趙義平，汪馨竹，王文婷

（水利部牧區(qū)水利科學(xué)研究所，呼和浩特 010020）

核磁共振地下水探測(cè)技術(shù)在水源勘察及確定地下咸淡水界面中的應(yīng)用與研究

趙義平，汪馨竹，王文婷

（水利部牧區(qū)水利科學(xué)研究所，呼和浩特 010020）

地面核磁共振找水技術(shù)是目前世界上唯一的直接找水方法。筆者通過(guò)該技術(shù)在內(nèi)蒙古五原縣鄉(xiāng)鎮(zhèn)安全飲水工程水源勘察中的應(yīng)用，對(duì)如何確定地下咸淡水界面開展了研究工作。通過(guò)所獲得的解譯成果與鉆孔資料的對(duì)比，認(rèn)為在依據(jù)區(qū)域水文地質(zhì)資料的基礎(chǔ)上，用該技術(shù)確定地下咸淡水界面位置較為準(zhǔn)確；在無(wú)區(qū)域水文地質(zhì)資料的情況下，單以核磁共振解譯成果能否準(zhǔn)確確定此界面有待進(jìn)一步研究。

核磁共振技術(shù)；地下水；咸淡水界面；內(nèi)蒙古；五原縣

1 核磁共振地下水測(cè)試系統(tǒng)原理簡(jiǎn)述

對(duì)所有的NMR(核磁共振)現(xiàn)象來(lái)說(shuō)，一個(gè)共同的特點(diǎn)是應(yīng)用一個(gè)穩(wěn)定磁場(chǎng)B0以及與之有關(guān)的拉摩爾進(jìn)動(dòng)，圓頻率為ω=γB0；另一個(gè)特點(diǎn)是運(yùn)用一個(gè)振蕩磁場(chǎng)。NMR找水是采用這種技術(shù)對(duì)地下水信息實(shí)現(xiàn)探測(cè)[1]。

應(yīng)用核磁共振技術(shù)的唯一條件是所研究物質(zhì)的原子核具有非零磁矩。核磁共振是一種量子效應(yīng)，即具有核子順磁性的物質(zhì)選擇性地吸收電磁能量。水（H2O）中氫核(質(zhì)子)具有核子順磁性，其磁矩不為零，氫核是地層中具有核子順磁性的物質(zhì)中豐度最高的核子。在穩(wěn)定地磁場(chǎng)B0作用下，具有一定磁矩的氫核繞外磁場(chǎng)進(jìn)動(dòng)[2-3]。

地面核磁共振（Surface NMR）找水技術(shù)的原理是，地下水中的氫核在地磁場(chǎng)這一恒定磁場(chǎng)作用下，產(chǎn)生一宏觀磁矩M。如果在垂直于地磁場(chǎng)方向上施加一交變磁場(chǎng)脈沖，當(dāng)交變磁場(chǎng)的頻率等于質(zhì)子在磁場(chǎng)中進(jìn)動(dòng)的拉摩爾頻率，脈沖的寬度t與交變磁場(chǎng)振幅2B1的乘積有以下關(guān)系：

式中θ是M與地磁場(chǎng)的夾角，調(diào)整t和B0使θ=π/2，則宏觀磁矩M將轉(zhuǎn)向垂直于地磁場(chǎng)的方向，此時(shí)脈沖停止，M將繞地磁場(chǎng)作進(jìn)動(dòng)而在地面上產(chǎn)生最強(qiáng)的自由進(jìn)動(dòng)信號(hào)(FID)。

改變激發(fā)脈沖矩參數(shù)并記錄FID信號(hào)，可以得到不同激發(fā)脈沖矩下對(duì)應(yīng)的核磁共振信號(hào)振幅和橫向弛豫時(shí)間，經(jīng)過(guò)反演，可得到地下不同深度處的含水量、孔隙度及滲透率等信息[4]。核磁共振信號(hào)幅度直接反映地下水含水量的大小，是一種直接的找水方法[5]。

