宋玉萍

摘要：指出了在当今世界能够进行直接找水的地球物理方法即为核磁共振-NuclearMagneticResonance，简称NMR技术。从核磁共振在具体的地下水探测工作当中的应用状况入手，对核磁共振找水技术运用原理、工作方式、应用环境及资料整理进行了分析，总结了实际多年来的工作经验，望能够对于核磁共振在复杂条件地下水探测中的大范围推广及应用提供参考。

关键词：核磁共振；地下水探测；地球物理

中图分类号：P641.7

文献标识码：A文章编号：1674-9944（2016）22-0142-02

1前言

核磁共振是当下世界各国中唯一一种能直接进行地下水探测的全新地球物理方法，是经过对地层水当中的氢核来实施测量以探测出地下水的一种新型的找水技术。在进行地下水探测过程当中，核磁共振的运用在复杂的条件下不会受到任何影响。所以，在复杂条件下地下水探测当中，核磁共振有着非常广阔的应用空间，其所得的探测结果能够非常显著的展现出地下水体的潜存特征及空间分布情况。核磁共振技术具有直接找水、反演解译成果、包含大量信息资源以及迅速、经济的显著优势，在进行地下水探测、探详地下水资源、确定供水井位等方面有着非常宽广的应用前景。

2核磁共振技术基本原理

2.1工作原理

核磁共振属于一种在原子核特性的物理现象，指具备核子顺磁性物质选择性的汲取电磁能量[1]，在地磁场比较稳定的状态下，氢核如同陀螺围绕着整个地磁场进行旋转，通常旋转的频率与地磁场的实际强度、原子核磁旋比存在较为密切的联系。核磁共振技术探测地下水信息的方式运用的是不同属性元素的原子核所形成的NMR效应，运用的是水中的氢核质子的弛豫特性的不同特征，在复杂条件下核磁共振找水技术的应用可以探寻出地层当中水质形成核磁共振信号所发生的一系列改变，核磁感应可使得地下水信号做出较为精准度的探测，从而得到地下水所具备的空间特性及分布规律[3]。

氢核受到磁场环境的影响，会位于一定的性能等级当中，具备拉摩儿频率的交变磁场对于整个地下水当中的质子形成强大的激发作用，会造成原子核能产生越级的现象，从而形成核磁共振，这种方式一般会对地面的发射线圈供应一定的频率，此为拉摩尔频率的交变电流，在地上交变的电流会使得交变磁场受到一定的激发作用[2]。当电流脉冲被完全断开之后，使用同一个接收线圈搜集不同的激发脉冲矩激发形成一定的NMR信号，其中信号的高低迟缓将会对水中的质子数量形成直接性的作用及影响，这就和NMR信号幅度数值与进行探测范围当中的自由水含量情况呈现出正比的关系，从而组成一种对地下水进行直接探测的地下水探测方法。

2.2工作方法

2.2.1激发频率的挑选

针对地而磁场实施探测：地下水当中包含的氢质子旋进频率通常是由地球磁场的具体强度所决定的，为促使氢质子得到有力的的保障，可以使用质子旋进磁力仪当中的工作区域实施探测。其次，需要对激发频率加以最终的确定，实施全过程NMR探测前期需要进行相关的试验以确定激发脉冲频率的具体数值。

2.2.2线圈形状的挑选及铺设

按照工作范围当中需要进行探测的地下水位的埋藏实际深度、工作范围当中电磁干扰的实际情况、方向，对线圈的状态实施进一步的优化，同时做好线圈的正确铺设，工作范围周边区域在受到高压输电线路、变电站、民用电干扰的情况下，为能够将干扰力度降到最低的程度，可以通过缩减噪音的方式将线圈布置成8字的形状。

2.2.3测量参数的挑选

针对复杂条件下的地下水实施探测前期，一定要将该地区的详细参数输入到计算机当中。测量范围：首先选择2Wnv作为具体的测量区域，随后根据具体情况进行更改；长度登记：在针对探测长度进行登记的时候通常是对所期望的NMR信号的具体时间常数来加以确定的，若在挑选上存在不合理的情况，则会对整个地质成效与探测效率造成极大的影响，通常可将探测长度控制在100～1000ms范围，将240ms作为长度登记的具体标准数值；脉冲持续时间：针对使用平均衰减时间T2*确定标准的NMR探测而言，脉冲持续时间设置为40ms是最为合适的；脉冲矩个数：一般需要从探测范围的地质资料着手来挑选脉冲矩的具体数量，通常为12个或16个；叠加次数：为促使信号质量及探测准确度得到最大限度的提升，需要从所处客观氛围的噪音状况来做出叠加次数的确定，通常是在64～128之间的范围进行挑选噪音与叠加次数呈正比的关系。

3资料处理

可以从所选的探测点具体方位中现有的地质材料来选用矩阵运算软件对各个探测点的矩阵模型进行计算，之后针对已经完成的数据采集探测点引用相应的模型，当探测点材料非常少的状况下，需要从地质所具备的特点出发，选用类比法针对各个探测点进行探测。

核磁共振在复杂条件地下水探测的应用属于一种非常直接的找水方式，所得出的探测结果可以非常直接地体现出地下水的存在状况与空间分布形态，针对地下水具有唯一的指向性，得出的成果中包括了含水层的具体分布、厚度、单位体积中的含水量等一系列较为直观的信息[4]。

