，电磁噪声干扰小，小于100 纳伏。NMR信号的初始振幅随激发脉冲矩变化的E0～q 曲线具有含水特征，其实测的最大值接近800 纳伏。实测曲线与计算曲线（红线所示）拟合较好。地下12 米以下均有含水层显示，含水层衰减时间在30～300 毫秒之间变化（见decay time 色标），其中20～40 米深度段含水层颗粒较大（蓝色），含水体属粗砂或砾质砂类岩层。自该层向下含水层颗粒逐渐变小，含水体为中细砂或粘土质砂。由于该工区干扰小，信噪比高，水量丰富，接收到的NMR 信号频率变化稳定，因此，观测质量可靠。上述结果已被用户采用。
（2）国外的应用情况
　　在国外的探查地下水工作中，NUMIS 和NUMIS+在干旱缺水区、沙漠区、解决应急水源地问题、水文地质填图和专用水源地，以及评价其他物探找水方法异常性质等方面得到了广泛应用。
1）俄罗斯已将NMR 测深作为常规的物探找水方法
　　早在20 世纪80 年代中期，前苏联科学家们用自制的NMR 找水仪（Hydroscope）在哈萨克斯坦缺水区开展了地下水探查工作。他们用一台找水仪在3 周时间内调查了100 平方公里的干旱区，探查出一条淡水抽取带，指明了最有远景的钻孔位置，同时提供了导水系数等水文地质信息，后得到找水实践的证实。
2）西班牙国家公园的水文地质填图和地下水资源评价
　　1996 年西班牙国家环境工作部决定，用NMR 找水方法对西班牙国家公园--格拉列玛公园进行水文地质填图和地下水资源评价。俄罗斯水文地质层析成像公司，利用Hydroseope 找水仪，很好地完成了上述工作任务。工作区位于西班牙两条大河之间的盆地内，地表是强烈切割的山系地貌，包括了格拉列玛和利巴尔岩体。区内平均绝对标高 960 米。在550 平方公里的工作面积内，布设NMR 测深观测点80 个，实际完成的NMR 测深观测密度为0.15 个／平方公里。对NMR 测深观测点作用范围可以理解为一圆柱体，圆柱横截面直径为2D（D 为实际使用的圆天线的直径），圆柱高为D，但探测深度大于D。工作时，他们使用的天线直径为150～180 米，实际探测深度可达200 米左右。
　　工区内仅布设8 个钻孔，主要用NMR 测深完成上述工作任务，辅以水文地质测绘和同位素测量。评估了地下水资源，复杂水文地质构造的格拉列玛--利巴尔范围内的水量（430.4×103立方米／24 小时），主要含水层的含水类型为侏罗系喀斯特裂隙水。矿化度仅为0.6克／升，为优质的地下水。他们的工作成果已被用户采用。
3）在美国南加利福尼亚沙漠区探查到砂岩裂隙水
　　据法国IRIS 公司的技术资料，为了评价NUMIS 系统探测深部含水层效果，在南加利福尼亚沙漠进行了一次野外试验。试验采集的原始数据和反演解释结果表明，在脉冲矩较大时（对应于深部地层），NMR 信号增大；确信在约100 米深处有地下水存在；破碎砂岩含水层的含水量约为20％；NMR 信号的衰减时间短（40 毫秒），表示含水岩石颗粒为细到中等大小，这些与已知地质资料吻合得很好。
4）使用NUMIS＋在沙漠发育的毛里塔尼亚探查地下水
　　使用NUMIS＋在沙漠发育的毛里塔尼亚探查地下水的NMR 测深结果，可见E0～q 曲线具有明显的含水特征，E0max=420纳伏。由此可知含水层水量丰富。由含水量直方图可见地下36～120米深处均有含水层显示，砂层单位体积含水量为13～26 %， T２★值显示上部含水层颗粒较大，为中粗砂，下部含水层颗粒较小，为细砂。本沙漠区干扰小，电磁噪声小而平稳，仅为50 纳伏左右，因此测量结果可信度高。上述结果已被钻探结果证实。
