核磁共振在复杂条件地下水探测中应用研究

宋玉萍　李丽　任静

【摘要】在当前世界上，能够进行直接找水的地球物理方法即为核磁共振-Nuclear Magnetic Resonance简称：NMR技术。这主要是由于核磁共振找水技术在实施地下水探测的过程当中不会受到外界因素的影响，在地下浅层水探测当中有着十分宽广的运用前景。接下来，文章从核磁共振在具体的地下水探测工作当中的应用状况入手，对核磁共振找水技术运用原理、工作方式、运用环境及资料整理进行浅析，最后归总出自己多年来的工作经验，望能够对于核磁共振在复杂条件地下水探测中的大范围推广及应用起到一定的参考性价值。

【关键词】核磁共振；地下水；探测；应用

1、前言

核磁共振--Nuclear Magnetic Resonance简称：NMR技术，是当下世界各个国建当中唯一一种直接进行地下水探测的全新地球物理方法，是经过对地层水当中的氢核来实施测量以探测出地下水的一种新型的找水技术。在进行地下水探测过程当中，核磁共振的运用在复杂的条件下不会受到任何影响，所以，在复杂条件下地下水探测当中，核磁共振有着非常广阔的应用空间，其所得的探测结果能够非常显著的展现出地下水体的潜存特征及空间分布情况，可起到对地下水的指向性。NMR技术具备直接找水、反演解译成果、包含大量信息资源及迅速经济的显著优势，在进行地下水探测、探寻地下水资源、确定供水井位等方面有着非常宽广的应用前景。

2、核磁共振技术基本原理

2.1 工作原理

核磁共振属于一种在原子核特性基础上的物理现象，指的是具备核子顺磁性物质选择性的汲取电磁能量，在地磁场比较稳定的状态下，氢核如同陀螺围绕着整个地磁场来进行旋转，通常，旋转的频率与地磁场的实际强度、原子核磁旋比存在较为密切的联系。核磁共振技术-NMP探测地下水信息的方式运用的是不同属性元素的原子核所形成的NMR效应，运用的是水中的氢核质子的弛豫特性的不同特征，在复杂条件下核磁共振找水技术的应用可以探寻出地层当中水质形成核磁共振信号所发生的一系列改变，核磁感应可使得地下水信号做出较为精准度的探测，从而得到地下水所具备的空间特性及分布规律。

氢核受到磁场环境的影响，会位于一定的性能等级当中，若以具备拉摩儿频率的交变磁场对于整个地下水当中的质子会形成强大的激发作用，那么会造成原子核能产生越级的现象，从而形成核磁共振，这种方式一般会对地面当中的发射线圈供应一定的频率，此为拉摩尔频率的交变电流，在地上交变的电流会使得交变磁场受到一定的激发作用。当电流脉冲被完全断开之后，使用同一个接收线圈搜集不同的激发脉冲矩激发形成一定的NMR信号，其中信号的高低迟缓将会对水中的质子数量形成直接性的作用及影响，这就是NMR信号幅度数值与进行探测范围当中的自由水含量情况呈现出正比的关系，从而组成一种对地下水进行直接探测的地下水探测方法。

2.2 工作方法

2.2.1 激发频率的挑选

针对地面磁场实施探测：地下水当中包含的氢质子旋进频率通常是由地球磁场的具体强度所决定的，为促使氢质子得到最有力的的保障，可以使用质子旋进磁力仪当中的工作区域实施探测。其次，需要对激发频率加以最终的确定，实施全过程NMR探测前期需要进行相关的试验以确定激发脈冲频率的具体数值。

2.2.2 线圈形状的挑选及铺设

按照工作范围当中需要进行探测的地下水位的埋藏实际深度、工作范围当中电磁干扰的实际情况、方向，对线圈的状态实施进一步的优化，同时做好线圈的正确铺设，工作范围周边区域在受到高压输电线路、变电站、民用电干扰的情况下，为能够将干扰力度降到最低的程度我们可以通过缩减噪音的方式将线圈布置成8字的形状。

2.2.3 测量参数的挑选

针对复杂条件下的地下水实施探测前期，一定要从该地区的具备的一系列条件来将下面详细的参数输入到计算机当中。测量范围：首先选择2Wnv作为具体的测量区域，随后根据具体情况进行更改；长度登记：在针对探测长度进行登记的时候通常是对所期望的NMR信号的具体时间常数来加以确定的，若在挑选上存在不合理的情况，则会对整个地质成效与探测效率造成极大的影响，通常可将探测长度控制在100-1000ms范围，将240ms作为长度登记的具体标准数值；脉冲持续时间：针对使用平均衰减时间T2*确定标准的NMR探测而言，脉冲持续时间设置为40ms是最为合适的；脉冲矩个数：一般需要从探测范围的地质资料着手来挑选脉冲矩的具体数量，通常为12或16个；叠加次数：为促使信号质量及探测准确度得到最大限度的提升，需要从所处客观氛围的噪音状况来做出叠加次数的确定，通常是在64-128之间的范围进行挑选噪音与叠加次数呈正比的关系。