2 研究區(qū)水文地質(zhì)概況

研究區(qū)位于河套平原五原縣前補(bǔ)紅周圍一帶，面積約10 km2，工作的主要目的是利用核磁共振地下水找水技術(shù)，尋找適合人畜飲用的淡水水源地，圈定淡水范圍，解決隆興昌鎮(zhèn)、美林鄉(xiāng)的人畜安全飲水問(wèn)題。

研究區(qū)在地質(zhì)構(gòu)造上為長(zhǎng)期下沉的封閉內(nèi)陸斷陷盆地，在漫長(zhǎng)的地質(zhì)過(guò)程中，一直為湖水所占據(jù)。這種自然地質(zhì)條件控制著地下水的形成和分布，使河套平原具有明顯的干旱氣侯帶沉降盆地型水文地質(zhì)特征，形成了以湖相為主的沉積層，巖性以粉細(xì)砂為主。由于古氣侯和古地理環(huán)境影響，地層中鹽分積累較高，形成范圍較廣的咸水，又由于后期淡化作用，形成不同區(qū)域的淡水體。咸淡水界面受沉積環(huán)境與構(gòu)造條件控制[6]。

含水層呈多層交迭狀態(tài)，幾何形態(tài)復(fù)雜，同相含水巖組以空間地質(zhì)體的形式分布，成因類型較多。主要含水層為上更新統(tǒng)－全新統(tǒng)含水層，是本區(qū)域主要供水含水層，以沖湖積相、沖洪（湖）積相為主，由于上更新統(tǒng)一般厚度較大，上下段在沉積上有一定差異，二者之間有的被粘土層分隔，表現(xiàn)在水文地質(zhì)特征上有明顯不同，從水文地質(zhì)單元上劃分為上淡下咸區(qū)，淡水層厚約40～80 m，咸淡水界面深50～100 m[7]。

3 核磁共振測(cè)點(diǎn)布設(shè)及參數(shù)選擇

本實(shí)驗(yàn)的主要目的是確定地下水咸淡水界面。根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康模⒔Y(jié)合研究區(qū)地形、地貌以及研究區(qū)域面積分布范圍，在測(cè)區(qū)內(nèi)共布設(shè)7個(gè)核磁共振測(cè)點(diǎn)，核磁共振線圈布設(shè)方法采用矩形線圈，線圈邊長(zhǎng)100 m，最大測(cè)深100 m。經(jīng)過(guò)測(cè)量，當(dāng)?shù)氐卮艌?chǎng)對(duì)應(yīng)的拉摩爾頻率為2360 Hz，設(shè)置16個(gè)脈沖距，激發(fā)時(shí)間40 ms，信號(hào)記錄時(shí)間200 ms，采集信號(hào)疊加次數(shù)，根據(jù)環(huán)境噪聲而定，最少疊加32次。每個(gè)測(cè)點(diǎn)耗時(shí)大約需1.5小時(shí)左右。

4 核磁共振測(cè)試成果分析

4.1 測(cè)試結(jié)果信噪比（S/N）分析及數(shù)據(jù)可靠性判定

信噪比是采集到的信號(hào)與測(cè)點(diǎn)環(huán)境噪聲的比值，信噪比水平是確定測(cè)試結(jié)果是否可靠的直接依據(jù)，信噪比越高，測(cè)試結(jié)果越可靠。根據(jù)多年測(cè)試經(jīng)驗(yàn)，一個(gè)可信的測(cè)試結(jié)果，信噪比值通常應(yīng)大于2；信噪比太小，表示環(huán)境噪聲太高，信號(hào)和噪聲不能分開，數(shù)據(jù)可靠性不高。表1給出了研究區(qū)各測(cè)點(diǎn)信噪比。

表1的數(shù)據(jù)說(shuō)明，測(cè)點(diǎn)wuyuan-12的信噪比僅為0.75，不可靠，分析其原因是距附近電力高壓線路太近所致。研究區(qū)其它7個(gè)核磁共振測(cè)點(diǎn)整體測(cè)試結(jié)果可靠，其中測(cè)點(diǎn)wuyuan-22的信噪比最高，達(dá)到26.62。

