Question

核磁共振法

Answer 1

3.3.5.1 方法简介

核磁共振技术是当前世界上的尖端技术，应用于地下水勘查的研究仅有20多年的历史。1978年前苏联研制了第一台核磁共振层析找水仪，1994年法国购买了俄罗斯找水仪专利并开始研制地面核磁感应系统(NUMIS)，1996年法国IRIS公司生产出6台改进型的NUMIS系统。我国1992年中国地质大学核磁共振科研组对该方法进行了国内外调研，1995～1996年中国地质大学与航遥中心完成“核磁共振找水方法效果预研究”项目，1997年中国地质大学引进了我国首台NUMIS系统，填补了我国用地球物理方法直接找水的空白，使我国步入了用高新技术直接找水的世界先进行列，经在湖北、河南、广西、湖南等省区的试验，已取得了较好的效果。但核磁共振技术目前勘探深度较浅，可靠的深度小于100m，并且NMR测深是体积勘探，即线圈范围内含水层的综合反映，加之电磁噪声干扰和局部磁性体等因素的影响，部分地区应用效果不明显。目前国内数据处理及反演解释程序是以一维单点解释为主，而德国在核磁共振技术找水方面已开发研制了数据二维处理软件，位于世界领先地位，处理精度远高于一维数据处理软件。并正在开发研究野外观测新技术，一次布置多个线圈，一个线圈发射交变电流，多个线圈接收信号，达到提高效率和效果的目的^[5]。

3.3.5.1.1 基本原理

是应用核磁感应系统实现对地下水资源的探测，是直接找水的一种地球物理方法。水中氢核具有核子顺磁性，磁矩不为零，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。在稳定的磁场的作用下，氢核像陀螺一样绕地磁场方向旋进，其旋进频率(拉摩尔频率)与地磁场强度和原子核的磁旋比有关。当对铺在地面上的线圈(发射线圈)供入频率为拉摩尔频率的交变电流时，地中交变电流则形成交变磁场，在磁场的激发下，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。当切断电流脉冲后，用同一线圈(接收线圈)拾取由不同激发脉冲矩激发产生的NMR信号，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。核磁共振找水仪即利用了水中氢核(质子)的弛豫特性差异，观测、研究地下水的质子产生的核磁共振信号的变化规律，进而探测是否有水存在。也就是说，在核磁共振测深探测范围内，在信噪比适宜的情况下，地层中有自由水存在，就有NMR信号响应，地层中含水(氢核)越多，NMR信号就越强，反之信号就弱或没有响应。由信号的幅度和衰减时间常数，可用专门的反演程序，经定量解释后得到水文地质参数随深度的变化^[6]。

3.3.5.1.2 应用范围及适用条件

可以解决大量的水文地质及与水环境等有关的问题。主要用于确定该方法探查深度范围内各含水层岩石结构及分布；定量评价含水层厚度、埋深、含水量；评价不同含水层间水平和垂向分布情况；确定井位、判断充填物性质等。

由于NMR信号幅值非常微弱，易受电磁噪声及人文噪声的干扰，同时测区及附近存在的局部磁性体也会干扰NMR信号，所以工作区应尽量避开电力线、电机、电气机车及火成岩分布区；探测目标埋深应小于100m。

3.3.5.1.3 工作布置原则与观测方法

正确选择激发频率(拉摩尔频率)：要求地磁场测量误差小于10 nT，同时注意地磁场的垂向梯度变化情况，在进行测量之前，要通过试验来确定激发频率；根据工区内待探查含水层的深度和含水量以及工区电磁干扰的强弱、方向，优化线圈形状和科学地敷设线圈。通常使用边长75m的正方形和直径为100m的圆形天线，如果环境噪声大于1500 nV时，选择能够降低噪声水平的∞字形线圈；采集参数的选择：测量范围、记录长度、脉冲持续时间、脉冲矩的个数、叠加次数，全区测量范围设置应统一，一般取4倍平均环境噪声值；观测参数有初始振幅E₀、初始相位φ₀和衰减(弛豫)时间

。

目前采用的是单线圈观测方法，即发射、接收为同一线圈，通过转换开关切换接收NMR信号，属纯异常观测，受地形和地质因素影响小。

3.3.5.1.4 资料整理及成果解释

由于NMR信号较弱，易受各种因素影响，为提高解释可靠性，对实测资料需进行零时外延、化为标准观测值、噪声滤波预处理。经处理合格的数据进行各种反演处理，编绘各种成果图件：含水层参数(含水量、衰减时间)随深度变化图及表；NMR测深断面图；综合解释成果图等。将观测到的地球物理数据转换成水文地质参数，获取地下各含水层的深度、厚度、含水量和平均孔隙度等，圈定找水远景区或提供水井井位或用于区分其他物探找水方法的异常性质。

3.3.5.2 试验情况

为了解岩溶发育的垂向分带和水平分带特征及富水性，在实验区内选择电测深成果有利地段，以单点形式共布置了四片区15个核磁共振点。万亩果园2点，大衣村3点，三家村5点，大兴堡5点。工作结果，圈出10个富水有利靶区，经4个钻孔验证，100m内核磁共振(NMR)推断的含水层与实际基本吻合。

本次工作使用法国IRIS公司核磁共振系统(NUMIS)，基准频率为1985 Hz；三家村测点和大兴堡1号点因干扰大，采用直径50m的∞字形线圈，探测深度60m；其他9个测点均采用边长75m的方形框，探测深度100m；测量范围取4倍平均的环境噪声；记录长度240ms；脉冲持续时间40ms；脉冲个数为10个；叠加次数80～140次。

