一、引言

地下水在全球水循環(huán)、氣候變化及人類活動中扮演著決定性角色。在非飽和帶（包氣帶）中，水分以土壤水和巖石水的形式賦存于孔隙網(wǎng)絡(luò)，深刻影響著滲流補(bǔ)給、蒸發(fā)蒸騰、凍融循環(huán)等關(guān)鍵水文過程。這些過程不僅調(diào)控著植被根系的水分吸收機(jī)制，還直接影響灌溉供水、地質(zhì)災(zāi)害（如滑坡、地面沉降）及生態(tài)環(huán)境問題（如鹽堿化、荒漠化）。因此，精準(zhǔn)解析非飽和帶孔隙水的分布與動態(tài)演化，是地下水資源管理、生態(tài)保護(hù)及災(zāi)害防治的核心課題。

圖1：非飽和帶（包氣帶）中主要的水文過程及其生態(tài)環(huán)境效應(yīng)

圖2: 低場核磁共振（NMR）技術(shù)在多尺度（巖芯、井孔、地表）水文地球物理中的應(yīng)用示例，從實(shí)驗(yàn)室?guī)r芯分析（[a]、[b]）到現(xiàn)場井中測量（[c]）和地面觀測（[d]、[e]），可用于定量刻畫水含量、移動/束縛水飽和度、孔隙結(jié)構(gòu)、滲透性以及動態(tài)儲水過程。

近年來，維也納大學(xué)（University of Vienna）環(huán)境地球物理團(tuán)隊（Environmental Geophysics Working Group）通過數(shù)值模擬-實(shí)驗(yàn)觀測-多物理場融合的研究范式，在孔隙尺度機(jī)理與流域尺度應(yīng)用層面取得系列突破，推動NMR技術(shù)成為非飽和帶研究的應(yīng)用。

二、前沿研究：從孔隙到流域，從機(jī)理到應(yīng)用的NMR創(chuàng)新應(yīng)用

1.孔隙尺度：數(shù)值模擬破解“短弛豫峰”誤讀之謎

首創(chuàng)多孔介質(zhì)水分動態(tài)-NMR響應(yīng)耦合模型，通過構(gòu)建球狀/三角孔隙的吸濕-排水過程，模擬其水分動態(tài)以及NMR響應(yīng)（如T₂-distribution和2D T₁-T₂ map）演化（圖3）。我們發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)NMR信號解析中存在常見誤判：非飽和T譜向短弛豫時間偏移的現(xiàn)象并非源于"小孔隙水分增加"，而是大孔隙部分失水導(dǎo)致水-巖表面積比（V_f/S_f）升高，引發(fā)表面弛豫強(qiáng)化效應(yīng)所致。這一發(fā)現(xiàn)通過雙球孔隙系統(tǒng)的動態(tài)模擬得到驗(yàn)證——當(dāng)大孔隙處于非飽和狀態(tài)時，其弛豫時間甚至短于飽和的小孔隙（圖4）。研究進(jìn)一步提出非飽和T譜定量解譯新框架，通過標(biāo)定飽和峰與動態(tài)包絡(luò)分析，成功應(yīng)用于粘土以及碳酸鹽巖實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，首次實(shí)現(xiàn)孔隙級別水分動態(tài)的精準(zhǔn)量化。此研究為未來實(shí)驗(yàn)室與野外非飽和NMR數(shù)據(jù)解譯奠定了基礎(chǔ)。

圖3： 基于簡單孔隙幾何模型的非飽和NMR響應(yīng)模擬框架。通過采用簡單幾何理想化模型構(gòu)建基本孔隙結(jié)構(gòu)；建立非飽和孔隙的水分分布模型，模擬吸濕-排水過程的水分演化；通過有限元仿真計算不同飽和度下磁化密度的時空分布，反演生成T分布譜及二維T-T關(guān)聯(lián)圖等（Zhou & Zhang，2025）。