4．建议
　　鉴于我国找水任务工作量大，引进仪器费用昂贵（NUMIS 为63万法郎，NUMIS+ 为83 万法郎），建议自行研制这种类型仪器，以便推广。
　　应用空气钻进技术钻采地下水
1. 全球地下水若干数据
　　据大不列颠百科全书记载，地球水体总量为13.86 亿km3（1km3=10 亿立方米），其中淡水占2.53%。淡水中地下水占30.04%；未溶解的冰山、冰川、永冻层和积雪占69.56%；河流、湖泊、沼泽、植物类和大气水只占0.4%。因此可利用的淡水97%以上为地下水，加上地表水多已污染，导致举世越来越重视并依赖地下水。如欧共体9 国工农业和生活饮用采用地下水的百分比是：
　　丹麦 　意大利 　德国　 比利时 　卢森堡　 荷兰　 法国　 英国　 爱尔兰
　　 98%　　93% 　　 71% 　 71% 　　　70%　　 64% 　　50% 　31% 　　15%
美国90%以上人口饮用地下水。据资料介绍其地下水按目前消耗水平可用7900 年。1985 年其8000 余家钻井公司年钻水井81 余万眼。1990 年全国有公共供水井10 万眼、私人家用井2300 万眼。平均2500 人有1 眼公用井，10 人有1 眼家用井。可见其开发利用地下水资源的规模。
　　世界各国和地区地表和地下水资源各异，解决用水途径和缺水程度也不同。总的情况是城市和饮用水绝大多数靠地下水，许多国家和地区处于缺水和严重缺水境地。1980 ~ 1990 年曾是国际倡议的解决全球卫生饮用水的10 年。虽经努力，10 年过去了，又一个10 年过去了，上述目标不仅没有实现，不少地区缺水更为严重，亿万人民饱受缺水之疾苦，乃至在死亡线上挣扎。有财力的国家如沙特和科威特采用海水淡化技术解决其用水来源。
2. 应用节水型空气钻进技术钻探西北地下水
　　通过水文地质、地球物理、遥感等找到有希望地区并确定井位之后，最关键的是要采用适合干旱缺水地区的节水型空气钻进技术。
（1）空气钻进技术的优点
　　空气钻进技术的实质主要是用压缩空气代替常规钻进时用水或泥浆循环，起冷却钻头、排除岩屑和保护井壁的作用。其主要优点有：
　　空气取之不尽，气液混合介质亦易制备，利于在干旱缺水、高寒冰冻、供水困难地区钻探施工。减少用水费用和成本；
　　空气或气液混合介质（气水混合、泡沫、充气泥浆等）密度低，明显降低对井底的压力，利于提高钻速；
　　空气或气液混合介质对不稳地层和复杂岩矿层、漏失层钻进都有明显效果。对低压含水层有保护作用；
　　压缩空气除在井内循环作用外，还可作为动力源实现冲击回转（空气潜孔锤）钻进，大幅度提高基岩井钻井速度，并能克服水井常遇的卵砾层钻进困难；
　　空气在井内循环流速快，能迅速将井底岩屑（样）输至地表，利于及时判明井底情况；
　　空气在井内的循环方式可以根据需要采用正循环或反循环，当用气举反循环钻进时，可以施工较大口径和二三千米的深井。
（2）国内空气钻进技术发展现状
　　我国是贫水国家，尤其是西北地区地理环境更加干旱缺水。这一现状迫切要求在这一地区发展空气钻进技术。国内从50 年代末期起曾进行过若干试验，但都未形成规模生产力。70 年代后期至80 年代初国家实行改革开放，通过技术交往促进了此项技术在我国的发展。首先是地矿部门在"七五"期间（1986~1990）组织完成了部重点科技攻关项目- -"多工艺空气钻进技术研究与开发"（编号：86019）。参加该项目的有勘探技术研究所（项目负责单位）、探矿工艺研究所、水文技术方法研究所、成都水文中心、长春地质学院、武汉地质学院和成都地质学院、地质矿产信息研究院，以及若干地质局、队。