探查地下水的新方法_地面核磁共振找水方法的应用研究

探查地下水的新方法_地面核磁共振找水方法的应用研究 探查地下水的新方法 ———地面核磁共振找水方法的应用研究 1 2 1 邓靖武, 潘玉玲, 熊玉珍 ( 11 中国地质大学 地球物理与信息技术学院 , 北京 100083 ; 21 中国地质大学 地球物理与空间信息学院 , 湖北 武汉 )430074 摘要 : 地面核磁共振方法是应用地球物理中新发展起来的一种直接找水方法 , 它利用水中的 氢核在一定频率的外场作用下产生核磁共振现象实现对地下水的探测 。对测量所得的 NM R 信号进行分析处理 , 可以确定地层的含水量 、厚度和深度以及平均孔隙度 。由于 NM R 信号 微弱 、信噪比低 , 因此所获资料需要进行综合解释和联合反演以提高反演解释的可靠性 。以 中国地质大学核磁共振科研组在西北某油田的找水工作和国外学者相关的研究成果为例 , 证 实了这一研究方法的可靠性 。 关键词 : 核磁共振技术 ; NM R 信号 ; 地下水 ; 联合反演 中图分类号 : P335文献标识码 : A () 文章编号 : 1000 - 8527 200401 - 0121 - 06 111 核磁共振现象 0 引言核磁共振是一个基于原子核特性的物理现象 , ( ) 即具有核子顺磁性的物质可选择性地吸收电磁能 地面核磁共振 SN M R找水方法是近年发 ( ) 展起来的新的应用地球物理方法 。此方法是前苏 量 。由于水分子中氢原子内的质子 氢核是具 联在 20 世纪 80 年代初最早研究成功的 , 并研制 有核磁矩的旋转带电粒子 , 在通常情况下 , 质子 ( ) 出第 一 代 核 磁 共 振 层 析 找 水 仪 Hydro scope , 磁矩方向与当地地磁场 B 一致 , 而且它们在稳定 0 用于地下水 的 探 测 试 验 和 应 用 , 达 到 了 世 界 领 的地磁场作用下都将处在一定能级上 , 即处于自 1 ,3 先水平。自 1996 年 地 面 核 磁 共 振 仪 器 投 入 (() ) 然平衡状态 图 1 中 a。当在外加具有 Larmor 生产以来 , SN M R 方 法 在 多 个 国 家 和 地 区 得 到频率 f 的电磁场 B作用后 , B的垂直于地磁场 0 1 1 了广泛应用 , 并取得了丰硕的成果 。但是 , 由于B的分量将对质子产生扭力 , 氢核产生旋进运动 , 0 ( ) N M R 找水仪的接收灵敏度高 nV 级, SN M R (() ) 从而发生能级跃迁 图 1 中 b。当这种外加的电 方法容易 受 到 电 磁 噪 声 的 干 扰 , 导 致 信 噪 磁场 B终止后 , 氢核在回复到它们原来位置的过 1 比低 , 因此在 SN M R 方法资料反演解释中需要 注重多参数联合反演 , 以提高以物探方法找水的 可靠性 。 1 SN M R 找水方法的基本原理 SN M R 方法是目前唯一直接探测地下水的地 球物理新方法 。它利用了氢原子内的质子在一定 4 图 1 核磁共振产生的 3 个阶段示意图的条件下可以产生核磁共振信号的特征 , 采集和 4 Fig11 Sketch of t hree stages in NMR generating 分析 N M R 信号的变化规律以实现对地下水的直接 () ( ) () a平衡状态 ; b吸收状态 ; c释放状态 探测 。 收稿日期 : 2003 - 09 - 29 ; 改回日期 : 2003 - 11 - 24 ; 责任编辑 : 孙义梅。( ) 基金项目 : 国土资源大调查项目 200120120073。 作者简介 : 邓靖武 , 男 , 博士研究生 , 1977 年出生 , 地球探测与信息技术专业 , 现主要从事电磁法勘探的研究工作。 (() ) 程中产生可以被测量的 N M R 信号 图 1 中 c。 q 值不同 , N M R 信号的初始振幅也不同 ; 在一定 测量并分析这个 N M R 信号可以获取与地下氢核含条件下 q 值越大 , 则可以探测含水层的深度越大 。 量相关的信息 。其中 , L ar mo r 频率 : 因此 , 利用不同的激发脉冲矩可以探测不同深度 γ( π)() 1 f = B / 2 的含水层 , 从而实现测深的目的 。