芻議水文地質(zhì)中NMR 技術(shù)與應(yīng)用

周建新

（云南省地礦局地球物理地球化學(xué)勘查隊(duì)，云南 昆明 652100）

1 前言

滑坡是一種多發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害類型,它嚴(yán)重威脅著人民生命財(cái)產(chǎn)安全。對(duì)于滑坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析和監(jiān)測,是防災(zāi)減災(zāi)和預(yù)報(bào)避險(xiǎn)的關(guān)鍵。在滑體空隙中,常有地下水分布,由于滑體結(jié)構(gòu)復(fù)雜,地下水的分布也十分復(fù)雜,尤其是特殊巖質(zhì)的滑坡,因滑體內(nèi)各處空隙分布和連通性等差別較大,導(dǎo)致了地下水系統(tǒng)的復(fù)雜和不穩(wěn)定,使滑體內(nèi)地下水多以潛水為主且埋深相對(duì)較淺,受外界影響較大,動(dòng)態(tài)變化較明顯。因此,在影響滑坡穩(wěn)定性的諸多因素中,滑坡的水文地質(zhì)因素對(duì)滑坡穩(wěn)定性有很大影響,這些因素包括滑體的賦水性、滲透性、空隙連通性以及地下水的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、水位、動(dòng)態(tài)變化、補(bǔ)徑排條件等,且它們最易變、最難確定。為了進(jìn)行滑坡穩(wěn)定性分析評(píng)價(jià),就需要查明滑坡的水文地質(zhì)條件,獲得滑體含水層的相關(guān)水文地質(zhì)參數(shù)。

2 核磁共振找水儀的工作原理

核磁共振 (Nuclear Magnetic Resonance,縮寫為NMR)技術(shù)是當(dāng)前世界上的尖端技術(shù),它被應(yīng)用到物理學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)、醫(yī)學(xué)等很多領(lǐng)域,在地質(zhì)領(lǐng)域也有一些應(yīng)用。利用地面核磁共振 (Surface Nuclear Magnetic Resonance 縮寫為SNMR)勘測滑坡的水文地質(zhì)條件,就是其在地質(zhì)領(lǐng)域應(yīng)用研究的新方向。核磁共振是原子核的一種物理現(xiàn)象,它是指具有核子順磁性的物質(zhì)能夠選擇性地吸收電磁能量,而氫核是地層中具有核子順磁性物質(zhì)中豐度最高、磁旋比最大的核子,水中的氫核是地層中氫核的主體。利用地面核磁共振測量地層水中的氫核可以直接找水,這就是核磁共振找水儀。若地層中賦存有地下水,當(dāng)施加一個(gè)與地磁場(B0)方向不同的外磁場(B1)時(shí),氫核磁矩將偏離地磁場方向,一旦B1 消失,氫核將繞B0 旋進(jìn),其磁矩方向恢復(fù)到地磁場方向。設(shè)旋進(jìn)頻率為ω0,氫核的磁旋比為γ,則:ω0=γB0通過向鋪在地面上的線圈 (發(fā)射P 接收線圈)中供入交變電 流脈沖,在其形成的交變磁場激發(fā)下,使地下水中氫核形成宏觀磁矩。這一宏觀磁矩在地磁場中產(chǎn)生旋進(jìn)運(yùn)動(dòng),其旋進(jìn)頻率為氫核所特有。在切斷激發(fā)電流脈沖后,用同一線圈拾取由不同激發(fā)脈沖矩激發(fā)產(chǎn)生的NMR 信號(hào),該信號(hào)強(qiáng)弱或衰減快慢與水中質(zhì)子的數(shù)量有直接關(guān)系,信號(hào)的幅值與所探測空間內(nèi)自由水含量成正比,據(jù)此可以探測地下水的存在性及時(shí)空賦存特征。在實(shí)際測試中,地面每個(gè)NMR 測點(diǎn)上通過由小到大(100～9000A ·ms 或者 100～18000A ·ms)依次改變激發(fā)脈沖矩來探測由淺到深的含水層的賦存狀態(tài),進(jìn)而反演水文地質(zhì)參數(shù)。由于自由水和結(jié)合水信號(hào)頻率不同,該方法測試到的是巖土層中的自由水,結(jié)合水則測試不到。因此,該方法測試的數(shù)據(jù)是含水層中地下水的反應(yīng)。

