核磁共振在復(fù)雜條件地下水探測中應(yīng)用研究

宋玉萍

摘要：指出了在當(dāng)今世界能夠進(jìn)行直接找水的地球物理方法即為核磁共振-NuclearMagneticResonance，簡稱NMR技術(shù)。從核磁共振在具體的地下水探測工作當(dāng)中的應(yīng)用狀況入手，對核磁共振找水技術(shù)運(yùn)用原理、工作方式、應(yīng)用環(huán)境及資料整理進(jìn)行了分析，總結(jié)了實(shí)際多年來的工作經(jīng)驗(yàn)，望能夠?qū)τ诤舜殴舱裨趶?fù)雜條件地下水探測中的大范圍推廣及應(yīng)用提供參考。

關(guān)鍵詞：核磁共振；地下水探測；地球物理

中圖分類號：P641.7

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1674-9944（2016）22-0142-02

1前言

核磁共振是當(dāng)下世界各國中唯一一種能直接進(jìn)行地下水探測的全新地球物理方法，是經(jīng)過對地層水當(dāng)中的氫核來實(shí)施測量以探測出地下水的一種新型的找水技術(shù)。在進(jìn)行地下水探測過程當(dāng)中，核磁共振的運(yùn)用在復(fù)雜的條件下不會受到任何影響。所以，在復(fù)雜條件下地下水探測當(dāng)中，核磁共振有著非常廣闊的應(yīng)用空間，其所得的探測結(jié)果能夠非常顯著的展現(xiàn)出地下水體的潛存特征及空間分布情況。核磁共振技術(shù)具有直接找水、反演解譯成果、包含大量信息資源以及迅速、經(jīng)濟(jì)的顯著優(yōu)勢，在進(jìn)行地下水探測、探詳?shù)叵滤Y源、確定供水井位等方面有著非常寬廣的應(yīng)用前景。

2核磁共振技術(shù)基本原理

2.1工作原理

核磁共振屬于一種在原子核特性的物理現(xiàn)象，指具備核子順磁性物質(zhì)選擇性的汲取電磁能量[1]，在地磁場比較穩(wěn)定的狀態(tài)下，氫核如同陀螺圍繞著整個(gè)地磁場進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，通常旋轉(zhuǎn)的頻率與地磁場的實(shí)際強(qiáng)度、原子核磁旋比存在較為密切的聯(lián)系。核磁共振技術(shù)探測地下水信息的方式運(yùn)用的是不同屬性元素的原子核所形成的NMR效應(yīng)，運(yùn)用的是水中的氫核質(zhì)子的弛豫特性的不同特征，在復(fù)雜條件下核磁共振找水技術(shù)的應(yīng)用可以探尋出地層當(dāng)中水質(zhì)形成核磁共振信號所發(fā)生的一系列改變，核磁感應(yīng)可使得地下水信號做出較為精準(zhǔn)度的探測，從而得到地下水所具備的空間特性及分布規(guī)律[3]。

氫核受到磁場環(huán)境的影響，會位于一定的性能等級當(dāng)中，具備拉摩兒頻率的交變磁場對于整個(gè)地下水當(dāng)中的質(zhì)子形成強(qiáng)大的激發(fā)作用，會造成原子核能產(chǎn)生越級的現(xiàn)象，從而形成核磁共振，這種方式一般會對地面的發(fā)射線圈供應(yīng)一定的頻率，此為拉摩爾頻率的交變電流，在地上交變的電流會使得交變磁場受到一定的激發(fā)作用[2]。當(dāng)電流脈沖被完全斷開之后，使用同一個(gè)接收線圈搜集不同的激發(fā)脈沖矩激發(fā)形成一定的NMR信號，其中信號的高低遲緩將會對水中的質(zhì)子數(shù)量形成直接性的作用及影響，這就和NMR信號幅度數(shù)值與進(jìn)行探測范圍當(dāng)中的自由水含量情況呈現(xiàn)出正比的關(guān)系，從而組成一種對地下水進(jìn)行直接探測的地下水探測方法。

2.2工作方法

2.2.1激發(fā)頻率的挑選

針對地而磁場實(shí)施探測：地下水當(dāng)中包含的氫質(zhì)子旋進(jìn)頻率通常是由地球磁場的具體強(qiáng)度所決定的，為促使氫質(zhì)子得到有力的的保障，可以使用質(zhì)子旋進(jìn)磁力儀當(dāng)中的工作區(qū)域?qū)嵤┨綔y。其次，需要對激發(fā)頻率加以最終的確定，實(shí)施全過程N(yùn)MR探測前期需要進(jìn)行相關(guān)的試驗(yàn)以確定激發(fā)脈沖頻率的具體數(shù)值。

2.2.2線圈形狀的挑選及鋪設(shè)

