磁共振测深原理与工程应用

第0章 绪 论 地球物理学是一门以数学为基础将地质学与物理学结合于一体的交叉学科。地球物理勘探的知识体系与天体、地球、生态有密切的关系，从宏观探测地球到微观研究物质结构，都有其施展功能的空间。磁共振测深（magnetic resonance sounding，MRS）方法基于物质原子核特性，在地磁场中观测、研究交变磁场激发下地下含水体产生的核磁共振响应，即水中质子（氢核）产生的自由感应衰减（free induction decay，FID）信号[即核磁共振（nuclear magnetic resonance，NMR）信号]，FID 信号的强弱和特点与含水体含水量多少有密切关系，以此研究含水体的赋存特征。磁共振测深方法是物探方法中的一种方法，是属于交流电磁法（电磁法）范畴的直接找水的新方法。它与其他交流电磁法相同之处在于都有发射系统和接收系统，磁共振测深方法发射交变电流脉冲形成的激发磁场激发目标体，接收机观测地磁场中目标体的核磁共振响应，观测、研究与地磁场、激发磁场和弛豫磁场作用有关的探测目标体的信号特征，以NMR 信号的初始振幅、初始相位及其换算的弛豫特性参数判断地下目标体的赋存特征，即含水目标体的深度、厚度、单位体积含水量、渗透系数和导水系数等。这样看来，磁共振测深方法与其他物探找水方法相比，在探测地下水能力方面具有明显的优势。地质学的研究方法是“将今论古”，磁共振测深方法与其他主动源类方法的研究方法是“由表及里”，即通过在地面激发地下研究目标体，接收分析和研究其产生的地球物理场时间与空间变化规律达到探查地下目标体结构和物理特征的方法。 磁共振是一种量子物理现象[1]，磁共振测深方法形成与发展建立于量子物理学基础之上。培根说过“读史使人明智”，下面简单回顾一下核磁共振的历史。 0.1 核磁共振现象的发现 核磁共振现象的发现和核磁共振技术的利用仅有几十年的历史。1946年，E.M.Purcell 研究小组和F.Bloch 研究小组几乎同时而独立地发现在物质中的核磁共振现象，这是核磁共振技术发展中的里程碑。 麻省理工学院（Massachusetts Institute of Technology ）的E.M.Purcell 、H.C.Torrey 和R.V.Pound 研究小组用富含质子的石蜡做样品，观测到了射频能量的共振吸收，求得质子的核磁矩为2.75 μN（μN 为核磁子）。而用分子束法求得的是2.789 6 μN，结果相当吻合。使用的稳定磁场强度为7 100 Gs，共振频率为29.8 MHz 。1946年，Physics Review （《物理学评论》）报道了Purcell[2]的实验结果，题目为“Resonant absorb of magnetic moment in solid body”（《固体中核磁矩的共振吸收》）。 美国斯坦福大学（Stanford University ）的F.Bloch 、W.W.Hansen 和M.Packard 研究小组用富含质子的水做样品，置于强的稳定磁场B0 中产生一个小的顺磁磁化，在垂直于此磁场的方向上施加一交变磁场，而在另一垂直方向上的检测线圈接收感应信号。改变磁场B0 的大小，得到相应的共振频率f0，B0/ f0 值是相同的，与Rabi 等[3]在1939年用粒子束得到的质子朗德因子gp 相符。在1946年同一卷Physics Review（《物理学评论》） 上报道了Bloch 等[4]的实验结果，题目为“Nuclear magnetic induction”（《核感应》）。 0.2 核磁共振技术的应用和发展 自1946年E.M.Purcell 和F.Bloch 同时发现在物质中的核磁共振现象到现在，仅有几十年的历史。随着科学技术的发展，核磁共振现象已由理论研究、试验进入了应用与开发阶段，它已被广泛应用于物理学、化学、生物学、医学等领域，在地球科学领域也得到了广泛的应用，如质子旋进磁力仪、核磁共振波谱仪、核磁共振岩心分析测试仪及核磁共振测井（nuclear magnetic resonance logging，NML）等。 利用核磁共振技术，*先受益的是医学领域，其在该领域发展*快，成绩*明显的是医学磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）。1971年，美国纽约州立大学（State University of New York）的R.Damadian 在Science（《科学》）杂志上发表了“Tumor detection by nuclear magnetic resonance”（《癌组织中的T2 时间延长》）[5]及“Human tumors detected by nuclear magnetic resonance”（《NMR 信号可以检测疾病》）[6]等论文，为核磁共振技术在生物医学中的研究奠定了理论基础；医学磁共振成像已成为诊断疾病的重要手段。 0.2.1 核磁共振技术在地球科学中的应用和发展 核磁共振的理论和技术不断发展，其应用领域也在不断扩大，现仅就核磁共振技术在地球科学领域的应用和发展简述如下。 早在1954年，M.Packard （斯坦福大学F.Bloch 研究小组成员）和R.H.Varian 成功地观测到了地磁场中水中质子的自由感应衰减（称为FID ）信号，即NMR 信号，此后，Varian 公司很快就研制出了准确度高、性能稳定的质子旋进磁力仪（**项应用），包括地面和航空质子磁力仪，它被广泛地用于地质与矿产资源的勘查，直到如今，这种类型的磁力仪仍是高精度测量地磁场的主要仪器。 核磁共振技术在地球科学中的第二项应用是核磁共振测井，与之相关的随钻和室内核磁共振岩心分析测试仪。这种测井方法经过近四十多年的发展，能可靠地评价砂岩和复杂储层的渗透率与孔隙结构、可采储量、剩余油分布和流体的饱和度及黏度等，也是石油测井技术的一个新热点。 