3.3.5.3 主要成果

3.3.5.3.1万亩果园

两个点均发现二层或三层含水层，1号点下有三个主要含水层，15～25m、25～40m、64～100m，含水量及衰减时间分别为 2.2%、219.7ms；1.1%、639.6ms；5.9%、157.4ms。以深部含水量最大，平均孔隙度最小。2号点下有两个主要含水层，25～40m、40～64m，衰减时间77.6～148ms，说明平均孔隙度均较小，含水量分别为3.9%、0.7%。以第一层含水量最大。两点相距60m，NMR测深结果就存在很大差异，也说明该区岩溶横向分布的复杂性。

1号点经施工的钻孔验证，5m以下进入白云岩段，主要含水层为83～200m，以蚁食状溶孔为主，富水性中等，与核磁共振第三含水层对应，只是推断的深度比实际深度浅20m。钻孔岩心破碎呈砂状，NMR反映为孔隙度小、含水量较高的特征。

3.3.5.3.2 大衣村

3个点均发现2～3层含水层(图3-14)，1号点有三个主要含水层，10～16m、25～40m、64～100m，含水量为1.4%、1.6%、2.3%，衰减时间为54.2ms、69.1ms、77.5ms。三层衰减时间都短，说明平均孔隙度均较小，但以第3层含水量最大。2号点有两个主要含水层，40～64m、64～100m，含水量均为1.6%，衰减时间455.4ms、730.0ms。两层含水量都不大，但孔隙率较大。3号点下有两个含水层，13～22m、60～100m，含水量为2.5%、6.1%，衰减时间76.7ms、147.3ms。第二层水量与孔隙率都比第一层大。1、2号点相距30m，NMR测深结果也有差异，同样说明岩溶横向分布的复杂性。

图3-14 泸西小江流域大衣村NMR测深解释结果与钻孔资料对比图

经1号点钻孔验证，含水层18.3～31m和31～57m，富水性中等，这两层与核磁共振第二层含水层对应，只是实际含水层厚度大于NMR推断的厚度。57～120m的含水层，富水性弱—中等，与核磁共振第三层含水层对应。120～160m的含水层，已超过了NMR探测深度。总体各含水层水量都不大，与实际钻孔结果是一致的。

3.3.5.3.3 三家村

5个点均由多个含水层组成，其中有两个主要含水层，20～40m、40～60m，第一层含水量小于2.3%，衰减时间变化较大，为148～864ms；第二层含水量为1.4%～4.8%，一般大于2%，衰减时间400～750ms，说明越往深部含水量越大，岩石越破碎，孔隙率较大。由于该区干扰较大，采用∞线圈方式，勘探深度较浅，最大达60m。NMR测深结果以4、5、3、2号点为找水有利区。结合水文地质条件综合分析，选择2号点处布置钻孔。根据钻孔结果，8.9m以下进入白云岩段，裂隙发育，富水性弱—中等，水量一般，与2号点测深结果含水量不大(2.4%)的结论基本一致。

3.3.5.3.4 大兴堡

1号点位于烟叶站旁，该地曾经施工了两个180m深的探采井，岩体较完整，水量极小，未成井。采用∞线圈方式，勘探深度60m，在40～60m内有一含水层显示(图3-15)，含水量4.6%，衰减时间767ms，含水层孔隙度较大，NMR测深结果与探采井结果不一致。由于岩溶横向变化大，也不能完全确定1号点线框范围内不存在含水层。

图3-15 泸西小江流域大兴堡NMR测深解释结果与钻孔资料对比图

其余各点均有两个以上的含水层(图3-15)，以5、3、4号点为有利的找水区，验证孔即选择在5号点。5号点有3个主要含水层，16～25m、40～64m、64～100m，含水量为0.7%、1.3%、5.5%，衰减时间116ms、106ms、178ms。以64～100m处含水量较大，钻孔结果，20.55m以下进入白云岩段，岩体破碎，节理裂隙发育，富水性强，与NMR测深结果吻合。

3.3.5.4 结论

综上所述，泸西岩溶盆地的NMR探测结果，较好地反映了岩溶含水层的分层结构特征，主要含水层对应的NMR信号的衰减(弛豫)时间一般在100～200ms范围内，含水量为1.4%～6%，经4个钻孔验证，100m内NMR推断的含水层基本吻合，但NMR推断的含水层深度部分偏浅，约相差5～20m。少部分NMR测深点结果与钻孔实际有差异。

在云南岩溶区找水工作中，NMR方法的应用尚属首次，仅作了几个试验点。由于岩溶发育普遍不均匀，许多地区的岩溶水主要集中于地下溶洞和管道中，而这些溶洞和管道的埋藏和分布位置随机、变化复杂，目前所使用的各种方法都难于准确地查明岩溶地下水位置，这是岩溶水资源开发所面临的最大问题。核磁共振技术(NMR)目前勘探深度较浅，可靠的深度小于100m，并且NMR测深是体积勘探，单点解释结果是发射线圈边框(70m×70m)范围内的综合反映，对确定具体井位影响较大，特别是岩溶含水层横向变化大，致使解释成果与实际情况会产生差异。因此对核磁共振圈定的异常，还须采用其他方法缩小靶区，如采用电测深法在NMR异常范围内进行加密测量，以便能较准确定位。