按照工作范圍當(dāng)中需要進(jìn)行探測的地下水位的埋藏實(shí)際深度、工作范圍當(dāng)中電磁干擾的實(shí)際情況、方向，對線圈的狀態(tài)實(shí)施進(jìn)一步的優(yōu)化，同時(shí)做好線圈的正確鋪設(shè)，工作范圍周邊區(qū)域在受到高壓輸電線路、變電站、民用電干擾的情況下，為能夠?qū)⒏蓴_力度降到最低的程度，可以通過縮減噪音的方式將線圈布置成8字的形狀。

2.2.3測量參數(shù)的挑選

針對復(fù)雜條件下的地下水實(shí)施探測前期，一定要將該地區(qū)的詳細(xì)參數(shù)輸入到計(jì)算機(jī)當(dāng)中。測量范圍：首先選擇2Wnv作為具體的測量區(qū)域，隨后根據(jù)具體情況進(jìn)行更改；長度登記：在針對探測長度進(jìn)行登記的時(shí)候通常是對所期望的NMR信號的具體時(shí)間常數(shù)來加以確定的，若在挑選上存在不合理的情況，則會對整個(gè)地質(zhì)成效與探測效率造成極大的影響，通常可將探測長度控制在100～1000ms范圍，將240ms作為長度登記的具體標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值；脈沖持續(xù)時(shí)間：針對使用平均衰減時(shí)間T2*確定標(biāo)準(zhǔn)的NMR探測而言，脈沖持續(xù)時(shí)間設(shè)置為40ms是最為合適的；脈沖矩個(gè)數(shù)：一般需要從探測范圍的地質(zhì)資料著手來挑選脈沖矩的具體數(shù)量，通常為12個(gè)或16個(gè)；疊加次數(shù)：為促使信號質(zhì)量及探測準(zhǔn)確度得到最大限度的提升，需要從所處客觀氛圍的噪音狀況來做出疊加次數(shù)的確定，通常是在64～128之間的范圍進(jìn)行挑選噪音與疊加次數(shù)呈正比的關(guān)系。

3資料處理

可以從所選的探測點(diǎn)具體方位中現(xiàn)有的地質(zhì)材料來選用矩陣運(yùn)算軟件對各個(gè)探測點(diǎn)的矩陣模型進(jìn)行計(jì)算，之后針對已經(jīng)完成的數(shù)據(jù)采集探測點(diǎn)引用相應(yīng)的模型，當(dāng)探測點(diǎn)材料非常少的狀況下，需要從地質(zhì)所具備的特點(diǎn)出發(fā)，選用類比法針對各個(gè)探測點(diǎn)進(jìn)行探測。

核磁共振在復(fù)雜條件地下水探測的應(yīng)用屬于一種非常直接的找水方式，所得出的探測結(jié)果可以非常直接地體現(xiàn)出地下水的存在狀況與空間分布形態(tài)，針對地下水具有唯一的指向性，得出的成果中包括了含水層的具體分布、厚度、單位體積中的含水量等一系列較為直觀的信息[4]。

4應(yīng)用實(shí)例

（1）在前人認(rèn)為是非含水區(qū)的湖北永安地區(qū)找到了巖溶水。

中國的南方和北方分布著大片的巖溶地貌，傳統(tǒng)的物探找水方法探測巖溶水遇到許多困難，NMR方法為解決這些困難提供了一種新的技術(shù)手段。湖北永安工區(qū)前人認(rèn)為是非含水區(qū)，工區(qū)大部分為耕植農(nóng)田，被第四系粘土所覆蓋。在永安農(nóng)牧開發(fā)區(qū)無水的情況下，中國地質(zhì)大學(xué)在指定區(qū)段開展了地下水的勘查工作。以NMR水方法為主（進(jìn)行了12個(gè)NMR測深點(diǎn)），輔以電阻率法，探查到了優(yōu)質(zhì)的巖溶水。

（2）在風(fēng)化的花崗巖中找到了地下水。

中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）與中國人民解放軍北京軍區(qū)給水工程團(tuán)合作，在常規(guī)物探找水方法難以奏效的河北省花崗巖發(fā)育的康保地區(qū)探測地下水。工區(qū)地表可見亞砂土、亞黏土和碎石，經(jīng)NMR測深資料解釋推斷：地下8～43m深度內(nèi)，有3個(gè)含水層，其中，32～43m深度段為基巖—風(fēng)化的花崗巖含水層。后經(jīng)鉆探證實(shí)，在風(fēng)化的花崗巖中找到了地下水，日出水量達(dá)84t，解決了解放軍官兵飲用水的水源問題。

（3）為開發(fā)利用地下熱水提供了后備基地。

在2000年初，用NMR找水方法在福建省安溪縣找到了水溫79℃的地下熱水，日出水量大于1000t，為該縣地?zé)峁鹃_發(fā)地?zé)豳Y源提供了后備基地。

