自旋回波在地面核磁共振找水技術(shù)中的應用研究

吳云+張軼+周曉穎

摘 要 地面核磁共振找水技術(shù)是目前所有地球物理勘探方法中唯一能夠直接尋找地下水的方法，該方法已經(jīng)在許多地方取得了明顯找水效果。但是，該方法在實際應用中受到諸多影響因素的制約。文章嘗試將自旋回波技術(shù)應用于地面核磁共振找水中，以克服磁性不均勻?qū)υ摲椒ㄋ鶐淼挠绊?，對今后在火成巖、磁鐵礦地區(qū)找水工作提供參資料。

關(guān)鍵詞 核磁共振；磁性不均勻；自旋回波；克服

中圖分類號：P631 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）02-0008-01

地面核磁共振找水（SNMR）是一種能夠直接探測地下水的新技術(shù)，另外它是一種體積勘探的方法，能夠?qū)Πl(fā)射線圈所覆蓋的范圍進行探測，再結(jié)合鉆孔資料就可以快速標定理想出水井位并圈定出找水遠景區(qū)。但也受到一些外界因素的影響（如地層導電性、地磁場、工區(qū)地形等），本文嘗試將自旋回波技術(shù)應用于地面核磁共振找水中，以克服磁性不均勻?qū)υ摲椒ㄋ鶐淼挠绊憽?/p>

1 地面核磁共振信號相關(guān)基本理論

在地面向發(fā)射線圈通入交變電流脈沖，在線圈一定范圍內(nèi)形成激發(fā)磁場，地下含水體對該激發(fā)磁場作出響應，地面接收線圈中會產(chǎn)生感應電動勢表達式為：

（1）

上述表達式里：是自由感應衰減信號的橫向弛豫時間，量綱為；是自由感應衰減信號的初始相位，與含水層上覆介質(zhì)的導電性有關(guān)，量綱為度；自由感應衰減信號初始振幅用表示，其計算表達式為：

（2）

式中：圓頻率，為氫質(zhì)子的磁化強度，，是激發(fā)場垂直于地磁場的分量，激發(fā)半徑，代表地層的電阻率分布。

我們通常會將問題簡化成為一維的，并且假設(shè)含水層與上覆地層都呈水平層狀，地層電阻率在垂直方向上的分布也是已知的，則式（2）可以改寫成：

（3）

式中：，為SNMR信號的核函數(shù)；含水量用表示，的值介于0和1之間。

2 磁性不均勻?qū)NMR信號振幅的影響

在野外實際工作中，我們首先使用質(zhì)子磁力儀測定工區(qū)內(nèi)的地磁場強度，然而地磁場水平梯度的存在使得我們選取的值總會存在一定偏差，由此而換算出的拉莫爾頻率也會與地下水的真實拉莫爾頻率不匹配；而地磁場垂直方向上的梯度則導致深部含水層的拉莫爾頻率與淺部不同，導致不能產(chǎn)生核磁共振現(xiàn)象，影響整個找水工作的準確性與有效性。

3 磁性不均勻?qū)NMR信號T2*的影響

在火成巖或玄武巖地區(qū)或是探測范圍內(nèi)有局部磁性體時，造成靜磁場的不均勻性，導致地磁場在水平方向或垂直方向存在磁場梯度，磁場梯度直接影響對地下含水層拉莫爾頻率的確定。

