核磁共振在復雜條件地下水探測中應用研究

宋玉萍

摘要：指出了在當今世界能夠進行直接找水的地球物理方法即為核磁共振-NuclearMagneticResonance，簡稱NMR技術。從核磁共振在具體的地下水探測工作當中的應用狀況入手，對核磁共振找水技術運用原理、工作方式、應用環境及資料整理進行了分析，總結了實際多年來的工作經驗，望能夠對于核磁共振在復雜條件地下水探測中的大范圍推廣及應用提供參考。

關鍵詞：核磁共振；地下水探測；地球物理

中圖分類號：P641.7

文獻標識碼：A文章編號：1674-9944（2016）22-0142-02

1前言

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

2核磁共振技術基本原理

2.1工作原理

核磁共振屬于一種在原子核特性的物理現象，指具備核子順磁性物質選擇性的汲取電磁能量[1]，在地磁場比較穩定的狀態下，氫核如同陀螺圍繞著整個地磁場進行旋轉，通常旋轉的頻率與地磁場的實際強度、原子核磁旋比存在較為密切的聯系。核磁共振技術探測地下水信息的方式運用的是不同屬性元素的原子核所形成的NMR效應，運用的是水中的氫核質子的弛豫特性的不同特征，在復雜條件下核磁共振找水技術的應用可以探尋出地層當中水質形成核磁共振信號所發生的一系列改變，核磁感應可使得地下水信號做出較為精準度的探測，從而得到地下水所具備的空間特性及分布規律[3]。

氫核受到磁場環境的影響，會位于一定的性能等級當中，具備拉摩兒頻率的交變磁場對于整個地下水當中的質子形成強大的激發作用，會造成原子核能產生越級的現象，從而形成核磁共振，這種方式一般會對地面的發射線圈供應一定的頻率，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作用[2]。當電流脈沖被完全斷開之后，使用同一個接收線圈搜集不同的激發脈沖矩激發形成一定的NMR信號，其中信號的高低遲緩將會對水中的質子數量形成直接性的作用及影響，這就和NMR信號幅度數值與進行探測范圍當中的自由水含量情況呈現出正比的關系，從而組成一種對地下水進行直接探測的地下水探測方法。

2.2工作方法

2.2.1激發頻率的挑選

針對地而磁場實施探測：地下水當中包含的氫質子旋進頻率通常是由地球磁場的具體強度所決定的，為促使氫質子得到有力的的保障，可以使用質子旋進磁力儀當中的工作區域實施探測。其次，需要對激發頻率加以最終的確定，實施全過程NMR探測前期需要進行相關的試驗以確定激發脈沖頻率的具體數值。

2.2.2線圈形狀的挑選及鋪設

按照工作范圍當中需要進行探測的地下水位的埋藏實際深度、工作范圍當中電磁干擾的實際情況、方向，對線圈的狀態實施進一步的優化，同時做好線圈的正確鋪設，工作范圍周邊區域在受到高壓輸電線路、變電站、民用電干擾的情況下，為能夠將干擾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測量參數的挑選

針對復雜條件下的地下水實施探測前期，一定要將該地區的詳細參數輸入到計算機當中。測量范圍：首先選擇2Wnv作為具體的測量區域，隨后根據具體情況進行更改；長度登記：在針對探測長度進行登記的時候通常是對所期望的NMR信號的具體時間常數來加以確定的，若在挑選上存在不合理的情況，則會對整個地質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準數值；脈沖持續時間：針對使用平均衰減時間T2*確定標準的NMR探測而言，脈沖持續時間設置為40ms是最為合適的；脈沖矩個數：一般需要從探測范圍的地質資料著手來挑選脈沖矩的具體數量，通常為12個或16個；疊加次數：為促使信號質量及探測準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的確定，通常是在64～128之間的范圍進行挑選噪音與疊加次數呈正比的關系。

3資料處理

可以從所選的探測點具體方位中現有的地質材料來選用矩陣運算軟件對各個探測點的矩陣模型進行計算，之后針對已經完成的數據采集探測點引用相應的模型，當探測點材料非常少的狀況下，需要從地質所具備的特點出發，選用類比法針對各個探測點進行探測。

核磁共振在復雜條件地下水探測的應用屬于一種非常直接的找水方式，所得出的探測結果可以非常直接地體現出地下水的存在狀況與空間分布形態，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應用實例

（1）在前人認為是非含水區的湖北永安地區找到了巖溶水。

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手段。湖北永安工區前人認為是非含水區，工區大部分為耕植農田，被第四系粘土所覆蓋。在永安農牧開發區無水的情況下，中國地質大學在指定區段開展了地下水的勘查工作。以NMR水方法為主（進行了12個NMR測深點），輔以電阻率法，探查到了優質的巖溶水。

（2）在風化的花崗巖中找到了地下水。

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

（3）為開發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，為該縣地熱公司開發地熱資源提供了后備基地。

（4）其他實例。

除上述典型實例外，據中國地質科學院水環所有報道[5]，為探索適合西北干旱地區找水的新技術、新方法，自他們引進NMR系統以來，在西北干旱地區做了大量工作，取得了一定成果。例如，在寧夏海原徐套地區，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造裂隙水；在清澗縣清澗河一級階地前緣找到了風化裂隙水。所獲結果與已知鉆孔資料非常一致。

5獲得的認識及經驗

（1）復雜條件地下水探測中核磁共振技術的應用屬于一種非常直接的找水方式，所得出的探測結果非常直觀，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、精準地確定各個區域范圍內地下水體的存在與埋藏情況。

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

（3）地下水探測中核磁共振的應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，電磁干擾度達到低于6000狀態的情況下，所得出的探測成效是非常理想的，在高達1.2W的情況下得出的探測結果將會與實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）核磁共振探測區域的地形條件的復雜性將會對整個線圈的鋪設帶來一定程度的影響，在進行線圈鋪設的過程當中一定要從地質條件復雜程度出發，在能夠達到找水深度基本要求的基礎上，挑選最佳的線圈種類。譬如，可以根據現有的水文地質條件，如果探測區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，這樣才能夠確保實際探測精準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含水層單位體積中含水量要比實際的數值大很多，所以，可以用現有的水文地質資料對線圈類別加以確定，可以選用探測深度大于實際含水層底板埋深的線圈，這樣促使探測精準度與可靠性得到強有力的保障。

（6）核磁共振在復雜條件地下水探測中的應用結果表明，水平方向一次性探測最小掌控區域面積為250m×250m，當含水層在分布面積小、不持續的狀態下，尤其是探尋構造裂縫隙脈狀水的狀態下，是不能夠將孔位加以精準的確定的，為此，核磁共振找水探測工作當中需要通過傳統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）核磁共振在復雜條件地下水探測中的應用結果表明，垂直方向當中，核磁共振探測所得出的結果展現的是富水層的平均富水特性。為此，地下水探測結果的含水量直方圖將體現出含水層的頂部、底板、實際含水層相互間的特定聯系。為此，要想促使開采井可以展現出含水層的具體情況得到有效的保證，那么則需將孔深設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：

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

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

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

[4]李振宇，唐輝明，潘玉玲.地而核磁共振方法在地質工程中的應用[M].武漢：中國地質大學出版社，2006.

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