4.2 測(cè)試結(jié)果的信號(hào)和噪聲E-Q曲線說(shuō)明

在發(fā)送回線中，激發(fā)脈沖電流停止后，開始記錄接收信號(hào)，這個(gè)信號(hào)叫做自由進(jìn)動(dòng)信號(hào)，其初始振幅表達(dá)式為：

公式（2）中q=I0τp，I0、τ0分別是電流脈沖的幅值和持續(xù)時(shí)間，q是脈沖距，ω0是進(jìn)動(dòng)頻率，β1⊥(r)是垂直于地磁場(chǎng)的比感應(yīng)矢量的分量。

利用脈沖距q和接收到的信號(hào)振幅E0、噪聲振幅繪制曲線，稱為E-Q曲線。根據(jù)E-Q曲線的形狀、信號(hào)和噪聲點(diǎn)分布情況也可判斷測(cè)試結(jié)果的可靠性和含水量信息，好的測(cè)試結(jié)果，在E-Q曲線上，信號(hào)和噪聲點(diǎn)分布特別有規(guī)律，信號(hào)振幅隨著地下水含水層的含水量越高，峰值越大，含水層厚度越大，E-Q曲線跨越值越寬，衰減越慢，信號(hào)和噪聲曲線區(qū)分明顯。反之，無(wú)水點(diǎn)或高噪聲點(diǎn)的E-Q曲線雜亂無(wú)章，無(wú)明顯規(guī)律可循[8]。測(cè)點(diǎn)wuyuan-12和wuyuan-22的E-Q曲線如圖1，分別為嚴(yán)重受噪聲影響的可靠性不高的數(shù)據(jù)和可信的數(shù)據(jù)對(duì)比。

測(cè)點(diǎn)wuyuan-22信噪比高，E-Q曲線上信號(hào)和噪聲點(diǎn)分布特別有規(guī)律，信號(hào)點(diǎn)全部高于噪聲點(diǎn)，噪聲水平穩(wěn)定，曲線形狀平滑，測(cè)試結(jié)果可靠。測(cè)點(diǎn)wuyuan-12信噪比低，E-Q曲線上信號(hào)和噪聲點(diǎn)分布雜亂無(wú)章，測(cè)試結(jié)果不可靠。研究區(qū)7個(gè)測(cè)點(diǎn)除測(cè)點(diǎn)wuyuan-12外，其余測(cè)點(diǎn)測(cè)試結(jié)果均可靠。

4.3 測(cè)試結(jié)果的含水率直方圖分析

含水量直方圖是每個(gè)核磁共振測(cè)點(diǎn)的測(cè)試資料經(jīng)過(guò)反演后所成的解釋成果圖，以測(cè)點(diǎn)wuyuan-17為例，表2為wuyuan-17點(diǎn)測(cè)試結(jié)果數(shù)據(jù)，圖2橫坐標(biāo)為單位體積含水量（%），縱坐標(biāo)為深度（m），不同層位不同深度地下水含水量大小由橫坐標(biāo)表示，不同含水層的厚度由縱坐標(biāo)表示。含水層巖性、顆粒粗細(xì)反應(yīng)在各脈沖距接收到信號(hào)衰減時(shí)的大小，衰減時(shí)間越大，含水層巖性顆粒越粗，反之越細(xì)。反映在圖2中，含水層條形顏色越深，顆粒越粗，顏色越淺，顆粒越細(xì)。

表1 核磁共振測(cè)點(diǎn)信噪比值分析表Table1 The signal-to-noise ratio analysis of the NMR measuring point

圖1 測(cè)點(diǎn)wuyuan-12和wuyuan-22的E-Q曲線對(duì)比圖Fig.1 E-Q curves comparsion between the measuring point wuyuan-12 and wuyuan-22

表2 測(cè)點(diǎn)wuyuan-17含水層測(cè)試成果Table 2 Aquifer testing results of the measuring point wuyuan-12

5 核磁共振測(cè)試成果的應(yīng)用研究

5.1 地下水含水層分布范圍確定

圖2 測(cè)點(diǎn)wuyuan-17含水層直方圖Fig.2 Aquifer histogram of the measuring point wuyuan-12

