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摘要:地面核磁共振找水方法是目前唯一直接找水的物探新方法。本文在介绍NMR方法原理的基础上,结合NMR方法技术特点和在中国的应用实例,论述了NMR方法在探测地下水、地下水资源评价等方面的效果,并提出了进一步开展新方法的工作建议。

关键词:核磁共振方法 地下水 含水量 水文地质

核磁共振(Nuclear Magnetic Resonance,缩写为NMR)技术是当今世界上的尖端技术,用NMR方法直接探查地下水是该技术应用的新领域,开创了地球物理方法直接找水的先河。目前,国内外研究和实践表明,NMR方法不仅在探测地下水、地下水资源评价等方面取得了明显的地质效果,而且在求取水文地质参数、使水文地质工作定量化方面也取得进展。核磁共振方法在地球科学其他领域中的应用正在向广度和深度发展。核磁共振现象于1946年被美国加州斯坦福大学Bloch F和麻省哈佛大学Purcell M分别发现,并因此获得了1952年诺贝尔物理学奖金。此后,核磁共振现象已由理论研究、试验进入应用与开发阶段,最先受益的是医学。NMR技术在地球科学方面的应用是该技术应用的新领域,也是地球科学研究的前沿课题。NMR技术的研究及其应用,使地球物理学的发展进入了一个新阶段。1962年美国Varian R H提出过用NMR技术普查地下水的构想,但以后未有商业仪器问世及有关的报导; 1965年夏,我国张昌达、崔岫峰等曾进行过NMR技术找水的初步试验[1];从1978年起,前苏联科学院西伯利亚分院化学动力学和燃烧研究所以СeмeнoвАГ教授为首的一批物理学家,开始了利用NMR技术进行找水方法的研究,开发出了在地磁场中测定NMR信号的仪器,称为核磁共振找水仪(Hydroscope)[2,3]。他们在开发、改进仪器的同时,对NMR找水的解释方法进行了研究,取得了世界领先水平的研究成果[4];1994年法国地质调查局IRIS公司购买了俄罗斯找水仪专利,并开始研究新型的NMR找水仪—核磁感应系统(Nuclear Magnetic Induction System,缩写为NUMIS),从此,法国成为研制NMR找水仪的第二个国家。中国地质大学(武汉)1997年底引进了法国IRIS公司研制的NUMIS地面核磁共振找水系统,结合中国的具体实际,建立了新的找水工作模式,取得了世界先进水平的研究成果,使我国步入利用核磁共振技术探查地下水的先进国家行列。本文在简要介绍NMR找水方法原理的基础上,结合该方法技术特点和在我国的应用实例,论述了NMR方法在探测地下水、地下水资源评价等方面的效果,并提出了进一步开展新方法的工作建议。

1　地面核磁共振找水方法的原理、特点及工作方法

1·1　方法原理核磁共振是一个基于原子核特性的物理现象,系指具有核子顺磁性的物质选择性地吸收电磁能量[5]。从理论上讲,应用NMR技术的唯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γ最大的核子。在稳定地磁场B0的作用下,氢核象陀螺一样绕地磁场方向旋进,其旋进频率(拉摩尔圆频率ω0)与地磁场强度B0和氢核的磁旋比γ有关:

氢核在地磁场作用下,处在一定的能级上。如果以具有拉摩尔频率的交变磁场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)中供入频率为拉摩尔频率的交变电流脉冲,交变电流脉冲的包络线为矩形。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q(q=I0·t,式中I0、t分别为激发电流脉冲的幅值和持续时间)激发产生的NMR信号,该信号的包络线呈指数规律衰减。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NMR找水方法。

1·2　方法的特点NUMIS系统是一种高灵敏度、高功率、全部由PC计算机控制的核磁共振设备。地面NMR方法的主要优点是:能够直接找水,特别是寻找淡水;反演解释具有量化的特点,信息量丰富;经济、快速,完成一个核磁共振测深点的费用仅为一个水文地质勘探钻孔费用的十分之一,可以快速地提供井位及划定找水远景区。但是,目前该方法尚不能用来探测埋藏深度大于150m的地下水。此外,由于核磁共振找水系统的接收灵敏度高,可以接收纳伏级的信号,所以易受电磁噪声干扰。

1·3　工作方法地面NMR方法在进行野外测量时,为了获得最佳质量的数据,首先确定激发脉冲频率;然后,根据工作任务、工区的水文地质和电磁噪声干扰情况,选择天线类型、测量参数(测量范围、记录长度、脉冲持续时间、脉冲矩的个数、叠加次数)等;经过上述技术参数的选定后,NUMIS系统就可以自动进行地面NMR数据的采集,并获得相关实测数据;最后,对实测数据进行处理和解释,就可以得到该测深点的水文地质参数(表1)。NUMIS工作站组成及各部件的连接见图1。

