吳云+張軼+周曉穎

摘 要 地面核磁共振找水技術(shù)是目前所有地球物理勘探方法中唯一能夠直接尋找地下水的方法，該方法已經(jīng)在許多地方取得了明顯找水效果。但是，該方法在實(shí)際應(yīng)用中受到諸多影響因素的制約。文章嘗試將自旋回波技術(shù)應(yīng)用于地面核磁共振找水中，以克服磁性不均勻?qū)υ摲椒ㄋ鶐淼挠绊懀瑢?duì)今后在火成巖、磁鐵礦地區(qū)找水工作提供參資料。

關(guān)鍵詞 核磁共振；磁性不均勻；自旋回波；克服

中圖分類號(hào)：P631 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-7597（2014）02-0008-01

地面核磁共振找水（SNMR）是一種能夠直接探測(cè)地下水的新技術(shù)，另外它是一種體積勘探的方法，能夠?qū)Πl(fā)射線圈所覆蓋的范圍進(jìn)行探測(cè)，再結(jié)合鉆孔資料就可以快速標(biāo)定理想出水井位并圈定出找水遠(yuǎn)景區(qū)。但也受到一些外界因素的影響（如地層導(dǎo)電性、地磁場、工區(qū)地形等），本文嘗試將自旋回波技術(shù)應(yīng)用于地面核磁共振找水中，以克服磁性不均勻?qū)υ摲椒ㄋ鶐淼挠绊憽?/p>

1 地面核磁共振信號(hào)相關(guān)基本理論

在地面向發(fā)射線圈通入交變電流脈沖，在線圈一定范圍內(nèi)形成激發(fā)磁場，地下含水體對(duì)該激發(fā)磁場作出響應(yīng)，地面接收線圈中會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)表達(dá)式為：

（1）

上述表達(dá)式里：是自由感應(yīng)衰減信號(hào)的橫向弛豫時(shí)間，量綱為；是自由感應(yīng)衰減信號(hào)的初始相位，與含水層上覆介質(zhì)的導(dǎo)電性有關(guān)，量綱為度；自由感應(yīng)衰減信號(hào)初始振幅用表示，其計(jì)算表達(dá)式為：

（2）

式中：圓頻率，為氫質(zhì)子的磁化強(qiáng)度，，是激發(fā)場垂直于地磁場的分量，激發(fā)半徑，代表地層的電阻率分布。

我們通常會(huì)將問題簡化成為一維的，并且假設(shè)含水層與上覆地層都呈水平層狀，地層電阻率在垂直方向上的分布也是已知的，則式（2）可以改寫成：

（3）

式中：，為SNMR信號(hào)的核函數(shù)；含水量用表示，的值介于0和1之間。

2 磁性不均勻?qū)NMR信號(hào)振幅的影響

在野外實(shí)際工作中，我們首先使用質(zhì)子磁力儀測(cè)定工區(qū)內(nèi)的地磁場強(qiáng)度，然而地磁場水平梯度的存在使得我們選取的值總會(huì)存在一定偏差，由此而換算出的拉莫爾頻率也會(huì)與地下水的真實(shí)拉莫爾頻率不匹配；而地磁場垂直方向上的梯度則導(dǎo)致深部含水層的拉莫爾頻率與淺部不同，導(dǎo)致不能產(chǎn)生核磁共振現(xiàn)象，影響整個(gè)找水工作的準(zhǔn)確性與有效性。

3 磁性不均勻?qū)NMR信號(hào)T2*的影響

在火成巖或玄武巖地區(qū)或是探測(cè)范圍內(nèi)有局部磁性體時(shí)，造成靜磁場的不均勻性，導(dǎo)致地磁場在水平方向或垂直方向存在磁場梯度，磁場梯度直接影響對(duì)地下含水層拉莫爾頻率的確定。

T2*與理想條件下均勻磁場中的自由感應(yīng)衰減的T2的關(guān)系為：

（4）

式中：為靜磁場的梯度，反映了B0的不均勻性。

4 自旋回波基本理論

自旋回波（spinecho）脈沖序列由90?～τ～180?～τ回波組成。首先使用90?脈沖作為激發(fā)脈沖，該脈沖使磁化矢量扳轉(zhuǎn)90?到X-Y平面上，磁化矢量強(qiáng)度縱向分量MZ=0，水平分量MXY=M0。然后撤去外部射頻脈沖作用，隨著接收線圈中產(chǎn)生自由感應(yīng)衰減信號(hào)（FID），MXY逐漸衰減，由于外部磁場的非均勻性，自由感應(yīng)信號(hào)衰減時(shí)間常數(shù)為T2*，為了能夠消除磁場不均勻造成的影響，在經(jīng)過時(shí)間τ=TE/2后施加180?脈沖，這時(shí)在接收線圈中出現(xiàn)一個(gè)先增長后衰減的信號(hào)，最大值在t=TE處出現(xiàn)，這一信號(hào)就是自旋回波，該信號(hào)的最大值取決于被測(cè)樣品本身的橫向弛豫時(shí)間T2。

