核磁共振在復雜條件地下水探測中應用研究

宋玉萍　李麗　任靜

【摘要】在當前世界上，能夠進行直接找水的地球物理方法即為核磁共振-Nuclear Magnetic Resonance簡稱：NMR技術。這主要是由于核磁共振找水技術在實施地下水探測的過程當中不會受到外界因素的影響，在地下淺層水探測當中有著十分寬廣的運用前景。接下來，文章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、運用環(huán)境及資料整理進行淺析，最后歸總出自己多年來的工作經(jīng)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起到一定的參考性價值。

【關鍵詞】核磁共振；地下水；探測；應用

1、前言

核磁共振--Nuclear Magnetic Resonance簡稱：NMR技術，是當下世界各個國建當中唯一一種直接進行地下水探測的全新地球物理方法，是經(jīng)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(xiàn)出地下水體的潛存特征及空間分布情況，可起到對地下水的指向性。NMR技術具備直接找水、反演解譯成果、包含大量信息資源及迅速經(jīng)濟的顯著優(yōu)勢，在進行地下水探測、探尋地下水資源、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基礎上的物理現(xiàn)象，指的是具備核子順磁性物質選擇性的汲取電磁能量，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地磁場來進行旋轉，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(lián)系。核磁共振技術-NMP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(fā)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(guī)律。

氫核受到磁場環(huán)境的影響，會位于一定的性能等級當中，若以具備拉摩兒頻率的交變磁場對于整個地下水當中的質子會形成強大的激發(fā)作用，那么會造成原子核能產(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當中的發(fā)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(fā)作用。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(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子數(shù)量形成直接性的作用及影響，這就是NMR信號幅度數(shù)值與進行探測范圍當中的自由水含量情況呈現(xiàn)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(fā)頻率的挑選

針對地面磁場實施探測：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，為促使氫質子得到最有力的的保障，可以使用質子旋進磁力儀當中的工作區(qū)域實施探測。其次，需要對激發(fā)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(fā)脈沖頻率的具體數(shù)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(tài)實施進一步的優(yōu)化，同時做好線圈的正確鋪設，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，為能夠將干擾力度降到最低的程度我們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

針對復雜條件下的地下水實施探測前期，一定要從該地區(qū)的具備的一系列條件來將下面詳細的參數(shù)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(qū)域，隨后根據(jù)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(shù)來加以確定的，若在挑選上存在不合理的情況，則會對整個地質成效與探測效率造成極大的影響，通?？蓪⑻綔y長度控制在100-1000ms范圍，將240ms作為長度登記的具體標準數(shù)值；脈沖持續(xù)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(xù)時間設置為40ms是最為合適的；脈沖矩個數(shù)：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(shù)量，通常為12或16個；疊加次數(shù)：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(shù)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(shù)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(xiàn)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(jīng)完成的數(shù)據(jù)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(fā)，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的體現(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、獲得的認識及經(jīng)驗

4.1 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、精準的確定各個區(qū)域范圍內地下水體的存在性與埋藏情況；

4.2 核磁共振進行復雜條件地下水探測是有著一定的掌控區(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(xiàn)；

4.3 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(tài)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，再者為8字圓形線圈。而8字圓形線圈具備非常好的抗干擾性。

4.4 核磁共振探測區(qū)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當?shù)氐膹碗s條件出發(fā)，在能夠達到找水深度基本準求的基礎上，挑選最佳的線圈種類，譬如，可以根據(jù)現(xiàn)有的水文地質材料，如果探測區(qū)域中地下水含水層埋藏在50m以淺深段，地形狹窄的情況下，那么則需選用8字方形的線圈，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。

4.5 按照此次探測的結果進行鉆孔驗證。通常情況下，探測深度最大的以淺深段含水層單位體積中含水量結果要比實際的數(shù)值要大很多，所以，可以對現(xiàn)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。

4.6 因核磁共振在復雜條件地下水探測中的應用結果表明，在一定水平面積區(qū)域及垂直深段當中的地下水特征的平均數(shù)值，一般情況下，水平方向一次性探測最小掌控區(qū)域面積為250*250㎡，當含水層分布面積小、不持續(xù)的狀態(tài)下，尤其是探尋構造裂縫隙脈狀水的狀態(tài)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(tǒng)的物探方式來將孔位加以最終的確定，促使找水成效得到較為顯著的提升。

4.7 垂直方向當中，核磁共振探測所得出的結果展現(xiàn)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(xiàn)出含水層的頂部、底板、實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]陳文升編著.核磁共振地球物理儀器原理.北京；地質出版社，1992，13-20.

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

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

第一作者簡介：

宋玉萍，女，1982年，碩士，工程師，2008年畢業(yè)貴州大學環(huán)境工程專業(yè)，研究方向：水工環(huán)地質。