因而 , SN M R0 0 方法又叫 N M R 测深 。γ式中 , B 为稳定的地磁场 , 为质子的磁旋比 。 0 112 S NM R 找水方法原理概述 根据工区的水文地质条件和工区的电磁噪声 干扰情况以及工作任务 , 选择天线形状等技术参 数 。SN M R 方法的测量是通过在地 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 敷设一个矩 ( ) 形或者圆形线圈 发射/ 接收天线, 向线圈内供 入交变电流脉冲 : π( ) ()( )I t = Ico s 2f t 2 00 并形成激发磁场 B 。交变电流的包络线为矩形 1 (( ) ) 图 2 中 b , 其 频 率 为 测 点 的 L ar mo r 频 率6 2 NM R 信号时序图图 () 800,3 000 Hz, 目前 N M R 找水仪电流脉冲的持 6Fig12 Timing diagram of NM R signal () ( ) () 续时间通常为 40 ms 。 a电磁噪声 ; b激发电流脉冲 ; cNMR 信号 当切断线圈中的交变电流后 , 线圈中将测量 ( ) 到由地下质子弛豫产生的衰减的 NMR 信号 e t ,113 NM R 测深的信号采集过程及方法特点 5( N M R 信号包络线按照指数规律衰减图 2 中以目前国内使用的 N U M IS 系统为例 , N M R () ) c: ( ) 信号的采集包括以下几个过程 : 1激发频率的 3 - t/ T 2 ) π( ) πυ( ( e t = 2 f M f re co s 2f t + 0 0 0 0选择 , 即测量测点的地磁场并计算 L ar mo r 频率 , ? ( ) () ( ) ) ( γ( ) ) 从而确定需要使用的激发频率 ; 2天线形状的 ) (4 r?B rsin 015B rqd V ?? ( ) 式中 , M 是氢核的核磁矩 ; f r 是地表以下 r 0 选择和敷设 , 根据工区内待探查含水层的深度和 3 ( 含水量以及工区的地球物理环境 电磁干扰的强 深处含水层的含水量 ;T 是 r 深处的质子的弛2 ( )) 3 弱和方向优化线圈形状并科学敷设线圈 ;( ) 豫时间 ; B r是激发电磁场 B 垂直于地磁场的 ?1 连接仪器 ; ( ) 4选择测量参数 , 这些参数包括测υ( ) 分量 ; r是激发电流和感应电流之间的相移;0 量范围 、 记录 混凝土 养护记录下载土方回填监理旁站记录免费下载集备记录下载集备记录下载集备记录下载 长度 、脉冲持续时间 、脉冲矩的个( ττ q 为激发脉冲矩 q = I , I、分别为激发电 流00 ( ) 数和叠加次数 ; 5按照采集控制程序的步骤进 ) ( ) 脉冲的幅值和供电持续时间。 4式通常被近 行采集 。 似为 : 3 ( ) - t/ T N M R 测深有以下特点 : 1直接找水 , 核磁2 π(( υ)( )) e t = Ee co s 2f t + 5 0 0 0 共振找水方法的原理决定了该方法能够直接找水 , 其中 E是在 t = 0 时刻线圈中 N M R 信号的初始 0 在探测深度范围内 , 若地层中有自由水存在 , 就 振幅 :() 会有 N M R 信号响应 , 反之 , 则没有响应 ; 2反 π( ) ( ) γ( ) ) (E= 2 f M f rB rsin 015B rqd V0 0 0 ?? 演解释具有量化的特点 , 信息量丰富 , 从 N M R 测 ? ( ) 6深资料中可以提取含水层的深度 、厚度 、含水量 ( ) 从 5 式 可 以 看 出 , 从 接 收 线 圈 中 测 量 到 的 ( ) 以及平均孔隙度等参数 ; 3经济 、快速完成一 N M R 信号中包含了 3 个重要参数 : N M R 信号的 个核磁共振测点的费用仅为一个水文地质勘探钻 ( ) 初始振幅 E, 而从 6 式可以看出它与地下水 0 孔费用的 1/ 10 , 同时 N M R 测深可以快速地确定 3 ( ) 出水井位及圈定找水远景区 ; 4其缺点是 , 目 的含量直接相关 ; 弛豫时间 T , 它通常与含水层2 前核磁共振测深还无法探测大于 150 m 深度的地 岩石的平均孔隙度相关 , 而孔隙度是岩层的一个 υ 下水 。