從核磁共振測(cè)試結(jié)果看，淡水層底板埋深并不一致，最淺部分為30～40 m，如Wuyuan-16號(hào)點(diǎn)；最深部分為75 m，如Wuyuan22號(hào)點(diǎn)。含水層主要為第四系沖積湖積層潛水、半承壓水，主要巖性為由湖相向沖積湖積相過(guò)渡的中細(xì)砂，細(xì)砂和粉細(xì)砂，局部有含礫粗中砂，含水層頂扳埋深小于2 m。含水層構(gòu)造形態(tài)為東淺、西深，南淺、北深的斷陷盆地，水力特性以半承壓水為主?？辈閰^(qū)淡水無(wú)論在垂向上還是水平分布，范圍較窄，在垂向上，淡水含水層厚度較小，約40～80 m；深部為高礦化度咸水。

根據(jù)核磁共振測(cè)試結(jié)果和研究區(qū)附近現(xiàn)有開采井調(diào)查，研究區(qū)面積約10 km2，圈定可作為飲用水的水源地面積約3.8 km2，含水層巖性主要為中細(xì)砂及細(xì)砂。

圖3 含水層咸淡水分界面Fig.3 The salt-fresh water interface of the aquifer

5.2 地下水咸淡水界面的確定

核磁共振找水系統(tǒng)在測(cè)試地下水過(guò)程中，核磁共振效應(yīng)受地層低阻帶影響，隨著地層電阻率越低，接收到核磁共振信號(hào)振幅越小，地下水的咸水層會(huì)對(duì)核磁共振信號(hào)接受起到屏蔽作用[9-10]。

利用核磁共振找水技術(shù)確定研究區(qū)含水層咸淡水界面分兩步：1）結(jié)合研究區(qū)的區(qū)域水文地質(zhì)資料，研究區(qū)從水文地質(zhì)單元上劃分出上淡下咸區(qū)，淡水層厚約40～80 m，咸淡水界面深50～100 m，這一帶上淡下咸結(jié)構(gòu)形成主要受古地理控制，是后期黃河迂迥改道淡化作用，在本工作區(qū)形成上淡下咸型含水結(jié)構(gòu)。2）根據(jù)核磁共振測(cè)試成果分析，研究區(qū)6個(gè)核磁共振測(cè)點(diǎn)測(cè)試結(jié)果分兩種類型，一類為深部含水層，礦化度高，由于含水層電阻率太低，對(duì)深部核磁共振信號(hào)起到屏蔽作用，只測(cè)到淡水層，如測(cè)點(diǎn)wuyuan-22、wuyuan-18、wuyuan-16，見圖3。從圖中可見，wuyuan-22點(diǎn)淡水含水層分布在56.7 m以上，wuyuan-18點(diǎn)淡水含水層分布在42.5 m以上，wuyuan-16點(diǎn)淡水含水層分布在56.7 m以上，下部為咸水含水層。另一類是測(cè)試結(jié)果根據(jù)區(qū)域資料分析的上部為淡水層，下部為湖相沉積微咸水含水層，如測(cè)點(diǎn)wuyuan-17、wuyuan-21、wuyuan-20，見圖 3。測(cè)點(diǎn)wuyuan-17測(cè)試結(jié)果，100 m測(cè)深范圍內(nèi)含水層從5 m到100 m連續(xù)分布，56.7 m以上為一層中粗砂含水層，從區(qū)域資料分析為淡水含水層，以下為厚層粉細(xì)砂湖湘含水層，為微咸水含水層；測(cè)點(diǎn)wuyuan-21測(cè)試結(jié)果，100 m測(cè)深范圍內(nèi)含水層從6 m到42.5 m為淡水含水層，42.5 m以下為微咸水含水層；測(cè)點(diǎn)wuyuan-20測(cè)試結(jié)果，100 m測(cè)深范圍內(nèi)含水層從3 m到32 m為淡水含水層，32 m以下為微咸水含水層。