由刘广志任顾问、耿瑞伦任项目负责。该项目取得了一批很有推广价值的成果。为了使上述成果变为生产力，经国家科委遴选于"八五"期间将"多工艺空气钻进技术推广应用"列为国家科技成果重点推广计划项目（编号： I3-1-11-8）。参加该项目的有原地矿部勘查技术司、中国地质勘查技术院、勘探技术研究所（技术依托单位）、长春地质学院、探矿工艺研究所，以及山西、陕西、甘肃、宁夏、吉林、河北、河南、四川、广西、湖南、辽宁、广东、江苏和北京等地矿局野外队和有关制造厂。该项目1998 年5 月通过国家科委正式验收。据统计，此项多工艺空气钻进技术项目从科技攻关到组织推广应用，12 年间共获40 多项成果。成果中获国家发明奖1 项; 国家教委科技进步二、三等奖4 项; 省部级科技进步和成果一、二等奖17 项；三等奖7 项; 获国家专利4 项。这批成果对提高我国整体钻探技术与生产水平，特别是在象西北这样的干旱地区，不仅能解决水井钻探技术长期存在的若干难题，而且在开发利用地下水资源、缓解当地缺水问题中积累了经验，有良好的经济效益与社会效益。
（3） 主要效果
1）明显提高了我国钻探技术整体水平
　　多工艺空气钻进技术（含空气泡沫钻进、空气潜孔锤、气举反循环等）被视为当代衡量钻探技术水平的重要标志之一。通过一系列研究与推广应用，我国已能较全面地掌握和推广应用此项钻井技术，缩短了与世界先进水平的差距，增强了国际竞争能力。该项技术已先后用于非洲、亚洲20 多个国家承包打井工程。
2）设计、生产了一系列用于空气钻进的钻机及配套机具和若干井内用泡沫剂。如能钻300 米和600 米的钻机、空气潜孔锤、气举反循环、跟套管钻进、中心取样钻进用的设备、管材、钻头等绝大部分实现了国产化，并有部分出口。
3）大幅度提高水文水井钻井速度与质量
　　多工艺空气钻进和常规用泥浆循环相比，钻井速度可提高几倍到十几倍，例如用空气潜孔锤钻进石灰岩，钻速可达20～40 米/小时，在花岗岩地区可达8～16 米/小时。由于空气或泡沫钻进不会在井壁形成泥皮或堵塞岩层孔隙水流通道，这样有利于增大出水量和成井质量。用气举反循环钻进可以对口径较大和 1000～2000 米以上的深井进行施工，同时还可减少完井前洗井作业的时间。这些优点在西北干旱地区及低压层中效果更为突出。
4）经济效益巨大
　　项目在科研和应用推广过程中取得了巨大经济效益，被国家科委列为"国家科技成果重点推广计划项目创亿元产值100 例"之一（科技纵横出版社，1995）。多工艺空气钻进技术应用推广面涉及西北地区和其他20 多个省、市、区的上百个单位。累计钻进工作量130余万米。仅据20 多个单位截止1998 年的统计，累计创产值6.4 亿元人民币，新增利税0.9 亿元人民币。凡在多工艺空气钻进技术中作出成绩的研究开发和推广应用单位，以及设备与机具制造单位，都已经或正在逐渐形成创收的支柱或经济增长点，增加了自身的技术经济活力。
　　例1：勘探技术研究所研制成功的空气反循环双壁钻具和泡沫剂转产后，累计创产值近1000 万元，利润150 余万元。
　　例2：长春地质学院（现为吉林大学）研制成功的三类空气潜孔锤转产后，新增产值3720 万元，新增利税870 余万元。
　　例3：探矿工艺研究所研制成功的空气潜孔锤跟套管钻具，创产值逾百万元。买主仅据中建西勘院等四个较大用户统计，此项技术所创产值就达4655 万元。
　　例4：河南地矿厅下属5 个勘探施工单位采用空气钻进技术共完成各类井孔375 眼，累计创产值700 余万元，节约经费75 万元。
