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地球物理新技术在地下水勘查中的应用 潘玉玲 1 李振宇 1 邓靖武 2 高秀花 ３ （１. 中国地质大学地球物理与空间信息学院， 武汉 4 3 0 0 7 4 ， ２. 中国地质大学地球物理与信息技术学院 北京 1 0 0 0 8 3 ，３. 中国地质大学水资源与环境学院，北京 1 0 0 0 8 3 ） 摘要本文简述了遥感技术、同位素技术、地理信息系统在水文地质调查中的作用，重点论述了地面核 磁共振找水方法，该方法是目前唯一直接找水的地球物理新方法。新方法找水原理新颖，利用核磁共振效 应直接找水；信息量丰富，反演结果具有量化的特点，不打钻就可以提供各含水层的深度、厚度和单位体 积含水量以及含水层平均孔隙度的信息；经济、快速。本文通过实例阐明了新方法、新技术在找水中的应 用效果。 关键词核磁共振技术、地下水、勘查、应用 １水文地质调查的新技术新方法 1 . 1核磁共振技术 在 20 世纪 80 年代以前，在探查地下水的物探方法中，电阻率法和激发极化法为主要 方法。前者一直应用到现在，后者直到八十年代末期还在广泛地应用着。九十年代以来， 在水文地质调查中， 出现了直接找水的地球物理新方法地面核磁共振找水法 ［１］ ； 引进并 研制出了一批找水的新仪器 ［１，２］ ； 传统找水方法出现了变种方法高密度电法。 这一切大 大提高了电法勘探找水的效果，使地球物理方法勘查地下水的工作出现了新局面。 核磁共振Nuclear Magnetic Resonance，缩写为 NMR技术是当今世界上的尖端技术。 应用 N M R 技术探查地下水，使地学，特别是使地球物理学的发展进入了一个新阶段， 开创了地球物理方法直接找水的先河。 1 9 6 2 年美国 R H V a r i a n 提出过用 N M R 技术普查地下水的构想。 1 9 6 5 年夏， 中国学者张昌达、 崔岫峰等曾进行过 N M R 技术找水的初步试验。 现在看来， 他们采用的基本技术方案是正确的。 利用核磁共振技术进行找水的首创国是前苏联。 1 9 7 8 ～1 9 8 1年，前苏联科学院西伯利亚分院化学动力学和燃烧研究所 I C K C 以 A G S e m e n o v为首的一批科学家，用了三年时间，研制出了世界上第一台在地磁场中测定 N M R 信号的仪器，称为核磁共振层析找水仪 H y d r o s c o p e ，并在苏联（1 9 8 8 年）和英国（1 9 8 9 年）申请了专利 [ 3 ，4 ] 。根据在中亚地区等已知 4 0 0多个水文钻上的对比试验，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 _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 第一作者简介潘玉玲，女， 1 9 3 8 年生，教授，近年来潜心致力于地面核磁共振找水等新技术新方法研 究。 平的研究成果。实践证明了地面核磁共振方法是目前世界上唯一直接找水的地球物理新方 法。 法国与俄罗斯合作，1 9 9 6 年由法国 I R I S 公司生产出地面核磁感应系统（N u c l e a r M a g n e t i c I n d u c t i o n S y s t e m 缩写为 N U M I S ） ， 其勘探深度为 1 0 0 m 。 1 9 9 9 年 I R I S 公司将 N U M I S 系统升级为 N U M I S ＋（勘探深度为 1 5 0 m ） 。 到目前为止，我国已经先后引进 N U M I S 系统３套、N U M I S ＋系统３套。 中国地球物理工作者利用地面 NMR 找水方法成功地在湖北、福建、内蒙古、新疆等 12 省（区）进行了找水实践，并在上述缺水区找到了地下水[1 ，5，6]，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ＮＭＲ技术找水的世界先进国家行列。 1 . 2 遥感技术 对于不同的水文地质体，遥感技术可以根据遥感器感知的电磁波特征加以判别 [ 7 ] 。 目前在水文地质调查中常用的是可见光遥感、红外探测和多波段测量。 