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地质物探仪器

核磁共振找水仪

 
 
简介
  核磁共振(NMR)技术是当今世界上的尖端技术,用核磁共振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。
  利用核磁共振技术找水的首创国是前苏联。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(ICKC)以A G Semenov 为首的一批科学家开始了利用核磁共振技术找水的全面研究。他们用三年时间研制成了原型仪器,在其后十年间对仪器进行改进,开发出世界上第一台在地磁场中测定NMR 信号的仪器,称为核磁共振层析找水仪(Hydroscope)。该仪器作为新的探测地下水的重要手段,于1988 年在苏联和英国申请了专利。在此期间他们进行了仪器改进和解释方法的研究,试验研究遍及前苏联的大部分国土,北到极地附近的新地岛,南到中亚的哈萨克斯坦、吉尔吉斯斯坦、乌兹别克斯坦、土库曼斯坦、乌克兰及西部的波罗的海沿岸的立陶宛和白俄罗斯。根据在中亚等地区已知的400 多个水文站上的对比试验,总结和研制出了一套正反演数学模型、计算机处理解释程序和水文地质解释方法,这一成果居世界领先水平。与此同时,在澳大利亚、以色列等国家(地区)先后进行的试验,也证明了地面核磁共振方法是目前世界上唯一的可直接找水的地球物理新方法。1991 年俄罗斯科学院西伯利亚分院化学动力学和燃烧研究所与俄罗斯"中央地质"生产地质联合体共同创办水文地质层析成像公司,开展水文、工程地质和生态学方面的业务活动,在具有不同水文地质条件的地区进行了现场作业,包括葡萄牙、西班牙、沙特阿拉伯、中国辽宁、新疆等国家和地区,进一步检验和证实了该方法的找水效果。
 
 
   
核磁共振找水方法的原理
  核磁共振是原子核的一种物理现象,指具有核子顺磁性的物质选择性地吸收电磁能量。氢核是地层中具有核子顺磁性物质中丰度最高、磁旋比最大的核子。除油层、气层外,水(H2O)中的氢核是地层中氢核的主体。核磁共振找水方法就是通过测量地层水中的氢核来直接找水。
  当施加一个与地磁场(B0)方向不同的外磁场(B1)时,氢核磁矩将偏离地磁场方向,一旦B1 消失,氢核将绕B0 旋进,其磁矩方向恢复到地磁场方向。设旋进频率(拉摩尔圆频率)为ω0,氢核的磁旋比为γ,则:
ω0= γB0 通过施加具有拉摩尔圆频率的外磁场,再测量氢核的共振讯号,便可实现核磁共振测量。
  在NMR 找水方法中,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与水中质子的数量有直接关系,即NMR 信号的幅值与所探测空间内自由水含量成正比,这就是核磁共振找水方法的原理。
 
核磁共振找水方法的特点
1)直接找水
  在传统的物探找水方法中,电法勘探在地下水勘查中几乎承担了80%的工作量,成为配合水文地质工作的主要手段。与间接找水的电阻率垂向电测深(VES)相比,NMR 方法具有如下优点:首先,NMR找水方法的原理决定了该方法能够直接找水,特别是找淡水。在该方法的探测深度范围内,只要地层中有自由水存在,就有NMR 信号响应,反之则没有响应;其次,NMR 方法受地质因素影响小。这些优点可用来区分间接找水的电阻率法和电磁测深法卡尼亚视电阻率的异常性质。例如,在岩溶发育区,特别是在西南岩溶石山缺水地区,当溶洞、裂隙被泥质充填或含水时,视电阻率均显示为低阻异常,是泥是水难以区分。NMR 测深不受泥质充填物干扰,很容易将二者区分开来。此外,在淡水电阻率与其赋存空间介质的电阻率无明显差异的情况下,电阻率法找水就显得无能为力,而NMR 测深却能够直接探测出淡水的存在。NMR 方法采用测深方式,通过改变激发脉冲矩q,实现不同深度的测量。
q = I0t 式中I0 为脉冲电流的幅值,t 为脉冲电流的持续时间。
  NMR 找水方法测量的参数有E0、T2*、φ0。该方法能直接找水,主要是因为这些参数的变化能直接反映地下含水层的赋存状态和特征。
NMR 信号初始振幅E0
  E0 值的大小与含水层的含水量成正比,随q 值变化形成测深曲线,通常用E0~q 曲线表示。对该曲线(原始资料)进行解释后就可得到该测深点探测范围内的水文地质参数,包括含水层的深度、厚度和单位体积的含水量。
NMR 信号平均衰减时间T2 *
  NMR 信号平均衰减时间用T2 *表示,单位为毫秒(ms)。每个激发脉冲矩q 均可以得到一条E0 随时间按指数规律衰减的E0~t 曲线,由此曲线可以求出该q 值探测深度内含水层的T2 *。T2 *值的大小可反映含水层类型(平均孔隙度)的信息。国内外的研究统计规律表明,自由水和束缚水具有不同的T2 *值,自由水的T2 *变化范围在30 毫秒至1000 毫秒之间。而束缚水的T2 *小于30 毫秒。由于NMR找水仪的电流脉冲的间歇时间是30 毫秒,因此,NMR 找水仪接收不到束缚水的NMR 信号。
NMR 信号初始相位φ0
  初始相位是天线中激发的电流与测量到的衰减电压之间的相位差。NMR 信号的初始相位反映地下岩石的导电性。
2)反演解释具有量化的特点,信息量丰富
核磁共振方法可将核磁共振信号解释为某些水文地质参数和含水层的几何参数。在该方法的探测深度范围内,可以给出定量解释结果,确定出含水层的深度、厚度、单位体积含水量,并可提供含水层平均孔隙度的信息。
3)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,并可以快速地提供出打井位置及划定找水远景区。
4)缺点
  前已述及,NUMIS 系统的探测深度为100 米,NUMIS+系统的探测深度为150 米,它们尚不能用来探测埋藏深度大于150 米的地下水;此外,由于核磁共振找水仪的接收灵敏度高(可以接收纳伏级的信号),故易受电磁噪声干扰,在电磁噪声干扰强的区段不能开展工作。
 
 
MINI型
  • 传感器:重量:5公斤;尺寸:15×15×15cm
  • 信号发生器:
    • 重量:2公斤;
    • 尺寸:25×16×20cm;
    • 供电电源:12V
  • 信号放大器:
    • 噪声水平:1nV/HZ1/2 ;
    •  带通滤波:1500-2600HZ;
    • 重量:1公斤;
    • 尺寸:18×10×9cm
  • AD转换器:12 Bit
  • PC机的最低配置要求:256M内存,显示器:1024*768
  • 软件运行环境:Win98, ME, Win2000, XP
 
MIDI型
  • 发射部分:
    • 10-1000Ams
    • 1400-2800HZ
    • 重量:5公斤
    • 尺寸:19*23*30厘米
    • 发射线圈:10*10米(一圈)
  • 接收部分:
    • 噪音水平:小于2nV
    • 增益:104-106
    • 重量:1公斤
    • 尺寸:13*16*25厘米
    • 接收线圈:10*10米(12圈);
    • 1*1米(105圈)
  • AD转换器:12 Bit
  • PC机的最低配置要求:256M内存,显示器:1024*768
  • 软件运行环境:Windows98, ME, Win2000, XP

网页更新时间:2012年08月01日

 

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