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工程地质地面核磁共振方法与应用
地面核磁共振找水的原理及特点：核磁共振是一种量子效应,是指具有核子顺磁性的物质选择性地吸收电磁能量。布洛赫方程是核磁共振的理论基础。从理论上讲,应用NMR技术的唯一条件是所讨论物质的原子核具有非零磁矩,即在H2O和CH4等分子中电子磁矩成对相互抵消,电子的总磁矩为零,而在这些分子中只有原子核的磁矩。水中氢核(质子)具有足够大的磁矩,其核磁共振性质明显,在比较重要的16种物质原子核的NMR效应中,氢核的NMR效应实际应用处于首位。在稳定磁场作用下,原子核处于一定的能级。如果用适当频率的交变磁场激发它,可以使原子核在能级间产生共振跃迁,称为核磁共振。
在地面上用专用仪器设备拾取核磁共振信号,就可以探测到是否有地下水存在。因为核磁共振信号的初始振幅与所研究空间内自由水中质子的数量(含水量)呈正比,即在该方法探测深度范围内,在信噪比适宜的情况下,地层中有自由水存在,就有核磁共振信号响应,地层中含水愈多,核磁共振响应愈强。这样,就构成了有水就有反映,无水则无反映的直接找水新方法。
与其它物探找水方法相比,核磁共振找水方法主要具有如下优点。一是能够直接找水,特别是找淡水,这是由方法原理决定的。在探测深度范围内,有水就有核磁共振信号显示,反之,没有反映。可以利用这一优点来识别间接找水的电阻率法找水时遇到的非水低阻异常。如一些岩溶发育区,特别是西南岩溶石山缺水地区,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。淡水电阻率往往与其赋存空间介质的电阻率无明显差异,在这种情况下用电阻率法找水是无能为力的,而核磁共振方法却可直接探测出淡水。二是信息量丰富,具有量化的特点。核磁共振方法可将核磁共振信号解释为某些水文参数和含水层的几何参数。在探测深度范围内,可以给出定量解释结果,不打钻就可以确定出含水层的深度、厚度、含水量,并可提供含水层平均孔隙度的信息。三是经济、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。
地面核磁共振找水的应用实例，地面核磁共振找水方法在花岗岩地区的应用。实测工区位于河北省花岗岩发育的康保地区,早期的物探和钻孔揭露的数据表明,在风化花岗岩中夹有裂隙较发育的花岗岩碎石或胶结半胶结的砂砾石,构成层间含水层,地下水一般具有承压性,富水性差异较大,浅部电性不均匀。在电测深曲线上风化的花岗岩含水层与不含水的低阻层表现为同一电性层。并且出现低阻层屏蔽掩盖高阻层的现象。区内第四系覆盖层视电阻率一般在20~30Ω·m; 深部风化花岗岩的视电阻率在40~90Ω·m,裂隙发育,在电阻率测深曲线上反映为高阻异常。
工区地磁场强度为55 300nT,倾角为59·8°,激发频率f0=2 368~2 369Hz。进行NMR测深时,使用75m×75m的大方天线,勘探可达100m左右,在100m深度内可做定量解释,提供含水层的深度、厚度、含水量和平均孔隙度的信息,100 ~130m深度内可定性预示是否有含水层存在。大部分测深点采用16个脉冲矩,个别测深点使用20、15个脉冲矩,大部分测点的脉冲矩最大值为7 700~8 300A·ms,个别点因地表电阻率过低,使qmax=5 854A·ms。在实测的5个NMR测点中,NMR信号初始振幅E0值范围是:4个NMR测点的E0>10nV,在17~164nV之间变化,仅1个点的E0变化范围是9~100nV。即80%的测点的NMR信号E0值均大于NUMIS系统的阈值,这样,实测的结果是可靠的。
通过对各测点的NMR信号解释及反演，得到以下结果：
利用核磁共振方法探查岩溶水：首先，岩溶发育区的地形一地貌特征之一是地面和地下(潜伏基岩)地形起伏不平和近地表电性不均匀，往往使常用电阻率法和基于观测卡尼亚视电阻率的电磁测深法的实测异常受到严重畸变，对P:曲线则必须进行地改和静校正;第二、在岩溶发育区，特别是南方岩溶强烈发育区，被溶蚀的岩层呈断裂(或溶洞)产出。在这些形态各异的溶洞中充填了不同组分的充填物。据国内外有关统计资料表明，浅表层溶洞主要被冲积成因的由勃土胶结的乳土充填物、勃土一砂质砾充填物、砂质充填物所充填。地下溶洞充填物主要有空气、水、冰、水成豁上和溶洞壁风化壳、水成砂质砾石充填物以及勃土胶结的岩块堆积物等。不同充填物的电阻率变化不同，浅表层溶洞和地下溶洞电阻率均低于未溶蚀岩层的电阻率，即充填物为低阻体，视电阻率表现为低阻异常。电阻率法无法区分低阻异常的性质，即是由岩溶水引起的异常还是由低阻充填物引起的假异常。就造成了探查岩溶水的多解性，给Ps异常解释带来困难，还需借助核磁共振找水方法识别由地质因素造成的干扰。
在岩溶区找水最后的解释结果：
由NMR方法解释结果与钻孔岩资料对比图可知，结果符合很好。
核磁共振找水遇到的问题及其发展前景：了解和正确认识影响NMR信号反演解释的主要因素,是提高NMR找水方法资料解释水平的关键。在影响NMR信号解释结果的诸多因素中，确保NMR信号采集的质量采取必要的技术措施,压制电磁干扰,提高信噪比。
今后要加强对NMR找水仪抗电磁干扰能力的研究,原则上应从研究场的激发\接收方式入手,引进弱信号处理技术,提高信噪比。找水过程中发现,NMR找水方法抗电磁干扰能力较低,有时会出现NMR测深解释结果与实际水文地质资料不一致的情况,出现NMR信号假异常,究其原因是低信噪比所致。 正确评估低阻层的影响:在有低阻良导层的地方,特别是含水层上方存在低阻层,使NMR信号衰减(良导体屏蔽效应),导致了SNMR找水方法的探测深度降低和垂向分辨率下降。
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