5.3 地下水開采井為確定核磁共振研究結(jié)論驗(yàn)證

研究區(qū)經(jīng)過(guò)核磁共振找水系統(tǒng)測(cè)試，資料分析研究，確定以測(cè)點(diǎn)wuyuan-22、wuyuan-16、wuyuan-21為開采井位置，成井深度按核磁共振測(cè)試結(jié)果確定的咸淡水界面為依據(jù)，測(cè)點(diǎn)wuyuan-22和測(cè)點(diǎn)wuyuan-16井深60 m，測(cè)點(diǎn)wuyuan-21井深45 m，經(jīng)打井驗(yàn)證，三眼井單井出水量均為80 m3/h，取樣化驗(yàn)，三眼井水質(zhì)均為優(yōu)質(zhì)淡水，化驗(yàn)部分指標(biāo)見表3。

表3 水質(zhì)化驗(yàn)部分指標(biāo)Table 3 Certain indexes of the water quality test

本研究項(xiàng)目已安全運(yùn)行五年，解決了五原縣隆興昌鎮(zhèn)、美林鄉(xiāng)的人畜安全飲水問(wèn)題。

6 結(jié)論

地面核磁共振找水技術(shù)在物探領(lǐng)域作為一種直接找水方法，具有同類方法不可比擬的優(yōu)越性，具有省時(shí)、省力、經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，結(jié)果一目了然的優(yōu)點(diǎn)，不用打孔抽水試驗(yàn)，即可得到地下水含水層厚度、含水量，層位，滲透系數(shù)等水文地質(zhì)參數(shù)，同時(shí)可以借助與區(qū)域水文地質(zhì)資料確定含水層咸淡水界面。通過(guò)鉆孔驗(yàn)證結(jié)果說(shuō)明，利用核磁共振找水技術(shù)的低阻屏蔽作用確定咸淡水界面較準(zhǔn)確，未打穿咸水層，供水井運(yùn)行一直很穩(wěn)定，也未發(fā)現(xiàn)下層咸水污染上層淡水的現(xiàn)象。測(cè)點(diǎn)費(fèi)用小，一個(gè)測(cè)點(diǎn)費(fèi)用僅為一個(gè)水文地質(zhì)勘探孔費(fèi)用的1/10。

作為一種物探儀器，核磁共振找水系統(tǒng)同時(shí)存在缺點(diǎn)，一是抗干擾能力差，對(duì)電力高壓線、磁場(chǎng)異常區(qū)如閃電、磁暴等條件下，不適宜用核磁共振找水系統(tǒng)；二是探測(cè)深度小，最大只能測(cè)試150 m，不能滿足深層地下水探測(cè)要求。

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Application and Research on the Nuclear Magnetic Resonance（NMR）Groundwater detecting Technology for Exploring Water Resource and Salt-Fresh Water Interface

ZHAO Yi-ping,WANG Xin-zhu,WANG Wen-ting
（Institute of Water Resources for PasteralArea,huhhot 010020,China)

Detecting underground water with surface Nuclear Magnetic Resonance is the only method of directly detecting underground water at present.By the application of NMR detecting technology on the groundwater resource investigation of township safety drinking water engineering in Wuyuan County of Inner Mongolia,we made a research on how to use NMR detecting technology determinate groundwater location interface of the fresh-salt water.Through the analysis and comparison among the NMR interpretation results,the borehole data and the regional hydrogeology data,it is suggested that the salt-fresh groundwater interface detecting by the NMR technology is accurate and reliable.In the case of no regional hydrogeology data,it needs further study that the salt-fresh water interface could be determined accurately only by NMR interpretation results.

Nuclear Magnetic Resonance（NMR）;groundwater;salt-fresh water interface;Inner Mongolia;Wuyuan County

P631.2+25

A

1672－4135(2011）01－0076-05

2010-02-17

中國(guó)水利水電科學(xué)研究院科研專項(xiàng)

基于核磁共振地下水探測(cè)技術(shù)確定咸淡水界面的探索性研究（MK2010010915）

趙義平（1973年-），男，漢族，工程師，1997年畢業(yè)于河北科技建筑學(xué)院，學(xué)士學(xué)位，2007年畢業(yè)于內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)工程碩士?，F(xiàn)在水利部牧區(qū)水利科學(xué)研究所主要從事水文水資源、水文地質(zhì)勘察、核磁共振找水等工作。Email:mkszhyp@126.com。