　　例5：四川地勘局研究成功的泡沫泥浆技术在20 多个单位推广应用，累计钻进近6 万米，节约金额近400 万元。
例6：甘肃、四川、河北、江苏、北京等省市地勘局所属勘探施工队伍采用空气钻进技术在非洲、亚洲和中东地区承包找水打井工程，累计创产值6440 余万美元，盈利840 余万美元。既赢得了国际市场份额，亦显示了我国技术水平。如甘肃地质工程公司在喀麦隆承包1400 眼水井工程，在花岗岩地区钻速达13.35 米/小时，台月效率达4616 米，单机月成井20 眼，最高达36 眼，比标书提高380%，达到甚至超过西方国家水平。项目创汇600 万美元，实现利润100 万美元。又如北京地勘局101 队在巴基斯坦实施391 眼土壤改良水井工程中应用气举反循环钻进技术，平均一天完成一眼100 米深的水井，顺利完成工程项目，并创汇700 万美元，获得巴方水电局和亚洲开发银行赞许，扩大了国际影响。这样的事例还很多。
5）社会效益显著
　　例1：在宁夏贫水区改变了原水文结论
　　勘探技术研究所张晓西等在当地水文资料定为贫水区的二人山-金场子从事金矿钻探时，采用空气反循环钻进20 多个孔，结果孔孔见水，涌水量达480～720 立方米/天，并且在宁夏首次打出了42℃地下热水，改变了原水文结论。
　　例2：在西固海严重缺水区钻出丰富地下水
　　吉林大学张祖培、孙友宏两教授应宁夏地质工程勘察院之邀，在宁南一眼正施工的水井由于严重漏水无法施工情况下，赶赴现场建议采用他们研究成功的空气钻进新技术成果-增压泵泡沫钻进技术，其特点是用水很少，钻进速度快，适于高山缺水和漏失层使用。结果当该井钻至367.2 米深时开始涌水，到600 米井深时出水量达5000 立方米/天。当地饱受缺水之苦的百姓激动万分，额手称庆。宁夏地勘局和地质工程勘察院领导赶到现场称赞采用此项新技术挽救了一口井，为百姓办了大好事，并为在类似宁南这样的干旱地区找水打井创造了新经验。
　　例3：甘肃地质工程总公司在缺水的金庙沟为勘寻水源地，在复杂而坚硬的地层中（含砂砾碎石层覆盖层和片岩、片麻岩、混合岩）成功采用了空气泡沫潜孔锤钻进技术，钻速大幅度提高，从井底返出的岩屑粒度达20 毫米。这是常规泥浆循环所不可想象的。结果保证了水源地打井工程的圆满完成。
　　例4：陕西地勘局第二水文队为在渭北黄土覆盖区的白水、蒲城勘寻深部岩溶水，采用空气潜孔锤钻进技术，平均钻速达6～18 米/小时，每眼钻井成本由原来的7.71 万元降为5 万元。顺利完成三眼水井。不仅为当地勘寻到深层地下水，而且显著提高打井速度和成井质量，减少了水井成本。该水文队还在贫水的秦岭山前花岗岩地区完成四眼水井，每眼井出水量均超过600 立方米/天，最大达920 立方米/天。有效缓解了当地包括驻军、金矿和广大群众缺水之苦。施工中采用空气潜孔锤钻进，在花岗片麻岩中钻速平均为4.4 米/小时，最高达12.7 米/小时，比以往提高3～10 倍。单位进尺成本由426 元/米降低到270 元/米，深受群众赞扬。
　　例5：豫西北多干旱半干旱地区。河南地矿厅在推广多工艺空气钻进中在上述地区完成88 眼水井，最大井深350米，总共钻进13,000余米。为当地抗干旱和解决数万人、畜饮水做出了很大贡献。
　　例6：山西省总面积的72%为山区和丘陵，有46,000 平方公里岩溶。常年干旱和半干旱。从80 年代中期起该省地矿局率先大力试验推广空气钻进，先后在山阴、平鲁、河津、乡宁、壶关和太原市等十多个缺水地区打井找到了丰富地下水，为发展地方经济以及扶贫脱困作出了突出贡献。如在太原枣沟地区打出水量达24,408 立方米/天的丰水井，从而缓解了太原供水紧张问题。山西第二工程勘察院还创造了用潜孔锤打基岩井深度712 米的全国新记录。
