核磁共振技術在水利行業(yè)的應用前景展望

張 釗 楊瑞坤 孫 博

(1.山東省水利科學研究院，山東 濟南 250014；2.北京海策工程咨詢有限公司，北京 100043；3.山東省調水工程運行維護中心，山東 濟南 250012)

1 核磁共振技術背景

核磁共振是在固體微觀量子理論和無線電微波電子學技術的基礎上被發(fā)現(xiàn)的。核磁共振經(jīng)過了70多年的發(fā)展和應用，已經(jīng)成為物理、化學、醫(yī)學、生物、地質、材料、能源領域的一項重要技術。

1938年，美國哥倫比亞大學教授伊西多·拉比(Isidor Isaac Rabi)使用分子束方法發(fā)現(xiàn)了在磁場中的原子核會沿磁場方向呈正向或反向有序平行排列，而施加無線電波之后，原子核的自旋方向發(fā)生翻轉。憑借這項研究，拉比于1944年獲得了諾貝爾物理學獎。1945年底，美國哈佛大學Purcell在石蠟樣品中觀測到穩(wěn)定的核磁共振信號。幾乎在同一時間(1946年初)，斯坦福大學Bloch在水中觀測到了穩(wěn)態(tài)的核磁共振現(xiàn)象。兩人憑借這一發(fā)現(xiàn)分享了1952年諾貝爾物理學獎。20世紀60年代，科學家利用NMR技術，分析檢測到了動物體內(nèi)分布的氫、氮、磷的NMR信號，從而開始了對生物組織的化學分析研究工作。1971年，美國州立大學的Raymond Damadian 在《科學》雜志上發(fā)表了名為“NMR信號可以檢測疾病”和“癌組織中的T2時間延長”的論文，為NMR成像技術在生物醫(yī)學中的研究奠定了基礎。1973年，P.C.Lauterbur教授在《自然雜志》發(fā)表論文，為NMR成像技術的出現(xiàn)和發(fā)展拉開了序幕。

2 核磁共振原理

核磁共振是一個基于原子核特性的物理現(xiàn)象，在穩(wěn)定磁場的作用下，原子核處于一定的能級。如果用適當頻率的交變磁場，可使原子核在能級間產(chǎn)生共振躍遷，稱為核磁共振。

2.1 原子核特性

核磁共振現(xiàn)象是原子核特性的表現(xiàn)，通常用質量數(shù)(A)、質子數(shù)(Z)、動量矩(L)、磁矩(μ)和能級等概念描述。

2.1.1 原子核自旋動量矩

具有一定質量和體積的原子核總在做自旋運動，大多數(shù)原子核與旋轉陀螺一樣繞著某一軸做自身旋轉運動，用自旋動量矩(L)描述。按量子力學計算，原子核子自旋動量矩的數(shù)值為|L|=[I(I+1)]1/2h/2π。其中h為普朗克常數(shù)，I為原子核自旋量子數(shù)。

自旋量子數(shù)為原子核的固有特性，不同的原子核有不同的I值。I取值為零、半整數(shù)和整數(shù)，遵循一定規(guī)律。只有當原子核中的質子數(shù)Z和中子數(shù)至少有一項為奇數(shù)時，I值不為0，也就是原子核具有自旋動量矩。

對于只有一個質子的氫核1H自旋量子數(shù)I=1/2。原子核自旋動量矩的方向是量子化的，氫核自旋動量矩的方向在空間只有兩個取向，一個與z軸平行，另一個與z軸反平行。

2.1.2 原子核磁矩

具有一定電荷的原子核做自旋運動將形成電流而產(chǎn)生磁性，用磁矩(μ)描述原子核的磁性，原子核的磁性具有量子化的性質。原子核磁矩與自旋動量矩的關系為μ=γL，其中γ為磁旋比，是測量值，是原子核常數(shù)。γ=e/(2m)，e為原子核電荷量，m為原子核質量。磁旋比與質點的運動特性無關，只依賴于質點的電荷和質量。