（4）其他實(shí)例。

除上述典型實(shí)例外，據(jù)中國地質(zhì)科學(xué)院水環(huán)所有報(bào)道[5]，為探索適合西北干旱地區(qū)找水的新技術(shù)、新方法，自他們引進(jìn)NMR系統(tǒng)以來，在西北干旱地區(qū)做了大量工作，取得了一定成果。例如，在寧夏海原徐套地區(qū)，在第四系砂礫石層中用核磁共振方法找到了地下水。又如，在陜西省綏德縣找到了淺層構(gòu)造裂隙水；在清澗縣清澗河一級階地前緣找到了風(fēng)化裂隙水。所獲結(jié)果與已知鉆孔資料非常一致。

5獲得的認(rèn)識及經(jīng)驗(yàn)

（1）復(fù)雜條件地下水探測中核磁共振技術(shù)的應(yīng)用屬于一種非常直接的找水方式，所得出的探測結(jié)果非常直觀，能夠唯一的指向地下水體所具備的顯著特征，可以非常便捷、精準(zhǔn)地確定各個(gè)區(qū)域范圍內(nèi)地下水體的存在與埋藏情況。

（2）核磁共振進(jìn)行復(fù)雜條件地下水探測是有著一定的掌控區(qū)域，對其信號的整理是遵循特定體積開展的集中式處理，所得出的探測結(jié)果是一定體積當(dāng)中地下水的特點(diǎn)及平均單位內(nèi)體積的含水量的真實(shí)性展現(xiàn)。

（3）地下水探測中核磁共振的應(yīng)用有著較大的制約性，因電磁場對核磁共振找水探測將會造成較大程度的影響，通常情況下，電磁干擾度達(dá)到低于6000狀態(tài)的情況下，所得出的探測成效是非常理想的，在高達(dá)1.2W的情況下得出的探測結(jié)果將會與實(shí)際的情況存在較大的差異性。針對線圈類別不同的情況對電磁干擾的敏感程度也會有一定的差異性，其中，圓形的線圈是最為敏感的，其次為方形，另一種為8字圓形線圈。而8字圓形線圈具備非常好的抗干擾性。

（4）核磁共振探測區(qū)域的地形條件的復(fù)雜性將會對整個(gè)線圈的鋪設(shè)帶來一定程度的影響，在進(jìn)行線圈鋪設(shè)的過程當(dāng)中一定要從地質(zhì)條件復(fù)雜程度出發(fā)，在能夠達(dá)到找水深度基本要求的基礎(chǔ)上，挑選最佳的線圈種類。譬如，可以根據(jù)現(xiàn)有的水文地質(zhì)條件，如果探測區(qū)域中地下水含水層埋藏在501m以下，地形狹窄的情況下，那么則需選用8字形的線圈，這樣才能夠確保實(shí)際探測精準(zhǔn)度及整體的工作效率得到較為顯著的提升。

（5）通常情況下，探測深度最大以淺深段內(nèi)含水層單位體積中含水量要比實(shí)際的數(shù)值大很多，所以，可以用現(xiàn)有的水文地質(zhì)資料對線圈類別加以確定，可以選用探測深度大于實(shí)際含水層底板埋深的線圈，這樣促使探測精準(zhǔn)度與可靠性得到強(qiáng)有力的保障。

（6）核磁共振在復(fù)雜條件地下水探測中的應(yīng)用結(jié)果表明，水平方向一次性探測最小掌控區(qū)域面積為250m×250m，當(dāng)含水層在分布面積小、不持續(xù)的狀態(tài)下，尤其是探尋構(gòu)造裂縫隙脈狀水的狀態(tài)下，是不能夠?qū)⒖孜患右跃珳?zhǔn)的確定的，為此，核磁共振找水探測工作當(dāng)中需要通過傳統(tǒng)的物探方式來將孔位加以最終確定，促使找水成效得到較為顯著的提升。

（7）核磁共振在復(fù)雜條件地下水探測中的應(yīng)用結(jié)果表明，垂直方向當(dāng)中，核磁共振探測所得出的結(jié)果展現(xiàn)的是富水層的平均富水特性。為此，地下水探測結(jié)果的含水量直方圖將體現(xiàn)出含水層的頂部、底板、實(shí)際含水層相互間的特定聯(lián)系。為此，要想促使開采井可以展現(xiàn)出含水層的具體情況得到有效的保證，那么則需將孔深設(shè)置要高出核磁共振探測過程中得到的主含水層位底板的孔深。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳文升.核磁共振地球物理儀器原理[M].北京：地質(zhì)出版社，1992：13～20.

[2]張昌達(dá)，潘玉玲.關(guān)于地面核磁共振方法資料巖石物理學(xué)解釋的一些見解[J].工程地球物理學(xué)報(bào)，2006，3（1）：1～8.

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

[4]李振宇，唐輝明，潘玉玲.地而核磁共振方法在地質(zhì)工程中的應(yīng)用[M].武漢：中國地質(zhì)大學(xué)出版社，2006.

[5]楊桂新，武毅，郭建強(qiáng).地面核磁共振技術(shù)勘查西北干旱淺層地下水效果淺析[J].CT理論與應(yīng)用研究，2000（增刊）：53～55.