3 利用NMR 確定水文地質(zhì)條件

根據(jù)NMR 找水儀的測試原理,當(dāng)有地下水存在時(shí),可以測試到NMR 信號(hào),信號(hào)的特性可以反映地下水的存在性及時(shí)空賦存特征。在沒有地下水活動(dòng)的地段,NMR 則測不到信號(hào)。因此,可以根據(jù)測試到的NMR 信號(hào)情況劃分含水層和隔水層。通過專門的處理和解釋,可以給出各含水層的深度和厚度。因?yàn)镹MR 信號(hào)初始振幅的大小與巖土體含水量成正比,由此可以確定各含水層的含水量。水中氫核在地磁場中形成一個(gè)極其微弱的宏觀磁矩,這個(gè)宏觀磁矩的旋進(jìn)運(yùn)動(dòng)在線框中感應(yīng)產(chǎn)生一個(gè)衰減信號(hào),稱為自由感應(yīng)衰減信號(hào)或旋進(jìn)信號(hào)(FID),其衰減時(shí)間常數(shù)為T2*。T2*可以反映地下水巖層的空隙度n,計(jì)算公式如下:

式中：V 為巖土體體積;V 為空隙體積;S為空隙面積;T2*為弛豫時(shí)間,以毫秒(ms)為單位;ρ為與界面鄰近水層距界面的距離和弛豫時(shí)間有關(guān)的系數(shù)。通過空隙度還可以推算地層的滲透系數(shù)。根據(jù)已發(fā)表的NMR 數(shù)據(jù),用試配法可以得到如下的計(jì)算含水層滲透系數(shù)k 的數(shù)值模型:k=2.2ΦT2*式中：Ф為有效空隙度。

4 應(yīng)用實(shí)例

4.1 某滑坡基本特征

某滑坡被查明為一大型基巖滑坡,其穩(wěn)定性直接關(guān)系到附近沿江大道、的安全與新城土地規(guī)劃利用。由于滑體物質(zhì)主要為碎裂巖,對(duì)滑坡穩(wěn)定性影響較大。因此,查明滑坡水文地質(zhì)條件是進(jìn)行穩(wěn)定性分析的關(guān)鍵內(nèi)容之一。某滑坡是經(jīng)多次局部滑移和彎曲傾倒滑移形成的綜合滑體?；w平面上呈不太規(guī)則的長方形,其東西寬約550m,南北長約900～950m,面積約50 ×104m2?；w表面總體呈階梯狀:高程150m 以下至長江邊為陡坡,坡度35～50°;高程 170～200m 和 380～400m 間為緩坡平臺(tái);高程200～380m,坡度較陡;400m 以上為滑坡后緣陡坡?；w主要為巴東組第三段(T2b3)巖層經(jīng)滑移碎裂而成,局部覆蓋有1～5m 厚的殘坡積物或新近崩滑堆積物?；w最大厚度約50～65m。鉆孔揭露滑體碎裂巖中見多層軟弱破碎帶,這些破碎帶具有不順層、不連續(xù)和厚度變化大等特點(diǎn),且互不平行,構(gòu)成了各不同期次滑坡的滑動(dòng)面(或滑帶),最深部的滑帶位于T2b2 和T2b3 界面附近。

4.2 NMR 分析結(jié)果

對(duì)某滑坡共先后進(jìn)行了6 次SNMR 測試,分別在3月份(枯水期)測試3 次,在8月份(汛期)測試3 次。每次測試都進(jìn)行了2 次數(shù)據(jù)觀測,2 次觀測數(shù)據(jù)生成一個(gè)30 脈沖矩的標(biāo)準(zhǔn)NUMIS 反演格式文件,對(duì)測試結(jié)果進(jìn)行反演。

