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邓靖武1,潘玉玲2,熊玉珍1(1 中国地质大学地球物理与信息技术学院,北京 100083;2 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N MR 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N M 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;N M 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(2004)01-0121-06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。

0 引 言地面核磁共振(SNM R)找水方法是近年发展起来的新的应用地球物理方法。

此方法是前苏联在20世纪80年代初最早研究成功的,并研制出第一代核磁共振层析找水仪(Hydroscope ),用于地下水的探测试验和应用,达到了世界领先水平[1~3]。

自1996年地面核磁共振仪器投入生产以来,SNM R 方法在多个国家和地区得到了广泛应用,并取得了丰硕的成果。

但是,由于NM R 找水仪的接收灵敏度高(nV 级),SNM R 方法容易受到电磁噪声的干扰,导致信噪比低,因此在SNM 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 SNM R 找水方法的基本原理SNMR 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的条件下可以产生核磁共振信号的特征,采集和分析NMR 信号的变化规律以实现对地下水的直接探测。

1 1 核磁共振现象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量。

由于水分子中氢原子内的质子(氢核)是具有核磁矩的旋转带电粒子,在通常情况下,质子磁矩方向与当地地磁场B 0一致,而且它们在稳定的地磁场作用下都将处在一定能级上,即处于自然平衡状态(图1中(a))。

当在外加具有Larmor 频率f 0的电磁场B 1作用后,B 1的垂直于地磁场B 0的分量将对质子产生扭力,氢核产生旋进运动,从而发生能级跃迁(图1中(b))。

当这种外加的电磁场B 1终止后,氢核在回复到它们原来位置的过图1 核磁共振产生的3个阶段示意图[4]Fig 1 Sketch of th ree stages in NMR gen erati ng [4](a)平衡状态;(b)吸收状态;(c)释放状态第18卷 第1期2004年3月现 代 地 质GEOSCIENCEVol 18 No 1M ar.2004程中产生可以被测量的NMR 信号(图1中(c))。

测量并分析这个NM R 信号可以获取与地下氢核含量相关的信息。

其中,Larmor 频率:f 0= B 0/(2 )(1)式中,B 0为稳定的地磁场, 为质子的磁旋比。

1 2 SNMR 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。

SNMR 方法的测量是通过在地表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:I (t)=I 0cos(2 f 0t)(2)并形成激发磁场B 1。

交变电流的包络线为矩形(图2中(b)),其频率为测点的Larmor 频率(800~3000Hz),目前NMR 找水仪电流脉冲的持续时间通常为40ms 。

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 ),NM R 信号包络线按照指数规律衰减[5](图2中(c)):e(t)=2 f 0M 0f (r )e -t /T *2cos(2 f 0t + 0(r )) B (r )sin(0 5 B (r )q )d V(4)式中,M 0是氢核的核磁矩;f (r )是地表以下r 深处含水层的含水量;T *2是r 深处的质子的弛豫时间;B (r )是激发电磁场B 1垂直于地磁场的分量; 0(r )是激发电流和感应电流之间的相移;q 为激发脉冲矩(q =I 0 ,I 0、 分别为激发电流脉冲的幅值和供电持续时间)。

(4)式通常被近似为:e(t )=E 0e -t /T*2cos(2 f 0t + 0)(5)其中E 0是在t =0时刻线圈中NM R 信号的初始振幅:E 0=2 f 0M 0f (r )B(r )sin(0 5 B (r )q )d V(6)从(5)式可以看出,从接收线圈中测量到的NM R 信号中包含了3个重要参数:NMR 信号的初始振幅E 0,而从(6)式可以看出它与地下水的含量直接相关;弛豫时间T *2,它通常与含水层岩石的平均孔隙度相关,而孔隙度是岩层的一个重要特征参数;初始相位 0,它可以用于定量估计岩层的电导率。

同时,从(6)式中还可以看出,激发脉冲矩q 值不同,NM R 信号的初始振幅也不同;在一定条件下q 值越大,则可以探测含水层的深度越大。

因此,利用不同的激发脉冲矩可以探测不同深度的含水层,从而实现测深的目的。

因而,SNM R 方法又叫NMR 测深。

图2 NM R 信号时序图[6]Fig 2 T iming diagram of N MR signal [6](a)电磁噪声;(b)激发电流脉冲;(c)NM R 信号1 3 NMR 测深的信号采集过程及方法特点以目前国内使用的NUM IS 系统为例,NM R 信号的采集包括以下几个过程:(1)激发频率的选择,即测量测点的地磁场并计算Larmor 频率,从而确定需要使用的激发频率;(2)天线形状的选择和敷设,根据工区内待探查含水层的深度和含水量以及工区的地球物理环境(电磁干扰的强弱和方向)优化线圈形状并科学敷设线圈;(3)连接仪器;(4)选择测量参数,这些参数包括测量范围、记录长度、脉冲持续时间、脉冲矩的个数和叠加次数;(5)按照采集控制程序的步骤进行采集。