自旋回波的產(chǎn)生過程實(shí)際上就是質(zhì)子磁矩散相到重聚的過程，這個(gè)過程隨著180?脈沖的不斷重復(fù)作用而不斷產(chǎn)生，信號(hào)包絡(luò)線呈負(fù)指數(shù)規(guī)律衰減，樣品本身的橫向弛豫時(shí)間不受磁場不均勻的影響。

5 將SE應(yīng)用到SNMR方法中的理論推導(dǎo)

在同一個(gè)記錄點(diǎn)上，用兩個(gè)連續(xù)的激發(fā)脈沖q1和q2進(jìn)行測(cè)量，q1和q2相隔時(shí)間為τe，自旋回波串可在兩個(gè)脈沖結(jié)束后的τe觀測(cè)。我們假定在近地表、地下為水平層狀介質(zhì)，在相同電流I0條件下，式（2）又可表示成：

（5）

式（4）中，M⊥表示為：

（6）

式中，M0指質(zhì)子的核磁矩；q1和q2分別指前后兩個(gè)時(shí)間的脈沖矩。

觀測(cè)到的弛豫信號(hào)是按指數(shù)規(guī)律衰減的，在時(shí)間2τe可以表示為：

（7）

式中：T2MRS指的是觀測(cè)到的弛豫時(shí)間，而且，T2MRS≈T2。

6 地面核磁共振信號(hào)（FID）與自旋回波信號(hào)（SE）對(duì)比

為了便于對(duì)比，核磁共振信號(hào)正演和自旋回波信號(hào)正演都選取了相同的模型計(jì)算條件。正演軟件采用法國NUMIS地面核磁共振找水系統(tǒng)自帶的軟件。

模型計(jì)算條件：地磁場傾角40°固定，線圈類型為大圓形，線圈直徑為100 m，10 m含水層，含水量n=100%，T2*=300 ms，地層電阻率ρ=200Ω·m，地磁場強(qiáng)度為變量，大小為30000 nT～60000 nT。

1）自由感應(yīng)信衰減信號(hào)和自旋回波信號(hào)的核函數(shù)都呈現(xiàn)一個(gè)方向的對(duì)稱性，這主要是由地磁場的傾斜方向所決定的，核函數(shù)中包含有垂直場，它垂直于地磁場，因此核函數(shù)取值呈對(duì)稱分布。

2）隨著磁場強(qiáng)度的增大，到達(dá)地層中同一深度的電磁能量加強(qiáng)，此時(shí)對(duì)含水層的分辨率提高，尤其是對(duì)淺部較薄含水層的分辨能力增大。

3）當(dāng)磁場大小相同時(shí)，在同一深度上自由感應(yīng)信號(hào)核函數(shù)取值較為集中，即能量分布較為均勻，而自選回波信號(hào)核函數(shù)取值較為分散。

自旋回波信號(hào)幅值較自由感應(yīng)信號(hào)幅值要小一些。在曲線形態(tài)上，差別不大。自旋回波對(duì)于含水層需要一個(gè)特定的帶寬（即兩個(gè)激發(fā)脈沖的持續(xù)寬度），會(huì)降低信噪比。

7 結(jié)束語

目前將自旋回波技術(shù)應(yīng)用于地面核磁共振中我國還處于起步研究階段，國際上，也只有法國和美國的少數(shù)學(xué)者進(jìn)行了理論研究，因此如果能將該技術(shù)進(jìn)行深入研究并投入實(shí)際應(yīng)用，其意義必將重大。但是目前也存在一些問題，因此需要廣泛地借鑒自旋回波法在生物醫(yī)學(xué)、光譜學(xué)以及核磁共振測(cè)井上的成功經(jīng)驗(yàn)，本文也只是初步進(jìn)行嘗試，還須進(jìn)一步研究。

參考文獻(xiàn)

[1]潘玉玲，張昌達(dá).地面核磁共振找水理論與方法[M].武漢：中國地質(zhì)大學(xué)出版社，2000.

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