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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)和實力。
 
  地面核磁共振找水的原理及特點：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。因為核磁共振信號的初始振幅與所研究空間內(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。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。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的費用僅為一個水文地質(zhì)勘探鉆孔費用的十分之一,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)用實例，地面核磁共振找水方法在花崗巖地區(qū)的應(yīng)用。實測工區(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。大部分測深點采用16個脈沖矩,個別測深點使用20、15個脈沖矩,大部分測點的脈沖矩最大值為7 700~8 300A·ms,個別點因地表電阻率過低,使qmax=5 854A·ms。在實測的5個NMR測點中,NMR信號初始振幅E0值范圍是:4個NMR測點的E0>10nV,在17~164nV之間變化,僅1個點的E0變化范圍是9~100nV。即80%的測點的NMR信號E0值均大于NUMIS系統(tǒng)的閾值,這樣,實測的結(jié)果是可靠的。
 
  通過對各測點的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。