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工程地質(zhì)

地面核磁共振方法與應(yīng)用

  地面核磁共振（簡稱 NMR）找水方法的形成與發(fā)展僅有幾十年的歷史， 到目前為止,擁有核磁共振找水儀的國家有俄羅斯、法國、中國和德國，我國有從事核磁共振找水技術(shù)研究的基礎(chǔ)和實(shí)力。
 
  地面核磁共振找水的原理及特點(diǎn)：核磁共振是一種量子效應(yīng),是指具有核子順磁性的物質(zhì)選擇性地吸收電磁能量。布洛赫方程是核磁共振的理論基礎(chǔ)。從理論上講,應(yīng)用NMR技術(shù)的唯一條件是所討論物質(zhì)的原子核具有非零磁矩,即在H2O和CH4等分子中電子磁矩成對相互抵消,電子的總磁矩為零,而在這些分子中只有原子核的磁矩。水中氫核(質(zhì)子)具有足夠大的磁矩,其核磁共振性質(zhì)明顯,在比較重要的16種物質(zhì)原子核的NMR效應(yīng)中,氫核的NMR效應(yīng)實(shí)際應(yīng)用處于首位。在穩(wěn)定磁場作用下,原子核處于一定的能級。如果用適當(dāng)頻率的交變磁場激發(fā)它,可以使原子核在能級間產(chǎn)生共振躍遷,稱為核磁共振。
 
  在地面上用專用儀器設(shè)備拾取核磁共振信號,就可以探測到是否有地下水存在。因?yàn)楹舜殴舱裥盘柕某跏颊穹c所研究空間內(nèi)自由水中質(zhì)子的數(shù)量(含水量)呈正比,即在該方法探測深度范圍內(nèi),在信噪比適宜的情況下,地層中有自由水存在,就有核磁共振信號響應(yīng),地層中含水愈多,核磁共振響應(yīng)愈強(qiáng)。這樣,就構(gòu)成了有水就有反映,無水則無反映的直接找水新方法。
 
  與其它物探找水方法相比,核磁共振找水方法主要具有如下優(yōu)點(diǎn)。一是能夠直接找水,特別是找淡水,這是由方法原理決定的。在探測深度范圍內(nèi),有水就有核磁共振信號顯示,反之,沒有反映。可以利用這一優(yōu)點(diǎn)來識別間接找水的電阻率法找水時遇到的非水低阻異常。如一些巖溶發(fā)育區(qū),特別是西南巖溶石山缺水地區(qū),當(dāng)溶洞被泥質(zhì)充填或含水時,電阻率法測量結(jié)果均顯示為低阻異常,是泥是水難以區(qū)分。核磁共振方法不受泥質(zhì)充填物干擾,是水就有核磁共振信號。淡水電阻率往往與其賦存空間介質(zhì)的電阻率無明顯差異,在這種情況下用電阻率法找水是無能為力的,而核磁共振方法卻可直接探測出淡水。二是信息量豐富,具有量化的特點(diǎn)。核磁共振方法可將核磁共振信號解釋為某些水文參數(shù)和含水層的幾何參數(shù)。在探測深度范圍內(nèi),可以給出定量解釋結(jié)果,不打鉆就可以確定出含水層的深度、厚度、含水量,并可提供含水層平均孔隙度的信息。三是經(jīng)濟(jì)、快速。完成一個核磁共振測深點(diǎn)的費(fèi)用僅為一個水文地質(zhì)勘探鉆孔費(fèi)用的十分之一,可以快速地提供井位及劃定找水遠(yuǎn)景區(qū)。
 
  地面核磁共振找水的應(yīng)用實(shí)例，地面核磁共振找水方法在花崗巖地區(qū)的應(yīng)用。實(shí)測工區(qū)位于河北省花崗巖發(fā)育的康保地區(qū),早期的物探和鉆孔揭露的數(shù)據(jù)表明,在風(fēng)化花崗巖中夾有裂隙較發(fā)育的花崗巖碎石或膠結(jié)半膠結(jié)的砂礫石,構(gòu)成層間含水層,地下水一般具有承壓性,富水性差異較大,淺部電性不均勻。在電測深曲線上風(fēng)化的花崗巖含水層與不含水的低阻層表現(xiàn)為同一電性層。并且出現(xiàn)低阻層屏蔽掩蓋高阻層的現(xiàn)象。區(qū)內(nèi)第四系覆蓋層視電阻率一般在20~30Ω·m; 深部風(fēng)化花崗巖的視電阻率在40~90Ω·m,裂隙發(fā)育,在電阻率測深曲線上反映為高阻異常。
 