圖4: 雙球孔隙系統(tǒng)吸濕過程的T峰演化機(jī)制以及非飽和NMR定量解譯方法。在雙球孔隙系統(tǒng)的吸濕過程中，小孔隙優(yōu)先飽和后，大孔隙開始吸水。此時短弛豫峰實(shí)際反映非飽和大孔隙的水分狀態(tài)—因水-巖表面積比（V_f/S_f）升高，表面弛豫效應(yīng)強(qiáng)化，導(dǎo)致其弛豫時間甚至短于飽和小孔隙。隨著系統(tǒng)飽和度增加，大孔隙逐漸飽和，其弛豫峰向長時域偏移，最終在完全飽和時呈現(xiàn)本征弛豫特性。提出基于飽和峰包絡(luò)分析的定量解譯方法：通過多峰分解標(biāo)定各孔隙的飽和特征，利用非飽和T曲線與飽和峰的幾何關(guān)系（包絡(luò)/非包絡(luò)），精確計算不同孔隙的實(shí)時含水量（圖4b）。該方法已成功應(yīng)用于Meyer等（2018）的粉質(zhì)黏土數(shù)據(jù)，確保各孔隙含水量不超過其飽和極限（Zhou & Zhang，2025）。

2.巖芯尺度：巖石與土壤中的水分運(yùn)移路徑

非飽和水在碳酸鹽巖與粘土等不同多孔介質(zhì)中均顯示出復(fù)雜的分布和遷移動態(tài)。針對碳酸鹽巖系統(tǒng)，Zhang & Zhang（2021）通過原位干燥過程的連續(xù)NMR監(jiān)測，結(jié)合T₂ 譜峰分解及二維 T₂–T₂ 關(guān)聯(lián)技術(shù)，首次揭示了風(fēng)化碳酸鹽巖內(nèi)“巖石水“的動態(tài)分配規(guī)律：大孔發(fā)育的巖樣呈現(xiàn)"大孔→中孔→微孔"階段式脫水序列，而孔隙連通性差的巖芯則表現(xiàn)出全孔徑同步脫水行為，最終微孔與微裂隙系統(tǒng)成為束縛水的主要儲集空間。該研究不僅為巖溶區(qū)水文過程與干旱環(huán)境下植物水力調(diào)控機(jī)制提供了微觀解釋依據(jù)，更建立了基于NMR技術(shù)的巖體風(fēng)化程度快速診斷方法體系。

圖5: 碳酸鹽巖干燥過程的NMR追蹤。由左至右依次展示巖芯外觀隨干燥時序變化、水含量隨干燥過程的動態(tài)演變、不同孔隙級別水分的再分配（峰分解）以及孔隙尺度的水交換特征。此工作為理解“巖石水”在干濕循環(huán)中的儲存機(jī)制及運(yùn)輸過程提供了關(guān)鍵依據(jù)（Zhang & Zhang，2021）。

相較于碳酸鹽巖體系，粘性土的水分相態(tài)轉(zhuǎn)換具有更復(fù)雜的界面效應(yīng)。Peng等（2023）創(chuàng)新性地采用多峰分解結(jié)合T₁–T₂二維關(guān)聯(lián)譜技術(shù)，系統(tǒng)表征了不同相對濕度下的膨潤土的水分賦存狀態(tài)，區(qū)分出不同類型的膨潤土（鈉基、鈣基）中吸附水與毛細(xì)水的占比與轉(zhuǎn)換過程，并構(gòu)建概念模型闡釋層間水與外部孔隙水在干濕循環(huán)中的演化路徑。我們基于此建立了描述層間水和外部孔隙水在干濕循環(huán)中動態(tài)關(guān)系的理論模型，該成果不僅驗(yàn)證了NMR對介觀尺度水力過程的表征優(yōu)勢，更為工程防滲和環(huán)境安全領(lǐng)域中的粘土性能評估提供了量化分析框架。

圖6: 不同相對濕度（RH）條件下膨潤土在孔隙與層間水分分配的NMR觀測結(jié)果。左側(cè)示意圖描繪了鈣基膨潤土層間及顆粒間孔隙結(jié)構(gòu)，右側(cè)T₁–T₂關(guān)聯(lián)及T₂峰分布圖展示了隨濕度升高時，吸附水（橙色）與毛細(xì)水（藍(lán)色）相對含量和弛豫時間的變化（Peng et al，2023）。

3.流域尺度：多物理場揭露巖溶水流向

針對美國Flint Hills典型薄層巖溶（merokarst碳酸鹽巖—泥質(zhì)互層）系統(tǒng)，我們綜合運(yùn)用電阻率層析成像（ERT）、探地雷達(dá)（GPR）、地面和井中 NMR等多源數(shù)據(jù)融合，提出了新的巖溶水文模型。ERT刻畫電阻率異常帶指示潛在水流路徑，NMR 則進(jìn)一步揭示了多孔介質(zhì)中的移動水與束縛水含量及孔隙尺度過程，顯示出縱向連通性在merokarst巖溶系統(tǒng)中的重要作用（圖7）。這項研究擴(kuò)展了NMR在關(guān)鍵帶（Critical Zone）研究中的應(yīng)用，建立了巖溶區(qū)多物理場-跨尺度水文地球物理解析模型，同時為了解氣候變化對地下流動的影響提供了新的技術(shù)與理論支撐。

