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工程地質地面核磁共振方法與應用
文章來源：地大熱能 發布作者： 發表時間：2021-10-28 16:40:14瀏覽次數：2186
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,是指具有核子順磁性的物質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。從理論上講,應用NMR技術的唯一條件是所討論物質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(質子)具有足夠大的磁矩,其核磁共振性質明顯,在比較重要的16種物質原子核的NMR效應中,氫核的NMR效應實際應用處于首位。在穩定磁場作用下,原子核處于一定的能級。如果用適當頻率的交變磁場激發它,可以使原子核在能級間產生共振躍遷,稱為核磁共振。
在地面上用專用儀器設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自由水中質子的數量(含水量)呈正比,即在該方法探測深度范圍內,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,地層中含水愈多,核磁共振響應愈強。這樣,就構成了有水就有反映,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,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。如一些巖溶發育區,特別是西南巖溶石山缺水地區,當溶洞被泥質充填或含水時,電阻率法測量結果均顯示為低阻異常,是泥是水難以區分。核磁共振方法不受泥質充填物干擾,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和含水層的幾何參數。在探測深度范圍內,可以給出定量解釋結果,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。三是經濟、快速。完成一個核磁共振測深點的費用僅為一個水文地質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景區。
地面核磁共振找水的應用實例，地面核磁共振找水方法在花崗巖地區的應用。實測工區位于河北省花崗巖發育的康保地區,早期的物探和鉆孔揭露的數據表明,在風化花崗巖中夾有裂隙較發育的花崗巖碎石或膠結半膠結的砂礫石,構成層間含水層,地下水一般具有承壓性,富水性差異較大,淺部電性不均勻。在電測深曲線上風化的花崗巖含水層與不含水的低阻層表現為同一電性層。并且出現低阻層屏蔽掩蓋高阻層的現象。區內第四系覆蓋層視電阻率一般在20~30Ω·m; 深部風化花崗巖的視電阻率在40~90Ω·m,裂隙發育,在電阻率測深曲線上反映為高阻異常。
工區地磁場強度為55 300nT,傾角為59·8°,激發頻率f0=2 368~2 369Hz。進行NMR測深時,使用75m×75m的大方天線,勘探可達100m左右,在100m深度內可做定量解釋,提供含水層的深度、厚度、含水量和平均孔隙度的信息,100 ~130m深度內可定性預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系統的閾值,這樣,實測的結果是可靠的。
通過對各測點的NMR信號解釋及反演，得到以下結果：
利用核磁共振方法探查巖溶水：首先，巖溶發育區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重畸變，對P:曲線則必須進行地改和靜校正;第二、在巖溶發育區，特別是南方巖溶強烈發育區，被溶蝕的巖層呈斷裂(或溶洞)產出。在這些形態各異的溶洞中充填了不同組分的充填物。據國內外有關統計資料表明，淺表層溶洞主要被沖積成因的由勃土膠結的乳土充填物、勃土一砂質礫充填物、砂質充填物所充填。地下溶洞充填物主要有空氣、水、冰、水成豁上和溶洞壁風化殼、水成砂質礫石充填物以及勃土膠結的巖塊堆積物等。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，視電阻率表現為低阻異常。電阻率法無法區分低阻異常的性質，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因素造成的干擾。
在巖溶區找水最后的解釋結果：
由NMR方法解釋結果與鉆孔巖資料對比圖可知，結果符合很好。
核磁共振找水遇到的問題及其發展前景：了解和正確認識影響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鍵。在影響NMR信號解釋結果的諸多因素中，確保NMR信號采集的質量采取必要的技術措施,壓制電磁干擾,提高信噪比。
今后要加強對NMR找水儀抗電磁干擾能力的研究,原則上應從研究場的激發\接收方式入手,引進弱信號處理技術,提高信噪比。找水過程中發現,NMR找水方法抗電磁干擾能力較低,有時會出現NMR測深解釋結果與實際水文地質資料不一致的情況,出現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(良導體屏蔽效應),導致了SNMR找水方法的探測深度降低和垂向分辨率下降。
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