  工區(qū)地磁場強(qiáng)度為55 300nT,傾角為59·8°,激發(fā)頻率f0=2 368~2 369Hz。進(jìn)行NMR測深時,使用75m×75m的大方天線,勘探可達(dá)100m左右,在100m深度內(nèi)可做定量解釋,提供含水層的深度、厚度、含水量和平均孔隙度的信息,100 ~130m深度內(nèi)可定性預(yù)示是否有含水層存在。大部分測深點(diǎn)采用16個脈沖矩,個別測深點(diǎn)使用20、15個脈沖矩,大部分測點(diǎn)的脈沖矩最大值為7 700~8 300A·ms,個別點(diǎn)因地表電阻率過低,使qmax=5 854A·ms。在實(shí)測的5個NMR測點(diǎn)中,NMR信號初始振幅E0值范圍是:4個NMR測點(diǎn)的E0>10nV,在17~164nV之間變化,僅1個點(diǎn)的E0變化范圍是9~100nV。即80%的測點(diǎn)的NMR信號E0值均大于NUMIS系統(tǒng)的閾值,這樣,實(shí)測的結(jié)果是可靠的。
 
  通過對各測點(diǎn)的NMR信號解釋及反演，得到以下結(jié)果：

物探找水
  通過NMR測深點(diǎn)解釋結(jié)果與鉆井資料對比，可見,NMR測深解釋資料與鉆孔資料符合很好。結(jié)果證明在花崗巖地區(qū)將地面NMR法應(yīng)用于測深找水是完全可行的。
 
  利用核磁共振方法探查巖溶水：首先，巖溶發(fā)育區(qū)的地形一地貌特征之一是地面和地下(潛伏基巖)地形起伏不平和近地表電性不均勻，往往使常用電阻率法和基于觀測卡尼亞視電阻率的電磁測深法的實(shí)測異常受到嚴(yán)重畸變，對P:曲線則必須進(jìn)行地改和靜校正;第二、在巖溶發(fā)育區(qū)，特別是南方巖溶強(qiáng)烈發(fā)育區(qū)，被溶蝕的巖層呈斷裂(或溶洞)產(chǎn)出。在這些形態(tài)各異的溶洞中充填了不同組分的充填物。據(jù)國內(nèi)外有關(guān)統(tǒng)計(jì)資料表明，淺表層溶洞主要被沖積成因的由勃土膠結(jié)的乳土充填物、勃土一砂質(zhì)礫充填物、砂質(zhì)充填物所充填。地下溶洞充填物主要有空氣、水、冰、水成豁上和溶洞壁風(fēng)化殼、水成砂質(zhì)礫石充填物以及勃土膠結(jié)的巖塊堆積物等。不同充填物的電阻率變化不同，淺表層溶洞和地下溶洞電阻率均低于未溶蝕巖層的電阻率，即充填物為低阻體，視電阻率表現(xiàn)為低阻異常。電阻率法無法區(qū)分低阻異常的性質(zhì)，即是由巖溶水引起的異常還是由低阻充填物引起的假異常。就造成了探查巖溶水的多解性，給Ps異常解釋帶來困難，還需借助核磁共振找水方法識別由地質(zhì)因素造成的干擾。
 
  在巖溶區(qū)找水最后的解釋結(jié)果：

物探

  由NMR方法解釋結(jié)果與鉆孔巖資料對比圖可知，結(jié)果符合很好。
 
  核磁共振找水遇到的問題及其發(fā)展前景：了解和正確認(rèn)識影響NMR信號反演解釋的主要因素,是提高NMR找水方法資料解釋水平的關(guān)鍵。在影響NMR信號解釋結(jié)果的諸多因素中，確保NMR信號采集的質(zhì)量采取必要的技術(shù)措施,壓制電磁干擾,提高信噪比。
 
  今后要加強(qiáng)對NMR找水儀抗電磁干擾能力的研究,原則上應(yīng)從研究場的激發(fā)\接收方式入手,引進(jìn)弱信號處理技術(shù),提高信噪比。找水過程中發(fā)現(xiàn),NMR找水方法抗電磁干擾能力較低,有時會出現(xiàn)NMR測深解釋結(jié)果與實(shí)際水文地質(zhì)資料不一致的情況,出現(xiàn)NMR信號假異常,究其原因是低信噪比所致。  正確評估低阻層的影響:在有低阻良導(dǎo)層的地方,特別是含水層上方存在低阻層,使NMR信號衰減(良導(dǎo)體屏蔽效應(yīng)),導(dǎo)致了SNMR找水方法的探測深度降低和垂向分辨率下降。
 
  建立并形成綜合物探方法找水的工作程序,是提高物探方法找水地質(zhì)效果的基本保證。開發(fā)、研制新一代的地面NMR找水儀，新一代SNMR找水儀要加大勘探深度。以及擴(kuò)大NMR找水方法的應(yīng)用領(lǐng)域。