首套长期监测瞬变电磁数据集揭示丹麦法尔斯特岛地下水盐渍化动态

《Scientific Data》：A Unique Long-term Monitoring Transient Electromagnetic Dataset

本刊推荐：为攻克传统瞬变电磁（TEM）难以捕捉缓慢水文动态的难题，研究人员利用新型监测型瞬变电磁（mTEM）系统，在丹麦法尔斯特岛开展了为期961天的连续观测，获取了762组高质量数据。该数据集稳定性极高（不确定度低至0.5%），首次证实了TEM信号与气温（Pearson相关性高达0.91）及地下水盐度变化的关联，为开发时间推移反演算法、监测海水入侵等水文过程提供了宝贵基准。

　　

在地下水资源的可持续管理中，准确监测含水层的动态变化，例如海水入侵、污染物运移以及水位波动，是至关重要的。传统的瞬变电磁法（Transient Electromagnetic method, TEM）作为一种高效的非侵入式地球物理勘探技术，已被广泛应用于地下空间的电阻率结构刻画。然而，绝大多数TEM研究侧重于空间上的静态探测，对于时间尺度上的动态过程监测却面临着巨大挑战。这主要是因为地下水文过程通常变化缓慢，而传统的TEM测量方式（如人工定点测量或短期移动平台测量）难以实现长期、高频率、高一致性的数据采集。仪器本身的不稳定性、测量几何的变化以及环境噪声等因素，极易掩盖掉微弱的、代表真实水文变化的信号，使得长期监测数据的可靠解释变得异常困难。因此，地球物理学界亟需一套专为长期监测设计、具有极高稳定性的TEM系统，并获取能够真正反映地下动态过程的基准数据集。

为了回应这一挑战，发表在《Scientific Data》上的这项研究，由奥胡斯大学水文地球物理组的Juan Carlos Zamora Luria和Anders Vest Christiansen主导，首次发布了一套利用专有监测型瞬变电磁（monitoring TEM, mTEM）系统采集的长期监测数据集。这项研究的核心目的在于提供一个高质量、长时间序列的TEM数据宝库，为测试和验证先进的时间推移反演算法（如确定性反演、蒙特卡洛反演或概率性反演）奠定基础，从而推动瞬变电磁法在动态水文过程监测中的应用。

研究人员为开展此项研究，主要依赖于几个关键技术方法。首先是研究核心工具——mTEM系统的设计与部署。这是一个全自动化的系统，包含一个5米乘5米的发射线圈（Tx-coil）和两个4米乘4米的接收线圈（Rx-coil），以中心距14.5米的偏移配置安置。为确保几何结构的长期稳定性，线圈被埋置于耕作层以下0.4米深处。系统由太阳能电池板供电，可预设测量时间和间隔。其次是标准化的数据采集流程。测量每日在格林尼治时间02:00自动进行，每次持续2分钟，记录31500个瞬变信号并将其叠加（stacking）成一个单一的、高质量的测量值，共获得21个时间门（gate）从9微秒到0.98毫秒的衰减数据（dB/dt）。最后是严谨的数据处理与验证方法。研究采用了结合均匀不确定度（σ_o= 0.5%）和测量特定不确定度（σ_noise）的总不确定度评估模型（公式1），并对数据进行了零-均值标准化（z-score）处理，以量化数据随时间的变化并与环境变量（如日气温）进行相关性分析（如皮尔逊相关和时间滞后相关分析）。

背景与摘要

研究团队在丹麦法尔斯特岛西南部，一个已知存在海水入侵问题的区域，部署了mTEM系统。从2023年1月19日到2025年9月5日，共成功获取了762次测量数据（总天数的79%）。摘要指出，该数据集在整个监测期内表现出高度的一致性，这为随时间推移进行可靠解释奠定了基础。数据集为测试和验证先进的TEM反演算法提供了宝贵机会。

方法

研究方法部分详细描述了mTEM系统的技术规格，包括发射线圈面积（25 m²）、最大发射磁矩（250 Am²）、脉冲重复频率（630 Hz）等。系统安装后，通过将线圈埋设来固定几何位置，并通过对发射电流进行归一化来消除线圈安装本身带来的偏差，从而确保测量数据的变化可归因于地下电阻率的变化而非仪器设置。

数据记录

数据以四个文本文件的形式存储在Figshare数据库中，分别包含测量数据、时间门中心时间、不确定度和波形信息。数据集展示了从早期时间到晚期时间的完整dB/dt响应，并存在少量因仪器维护导致的数据缺失。

技术验证

技术验证部分通过不确定性分析和与气温的相关性分析，证明了数据的质量和稳定性。结果表明，数据集的不确定性在早期时间门由均匀不确定度主导，在晚期时间门则因接近背景噪声水平而由测量特定不确定度主导。数据随时间的变化呈现出明显的、可重复的季节性模式。与日气温的皮尔逊相关性分析显示，在100微秒以前的时间门，相关性高达0.91，且最大相关性出现在约43天的时间滞后，这证实了观测到的信号变化与土壤温度的季节性变化直接相关，而非外部噪声。

使用说明

文章指出，该数据集可用于测试针对时间推移应用的新反演算法，也可作为与类似TEM仪器采集数据对比的参考。

归纳研究结论和讨论部分，本研究的意义重大。它不仅提供了地球科学领域内首套公开的、长期、高一致性的TEM监测数据集，更重要的是，通过严谨的技术验证，有力地证明了mTEM系统能够捕捉到由真实水文地球物理过程（如温度变化和可能的盐度变化）引起的微弱电阻率变化。该数据集作为一个可靠的基准，将极大地促进时间推移TEM反演算法的发展，使研究人员能够更精确地量化地下水的动态变化，例如海水入侵的范围和速率、地下水补给过程以及温度对浅层电阻率的影响。这对于沿海地区水资源管理、环境监测以及理解气候变化对地下水系统的影响具有重要的科学价值和实际应用前景。最终，这项工作为将瞬变电磁法从传统的静态成像工具提升为强大的动态过程监测工具迈出了关键一步。