2.2 穩(wěn)定磁場作用

2.2.1 晶格作用

物質中原子核位于原子之中，原子組成物質的晶格，晶格本身不斷地做熱運動，原子核處于熱運動的晶格包圍之中。宏觀樣品可以認為是由原子核系統(tǒng)和晶格系統(tǒng)組成的，兩系統(tǒng)間存在著互相作用，進行能量交換。

2.2.2 穩(wěn)定磁場對原子核磁矩的作用

在穩(wěn)定磁場中，原子核系統(tǒng)釋放的一部分能量轉化為晶格系統(tǒng)熱運動的能量，一些原子核從高能級躍遷到低能級，因此低能級的核粒子數(shù)比高能級多，直到晶格系統(tǒng)不再接收原子核系統(tǒng)釋放的能量時，原子核系統(tǒng)和晶格系統(tǒng)達到熱平衡。

對于只有一個質子的氫核，在穩(wěn)定磁場中有兩個能級，沿磁場方向的一部分磁矩，處于低能級；與磁場方向相反的一部分磁矩，處于高能級，并且處于低能級的核粒子數(shù)大于處于高能級的核粒子數(shù)，由此就有過剩的沿穩(wěn)定磁場方向的核磁矩縱向分量(M)存在。

2.2.3 拉摩爾進動

如圖1所示，在穩(wěn)定磁場B0中，磁矩M繞B0的運動類似于陀螺在地球重力場中的運動，稱為拉摩爾進動。進動頻率稱為拉摩爾頻率。磁矩M在磁場B0中進動的角速度ω0=γB0，由上述可知γ為磁旋比。進動頻率f=ω0/(2π)。

圖1 原子核在穩(wěn)定磁場B0中進動示意圖

2.3 弛豫作用

對于被磁化后的核自旋系統(tǒng)，其旋進頻率(拉摩爾頻率)為ω0。如果在垂直于穩(wěn)定磁場(B0)方向再施加一個交變電磁場(B1)，而且使其頻率ω=ω0，根據(jù)量子力學原理，核自旋將發(fā)生共振吸收現(xiàn)象，處于低能態(tài)的核磁矩通過吸收交變磁場能量躍遷到高能態(tài)，此即核磁共振現(xiàn)象。

激發(fā)脈沖施加前，核自旋系統(tǒng)保持平衡狀態(tài)，宏觀磁矩M0與B0方向相同。激發(fā)脈沖作用期間，磁化矢量吸收電磁能量而偏離磁場方向；激發(fā)脈沖作用結束后，磁化矢量釋放電磁能量，通過自由進動，向B0方向恢復。

使核自旋從高能級的非平衡狀態(tài)恢復到低能級的平衡狀態(tài)，這一過程叫作“弛豫”。弛豫分為橫向馳豫和縱向弛豫，以T2表示橫向馳豫時間，T1表示縱向弛豫時間。NMR利用自旋回波技術測得原子核不同狀態(tài)下的T1、T2值，從而得到原子核在不同狀態(tài)下的分布情況。以氫核1H為例，國內(nèi)外的研究、統(tǒng)計規(guī)律表明，自由水和束縛水的變化范圍為而自由束縛水為由此可以根據(jù)不同形態(tài)水分的弛豫特征值反演得到研究對象的含水特征。

3 水利相關專業(yè)領域的核磁共振研究應用概述

3.1 巖土物理學特性表征

近些年，核磁共振技術以其無損檢測、無放射性、檢測速度快、微觀結構三維成像、設備便攜等優(yōu)勢，廣泛地應用于巖土方面物理學特征的表征，并取得了重要研究成果及應用效果。