遥感技术的优点是能够取得大范围的信息，特别适宜特殊景观如高山、沙漠、森林、 沼泽地区。由地球资源卫星可以取得动态资料。航卫片是多波段成像，能够取得地球表面 的大量信息，既有地貌、地层岩性、构造、土壤、植被等信息，还有地下水的信息。可以 应用于大面积水文地质填图，寻找水源等。 水文物探与遥感联合勘查在水文地质概查、普查、详查阶段应用，特别是在特殊景观 地区工作，取得了明显的地质效果 ［8 ］ 。 1 . 3 同位素技术 每一种元素的原子核都是由质子和中子组成的。同一种元素的质子数是一定的，但中 子数可能不一样，这样就形成了同位素。 地下水在形成和运移过程中，各种化学组分的同位素成分都会进入水中。这些同位素 踪迹便为研究地下水及其与环境介质之间的关系提供了重要信息。环境同位素能对地下水 起着标记作用和记时作用 ［7 ］ 。 目前在水文地质调查中应用同位素技术主要解决下列问题利用放射性环境同位素测 定地下水年龄；利用稳定环境同位素研究地下水的起源与形成过程以及水中化学组分的来 源；利用放射性环境同位素研究包气带水的运动；利用放射性同位素跟踪研究地下水运动 及水文地质过程。 1 . 4 地理信息系统 地理信息系统 G I S 是建立在计算机应用基础上， 它具有空间数据采集和编辑、 数据库 管理和制图、空间查询和综合分析等多种功能 [ 7 ] 。 G I S已开始用于地下水研究中，在水文地质调查和监测中会获得大量的水文地质现象 的数据，将这些具有空间内涵的三维或带时间内涵的四维数据，建立起地下水数据库及模 拟系统。地下水模拟结果可在 G I S 中存储、处理，以便产生更高层次的管理决策支持信息。 这不仅大幅度提高了工作质量和速度，而且能利用 G I S 的强大功能获取大量准确的空间参 数，大大提高模拟的精度。 含水层分布受构造和地形等因素影响，常呈不连续分布，其顶、底板界线变化也较复 杂。利用 G I S 可以识别含水层的分布，为开采井布置提供精确的资料。 地下水的化学组成经历了复杂的演化过程，这既有水与岩石间的地球化学、水化学、 生物化学的相互作用，又有人类活动的强烈影响。使用 G I S 有助于解决这些问题，进行地 下水水质研究。 2 地面核磁共振找水方法 2 . 1 地面核磁共振找水方法原理概述 地面 NMR 找水方法，又称地面 NMR 测深，该方法应用核磁共振找水仪，通过由小 到大地改变激发脉冲矩 q（qI0tp，式中 I0、tp分别为激发电流脉冲的幅值和持续时间） 来探测由浅到深的含水层的赋存状态，实现对地下水资源的探测。 核磁共振是一个基于原子核特性的物理现象，系指具有核子顺磁性的物质选择性地吸 收电磁能量 [ 9 ] 。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，且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 B0的作用下，氢核象陀螺一样绕地磁场方向旋 进，其旋进频率（拉摩尔圆频率ω0）与地磁场强度Ｂ０和氢核的磁旋比γ有关 ω0＝γB0 图１激发脉冲和 NMR 信号图[10] 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 B1 ω0 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。 在 N M R 找水方法中， 通常向铺在地面上的线圈 发射/ 接收线圈 中供入频率为拉摩尔频 率的交变电流脉冲，交变电流脉冲的包络线为矩形（图１，a ） 。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。在切断激发电流脉冲后，用同一线圈拾取由不同激发脉冲矩激 发产生的 NMR 信号，该信号的包络线呈指数规律衰减（图１, b ） 。 NMR 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。 2 . 2 地面 N M R 测深提供的某些水文地质参数 在该方法的探测深度范围内，地层中有自由水存在，就有 NMR 信号响应。反之，就 没有响应；NMR 方法受地质因素影响小。所以，可以利用这些优点来区分间接找水的电 阻率法和电磁测深法卡尼亚视电阻率的异常性质。