　　例7：广西南宁水文工程勘察院针对以往在岩溶地区打水井事故多、效率低、成井质量差的状况，和勘探技术研究所合作采用空气潜孔锤反循环和泡沫钻进技术，在众多地层复杂和漏失地区打成水井25 眼。成井质量良好，出水量比以往普遍增大，深受地方欢迎。
　　例8：北京市地矿局在寻找水源地和扶贫打井中成果显著。若干年来大面积推广采用空气潜孔锤和气举反循环钻进技术，打水井和地热井60 余眼，很多井深超过千米。为北京市缓解水资源紧张和开发利用地热，特别是市郊各县和山区人民找水扶贫，成效卓著，被北京市政府评为山区扶贫先进单位。如在昌平县郊区的邓庄和化庄钻井9眼，日出水9 万多立方米，解决了20 万人供水问题，并为该县发展用水奠定了水资源基础。又如在小汤山完成两眼日供水5000 立方米优质水井，解决当地缺水和长期饮用高氟水的难题。同样在房山娄子水--新街水源地勘查项目用空气钻进技术打井保证水源地顺利建成，受益人口7 万余，解决当地群众祖辈饱受"无水之苦和饮污水之害"。该项目被中央爱委会评为使用世界银行建设农村改水先进项目。负责该项目的工程勘察院被列为全市18 个区县农村改水工作先进单位第一名。
3. 展望与建议
（1）我国水资源形势严峻，西北地区尤甚。21 世纪面临人口、水资源、水环境协调的问题，其规模和难度都将是历史上空前的。国家"十五"计划纲要强调水资源的可持续利用和开源节流并重，要求合理利用地下水资源。西部大开发，再造西部秀美山川，除用其他方法开源节流外，开发利用西北地区地下水势在必行。
（2）西北地区降水少，地下水埋深较大，以往干旱缺水地区人民贫困，交通困难，地方财政对勘采深层地下水投入甚少，公益性找水真正用于打井投入亦不力。造成大?quot;干旱缺水-无水"的错觉，乃至产生"此地天生没水"的宿命论。自从实施"特别找水计划"和中国地质调查局成立并开展新一轮地下水评价工作以来，国家开始重视西北地区勘寻地下水并给予大力支持，已在不少地区取得突破性进展。证明在若干大型承压自流盆地和黄土高原下面，既有大量地下水可寻，且潜力甚大。关键是要在确有水资源存在的区、带积极采用钻
井方法来证实。
（3）空气钻进技术虽然在初步推广后展示了其优越性，但由于种种原因，仍没有真正推广开来。据粗略估计，在全国范围内该采用而未采用这项新技术的钻探工作量，达85%以上。以往西北地区群众打井乃至公益性水文勘查打井限于缺乏新技术与装备，在干旱地区原本就缺水，而采用常规泥浆循环钻进，很多情况下供水艰难（特别遇到钻井漏失），且成本昂贵。在弱含水层泥浆会渗入孔隙堵塞水路，有时将含水层错判为无水。因此，在西北地区应积极创造条件推广节水型多工艺空气钻进技术。在审定和下达找水项目时，建议同时提出采用先进实用钻进技术的要求。
（4）为了推广采用多工艺空气钻进技术，首先要在技术政策上有可行的政策规划；当重点水资源勘查项目实施时在财力上适当支持；调动主管与实施单位的积极性；适时举办包括地方与现场的技术培训或讲座；指定或聘请研究所或院校确有技术专长的单位作为技术支撑。
（5）国内在多工艺空气钻进技术装备与配套技术工艺等方面与发达国家相比尚有明显差距。如液压顶驱式水井钻机、井深超过1000~2000 米的现代化配套设备、井内钻具和成井管材等，要积极支持科研、生产单位与有关院校大力协同，使我国多工艺空气钻进技术在水文水井钻探领域里赶超世界水平，在勘探与开发地下水资源方面做出应有的贡献。