刍议水文地质中NMR 技术与应用

周建新

（云南省地矿局地球物理地球化学勘查队，云南 昆明 652100）

1 前言

滑坡是一种多发的地质灾害类型,它严重威胁着人民生命财产安全。对于滑坡进行稳定性分析和监测,是防灾减灾和预报避险的关键。在滑体空隙中,常有地下水分布,由于滑体结构复杂,地下水的分布也十分复杂,尤其是特殊岩质的滑坡,因滑体内各处空隙分布和连通性等差别较大,导致了地下水系统的复杂和不稳定,使滑体内地下水多以潜水为主且埋深相对较浅,受外界影响较大,动态变化较明显。因此,在影响滑坡稳定性的诸多因素中,滑坡的水文地质因素对滑坡稳定性有很大影响,这些因素包括滑体的赋水性、渗透性、空隙连通性以及地下水的结构系统、水位、动态变化、补径排条件等,且它们最易变、最难确定。为了进行滑坡稳定性分析评价,就需要查明滑坡的水文地质条件,获得滑体含水层的相关水文地质参数。

2 核磁共振找水仪的工作原理

核磁共振 (Nuclear Magnetic Resonance,缩写为NMR)技术是当前世界上的尖端技术,它被应用到物理学、化学、生物学、医学等很多领域,在地质领域也有一些应用。利用地面核磁共振 (Surface Nuclear Magnetic Resonance 缩写为SNMR)勘测滑坡的水文地质条件,就是其在地质领域应用研究的新方向。核磁共振是原子核的一种物理现象,它是指具有核子顺磁性的物质能够选择性地吸收电磁能量,而氢核是地层中具有核子顺磁性物质中丰度最高、磁旋比最大的核子,水中的氢核是地层中氢核的主体。利用地面核磁共振测量地层水中的氢核可以直接找水,这就是核磁共振找水仪。若地层中赋存有地下水,当施加一个与地磁场(B0)方向不同的外磁场(B1)时,氢核磁矩将偏离地磁场方向,一旦B1 消失,氢核将绕B0 旋进,其磁矩方向恢复到地磁场方向。设旋进频率为ω0,氢核的磁旋比为γ,则:ω0=γB0通过向铺在地面上的线圈 (发射P 接收线圈)中供入交变电 流脉冲,在其形成的交变磁场激发下,使地下水中氢核形成宏观磁矩。这一宏观磁矩在地磁场中产生旋进运动,其旋进频率为氢核所特有。在切断激发电流脉冲后,用同一线圈拾取由不同激发脉冲矩激发产生的NMR 信号,该信号强弱或衰减快慢与水中质子的数量有直接关系,信号的幅值与所探测空间内自由水含量成正比,据此可以探测地下水的存在性及时空赋存特征。在实际测试中,地面每个NMR 测点上通过由小到大(100～9000A ·ms 或者 100～18000A ·ms)依次改变激发脉冲矩来探测由浅到深的含水层的赋存状态,进而反演水文地质参数。由于自由水和结合水信号频率不同,该方法测试到的是岩土层中的自由水,结合水则测试不到。因此,该方法测试的数据是含水层中地下水的反应。

3 利用NMR 确定水文地质条件

根据NMR 找水仪的测试原理,当有地下水存在时,可以测试到NMR 信号,信号的特性可以反映地下水的存在性及时空赋存特征。在没有地下水活动的地段,NMR 则测不到信号。因此,可以根据测试到的NMR 信号情况划分含水层和隔水层。通过专门的处理和解释,可以给出各含水层的深度和厚度。因为NMR 信号初始振幅的大小与岩土体含水量成正比,由此可以确定各含水层的含水量。水中氢核在地磁场中形成一个极其微弱的宏观磁矩,这个宏观磁矩的旋进运动在线框中感应产生一个衰减信号,称为自由感应衰减信号或旋进信号(FID),其衰减时间常数为T2*。T2*可以反映地下水岩层的空隙度n,计算公式如下:

式中：V 为岩土体体积;V 为空隙体积;S为空隙面积;T2*为弛豫时间,以毫秒(ms)为单位;ρ为与界面邻近水层距界面的距离和弛豫时间有关的系数。通过空隙度还可以推算地层的渗透系数。根据已发表的NMR 数据,用试配法可以得到如下的计算含水层渗透系数k 的数值模型:k=2.2ΦT2*式中：Ф为有效空隙度。