另外 , 由于核磁共振找水仪的接收灵敏度 重要特征参数; 初始相位 , 它可以用于定量估0 高 , 而 N M R 信号相对较弱 , 因此 , N M R 测深容 计岩层的电导率 。 () 同时 , 从 6式中还可以看出 , 激发脉冲矩 易受到电磁噪声的干扰 。 123 第 1 期邓靖武等 : 探查地下水的新方法 ———地面核磁共振找水方法的应用研究 在忽略地表电导率的情况下 , 多孔岩石的电 2 提高 N M R 测深反演可靠性的措施导率和孔隙流体的电导率以及含水量的关系可以 7 在 N M R 测深的资料反演解释中有许多值得探 由 Archie 公式确定: mσ σ()= G7 讨和研究之处 。目前 , N M R 测深资料反演解释通 w 常使用一维反演 ,即使用 N U M IS 系统配备的吉洪σ ; G 是地层中的含水式中是多孔岩石的电导率 2 诺夫正则化方法, 它利用经典的最小二乘反演量 ; m 是 Archie 指数 , 其值通常在 113 到 215 之 σ 间 ; 是孔隙流体的电导率 。 , 对每个 N M R 测深点的一组 N M R 信号实测方法 w () 通过 7式 , 可以将地面核磁共振中的重要 数据由计算机自动地确定一个解 。 ( 然而 , 由于 N M R 信号微弱 通常小于 3 000 参数 ———含水量与电法中的电阻率参数联系并利 ) nV , 常见值为几十 nV 、易受电磁噪声干扰 , 这 用起来 , 从而实现多种方法的联合反演 。 样就导致了信噪比低的问题 。在这种情况下 N M R 21212 联合反演的实现信号的 E- q 、 E- t 曲线会产生畸变 , 甚至出 0 0 德国柏林工业大学的 Geowiss 提出了使用模拟 现假异常 , 从而影响了 N M R 反演的可靠性 。为解 退火算法进行 N M R 测深和直流电测深资料的联合 决这些问题 , 一方面需要在野外采集过程中采取 7 ,8压制干扰的技术手段 , 另一方面则是要在资料反 反演。联合反演利用了模拟退火算法对包含有演解释中采取必要的措施 , 例如 : 考虑与其他地 多个参数的非线性目标函数能有效地进行最优化() 球物理方法 如 V ES 或者 T EM进行综合反演解 ( ) 7 的优点 , 同时拟合两种方法的资料 ,并利用释 ; 或者以多种方法分别反演然后相互约束 ; 或 式对参数进行约束 。者将两种或多种方法直接进行联合反演 。 211 方法的相互约束 由于 N M R 测深过程中存在信噪比低的问题 , 这样有时会出现假异常而导致资料解释和实际的 水文地质资料存在差异 。研究和实践表明 , N M R 测深和电阻率法产生假异常的原因不同 , 把 N M R 找水方法和电阻率法资料进行综合研究 , 不仅可 以排除 N M R 方法因信噪比低而引起的假异常 , 还 可排除电阻率法由于低阻岩层而出现的含水假异 常 。综合解释可行性研究和钻孔资料的研究表明 , 在大致相同的深度上 , N M R 测深资料显示有水 , 同时视电阻率出现低阻异常 , 在多数情况下都指 2 示水的存在。因此 , 将直接的和间接的找水方 法合理的结合 , 并对比钻孔资料 , 可以获得更加 8 准确的定量解释 , 特别是对确定含水层的厚度和 图 3 模拟退火联合反演流程图 8埋深等参数 。这样 , 就提高了 N M R 测深资料解释 Fig13 Flow chart of simulated annealing joint inversion 的可靠性 。 212 多参数的联合反演( ) 模拟退火 Simulated annealing法是一种导 向随机搜索算法 , 它的基本原理来源于热力学中 熔融的金属冷却结晶的优化过程 。在模拟退火模 ,人们一直在寻求某两在资料解释的过程中 型的开始阶段 , 所有的分子都在随机移动 , 随着 种或者多种参数之间的内在联系 , 通过这种联系温度的逐渐降低 , 分子的随机移动也逐渐减少 , 来进行多参数的联合反演 , 以降低反演的多解性 , 它们会按照一定的方式自动排列而形成晶体 , 这 提高反演质量 。