2　利用地面NMR测深研究水文地质问题地面NMR找水方法是通过由小到大的改变激发脉冲矩,实现由浅入深探测目的的地球物理方法,故该方法又称为NMR测深。

2·1　NMR找水方法测量参数和反演解释获得的水文地质参数NMR测深的测量参数和反演解释获得的水文地质参数见表1。

2·2　用NMR测深研究和解决有关的水文地质问题对NMR测深的原始资料进行反演解释后,就可以得到相应的水文地质参数:各含水层的深度、厚度、单位体积含水量和含水层类型(平均孔隙度和含水层的导电性)。因此,根据NMR测深测量的参数及反演结果,我们可以研究和解决以下有关的水文地质问题。

2·2·1　地下水的存在性问题　地下水的存在性是NMR测深研究和解决的首要的和基本问题。在NMR测深探测深度范围内,有水就有核磁共振信号显示,反之,就没有反映。此外,可以识别间接找水的电阻率法找水时遇到的非水视电阻率异常。如一些岩溶发育区,当溶洞被泥质充填或含水时,电阻率法测量结果均显示为低阻异常,是泥是水难以区分。核磁共振方法不受泥质充填物干扰,是水就有核磁共振信号显示。因此,通过NMR测深的数据采集、处理和反演解释就可以直接获得是否有地下水存在的信息。

2·2·2　研究地下水的赋存状态　①确定指定区段范围的潜水面深度、含水层深度、厚度及单位体积含水量。NMR测深可将NMR信号解释为某些水文地质参数和含水层的几何参数。即在其探测深度范围内,可以给出定量解释结果,无需钻探。②研究区域地下水的空间分布。在所研究的区域内,按一定规则布置测网,进行NMR测深的数据采集,可以得到一个点到一条剖面乃至整个研究区的地下水三维空间分布信息。

2·2·3　确定地下水存储及运移有关参数　①利用反演结果直接得到地下某一含水层的单位体积含水量。②由NMR测深资料求取地层渗透率、渗透系数和导水系数[1]。此项应用正在深入研究之中。③NMR信号的初始相位反映地下岩石的导电性,而地下水的矿化度直接影响含水层的电阻率变化,因此,用NMR信号的初始相位变化提供地下水矿化度信息。

2·2·4　通过研究区域地下水的空间分布及地下含水层参数,为水文地质填图、地下水资源评价及储量计算提供空间几何参数和水量方面的参数。

2·2·5　NMR测深得到含水层和隔水层的深度和厚度,为确定井位、钻探和成井工艺提供有用的资料。

3　应用实例在此仅举几例说明NMR方法在我国水文地质工作中的应用效果。利用NMR找水方法成功地在湖北、湖南、河北、福建、内蒙古、新疆等10省(区)开展了找水实践,取得了很好的地质效果。

3·1　隐伏岩溶地区找到优质的岩溶水我国广泛分布着大面积岩溶地貌,其中南方以贵州为中心的桂、滇、川、湘、鄂、粤、赣、渝等9省(区,市)相邻地区的联片裸露的碳酸盐岩山区,即岩溶石山地区。传统的物探找水方法在上述地区探测岩溶水遇到许多困难,NMR方法为解决这些困难提供了一种新的技术手段。湖北永安工区,前人认为是无水区。工区大部分为耕植农田,被第四系粘土所覆盖,见图3(a)。以NMR找水方法为主(进行了12个NMR测深点),辅以电阻率法,探查到了优质的岩溶水。图2是其中一个NMR测深点的解释结果与钻孔资料对比图。由图2(c)的NMR含水量直方图可见,该区有两个主要含水层,第一个含水层位于23~42m深处,含水层NMR信号的平均衰减时间常数T★2=110ms;第二个含水层位于75~100m以下,其T★2=230ms。

这两个含水层的T★2值变化表明,深处含水层的平均孔隙度变化大,意味着含水岩石更加破碎,实际钻探(终孔深度130m)证实了上述解释的正确性。如图2(b)钻孔柱状图所示,本区基岩为灰岩,主要含水层为破碎灰岩层,特别是深部灰岩溶洞、裂隙发育,富水性强。含水体属碳酸盐岩类,水质很好。三口井出水量约在5000t/d以上[6]。

3·2　风化花岗岩中找到地下水河北省康保地区花岗岩发育,常规物探找水方法难以奏效,利用NMR方法探测地下水。结果在风化的花岗岩中打到了地下水,出水量达84t/d,解决了康保农场解放军官兵饮用水的水源问题[1]