地球物理通论：核磁共振技术及其应用

5.4.1 地面核磁共振找水方法的原理

实验表明，大多数原子核像旋转陀螺一样绕着某一轴做自旋运动（图5．12）。具有一定电荷的原子核做自旋运动将形成电流而产生磁性，原子核具有自旋动量矩L，同时也具有一个磁矩μ＝γL。比值γ＝e/（2m）称为磁旋比。γ与原子核运动特性无关，只依赖于原子核的电荷e和质量m。在磁场B中，磁矩μ将受到力矩μ×B的作用。引进磁化强度矢量M，M是单位体积中核磁矩矢量统计分布的总和。

dM/dt＝γμ×B

图5.12 原子核的自旋

（a）原子核在磁场中核的自旋运动；（b）在重力场中陀螺的自旋运动

假定沿着z轴方向的磁场为B0，如图5．13所示，若M矢量的长度保持不变，则它与磁场B0的夹角θ也是恒定的。在稳定磁场作用下，磁化强度矢量除自旋外，还以稳定磁场方向为轴线做旋进运动，这种运动称为拉莫尔进动，进动的频率为拉莫尔频率。拉莫尔频率与地磁场磁感应强度和原子核的磁旋比有关，单位为Hz。

图5.13 磁化强度矢量M绕B0做拉莫尔进动

图5.14 氢核在稳定磁场B0中的旋进运动

不同核磁矩的运动会描绘出不同的圆锥面，图5．14表示原子核的自旋量子数I＝的氢核（质子）的旋进运动，其核磁矩分别在上、下两个圆锥面上旋进。核磁共振是一种量子效应。当具有非零磁矩的原子核置于稳定的外磁场中时，能量将分裂为一系列子能级。如有交变电磁场作用，则可发生共振吸收，共振频率随外部稳定磁场而变化，并且对不同的磁性核具有不同的共振频率，即吸收是有选择性的。

当外加的交变电磁场的圆频率（ω＝2πf）满足相邻能级间的能量差：

ΔE＝hf＝hω/（2π） 　（5．10）

时，则会产生相邻能级之间的跃迁，即发生共振（上式中h为普朗克常量）。很显然，核磁共振的条件为

ω＝γB0 　（5．11）

可见，磁旋比γ是一个很重要的常数，不同的核子有不同的γ值。

核磁共振是指具有核子顺磁性的物质选择性地吸收和释放电磁能量的现象。在稳定磁场和晶格的作用下，原子核处于一定的能级（热平衡状态）。如果用适当频率的交变磁场作用，原子核吸收电磁能量，并在能级间产生跃迁；在交变磁场撤去后，原子核释放电磁能量，从高能级非平衡状态逐渐恢复到低能级的热平衡状态。

对于被磁化后的核自旋系统，其旋进频率（拉莫尔频率）为ω0。如果在垂直于地磁场的方向再加一个交变电磁场B1，而且，让其频率ω＝ω0，核自旋系统将发生共振吸收现象。在交变电磁场激发脉冲施加以前，核自旋系统处于平衡状态，宏观磁化强度矢量M0与地磁场B0方向相同［图5．15（a）］；激发脉冲作用期间，磁化强度矢量吸收电磁能量而偏离地磁场方向［图5．15（b）］；激发脉冲作用结束后，磁化矢量释放电磁能量，又将通过自由进动，朝B0方向恢复［图5．15（c）］。

图5.15 核自旋系统的三个状态

（a）平衡态；（b）激发；（c）激发后

使核自旋从高能级的非平衡状态恢复到低能级的平衡状态，这一过程称为弛豫。弛豫包含两种不同的机理。设B0的方向为z方向，激发脉冲作用后，磁化强度矢量M0被分解成x-y平面的分量（横向分量）Mxy和z方向的分量（纵向分量）Mz。

激发脉冲终止后，x-y平面的横向分量Mxy向数值为零的初始状态衰减，称为横向弛豫。弛豫速率用1/T2来表示，T2称为横向弛豫时间常数。从微观机制上考虑，又把这个弛豫过程称为自旋 自旋弛豫。

由于地下介质的不均匀性，实际观测到的横向弛豫时间常数不是含水体的真值，而是在交变磁场作用范围内的地下各含水体的综合反映。称为视横向弛豫时间常数，又简称为衰减时间常数或平均衰减时间，值的大小与含水介质的孔隙大小有直接关系。

激发脉冲终止后，z方向的纵向分量Mz向初始宏观磁化强度M0的数值恢复，称为纵向弛豫，弛豫速率用1/T1来表示，T1称为纵向弛豫时间常数。从微观机制上，又把它称为自旋 晶格弛豫。