研究表明 , N M R 测深中的含水量 种结晶状态则代表着这个系统的能量最小状态 。参数与电法中的电阻率参数在多孔岩石中存在一 , 在达到某如果把模型参数看作随机移动的分子 定的联系 。 () 个标准 如拟合差小于某一值之前 , 让这些参 21211 岩石的电阻率数在一定范围内随机变化 。当计算结果逐渐向某 图 4 某油田 30 - I 测线的地电断面图 Fig14 Geoelect ric sectio nal view of line 30 - I in t he general survey of an oilfield 个标准靠近时 , 逐渐减小随机变化的步长 , 便可含淡水岩组 。 4 和图 5 分别为该工区内 30 - I 测线上 图 以高精度地寻找最优值 。图 3 给出了反演的实现 V ES 和 106 号测点 N M R 测深反演解释结果 , 由 过程 。 图可见 , 各含水层的顶板埋深在 10,100 m 左右 , Ω十几,30 ?m 电性层与 N M R 测深点含水异常显 3 应用实例示相对应 。这样 , 将直接的和间接的物探找水方 311 多参数的综合利用 2001 年 7 —8 月 , 中国地质大学核磁共振科研 , 确定了该电性层为含淡水岩组 ,法相结合 并圈 组在西北某油田采用地面核磁共振测深等物探找 定出该油田地下淡水远景区 。水方法进行地下淡水普查 , 取得了明显的地质 效果 。 根据工区的地质和地球物理条件 , 进行了瞬 ( ) 变电磁测深 使用 T EM - 67 仪器、地面核磁共 () 振测深 使用 N U M IS 系统、混合场源的频率测 () 深 使用 EH - 4 电导率成像系统和传统的电阻 ( ) 率测 深 法 V ES等 工 作 。普 查 面 积 达 800 多 2 km, 共完成测线 230 多 km , 测点 230 个 。 在该 油田地下淡水资源普查工作中获得的主 要成果之一是 : 确定了含水层的电性特征与 N M R 测深含水异常的关系 , 圈定出低矿化度的地下淡 水资源远景区 。用资料统计对比方法确定并证实 了工区含水岩组的电阻率变化与地下水矿化度的 关系 。 通过资料解释和分析表明 , 影响含水岩组电 阻率变化的主要因素是地下水矿化度的高低 。在 () 图 5 106/ 30 I号点的 NMR 测深含水量直方图其他条件不变的情况下 , 地下水的矿化度高则含 Fig15 Water content histogram of NMR sounding ()at point 106/ 30 I 水岩组的电阻率低 , 反之则含水岩组的电阻率高 。 从已知井旁测深等资料统计对比得出 : 高矿 Ω在该油田圈定的地下淡水远景区内完钻 3 口( ) ρ 化度 M > 3 g/ L 含水岩组的电阻率< 10 ?m ; ( ) 水井 , 均获优质地下水 M < 1 g/ L 。此结果证 ( ) ρ弱矿化度 M M = 2 ,3 g/ L 的含水岩组的 = ) 实了解释推断的正确性 。 Ω( 10,15 ?m ; 低矿化度 M < 2 g/ L含水岩组的 312 NM R 测深数据和 VES 数据联合反演实例ρΩ?15 ?m 。以上统计结果为圈定该油田地下淡水 1999 年 Yaramanci 在德国北部的一个测试点详查远景区打下了物性基础 。 8 进行了详细的地球物理勘查 , 使用了 SN M R、本工区第四系地层单一且稳定 。在粉细砂夹 9 ( ) 地质雷达、直流电测深 V ES等物探方法 , 同薄层亚砂土和亚粘土互层中探测到有低矿化度的 125 第 1 期邓靖武等 : 探查地下水的新方法 ———地面核磁共振找水方法的应用研究 8 图 6 NM R 测深和 V ES 数据拟合及其联合反演结果 8Fig16 Data of NM R sounding and V ES and joint inversio n result s of t hem at t he test site () ( ) () ( ) aV ES 数据 ; bNMR 测深数据 ; c自由水含量直方图 ; d束缚水含量直方图 接和间接找水方法相结合 , 可有效提高资料的解 时还有地下水的详细钻孔资料 。