土的物理性質指標，一類是試驗測定的，如含水率、密度和土粒比重，傳統(tǒng)試驗方法為烘干法、環(huán)刀法等；另一類是根據(jù)試驗測定的指標換算得來的，如孔隙比、孔隙率和飽和度等。核磁共振技術通過衰減信號反演獲得的不同相態(tài)水分的弛豫參數(shù)(T1、T2)，除可快速獲得以上參數(shù)外，還可獲得常規(guī)測試手段無法測得的重要信息，如樣品中不同相態(tài)水分的含量及分布情況、流體剖面及流體遷移信息等。而且磁共振技術還具有測試速度快、對樣品標準與否不作限制的技術優(yōu)勢。

李彰明等[2]在淤泥、超軟土地基排水固結處理方面，運用核磁共振技術可測得土體中自由水、結合水比例的優(yōu)勢，得出了通過施加荷載使非自由水轉化為自由水的荷載水平及速率。對應于通常工程荷載的較低能量真三軸試驗，在100kPa以下的荷載水平及1.6MPa/s荷載速率下，淤泥類超軟土中非自由水不能轉化為自由水。對應于靜動力排水固結法條件的高速沖擊荷載下(每擊荷載水平3787kPa，速率631.2MPa/s)，非自由水可轉化為自由水。

王琨等[3]通過對國內(nèi)外諸多文獻資料的研究，總結了核磁共振技術在巖石物理與空隙結構表征中的應用，如：核磁共振技術對碳酸鹽巖、致密砂巖及頁巖等巖樣的孔隙度表征，能獲得與氦氣測孔基本一致的結果[4-7]；Fellah et al[8]根據(jù)一定質量鉆屑的1H信號和19F信號，分別確定鉆屑孔隙體積和鉆屑外表體積，再計算得到鉆屑孔隙度，其結果表明鉆屑孔隙度與標準巖芯孔隙度基本一致，解決了不規(guī)則樣孔隙度測試困難的問題。

3.2 水泥基材料

由于現(xiàn)代混凝土的水灰比普遍較小，其水分滲透率比巖石材料的還要低4～6個數(shù)量級[9]，試驗測量非常困難。而對水泥基材料孔結構與水分滲透率的研究，對混凝土耐久性能分析具有重要意義。謝恩慧等[10]的研究表明，以壓汞和氣體吸附法為代表的經(jīng)典測孔技術，測量得到的是多孔材料在干燥狀態(tài)下的孔結構特征，干燥作用的影響無法從測量結果中解耦并剔除。為此，作者使用某科技有限公司生產(chǎn)的2MHz磁共振分析儀Lime-MRI-D2對砂漿樣品在飽水狀態(tài)下的孔徑分布進行了試驗測試，同時對烘干后的樣品采用壓汞法進行測試。通過兩種測試結果的對比分析，得出砂漿在飽水與干燥狀態(tài)下的孔結構差異顯著。研究還表明，基于低場磁共振弛豫技術測得的飽水狀態(tài)下的孔結構特征，可準確預測水泥基材料的水分滲透率。

孫振平等[11]將核磁共振技術廣泛應用于混凝土的研究，主要包括水分在混凝土中的擴散、混凝土高溫爆裂、混凝土的自擴散系數(shù)、T1-T2相關譜、混凝土內(nèi)養(yǎng)護劑的作用、混凝土保護層厚度、混凝土孔結構、混凝土水化過程和水化產(chǎn)物等方面。作者認為核磁共振作為一種多尺度研究手段，可用于分析混凝土性能與水分遷移的相關性、多種因素對水化過程的影響及C-S-H凝膠等水化產(chǎn)物的微觀結構。

3.3 水文地質

1997年底，中國地質大學(武漢)引進了中國第一套NUMIS，率先在我國利用地面核磁共振(SNMR)方法成功在湖北、湖南、河北、福建、內(nèi)蒙古、新疆等12個省區(qū)開展找水實踐。中國地質科學院水環(huán)所、新疆水利廳石油供水辦公室、水利部內(nèi)蒙古牧區(qū)水利科學研究所、烏蘭浩特水利局先后引進NUMIS系統(tǒng)，在找水實踐中得到了成功的應用。