地面核磁共振（SNMR）：在地磁场作用下，地下水中的氢核处在一定的能级上。在地面上敷设发射回线并施加以拉莫尔频率的交变磁场对地下水中的氢核进行激发，氢核吸收电磁能量，在能级间产生跃迁；在交变磁场撤除后，氢核释放电磁能量，此间在地面上用接收回线拾取氢核产生的信号，即为NMR信号。NMR信号是有关这些质子所处的物理的和化学环境的信息响应。SNMR方法利用了不同物质原子核弛豫性质差异产生的NMR效应，即利用了水中氢核（质子）的弛豫特性差异，在地面上利用核磁共振找水仪，观测、研究在地层中水质子产生的核磁共振信号的变化规律，进而探测地下水的存在性及其赋存特征。该方法应用找水仪器——核磁感应系统（nuclear magnetic induction system， NUMIS）实现对地下水信息的探测。

1）SNMR方法找水原理

上已述及，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。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。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。在稳定地磁场的作用下，氢核绕地磁场方向旋进（图5．16），其旋进频率（拉莫尔频率）与地磁场强度和原子核的磁旋比有关。

图5.16 质子磁矩在磁场作用下的旋进运动

图5.17 NMR信号时序图

（a）矩形包络线；（b）指数包络线

用SNMR方法探测地下水时，由于研究的范围很大，稳定磁场只能利用地球磁场。工作时，通常向铺在地面上的线圈（发射线圈）中供入频率为拉莫尔频率的交变电流脉冲（图5．17），交变电流脉冲的包络线为矩形［图5．17（a）］。在地中交变电流脉冲形成的与地磁场B0垂直的交变磁场B1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。在切断电流脉冲后，该宏观磁矩的旋进运动在线框中感应产生一个衰减信号，即所谓的自由感应衰减信号FID，即NMR信号，其衰减时间常数为。

式中，e（t）为NMR信号；E0为NMR信号的初始振幅（nV）；t为由脉冲截止起算的时间（ms）；为衰减时间常数（ms）；ωL为拉莫尔圆频率；φ0为NMR信号的初始相位（°）。

用同一线圈（接收线圈）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［图5．17（b）］，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，构成了一种直接探测地下水信息的技术，形成了地面核磁共振探测地下水的新方法（图5．18）。

图5.18 SNMR方法探测地下水原理

为了进一步说明SNMR方法的原理，介绍一下激发脉冲矩的概念，激发脉冲矩q的表达式为

q＝I0τp 　（5．13）

式中，I0、τp分别是激发电流脉冲的幅值和持续时间；q参数单位为A·ms。参数q又称激发脉冲强度，通常称为激发脉冲矩。q参数在SNMR方法中起关键作用。因为在τp一定的情况下，它决定NMR信号的幅度和方法的探测深度。q参数与直流电测深方法的供电极距AB/2的作用类似，在直流电测深方法中，按一定规律由小到大改变AB/2，就能达到由浅入深的探测目的。同理，在SNMR方法实际工作中，q值也是按一定规律依次由小到大变化，探测深度则由浅入深。

2）SNMR方法测量参数和反演得到的水文地质参数

地面核磁共振方法测量参数和反演解释获得的水文地质参数见表5．2。这些参数的变化直接反映出地下含水层的赋存状态和特征。

表5.2 NUMIS系列仪器实测和反演解释获得的参数

（1）NMR信号初始振幅E0。NMR信号初始振幅E0与参加旋进运动的质子总数成正比。参加旋进运动的质子，既有在连通的孔隙中的，也有在封闭隔离孔隙中的，也有附着在黏土矿物和其他颗粒上的水中的。NMR信号来自各个孔隙质子信号之和。

在SNMR方法中，每个核磁共振点都有一条NMR信号E0值随q值变化而形成的曲线，即核磁共振测深曲线，通常用E0-q曲线表示。对该曲线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：各含水层的深度、厚度、单位体积含水量。图5．19是NUMIS系统在一含水层（其厚度为10m、单位体积含水量为20％、埋藏深度为h）上方，经过正演计算获得不同埋藏深度含水层模型的E0q曲线。

图5.19 不同深度含水层模型NMR信号的E0-q曲线

（2）NMR信号平均衰减时间。每个激发脉冲矩q均可以得到一条NMR信号E0随时间按指数规律变化的衰减曲线（E0-t曲线），如图5．20所示。由此曲线可以求出该q值探测深度内含水层的值大小可以近似地给出含水层类型（平均孔隙度）的信息。的计算公式为