4 应用实例

4.1 某滑坡基本特征

某滑坡被查明为一大型基岩滑坡,其稳定性直接关系到附近沿江大道、的安全与新城土地规划利用。由于滑体物质主要为碎裂岩,对滑坡稳定性影响较大。因此,查明滑坡水文地质条件是进行稳定性分析的关键内容之一。某滑坡是经多次局部滑移和弯曲倾倒滑移形成的综合滑体。滑体平面上呈不太规则的长方形,其东西宽约550m,南北长约900～950m,面积约50 ×104m2。滑体表面总体呈阶梯状:高程150m 以下至长江边为陡坡,坡度35～50°;高程 170～200m 和 380～400m 间为缓坡平台;高程200～380m,坡度较陡;400m 以上为滑坡后缘陡坡。滑体主要为巴东组第三段(T2b3)岩层经滑移碎裂而成,局部覆盖有1～5m 厚的残坡积物或新近崩滑堆积物。滑体最大厚度约50～65m。钻孔揭露滑体碎裂岩中见多层软弱破碎带,这些破碎带具有不顺层、不连续和厚度变化大等特点,且互不平行,构成了各不同期次滑坡的滑动面(或滑带),最深部的滑带位于T2b2 和T2b3 界面附近。

4.2 NMR 分析结果

对某滑坡共先后进行了6 次SNMR 测试,分别在3月份(枯水期)测试3 次,在8月份(汛期)测试3 次。每次测试都进行了2 次数据观测,2 次观测数据生成一个30 脉冲矩的标准NUMIS 反演格式文件,对测试结果进行反演。

4.2.1 水文地质参数的求取

旋进信号FID 的初始振幅E0 与参加旋进运动的质子总数成正比。旋进信号是来自各类空隙水质子信号之和。对于饱和岩土体,所有空隙体积之和等于岩土体中液体的体积,也就是有效空隙。SNMR 仪器经过标定,可以根据FID 的E0 测出岩土体的含水量ω。对于饱和岩土体,根据ω可以计算出饱和带岩土体的空隙度Φ及空隙率。同时,根据(3)式,由空隙度Φ和T2*可以得到岩土层的渗透系数。结合某滑坡各点位SNMR 测试数据的反演解释,可综合反演出滑体的有关水文地质参数(见表1)。

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4.2.2 含水层的划分和滑动带的确定

在测试过程中,有3 个深度段可测到NMR 信号。根据NMR 信号只有在地下自由水存在时才可测到的原理,可知该点位存在3层地下水(即3 个含水层):第1 层位于地表层(埋深在5m 以内),为浅地表碎块石土内的上层滞水;第2 层埋深14～21m,为层间地下水;第3 层埋深25m 以下,含水层厚度大,为区域地下水含水层。3 层地下含水层之间基本上测试不到NMR 信号,所以地下水含水量很低,为相对隔水层。比较3 个含水层所测试到的的大小,可以看出,第1 层含水量较小;第2 层含水量较大,特别是埋深约在18m 处含水量更大;第3 层渗透系数相对最大,特别是埋深约在40m 处含水量最大。在第2 层中的埋深约18m 处,有一层比其上下两侧的含水量都大,且物性差异很明显,说明该深度岩层比较破碎且连通性较好,因此,推测其为滑带。同样,在第3 层中的埋深约40m 处,也有一层比其上下两侧的含水量相对要大,且物性差异较明显,甚至其下的区域含水层饱水带的含水量都比该层低,说明该层岩土体相当破碎,其横向上连通性也好,同样可推测其为滑带。其他各点位的测试结果与此点位相似。汛期和枯水期NMR 反演出的两个滑动面的深度基本不变,说明了该滑动面的客观存在。另外,同一点位的钻孔资料也证实了这一推断——钻孔揭示18.2m 埋深处有一滑动带,42m 埋深处有一滑动带。利用核磁共振方法划分含水层和确定滑动带是可行的。

4.2.3 地下水动态分析

根据多次NMR 测试结果表明:第1 层含水层的含水量变化大,说明了上层滞水受地表水的影响较大;第2 层含水层的含水量有一定变化,但变化不大,含水层的深度基本不变;第3 层含水层含水量也有一定变化,但变化也不大,含水层的埋深基本不变。因此,根据NMR 可以获得某滑坡地下水含水层的分布以及动态变化特征,可以获得相关的水文地质参数,为建立符合实际的滑坡模型及进一步的稳定性分析评价提供了依据。

5 结束语

利用传统勘探手段,很难充分揭示滑体内水文地质条件的复杂性,更难以获取实用、可靠的水文地质参数,且费用高、周期长。为此,根据核磁共振找水原理,测定滑体孔隙度等水文地质参数,划分含水层,确定滑动面(带)的方法,进而为滑坡模型的建立及滑坡稳定性的评价提供依据。可以为饱和-非饱和土稳定性模拟提供必需的参数。工程实例表明,把NMR 技术用于勘测滑坡水文地质条件是可行的,并且经济、快速,效果好。