地面核磁共振（Surface nuclear magnetic resonance,简称SNMR）方法是一种基于水中氢核的核磁共振效应实现地下水信息探测的地球物理方法。相比其它基于电阻率等物性差异实现地下水间接探测的地球物理方法,地面核磁共振“直接探水”的优势使其在许多地下水探查问题中更受地球物理工作者关注。近年来,随着地面核磁共振方法技术、仪器设备的快速发展,SNMR方法开始广泛应用于一些浅层地下水探测相关的地质问题中。在这些问题中,含水层目标埋深更浅（大多数情况位于0～30m）,但是,含水层的划分与水量的估计要求更加精细准确。然而,采用传统的探测方案（脉冲矩观测模式,一般采用16个左右指数排列的脉冲矩序列）时,结果往往因精度不足而限制了SNMR方法在浅层地下水问题中的应用效果。近年来,从线圈配置方式与脉冲矩配置方案两个角度改进探测方案是SNMR探测方法研究的热点。在含水层目标更浅的地下水探测问题中,可以考虑布设成本更低的更小尺寸的发射线圈。随着仪器设备多通道的发展,可以使用更复杂的线圈回路配置。同时,机器学习与人工智能的快速发展为SNMR方法脉冲矩智能化的配置提供了新思路。因此,从探测方案的角度提出更加精细的探测方法对于提升浅层地下水探测效果具有巨大的潜力。针对浅层地下水问题的特点,本文以勘探需求与现有仪器设备条件为前提,扩展了现有的SNMR方法观测模式,提出了一套可用于针对特定探测需求筛选优化观测模式的方法体系,总结了针对不同浅层地下水问题的优化观测模式;通过引入机器学习中的贝叶斯优化理论,分析SNMR脉冲矩观测方法的特点,提出了一种基于贝叶斯优化的脉冲矩动态配置方法。优化观测模式与基于贝叶斯优化的脉冲矩动态配置方法的组合使用构成了解决浅层地下水探测问题的精细探测方法,显著提升了方法的探测效果。主要的研究工作与成果如下:1.针对浅层地下水问题探测需求与现有仪器设备条件展开了观测模式的扩展研究。在考虑方案可行性的基础上,提出了四种线圈装置观测模式,即“共中心线圈组（收发共圈）”、“共中心线圈组（一发多收）”、“梯度线圈组（收发共圈）”、“梯度线圈组（一发多收）”,以及这些线圈装置观测模式与脉冲矩观测模式结合使用时形成的四种组合观测模式。通过数值模拟与计算得到了所有观测方案的核函数与模型分辨率矩阵。为了更清晰的量化观测方案对指定含水层目标的精细化探测性能,本文通过对模型分辨率矩阵的分析与讨论,提出了一种探测性能评价指标。通过将其应用于所有观测方案的评价中,进一步评价与讨论了各观测模式的应用价值以及潜在的针对浅层地下水探测的最优观测模式。2.对于传统脉冲矩配置方法解决特定问题时针对性不足等局限,本文通过引入机器学习中的贝叶斯优化方法首次提出并实现了一种全新的脉冲矩动态配置方法。在该方法中,实际的观测数据（E0-q）曲线被假设为一个未知的目标函数（“黑盒子”函数）。在每一次脉冲矩观测后,通过高斯过程对目标函数进行回归,得到现有观测数据条件下目标函数的后验分布。下一次脉冲矩的设置则会依据“采集函数”推荐给出。本文在脉冲矩的贝叶斯优化配置方法的实现过程中,开发了全新的针对SNMR方法的协方差函数内核,改进设计了更适合SNMR方法的采集函数。相比传统的指数分布脉冲矩配置方案,本文提出的贝叶斯优化脉冲矩配置方法考虑了数据观测过程中先验信息的增加,脉冲矩序列会在观测过程中依据已有观测数据动态优化,可以在几乎不增加探测成本的条件下,显著提升脉冲矩观测模式的探测效果。3.本文设置了“文化遗产保护中的浅部地层含水率检测问题”、“滑坡灾害中的滑带检测问题”与“浅层地下水的水文地质调查”三种典型浅层地下水问题的含水层模型,通过仿真模拟,分别给出了解决各特定的浅层地下水问题时SNMR精细的探测方法。仿真数据的反演结果表明,相比传统的探测方法,本文提出的精细化探测方法可以明显的改善浅层地下水反演模型的分层效果与含水层水量估计的准确性。最后,为验证本文中精细探测方法的应用效果,在甘南藏族自治州玛曲县与湖北省天门市两地进行了场地试验,实测结果表明,在采用相同反演方法与参数的条件下,相比传统的探测方法,使用本文提出的精细化探测方法可以对浅层地下水的分层与含水量估计取得更好的探测效果。上述研究成果为SNMR探测方案与探测方法研究提供了理论基础与方法技术,研究成果具有一定的理论和应用价值。为浅层地下水的SNMR探测提供了更加精细的探测方案与方法。