4.2.1 水文地質(zhì)參數(shù)的求取

旋進(jìn)信號(hào)FID 的初始振幅E0 與參加旋進(jìn)運(yùn)動(dòng)的質(zhì)子總數(shù)成正比。旋進(jìn)信號(hào)是來自各類空隙水質(zhì)子信號(hào)之和。對(duì)于飽和巖土體,所有空隙體積之和等于巖土體中液體的體積,也就是有效空隙。SNMR 儀器經(jīng)過標(biāo)定,可以根據(jù)FID 的E0 測出巖土體的含水量ω。對(duì)于飽和巖土體,根據(jù)ω可以計(jì)算出飽和帶巖土體的空隙度Φ及空隙率。同時(shí),根據(jù)(3)式,由空隙度Φ和T2*可以得到巖土層的滲透系數(shù)。結(jié)合某滑坡各點(diǎn)位SNMR 測試數(shù)據(jù)的反演解釋,可綜合反演出滑體的有關(guān)水文地質(zhì)參數(shù)(見表1)。

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4.2.2 含水層的劃分和滑動(dòng)帶的確定

在測試過程中,有3 個(gè)深度段可測到NMR 信號(hào)。根據(jù)NMR 信號(hào)只有在地下自由水存在時(shí)才可測到的原理,可知該點(diǎn)位存在3層地下水(即3 個(gè)含水層):第1 層位于地表層(埋深在5m 以內(nèi)),為淺地表碎塊石土內(nèi)的上層滯水;第2 層埋深14～21m,為層間地下水;第3 層埋深25m 以下,含水層厚度大,為區(qū)域地下水含水層。3 層地下含水層之間基本上測試不到NMR 信號(hào),所以地下水含水量很低,為相對(duì)隔水層。比較3 個(gè)含水層所測試到的的大小,可以看出,第1 層含水量較小;第2 層含水量較大,特別是埋深約在18m 處含水量更大;第3 層滲透系數(shù)相對(duì)最大,特別是埋深約在40m 處含水量最大。在第2 層中的埋深約18m 處,有一層比其上下兩側(cè)的含水量都大,且物性差異很明顯,說明該深度巖層比較破碎且連通性較好,因此,推測其為滑帶。同樣,在第3 層中的埋深約40m 處,也有一層比其上下兩側(cè)的含水量相對(duì)要大,且物性差異較明顯,甚至其下的區(qū)域含水層飽水帶的含水量都比該層低,說明該層巖土體相當(dāng)破碎,其橫向上連通性也好,同樣可推測其為滑帶。其他各點(diǎn)位的測試結(jié)果與此點(diǎn)位相似。汛期和枯水期NMR 反演出的兩個(gè)滑動(dòng)面的深度基本不變,說明了該滑動(dòng)面的客觀存在。另外,同一點(diǎn)位的鉆孔資料也證實(shí)了這一推斷——鉆孔揭示18.2m 埋深處有一滑動(dòng)帶,42m 埋深處有一滑動(dòng)帶。利用核磁共振方法劃分含水層和確定滑動(dòng)帶是可行的。

4.2.3 地下水動(dòng)態(tài)分析

根據(jù)多次NMR 測試結(jié)果表明:第1 層含水層的含水量變化大,說明了上層滯水受地表水的影響較大;第2 層含水層的含水量有一定變化,但變化不大,含水層的深度基本不變;第3 層含水層含水量也有一定變化,但變化也不大,含水層的埋深基本不變。因此,根據(jù)NMR 可以獲得某滑坡地下水含水層的分布以及動(dòng)態(tài)變化特征,可以獲得相關(guān)的水文地質(zhì)參數(shù),為建立符合實(shí)際的滑坡模型及進(jìn)一步的穩(wěn)定性分析評(píng)價(jià)提供了依據(jù)。

5 結(jié)束語

利用傳統(tǒng)勘探手段,很難充分揭示滑體內(nèi)水文地質(zhì)條件的復(fù)雜性,更難以獲取實(shí)用、可靠的水文地質(zhì)參數(shù),且費(fèi)用高、周期長。為此,根據(jù)核磁共振找水原理,測定滑體孔隙度等水文地質(zhì)參數(shù),劃分含水層,確定滑動(dòng)面(帶)的方法,進(jìn)而為滑坡模型的建立及滑坡穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)提供依據(jù)?？梢詾轱柡?非飽和土穩(wěn)定性模擬提供必需的參數(shù)。工程實(shí)例表明,把NMR 技術(shù)用于勘測滑坡水文地質(zhì)條件是可行的,并且經(jīng)濟(jì)、快速,效果好。