地面核磁共振找水方法的基本原理

Question

如题所述

Answer 1

5.7.1.1 方法的基本原理

地面NMR找水方法，又称地面NMR测深，该方法应用核磁感应系统（以下简称核磁共振找水仪），通过由小到大地改变激发脉冲矩q（q=I₀·t_p，式中I₀、t_p分别为激发电流脉冲的幅值和持续时间）来探测由浅到深的含水层的赋存状态，实现对地下水资源的探测。

地面NMR找水方法利用了不同物质原子核弛豫性质差异产生的NMR效应，例如利用了水中氢核（质子）的弛豫特性差异，在地面上利用核磁共振找水仪，观测、研究在地层中水质子产生的核磁共振信号的变化规律，进而探测地下水。

核磁共振是一个基于原子核特性的物理现象，指具有核子顺磁性的物质选择性地吸收电磁能量。从理论上讲，应用NMR技术的惟一条件是所研究物质的原子核磁矩不为零。水中氢核具有核子顺磁性，其磁矩不为零，且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。在稳定地磁场B₀的作用下，氢核像陀螺一样绕地磁场方向旋进（见图5.7.1），其旋进频率（拉莫尔角频率ω₀）与地磁场强度B₀和氢核的磁旋比γ有关

环境地球物理学概论

氢核在地磁场作用下，处在一定的能级上。如果以具有拉莫尔频率的交变磁场B₁（ω₀）对地下水中的质子进行激发，则使原子核能级间产生跃迁，即产生核磁共振。

在NMR找水方法中，通常向铺在地面上的线圈（发射/接收线圈）中供入频率为拉莫尔频率的交变电流脉冲，交变电流脉冲的包络线为矩形（见图5.7.2（a））。在地中交变电流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，该信号的包络线呈指数规律衰减（见图5.7.2（b））。NMR信号强弱或衰减快慢直接与水中质子的数量有关，即NMR信号的幅值与所探测空间内自由水含量成正比，因此构成了一种直接找水技术，形成了地面核磁共振找水方法。

图5.7.1 质子磁矩在磁场作用下的旋进运动

图5.7.2 激发脉冲和NMR信号图

5.7.1.2 NMR找水方法测量的参数

NMR找水方法测量的参数有NMR信号初始振幅E₀、平均衰减时间T₂^*和初始相位φ₀。这些参数的变化直接反映出地下含水层的赋存状态和特征。

（1）NMR信号初始振幅E₀

E₀值的大小与含水层的含水量成正比。为了获得NMR信号，通常把天线（发射和接收共用）敷设在地面上，天线类型和直径（或边长）大小视含水层深度和信噪比而定。把频率等于拉莫尔频率的脉冲电流（其包络线为矩形）输入天线，形成激发磁场。

当电流脉冲终止后，接收天线接收到自由感应电动势（NMR信号）E（t，q），则表有地下水存在。E（t，q）包络线按指数规律衰减

环境地球物理学概论

式中：T₂^*是NMR信号的自旋-自旋弛豫时间（通常称为平均衰减时间），单位为ms；φ₀是NMR信号的初始相位。假定大地呈水平层状，电阻率的垂向分布已知，则初始振幅E₀（q）的表达式为

环境地球物理学概论

式中：K是积分核函数，K与激发脉冲矩q、岩层电阻率ρ及岩层埋深z、电磁场倾角α有关。n（z）是含水量，n（z）=V_F/V，V_F、V分别为探测体积内的自由水体积和探测体积。0≤n（z）≤1。例如，在干燥岩石中n=0；对于湖泊的整体水来说，n=1；L=2D，D是天线直径，单位为m。

由（5.7.3）式可以看出，含水层的含水量n（z）直接影响到E₀值的大小，E₀值与n（z）呈正比。

每个NMR测深点都有一条NMR信号E₀值随q值变化而形成的曲线——NMR测深曲线，通常用E₀-q曲线（见图5.7.3）表示。对该曲线进行解释后就可得到该测点探测范围内的水文地质参数：含水层的深度、厚度、单位体积含水量。

图5.7.3 NMR信号的E₀-q曲线

图5.7.4 NMR信号的E₀-t曲线

（2）NMR信号平均衰减时间T₂^*

每个激发脉冲矩q均可以得到一条NMR信号E₀随时间按指数规律变化的衰减曲线（E₀-t曲线），见图5.7.2（b）和图5.7.4。由此曲线可以求出该q值探测深度内含水层的T₂^*。T₂^*值大小可给出含水层含水层类型（平均孔隙度）的信息。T₂^*的计算公式为

环境地球物理学概论

式中 E_m、T_m（m=1，2，…，M）分别是某个激发脉冲矩q_i在M个时刻分别对应的NMR信号的振幅值、信号衰减时间。

国内外的研究、统计规律表明，自由水和束缚水的T₂^*值是不同的。自由水的T₂^*变化范围：30 ms≤T₂^*＜1000 ms，而束缚水的为T₂^*＜30 ms。由于NMR找水仪的电流脉冲的间歇时间是30 ms，因此NMR找水仪接收不到束缚水的NMR信号。表5.7.1给出不同类型含水层的T₂^*值。

（3）NMR信号初始相位φ₀

初始相位φ₀是二次场相对激发电流的相位移，单位为度。NMR信号的初始相位反映地下岩石的导电性。

表5.7.1 实测T₂^*（见式5.7.4）值和含水层类型的近似关系

5.7.1.3 对NMR信号的主要影响因素

理论研究和实践都表明，对NMR信号的主要影响因素有：天然存在的（岩石导电性、地磁场强度、地磁场倾角、含水岩石类型和含水层赋存状态、电磁噪声）和人为技术因素（天线形状和大小、激发脉冲矩大小和个数）。只有了解上述因素对NMR信号的影响特点，才能正确解释NMR信号异常。

a.岩石导电性。含水层产生的NMR信号的振幅、相位曲线均受低阻层的影响而发生畸变。特别是在含水层上方存在低阻层时，会使NMR信号衰减，导致NMR找水方法的探测深度和垂向分辨率降低。当含水层上覆岩层的电阻率为一到几十欧姆·米时，这类上覆低阻层的屏蔽效应对深处含水层NMR信号的影响最大，甚至有漏掉深处含水层的危险。

b.地磁场强度、地磁场倾角。在进行大范围水文地质填图或找水远景区预测时，要考虑地磁场强度和地磁场倾角变化对NMR信号的影响，因为NMR信号的初始振幅与地磁场强度平方成正比。地磁场倾角变化对埋藏深度小于20～25 m含水层的NMR信号的影响明显。

c.含水岩石类型、含水层赋存状态与NMR信号有直接关系。假定含水层是由无磁性岩石组成的，则含水层NMR信号的衰减时间T₂^*值取决于含水层平均孔隙度的大小，即由整体水（湖水）、砾石、粗砂组成的含水层的T₂^*值很大，属长信号含水岩石；而由细粒物质组成的含水层的T₂^*值较小，属短信号含水岩石。含水层的深度、厚度、含水量直接影响E₀-q、φ₀-q曲线形态，NMR信号E₀值含水层含水量成正比，随含水层深度加大而衰减。

d.电磁噪声使E₀-q曲线畸变，甚至产生假异常。在NMR方法找水资料解释时，不可掉以轻心。

e.天线形状和大小。天线所围的面积决定NMR测深探测的最大体积，即探测的最大深度。

f.激发脉冲矩大小和个数。通常，脉冲矩由小到大的变化，即可探测由地表到最大勘探深度之间各层的情况；地下分层的层数与使用的脉冲矩的个数一致。