NM R 测深有以下特点:(1)直接找水,核磁共振找水方法的原理决定了该方法能够直接找水,在探测深度范围内,若地层中有自由水存在,就会有NMR 信号响应,反之,则没有响应;(2)反演解释具有量化的特点,信息量丰富,从NMR 测深资料中可以提取含水层的深度、厚度、含水量以及平均孔隙度等参数;(3)经济、快速完成一个核磁共振测点的费用仅为一个水文地质勘探钻孔费用的1/10,同时NMR 测深可以快速地确定出水井位及圈定找水远景区;(4)其缺点是,目前核磁共振测深还无法探测大于150m 深度的地下水。

另外,由于核磁共振找水仪的接收灵敏度高,而NM R 信号相对较弱,因此,NM R 测深容易受到电磁噪声的干扰。

122 现 代 地 质2004年2 提高NMR测深反演可靠性的措施在NM R测深的资料反演解释中有许多值得探讨和研究之处。

目前,NMR测深资料反演解释通常使用一维反演,即使用NUM IS系统配备的吉洪诺夫正则化方法[2],它利用经典的最小二乘反演方法,对每个NMR测深点的一组NMR信号实测数据由计算机自动地确定一个解。

然而,由于NMR信号微弱(通常小于3000 nV,常见值为几十nV)、易受电磁噪声干扰,这样就导致了信噪比低的问题。

在这种情况下NM R 信号的E0-q、E0-t曲线会产生畸变,甚至出现假异常,从而影响了NMR反演的可靠性。

为解决这些问题,一方面需要在野外采集过程中采取压制干扰的技术手段,另一方面则是要在资料反演解释中采取必要的措施,例如:考虑与其他地球物理方法(如VES或者TEM)进行综合反演解释;或者以多种方法分别反演然后相互约束;或者将两种或多种方法直接进行联合反演。

2 1 方法的相互约束由于NMR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,NM R 测深和电阻率法产生假异常的原因不同,把NM R 找水方法和电阻率法资料进行综合研究,不仅可以排除NM 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,NMR测深资料显示有水,同时视电阻率出现低阻异常,在多数情况下都指示水的存在[2]。

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,可以获得更加准确的定量解释,特别是对确定含水层的厚度和埋深等参数。

这样,就提高了NM R测深资料解释的可靠性。

2 2 多参数的联合反演在资料解释的过程中,人们一直在寻求某两种或者多种参数之间的内在联系,通过这种联系来进行多参数的联合反演,以降低反演的多解性,提高反演质量。

研究表明,NM R测深中的含水量参数与电法中的电阻率参数在多孔岩石中存在一定的联系。

22 1 岩石的电阻率在忽略地表电导率的情况下,多孔岩石的电导率和孔隙流体的电导率以及含水量的关系可以由Archie公式确定[7]:=G m w(7)式中 是多孔岩石的电导率;G是地层中的含水量;m是Archie指数,其值通常在1 3到2 5之间; w是孔隙流体的电导率。

通过(7)式,可以将地面核磁共振中的重要参数 含水量与电法中的电阻率参数联系并利用起来,从而实现多种方法的联合反演。

2 2 2 联合反演的实现德国柏林工业大学的Geow iss提出了使用模拟退火算法进行NMR测深和直流电测深资料的联合反演[7,8]。

联合反演利用了模拟退火算法对包含有多个参数的非线性目标函数能有效地进行最优化的优点,同时拟合两种方法的资料,并利用(7)式对参数进行约束。

图3 模拟退火联合反演流程图[8]Fig 3 Flow chart of sim ulated ann eali ng joint i nversion[8]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。

在模拟退火模型的开始阶段,所有的分子都在随机移动,随着温度的逐渐降低,分子的随机移动也逐渐减少,它们会按照一定的方式自动排列而形成晶体,这种结晶状态则代表着这个系统的能量最小状态。

如果把模型参数看作随机移动的分子,在达到某个标准(如拟合差小于某一值)之前,让这些参数在一定范围内随机变化。