4应用实例

（1）在前人认为是非含水区的湖北永安地区找到了岩溶水。

中国的南方和北方分布着大片的岩溶地貌，传统的物探找水方法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非含水区，工区大部分为耕植农田，被第四系粘土所覆盖。在永安农牧开发区无水的情况下，中国地质大学在指定区段开展了地下水的勘查工作。以NMR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。

（2）在风化的花岗岩中找到了地下水。

中国地质大学（武汉）与中国人民解放军北京军区给水工程团合作，在常规物探找水方法难以奏效的河北省花岗岩发育的康保地區探测地下水。工区地表可见亚砂土、亚黏土和碎石，经NMR测深资料解释推断：地下8～43m深度内，有3个含水层，其中，32～43m深度段为基岩—风化的花岗岩含水层。后经钻探证实，在风化的花岗岩中找到了地下水，日出水量达84t，解决了解放军官兵饮用水的水源问题。

（3）为开发利用地下热水提供了后备基地。

在2000年初，用NMR找水方法在福建省安溪县找到了水温79℃的地下热水，日出水量大于1000t，为该县地热公司开发地热资源提供了后备基地。

（4）其他实例。

除上述典型实例外，据中国地质科学院水环所有报道[5]，为探索适合西北干旱地区找水的新技术、新方法，自他们引进NMR系统以来，在西北干旱地区做了大量工作，取得了一定成果。例如，在宁夏海原徐套地区，在第四系砂砾石层中用核磁共振方法找到了地下水。又如，在陕西省绥德县找到了浅层构造裂隙水；在清涧县清涧河一级阶地前缘找到了风化裂隙水。所获结果与已知钻孔资料非常一致。

5获得的认识及经验

（1）复杂条件地下水探测中核磁共振技術的应用属于一种非常直接的找水方式，所得出的探测结果非常直观，能够唯一的指向地下水体所具备的显著特征，可以非常便捷、精准地确定各个区域范围内地下水体的存在与埋藏情况。

（2）核磁共振进行复杂条件地下水探测是有着一定的掌控区域，对其信号的整理是遵循特定体积开展的集中式处理，所得出的探测结果是一定体积当中地下水的特点及平均单位内体积的含水量的真实性展现。

（3）地下水探测中核磁共振的应用有着较大的制约性，因电磁场对核磁共振找水探测将会造成较大程度的影响，通常情况下，电磁干扰度达到低于6000状态的情况下，所得出的探测成效是非常理想的，在高达1.2W的情况下得出的探测结果将会与实际的情况存在较大的差异性。针对线圈类别不同的情况对电磁干扰的敏感程度也会有一定的差异性，其中，圆形的线圈是最为敏感的，其次为方形，另一种为8字圆形线圈。而8字圆形线圈具备非常好的抗干扰性。

（4）核磁共振探测区域的地形条件的复杂性将会对整个线圈的铺设带来一定程度的影响，在进行线圈铺设的过程当中一定要从地质条件复杂程度出发，在能够达到找水深度基本要求的基础上，挑选最佳的线圈种类。譬如，可以根据现有的水文地质条件，如果探测区域中地下水含水层埋藏在501m以下，地形狭窄的情况下，那么则需选用8字形的线圈，这样才能够确保实际探测精准度及整体的工作效率得到较为显著的提升。

（5）通常情况下，探测深度最大以浅深段内含水层单位体积中含水量要比实际的数值大很多，所以，可以用现有的水文地质资料对线圈类别加以确定，可以选用探测深度大于实际含水层底板埋深的线圈，这样促使探测精准度与可靠性得到强有力的保障。

（6）核磁共振在复杂条件地下水探测中的应用结果表明，水平方向一次性探测最小掌控区域面积为250m×250m，当含水层在分布面积小、不持续的状态下，尤其是探寻构造裂缝隙脉状水的状态下，是不能够将孔位加以精准的确定的，为此，核磁共振找水探测工作当中需要通过传统的物探方式来将孔位加以最终确定，促使找水成效得到较为显著的提升。

（7）核磁共振在复杂条件地下水探测中的应用结果表明，垂直方向当中，核磁共振探测所得出的结果展现的是富水层的平均富水特性。为此，地下水探测结果的含水量直方图将体现出含水层的顶部、底板、实际含水层相互间的特定联系。为此，要想促使开采井可以展现出含水层的具体情况得到有效的保证，那么则需将孔深设置要高出核磁共振探测过程中得到的主含水层位底板的孔深。

参考文献：

[1]陈文升.核磁共振地球物理仪器原理[M].北京：地质出版社，1992：13～20.

[2]张昌达，潘玉玲.关于地面核磁共振方法资料岩石物理学解释的一些见解[J].工程地球物理学报，2006，3（1）：1～8.

[3]潘玉玲，张昌达.地面核磁共振找水理论与方法[M].武汉：中国地质大学出版社，2000.

[4]李振宇，唐辉明，潘玉玲.地而核磁共振方法在地质工程中的应用[M].武汉：中国地质大学出版社，2006.

[5]杨桂新，武毅，郭建强.地面核磁共振技术勘查西北干旱浅层地下水效果浅析[J].CT理论与应用研究，2000（增刊）：53～55.