地面核磁共振方法探测地下水的原理

地面核磁共振方法探测地下水的原理

SNMR 找水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，探测地下水。

核磁共振是一个基于原子核特性的物理现象，是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，氢核像陀螺一样绕地磁场方向旋进（见图1），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。

氢核在地磁场作用下，处在一定的能级上。如果以具有拉摩尔频率的交变磁

场对地下水中的质子进行激发，则使原子核能级间产生跃迁，即产生核磁共振。通常向铺在地面上的线圈(发射线圈)中供入频率为拉摩尔频率的交变电流(见图2)，交变电流的包络线为矩形（见图3）。

()()

00cos 2I t I f t π=

式中I 0为交变电流脉冲的幅值。

图1质子磁矩在磁场作用下的旋进运动

图3 NMR 信号时序图

含水层 氢质子

激发 脉冲矩

信号

线圈

激发磁场

质 子

质 子 磁 矩

稳定磁场 激发脉冲

NMR 信号

NMR 信号 噪声

“死区时间”

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。交变电流的包络线为矩形，其频率为测点的拉摩尔频率(800~3000Hz)，目前SNMR 找水仪电流脉冲的持续时间通常为40 ms 。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)，NMR 信号包络线按照指数规律衰减（见图3）：

()()()()()()()*002002exp cos 2sin 0.5e t f M f r t T f t r B r B r q dV ππϕγ⊥⊥=-+⎡⎤⎣⎦⎰

式中： M 0——氢核的核磁矩;

f(r)——地表以下r 深处含水层的含水量; T 2*——r 深处的质子的弛豫时间;

B ⊥(r)——激发电磁场B1垂直于地磁场的分量; φ0 (r)——激发电流和感应电流之间的相位;

q ——激发脉冲矩(q= I 0τ, I 0、τ分别为交变(激发)电流脉冲的幅值和

供电持续时间)。

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找水技术，形成了地面核磁共振找水方法。

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下表。这些参数的变化直接反映出地下含水层的附存状态和特征。