式中，Em、Tm（m＝1，2，…，M）分别是某个激发脉冲矩qi在m个时刻分别对应的NMR信号的振幅值、信号衰减时间。(www.xing528.com)

图5.20 NMR信号的E0-t曲线

国内外的研究、统计规律表明，自由水和束缚水的值是不同的，自由水的变化范围为30ms≤＜1000ms，而束缚水的为＜30ms。由于目前大部分商品型的NMR找水仪的交变电流脉冲的间歇时间是30ms，因此，这些NMR找水仪接收不到束缚水的NMR信号，即只能观测到自由水的NMR信号，表5．3给出了不同类型含水层的值。在探测范围内不存在局部磁性不均体时，＝T2。

表5.3 实测值和含水层类型的近似关系

当NMR找水仪的交变电流脉冲的间歇时间是几毫秒时，才可以接收到束缚水和自由水的NMR信号。

衰减时间常数与岩石孔隙的大小、孔壁和溶液的性质有关。

（3）NMR信号纵向弛豫时间T1。和T1的测量技术不同，在SNMR方法的测量工作中，用1个激发脉冲矩的E0-t曲线获得衰减时间，同一个记录点每次用两个激发脉冲q1和q2进行测量而获得T1，T1能很好地给出含水层孔隙度的信息，利用T1并结合含水层单位体积含水量，估算含水层的渗透系数，还可根据求出的含水层厚度，估算导水系数。T1不受磁场不均匀性的影响。

（4）NMR信号初始相位φ0。初始相位φ0是二次场相对激发电流的相位移。NMR信号的初始相位φ0反映地下岩石的导电性。

5.4.2 SNMR方法的数据采集与预处理

1）SNMR方法使用的仪器

目前，SNMR方法探查地下水时使用的仪器有几种，其中俄罗斯使用其研制的Гидроскоп-3B型仪器。法国地质矿产调查局IRIS公司2009年，推出NUMISPoly，具有4道接收装置，通过布置远程参考线圈，可以有效提高信噪比。美国维斯塔克拉雷公司（Vista Clara Inc．）2006年推出多道地面核磁共振仪器——大地磁共振（GMR）仪。GMR激发脉冲间歇时间5ms（可以接收束缚水、自由水信号及它们的总和）。使用4道（可扩展到12道）接收回线的多道装置，能提供一维（1D）、二维（2D）的水文地质参数。使用参考回线以降低、压制电磁噪声干扰。我国吉林大学也自主研制出国产的SNMR方法找水仪器——JLMRS。

2）SNMR方法野外的数据采集

为了获得最佳质量的数据，必须正确地选定激发频率、天线类型、有关的技术参数等。

（1）选择、确定激发频率。根据工区的地磁场强度值T（nT）计算并确定激发频率f（Hz）＝0．04258T（nT）。

（2）线圈形状的选择和敷设。根据待探查含水层的深度和含水量以及工区电磁噪声干扰的强弱、方向，优化线圈形状和科学地敷设线圈。线圈形状如图5．21所示。

图5.21 SNMR方法的天线形状

（a）圆形；（b）方形；（c）圆∞字形；（d）方∞字形

通常使用的线圈形状是直径一定（如100m或150m）的圆形天线或每边长一定（如75m或100m）的正方形天线，如图5．21（a）、（b）所示。当工区电磁噪声干扰严重时，通常选用∞字形天线，如图5．21（c）、（d）所示，能够起到压制电磁噪声干扰的作用，但是降低了探测深度。经过试验和调整，确定线圈的位置和方向，使其长轴方向与电磁噪声干扰源的方向一致。

（3）测量之前选择有关的技术参数。在开始测量之前，选择并输入以下技术参数：天线的类型、尺寸和圈数；测量数值范围（500～60000nV）；记录长度（240～1040ms，通常把240ms作为记录长度的标准值）；脉冲持续时间、脉冲间歇时间由程序控制，脉冲持续时间（5～100ms，最佳值为40ms）；脉冲间歇时间（30ms或十几毫秒或几毫秒）；脉冲矩q的个数。

进行SNMR方法找水测量时，脉冲矩q的个数应当根据在勘探深度范围内希望分层的多少和测量时间来确定。对于一个完整的核磁共振测深点来说，q的个数通常选为16。每个脉冲矩的值是由程序控制，在仪器配置的最小脉冲矩（qmin）和最大脉冲矩（qmax）之间自动选取；叠加次数，一次叠加共需要10s，叠加次数的选择要兼顾测量质量和总的测量时间两个方面，叠加次数的多少取决于信噪比的大小。