圖7: Konza草原merokarst巖溶系統(tǒng)的多物理場耦合觀測。左上方實(shí)景照片展示了野外測量場景和典型地貌；下方為ERT剖面整合了井中NMR數(shù)據(jù)，揭示含水層空間結(jié)構(gòu)；右側(cè)井下與地面NMR數(shù)據(jù)對比，解析碳酸鹽巖-泥頁巖互層的水含量與孔隙特征。這些多源地球物理結(jié)果共同修正了傳統(tǒng)merokarst水文運(yùn)移機(jī)制的理論框架。

三、展望與總結(jié)

在全球變暖與極端氣候事件頻發(fā)的背景下，非飽和帶研究已成為水文地質(zhì)與生態(tài)研究中不容忽視的領(lǐng)域。低場核磁共振（NMR）技術(shù)憑借其對水分的高靈敏與無損檢測特性，正逐步發(fā)展為研究非包含帶水動力過程的新興技術(shù)手段。未來研究可通過以下路徑深化認(rèn)知：

1）多尺度觀測融合：整合孔隙-裂隙-流域多尺度NMR監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，闡明干濕循環(huán)中孔隙水動態(tài)響應(yīng)的跨尺度傳遞機(jī)制；

2）模型耦合創(chuàng)新：耦合NMR數(shù)據(jù)與水文地球物理模型，實(shí)現(xiàn)區(qū)域尺度地下水儲量季節(jié)性波動與滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害前兆水信號的動態(tài)預(yù)測；

3）技術(shù)協(xié)同突破：開發(fā)高精度野外NMR儀器，結(jié)合人工智能與多源地球物理數(shù)據(jù)融合技術(shù)，構(gòu)建地下-地表水循環(huán)立體監(jiān)測體系。

該技術(shù)框架將推動地下水管理、生態(tài)水文調(diào)控以及農(nóng)業(yè)干旱預(yù)警等應(yīng)用場景的定量化決策支持，為應(yīng)對氣候變化下的水資源管理提供科學(xué)方案。

相關(guān)成果：

Sullivan, P. L., Zhang, C., Behm, M., Zhang, F., & Macpherson, G. L. (2020). Toward a new conceptual model for groundwater flow in merokarst systems: Insights from multiple geophysical approaches. Hydrological processes, 34(24), 4697-4711. https://doi.org/10.1002/hyp.13898 

Zhang, F., & Zhang, C. (2021). Probing water partitioning in unsaturated weathered rock using nuclear magnetic resonance. Geophysics, 86(5), WB131-WB147. https://doi.org/10.1190/geo2020-0591.1

Peng, L., Zhang, F., Dong, Y., & Zhang, C. (2023). Water partitioning and migration in unsaturated bentonites by low‐field NMR characterization. Vadose Zone Journal, 22(6), e20284. https://doi.org/10.1002/vzj2.20284

Zhou, J., & Zhang, C. (2025). How does pore structure affect the NMR relaxation in unsaturated porous media: A simulation study. Water Resources Research, 61(2), e2024WR038139. https://doi.org/10.1029/2024WR038139

作者簡介：

張弛：奧地利維也納大學(xué)氣象與地球物理系 (Institute of Meteorology and Geophysics, University of Vienna)助理教授（終身軌），此前為美國堪薩斯大學(xué)地質(zhì)系（Department of Geology, University of Kansas）助理教授（終身軌）。本科畢業(yè)于中山大學(xué)，博士畢業(yè)于美國羅格斯大學(xué)（Rutgers University）。團(tuán)隊專注于綜合利用地球物理和生物地球化學(xué)等信息，結(jié)合物理建模，從微觀和宏觀尺度對地下介質(zhì)特征進(jìn)行精確表征，對控制地球介質(zhì)和流體性質(zhì)的物理、化學(xué)和生物耦合過程進(jìn)行深入研究。目前為Geophysics雜志Associated Editor，活躍于美國地球物理聯(lián)合會（AGU）和國際勘探地球物理學(xué)家學(xué)會（SEG）等多個國際學(xué)術(shù)組織，并曾擔(dān)任AGU Near-Surface Geophysics Section秘書（2016-2018年），當(dāng)選主席和主席（2021 – 2024年）