3、资料处理

可以从所选的探测点具体方位中现有的地质材料来选用矩阵运算软件对各个探测点的矩阵模型进行计算，之后针对已经完成的数据采集探测点引用相应的模型，当探测点材料非常少的状况下，需要从地质所具备的特点出发，选用类比法针对各个探测点进行探测。

核磁共振在复杂条件地下水探测的应用属于一种非常直接的找水方式，所得出的探测结果可以非常直接的体现出地下水的存在状况与空间分布形态，针对地下水具有唯一的指向性，得出的成果中包括了含水层的具体分布、厚度、单位体积中的含水量等一系列较为直观的信息。

4、获得的认识及经验

4.1 复杂条件地下水探测中核磁共振技术的应用属于一种非常直接的找水方式，所得出的探测结果非常直观，能够唯一的指向地下水体所具备的显著特征，可以非常便捷、精准的确定各个区域范围内地下水体的存在性与埋藏情况；

4.2 核磁共振进行复杂条件地下水探测是有着一定的掌控区域，对其信号的整理是遵循特定体积开展的集中式处理，所得出的探测结果是一定体积当中地下水的特点及平均单位内体积的含水量的真实性展现；

4.3 地下水探测中核磁共振的应用有着较大的制约性，因电磁场对核磁共振找水探测将会造成较大程度的影响，通常情况下，电磁干扰度达到低于6000状态的情况下，所得出的探测成效是非常理想的，在高达1.2W的情况下得出的探测结果将会与实际的情况存在较大的差异性。针对线圈类别不同的情况对电磁干扰的敏感程度也会有一定的差异性，其中，圆形的线圈是最为敏感的，其次为方形，再者为8字圆形线圈。而8字圆形线圈具备非常好的抗干扰性。

4.4 核磁共振探测区域的地形条件的复杂性将会对整个线圈的铺设带来一定程度的影响，在进行线圈铺设的过程当中一定要从当地的复杂条件出发，在能够达到找水深度基本准求的基础上，挑选最佳的线圈种类，譬如，可以根据现有的水文地质材料，如果探测区域中地下水含水层埋藏在50m以浅深段，地形狭窄的情况下，那么则需选用8字方形的线圈，这样才能够确保实际探测精准度及整体的工作效率得到较为显著的提升。

4.5 按照此次探测的结果进行钻孔验证。通常情况下，探测深度最大的以浅深段含水层单位体积中含水量结果要比实际的数值要大很多，所以，可以对现有的水文地质资料对线圈类别加以确定，可以选用探测深度大于实际含水层底板埋深的线圈，这样促使探测精准度与可靠性得到强有力的保障。

4.6 因核磁共振在复杂条件地下水探测中的应用结果表明，在一定水平面积区域及垂直深段当中的地下水特征的平均数值，一般情况下，水平方向一次性探测最小掌控区域面积为250*250㎡，当含水层分布面积小、不持续的状态下，尤其是探寻构造裂缝隙脉状水的状态下，是不能夠将孔位加以精准的确定的，为此，核磁共振找水探测工作当中需要通过传统的物探方式来将孔位加以最终的确定，促使找水成效得到较为显著的提升。

4.7 垂直方向当中，核磁共振探测所得出的结果展现的是富水层的平均富水特性。为此，地下水探测结果的含水量直方图将体现出含水层的顶部、底板、实际含水层相互间的特定联系。为此，要想促使开采井可以展现出含水层的具体情况得到有效的保证，那么则需将孔深设置要高出核磁共振探测过程中得到的主含水层位底板的孔深。

参考文献：

[1]陈文升编著.核磁共振地球物理仪器原理.北京；地质出版社，1992，13-20.

[2]张昌达，潘玉玲.关于地面核磁共振资料岩石物理学解释的一些见解.工程地球物理学报.2006，3（1）：1-8.26.

[3]潘玉玲，张昌达等编著.地面核磁共振找水理论与方法.武汉：中国地质大学出版社.2000.

[4]李振宇，唐辉明，潘玉玲编著.地面核磁共振方法在地质工程中的应用.武汉：中国地质大学出版社，2006.

第一作者简介：

宋玉萍，女，1982年，硕士，工程师，2008年毕业贵州大学环境工程专业，研究方向：水工环地质。