3）SNMR方法数据的预处理

SNMR方法数据的预处理内容包括零时外延、化为标准观测值、噪声滤波和保存原始数据。

5.4.3 SNMR方法资料反演解释方法

SNMR方法的资料反演解释是将观测到的参数变为水文地质参数的过程。在SNMR法资料反演解释中，目前，比较广泛使用的吉洪诺夫正则化法的一维反演。使用一定数量脉冲矩的每个测深点都观测得到E0q测深曲线，用矩阵符号表示为

An（z）＝e0 　（5．15）

式中，e0＝（e01，e02，…，e0i，…，e0j）T，e0i＝e0（qi）是实测NMR信号数据组，n＝（n1， n2，…，nj）T，符号T表示转置，nj＝n（zj＋1－zj），nj是单位体积含水量，A＝［aij］是一个i×j矩形矩阵。

用吉洪诺夫正则化的经典最小二乘反演方法对式（5．15）进行反演，得到n（z），即可得到是否有水，含水层的深度、厚度，单位体积含水量和表征含水层结构的参数。

5.4.4 地面核磁共振方法的应用

利用SNMR方法可探测深度在150m以内的地下水资源，探测、监测与地下水活动有关的水文地质、工程地质、环境地质问题。SNMR方法易受电磁噪声干扰，不宜在强电磁噪声干扰区段开展工作；受地磁场的不均匀性干扰，不宜在强磁性火成岩发育区或局部磁性体存在区开展工作。

1）探查地下水资源

SNMR方法的优点是直接找水，即在方法的探测深度内，有水就有NMR响应；不打钻经反演解释就可以得到含水层的深度、厚度、单位体积含水量和孔隙度、渗透系数等信息。因此，SNMR方法为探测地下水资源提供了新手段。

我国南方和北方分布着大片的岩溶地貌，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，称为岩溶石山地区。传统的物探找水方法在上述地区探测岩溶水时遇到许多困难，SNMR方法解决了这一困难。

图5．22是应用NUMIS系统在湖北永安地区找水的成果之一。1998年6月，在前人认为“无水区”内，用NUMIS系统找到了岩溶地下水，由图5．22的含水量直方图可见，存在两个含水层，其中77m以下的深部含水层的单位体积含水量达4．5％，＝218～230ms，说明含水岩层比较破碎，利于含水，建议打钻深度120m进行验证，经实际钻探验证（终孔深度130m），在33～42m和77～126m深处打到两层水质很好的岩溶地下水，与SNMR方法解释结果符合甚好。三口井日出水量超过5000t，解决了当地居民的饮用水及农牧业开发用水问题。

图5.22 武汉市郊区SNMR方法资料反演解释结果与钻孔资料对比

2）SNMR方法在环境质量检测、监测中的应用

固体废料、生活垃圾污染、加油站和石油管道漏油等，这些废料的淋滤液的存在和运移是否对地下水造成污染，是人们非常关心的大问题。通过SNMR方法的检测可以提供淋滤液或液态烃类（石油和汽油中含有氢质子）污染的定量信息，可用SNMR方法圈定生活垃圾污染范围，检测加油站和石油管道漏油对环境造成污染程度。俄罗斯地球物理工作者O．A．Shushakov等进行了探测烃类（汽油）污染地下水的试验结果。图5．23、图5．24分别为SNMR方法在第一、二试验场地对烃类污染地下水的试验结果。

图5.23 第一场地SNMR方法的与信号分布图

图5.24 第二场地SNMR方法的与信号分布图

试验的第一个场地是在西伯利亚阿巴坎（Abakan）地区叶尼塞河河岸的一座加油站（在52号钻孔附近已发现储油罐漏油）附近；第二个场地是在远离污染源、距加油站150m的河漫滩上。

在第一个场地（有污染源汽油和地下水）进行SNMR方法测量，由图5．23可见。利用了4个激发脉冲矩，从NMR信号分布图上得到两个：8～10、90ms。

在第二个场地上SNMR方法测量也利用了4个激发脉冲矩，由图5．24可见，＝20ms的信号分布很集中，是地下水的NMR响应。

O．A．Shushakov等认为：＝90ms是汽油的响应（图5．25），而短的时间常数（8～10ms）则是地下水的响应。上述解释结果已被钻孔和NMR测井资料所证实，52号钻孔资料指出该场地的地下水中溶解的烃类含量为7．15mg/L。

图5.25 Гидроскоп-3探测汽油污染的三维图