T2*與理想條件下均勻磁場中的自由感應衰減的T2的關(guān)系為：

（4）

式中：為靜磁場的梯度，反映了B0的不均勻性。

4 自旋回波基本理論

自旋回波（spinecho）脈沖序列由90?～τ～180?～τ回波組成。首先使用90?脈沖作為激發(fā)脈沖，該脈沖使磁化矢量扳轉(zhuǎn)90?到X-Y平面上，磁化矢量強度縱向分量MZ=0，水平分量MXY=M0。然后撤去外部射頻脈沖作用，隨著接收線圈中產(chǎn)生自由感應衰減信號（FID），MXY逐漸衰減，由于外部磁場的非均勻性，自由感應信號衰減時間常數(shù)為T2*，為了能夠消除磁場不均勻造成的影響，在經(jīng)過時間τ=TE/2后施加180?脈沖，這時在接收線圈中出現(xiàn)一個先增長后衰減的信號，最大值在t=TE處出現(xiàn)，這一信號就是自旋回波，該信號的最大值取決于被測樣品本身的橫向弛豫時間T2。

自旋回波的產(chǎn)生過程實際上就是質(zhì)子磁矩散相到重聚的過程，這個過程隨著180?脈沖的不斷重復作用而不斷產(chǎn)生，信號包絡(luò)線呈負指數(shù)規(guī)律衰減，樣品本身的橫向弛豫時間不受磁場不均勻的影響。

5 將SE應用到SNMR方法中的理論推導

在同一個記錄點上，用兩個連續(xù)的激發(fā)脈沖q1和q2進行測量，q1和q2相隔時間為τe，自旋回波串可在兩個脈沖結(jié)束后的τe觀測。我們假定在近地表、地下為水平層狀介質(zhì)，在相同電流I0條件下，式（2）又可表示成：

（5）

式（4）中，M⊥表示為：

（6）

式中，M0指質(zhì)子的核磁矩；q1和q2分別指前后兩個時間的脈沖矩。

觀測到的弛豫信號是按指數(shù)規(guī)律衰減的，在時間2τe可以表示為：

（7）

式中：T2MRS指的是觀測到的弛豫時間，而且，T2MRS≈T2。

6 地面核磁共振信號（FID）與自旋回波信號（SE）對比

為了便于對比，核磁共振信號正演和自旋回波信號正演都選取了相同的模型計算條件。正演軟件采用法國NUMIS地面核磁共振找水系統(tǒng)自帶的軟件。

模型計算條件：地磁場傾角40°固定，線圈類型為大圓形，線圈直徑為100 m，10 m含水層，含水量n=100%，T2*=300 ms，地層電阻率ρ=200Ω·m，地磁場強度為變量，大小為30000 nT～60000 nT。

1）自由感應信衰減信號和自旋回波信號的核函數(shù)都呈現(xiàn)一個方向的對稱性，這主要是由地磁場的傾斜方向所決定的，核函數(shù)中包含有垂直場，它垂直于地磁場，因此核函數(shù)取值呈對稱分布。

2）隨著磁場強度的增大，到達地層中同一深度的電磁能量加強，此時對含水層的分辨率提高，尤其是對淺部較薄含水層的分辨能力增大。

3）當磁場大小相同時，在同一深度上自由感應信號核函數(shù)取值較為集中，即能量分布較為均勻，而自選回波信號核函數(shù)取值較為分散。

自旋回波信號幅值較自由感應信號幅值要小一些。在曲線形態(tài)上，差別不大。自旋回波對于含水層需要一個特定的帶寬（即兩個激發(fā)脈沖的持續(xù)寬度），會降低信噪比。

7 結(jié)束語

目前將自旋回波技術(shù)應用于地面核磁共振中我國還處于起步研究階段，國際上，也只有法國和美國的少數(shù)學者進行了理論研究，因此如果能將該技術(shù)進行深入研究并投入實際應用，其意義必將重大。但是目前也存在一些問題，因此需要廣泛地借鑒自旋回波法在生物醫(yī)學、光譜學以及核磁共振測井上的成功經(jīng)驗，本文也只是初步進行嘗試，還須進一步研究。

參考文獻

[1]潘玉玲，張昌達.地面核磁共振找水理論與方法[M].武漢：中國地質(zhì)大學出版社，2000.

[2]葉永泉.基于快速自旋回波的功能磁共振方法研究[D].中國科學院生物物理研究所，2009.endprint