测点下面的第三 , 其顶部埋深大约 20 m , 底 纪沉积层中有含水层 释水平 。SN M R 方法在圈定地下水远景区方面是 部埋深为 40 m 左右 , 含水层的下面又出现了含有 一种经济 、快速的方法 ; 而在远景区内进行详查 大量束缚水的地层 。 并确定水井位置时 , 需要与其他物探方法以及水 可以看出 , V ES 的电极距 A B / 2 从 40 m 到 文地质资料相结合 。 (() ) 120 m 的范围内视电阻率不断降低 图 6 中 a,() 3多参数联合反演大大提高了资料反演的 其曲线形态类似 2 层模型中的 D 型曲线 , 说明在 精度 。 地下一定深度出现了较大的低阻层 ; E- q 曲线 0 SN M R 是新的地球物理找水方法 , 从仪器 、( ( ) ) 具有含自由水特征 图 6 中 b。在对 N M R 测 采集到资料处理和解释方面都有很高的价值 , 建深和 V ES 的两组数据分别进行反演都无法精确划 ( ) 议在以下 3 个方面作进一步的研究 :1 提高分含水层的情况下 , 对它们使用模拟退火联合反 ( ) SN M R 仪器的抗电磁干扰能力 ; 2加大 SN M R演方法进行处理 , 结果在 6 层模型中 , 两组曲线 ( ) 取得了相当好的拟合 。反演结果区分了自由水含 仪器的勘探深度 ; 3研究多种物探方法的综合 水层和束缚水含水层 。从自由水含量的直方图 反演解释和联合反演方法 , 提高反演解释水平 。 (() ) 图 6 中 c可以看出 , 20,40 m 深处有一自由 水含水层 , 其下方 40 多 m 厚度的地层中自由水含 参考文献 :( 水量突然降低 , 而从束缚水含量的直方图 图 6 1 Yuling Pan , Bernard J ean . Surface nuclear magnetic inductio n ( ) ) 中 d中可以看出 , 在这一深度的地层中含有 system and it sπapplicatio n in hydrogeological investigatio ns J . 大量的束缚水 。由此可见 , 在两种方法都无法精 Co mp uterized To mograp hy Theo ry and Applicatio ns , 2000 , 9 确区分的情况下 , 通过联合反演 , 不仅可以对模 ( ) 2: 37 —43 . 2 潘玉玲 , 张昌达. 地面核磁共振找水理论和方法 M .武 汉 : 中国地质大学出版社 , 2000 . 85 —97 . L egchenko A , Valla P. A review of t he basic p rinciples fo r p ro2 3 型进行更可靠的分层 ,而且区分了地层中的自由to n magnetic reso nance so unding measurement s J . Jo urnal of ( ) Applied Geop hysics , 2002 , 50 1: 3 —20 . 水和束缚水 。万乐 , 潘玉玲. 利用核磁共振方法探查岩溶水 J . C T 理 4 ( ) 论与应用研究 , 1999 , 8 3: 15 —19 . 4 结论与建议 L egchenko A , Baltassat J - M , Beauce A , et al . Nuclear mag2 5 () 1SN M R 是一种直接找水的方法 , 可以有netic reso nance as a geop hysical tool fo r hydrogeologist s J . Jo ( ) urnal of Applied Geop hysics , 2002 , 50 1: 21 —46 . 潘玉玲 , 效地确定其探测深度范围内地层的含水量 、埋深贺颢 , 李振宇 , 等. 地面核磁共振找水方法在中国 的应用和厚度 。为探查 100,150 m 深处的地下水提供了 6 ( ) 效果 J . 地质通报 , 2003 , 22 2: 135 139 . 新的技术手段 。 () 7 Hert rich M , Yaramanci U . Joint inversio n of surface nuclear 2利用 SN M R 直接找水方法的同时 , 将直 magnetic reso nance and vertical electircal so unding J . Jo urnal sciences. Dept of Applied Geop hysics. 2000 . ht tp : / / ( ) of Applied Geop hysics , 2002 , 50 1: 179 —192 . www1geophysik1tu2berlin1de/ Lehre/ Diplomarbeiten/ Hertrich1pdf . 曾 Geowiss C , Hert rich M . Joint inversio n of surface nuclear mag2 校丰 , 许维进 , 吕公和. 地质雷达在地震探区浅表地层地 8 9 ) ( 质结构调查中的应用 J . 现代地质 , 1999 , 13 增刊: netic reso nance and geoelect rical so unding D . Technical U ni 2 110 —113 . versit y Berlin : Facult y of Civil Engineering and Applied Geo2 APPL IED RESEARCH OF A NEW METHOD FOR DETECTING GROUNDWATER ———S NM R D ETECTIO N GRO UND WATER M ETHOD 1 2 1D EN G J ing2w u, PAN Yu2ling, XION G Yu2zhen ( )1 . Chi na U ni versi t y of Geosciences , Bei ji n g 100083 , Chi na ; 2 . Chi na U ni versi t y of Geosciences , W u ha n , Hubei 430074 , Chi na ( ) Abstract : SN M R Surf ace N uclear Magnetic Reso nancemet ho d is a quite new met ho d fo r direct detecting gro undwater in applied geop hysics. The detectio n utilizes t he nuclear magnetic reso nance of t he p roto ns ex2 cited by t he elect ro magnetic field wit h a special f requency. N M R signals are analyzed to deter mine t he water co ntent , t hickness , dep t h and average po ro sit y of t he aquifer . Since t he N M R signals are f aint and t he SN ratio is low , integrated interp retatio n and joint inversio n sho uld be used to imp rove t he reliabilit y of t he in2 versio n . It is explained by t he examples of water detectio n achievement s made by research gro up of China U2 niversit y of Geo sciences in an oil field in no rt hwest of China and relative researches made by ot her co unt ryπs scholars. Key words : N M R technology ; N M R signal ; gro undwater ; joint inversio n