核磁共振技术在地球科学中的第三项应用就是利用核磁共振技术找水。核磁共振技术在地球物理学方面的*新应用是成功开发了地面核磁共振（surface nuclear magnetic resonance， SNMR）找水方法，也称为磁共振测深方法。由磁共振测深方法测得的NMR 信号振幅和弛豫时间，经过反演解释可以得到地下不同深度各含水层的赋存特征，提供含水体的单位体积含水量（有效孔隙度）和渗透系数等参数。磁共振测深找水方法是地球物理方法中**直接探测水资源的方法。这种方法在理论、方法技术、仪器研制和反演方法及应用领域等方面都有较宽广的研究和开发空间。 0.2.2 核磁共振找水方法的出现和仪器研制 利用核磁共振技术进行找水的方法、仪器研制的首创国是苏联。从1978年起，苏联科学院西伯利亚分院化学动力学和燃烧研究所（Institute of Chemical Kinetics and Combustion，ICKC ）以A.G.Semenov 为首的一批科学家，开始利用核磁共振原理进行找水的全面研究；1981年研制成了原型仪器，在其后十年间对仪器进行改进，开发出了世界上**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 ，该仪器作为新方法探测地下水的重要手段，试验研究遍及苏联的大部分国土。他们根据在这些地区已知的400 多个水文钻孔附近进行的对比试验，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，取得了世界领先水平的研究成果。与此同时，他们还在国外缺水地区也先后进行了找水实践和研究，证实了磁共振测深方法是目前世界上**的直接找水的地球物理新方法。 0.2.3 新型的核磁共振找水仪问世 1996年后，法国IRIS 公司陆续研制出新型的核磁共振找水仪——核磁感应系统（nuclear magnetic induction system，NUMIS ）及NUMIS 升级版NUMISPlus、NUMISPoly （可探测深度为150 m）。与此同时，美国的大地磁共振（geomagnetic resonance，GMR）仪器也问世。2007年，我国吉林大学的核磁共振研究团队成功的研制出了JLMRS-I 型仪器[7]，其成果填补了我国自主研制生产核磁共振找水仪的空白，这部分内容将在本书的第5章 中详细介绍。 0.3 磁共振测深方法在中国的应用和发展 1965年，张昌达等进行磁共振测深找水方法试验，受当时条件限制，没有收到NMR 信号，但积累了经验。1992年，中国地质大学物探系组建了核磁共振科研组，科研组中既有从事仪器研究的青年教师，也有从事物探方法研究的中老年专家，他们对核磁共振仪器的组成、原理和方法理论进行预研，对国内外研究进行调研和初步试验，科研组内定期交流研究情况，为进一步研究工作奠定了基础。 1992～1993年，中国地质大学核磁共振科研组对该方法进行了国内外调研，1993年与莫斯科国立大学建立了校际科研合作联系。 1995～1996年，航空物探和遥感中心（简称航遥中心）、中国地质大学完成了“核磁共振探测地下水信息方法效果的预研究”项目。1995年底，由地质矿产部科技司与勘查技术院出资支持，中国地质大学、航遥中心组团专访新西伯利亚化学动力学和燃烧研究所、莫斯科水文地质层析成像公司，确认了核磁共振技术在探测地下水的应用效果。 1997年底，中国地质大学以“211 工程建设”经费引进了法国IRIS 公司研制的NUMIS ，这是我国引进的**套NUMIS 。由四代师生组成的核磁共振科研组研究人员，利用磁共振测深方法在教学、科研、生产等方面做了大量工作，他们的足迹遍布我国20 个省（自治区、直辖市）；在缺水地区找到了各种类型的地下水（孔隙水、岩溶水、裂隙水、热水和卤水）。以磁共振测深方法为主导与其他物探方法配合，定出水井位见水率达90%以上，研究成果填补了我国用NMR 技术直接找水的空白，使我国跃居使用核磁共振技术找水的世界前列[8-11]。 核磁共振科研组在方法理论、技术研究的基础上，扩大了磁共振测深方法的应用领域。在地质灾害探测/监测方面也发挥了其独特的作用。在国家自然科学基金、国家重点基础研究发展计划（973 计划）、国家高技术研究发展计划（863 计划）和原地矿部重点科研等项目资金支持下，科研组在2001年首次将磁共振测深方法应用于滑坡监测，至今对三峡库区的一些滑坡监测工作还在继续，并已取得了明显的地质效果；2002年科研组将磁共振测深方法引入考古研究、文物保护工作；2004年开始的堤坝渗漏检测方面的磁共振测深方法的应用也都取得好的地质效果。 近年来，在我国西北冻土区的天然气水合物探测工作中，磁共振测深方法同其他物探方法配合使用，也取得一定成效。 2008年以来，我国与煤炭系统有关单位和法国IRIS 公司一起，应用磁共振测深方法对巷道内水害问题进行了超前探测的理论研究和方法试验，期望为巷道安全生产提供新的技术手段。 中国地质大学（武汉）核磁共振科研组在不断总结磁共振测深方法应用经验的基础上，在核磁共振测深方法的基础理论研究和方法技术创新方面也做了探索和研究。同时，本着“走出去，请进来”的精神，参与国内外科技交流，把握学科发展前沿，在与科研、生产单位的合作过程中，促进了教学改革和创新，培养出一批优秀的地质人才。 0.4 磁共振测深找水方法的特点 1.磁共振测深方法利用*先进的找水仪 磁共振测深方法的找水仪是输出功率高、接收灵敏度高，并由PC 控制的当今世界上*先进的直接探测地下水的地球物理仪器。 2.直接找水 在传统的物探找水的诸方法中，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。因