在國家自然科學基金資助下，2001—2003年，中國地質大學(武漢)利用SNMR方法對趙樹嶺滑坡共進行了6次監(jiān)測。對6次實測數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)處理和反演，獲得核磁共振測深點的含水量直方圖，由該圖可以直觀地看出地下含水層(或隔水層)的個數(shù)，各含水層的深度、厚度、含水量；同時由色標可以看出各含水層的平均衰減時間值的大小，即各含水層顆粒大小的變化情況。

4 核磁技術在水利行業(yè)的應用前景

水利事業(yè)關系國計民生，行業(yè)功能為通過相關的工程、技術和管理措施，解決人與水之間一系列問題，以實現(xiàn)水資源的綜合開發(fā)利用和水災害的防治。核磁共振技術的研究和應用以1H核的磁共振特性為基礎。通過上述對核磁共振技術的歷史、發(fā)展、現(xiàn)狀的探討，結合水利行業(yè)的性質，磁共振技術在水利行業(yè)科研、應用方面有廣泛的應用前景。

4.1 水文地質

地面核磁技術(SNMR)在三峽庫區(qū)趙樹嶺滑坡監(jiān)測方面的應用研究以及其在找水方面的應用實踐，表明該技術可廣泛應用于水文地質勘探、水庫庫區(qū)滑坡監(jiān)測等其他與地下水存賦情況密切相關的地質工作中。

4.2 土工試驗

土石壩壩體填筑施工中，壓實度檢測是施工質量控制的一項重要內(nèi)容。傳統(tǒng)方法對壓實度的檢測一般采用灌砂法，從現(xiàn)場取樣到實驗室檢測以及最后的報告形成，需要較長時間，不能及時指導現(xiàn)場施工作業(yè)。前述磁共振技術在土體物理學性質表征方面的研究應用，以及其安全無輻射、檢測速度快、設備便攜、現(xiàn)場即時出具數(shù)據(jù)和相關圖像的技術優(yōu)勢，可為土石壩填筑現(xiàn)場質量控制工作提供高效、可靠的技術支持。

4.3 土石堤壩防滲透探測

我國目前已建的9.8萬余座大壩中95%以上為土石壩[12]。土石壩破壞通常以滲透破壞為主，包括壩體滲漏、壩基滲漏以及繞壩滲漏。目前土石壩壩體內(nèi)部滲流監(jiān)測通常采用滲壓計。隨著技術進步，新型監(jiān)測設施不斷應用于土石壩內(nèi)部的滲流監(jiān)測，如分布式光纖溫度監(jiān)測系統(tǒng)；此外地質雷達檢測技術在大壩滲漏檢測中也有應用。由前述地面核磁共振技術(SNMR)在趙樹嶺滑坡監(jiān)測方面對地下水情況探測的研究結論，作者認為其在土石壩、堤防滲流安全監(jiān)測方面的應用值得期待。

4.4 其他

以氫核1H磁共振特性為基礎的磁共振技術，通過表征水分在多孔介質中的存賦，可預期其在水利行業(yè)有著廣泛的應用場景。除上述應用場景外，核磁共振技術在水利工程大型混凝土特性研究、輸水工程漏水點探測、水土保持植物根系形態(tài)研究、加油站滲漏污染地下水監(jiān)測方面的應用同樣值得探索。

5 結 語

隨著NMR/MRI技術的不斷發(fā)展，磁共振設備系統(tǒng)硬件發(fā)展迅速，如超高場寬口徑磁體、多梯度系統(tǒng)、相控陣或一體化射頻線圈、均場技術和屏蔽技術相繼問世[13-14]。我國水利事業(yè)歷史悠久，隨著水利事業(yè)的發(fā)展不斷推進，各種新方法、新技術不斷開創(chuàng)和應用。核磁技術目前仍是世界上的尖端技術，將其引進水利行業(yè)，將會為水利事業(yè)現(xiàn)代化注入新的科技力量。