例如，一些岩溶发育区，特别是我国西 南岩溶石山缺水地区，当溶洞、裂隙被泥质充填或含水时，视电阻率均显示为低阻异常， 是泥是水难以区分。N M R测深不受泥质充填物干扰，是水就有核磁共振信号。此外，当淡 水电阻率与其赋存空间介质的电阻率无明显差异时，在这种情况下电阻率法找水是无能为 力的，而 N M R 测深却能够直接探测出淡水的存在。 2 . 2 . 1 ＮＭＲ测深测量的参数与含水层的关系 ＮＭＲ测深方法测量的参数有ＮＭＲ信号初始振幅 E0、初始相位φ0 ，、平均衰减时间 T2 * 。这些参数的变化直接反映出地下含水层的赋存状态和特征。图 2是中国地质大学 N M R 阻实测地层中具有含水特征的实测曲线。在地面ＮＭＲ测深方法中，每个 NMR 测深点都 有 1 条 NMR 信号的 E0随 q 值变化而形成的曲线－E0－q 曲线（图２） 。对该曲线进行解释 后就可得到该测深点探测范围内的某些水文地质参数。 图 2 实测 E0- q 曲线 （中国地质大学 NMR 组实测） （中国地质大学 NMR 组实测） NMR 信号平均衰减时间用 T2 * 表示，单位为毫秒（ms） 。每个激发脉冲矩 q 均可以得 到一条 NMR 信号 E0随时间按指数规律变化的衰减曲线－E0－t 曲线, 见图１b 、图 2 。由 此曲线可以求出该 q 值探测深度内含水层的 T2 * 。T2 * 值大小可给出含水层类型（平均 孔隙度）的信息。T2 * 的计算公式为 T2 * ＝ ∑∑ M m m m M m m T E E 1 2 1 2 式中 Em、 Ｔm（m1,2, ⋯, M） 分别是某个激发脉冲矩 qi 在 M 个时刻分别对应的 NMR 信号的振幅值、信号衰减时间。 国内外的研究、统计规律表明，自 由水和束缚水的 T2 * 值是不同的，自由 水的 T2 * 变化范围3 0 m s T2 * 1 0 0 0 m s 。 而束缚水的为 T2 * ＜3 0 m s 。 由于 NMR 找 水仪的电流脉冲的间歇时间是 30ms， 因 此，NMR 找水仪接收不到束缚水的 NMR 信号。表１给出了不同类型含水 层的 T2 * 值。 初始相位φ0是天线中激发电流与 测量到的衰减电压之间的相位差。NMR 信号的初始相位反映地下岩石的导电性。 2 . 2 . 2 ＮＭＲ测深提供的某些水文地质参数 经过对ＮＭＲ测深资料处理、 解释， 可以提供某些水文地质参数和含水层的几何参数。 并以图、表形式给出定量解释结果（见表 2、图 3） ，不打钻就可以确定出各含水层的深度、 厚度、单位体积含水量，并可提供含水层平均孔隙度和渗透性等信息。 表 2 106/30 号点 NMR 测深反演结果 图 3某油田 106/30号 NMR测深点含水量直方图 表 2 是中国地质大学 NMR 组在某油田普查地下淡水时的一个ＮＭＲ测深点反演解释 结果，图 4 是该测深点含水量直方图，比表 2 更直观。主要含水层在 63.7100m，单位体 积含水量为 7.1，衰减时间为 30ms，反映了该油田含水层的基本特征，已被钻探工作所 表１ 实测 T2 * 值和含水层类型的近似关系 弛豫时间／ms 含水层类型 3 g / l ）含水岩组的电阻率ρ 1 0 Ωm ；弱矿化度（Ｍ＝2 ～3 g / l ）的含水岩组的ρ＝1 0 ～1 5 Ωm ；低矿化度（Ｍ 2 g / l ） 含水岩组的ρ≥1 5 Ωm 。 以上统计结果为圈定该油田地下淡水资源详查远景区打下了物性基础。 3 . 1 . 2 圈定出低矿化度含水岩组分布的地下淡水资源远景区 在同一地电条件下，几种方法的地球物理场异常特征具有可比性，由各方法定量解释 的资料指出，各含水层的顶板埋深在 1 0 ～1 0 0 m 左右，1 0 ～3 0 Ωm 电性层与各 N M R测深点 含水异常显示相对应，以此特征确定了该电性层为含淡水岩组，圈定出该油田地下淡水远 景区。在已圈定的地下淡水远景区内完钻３口水井，已查明含水层厚度 2 0 0 多米，是优质 地下水（M ＜1 g / l ） 。此结果证实了我们解释推断的正确性。 3 . 1 . 3 优选出地下淡水详查工作的方法系列 经对比分析表明，探查 100m～150m 内的含水层，NMR 测深分辨能力最强，且可以 快速进行定量解释，提供水文地质参数；区分电阻率异常性质；为成井工艺提供技术依据。 在抗电磁干扰方面，VES 较其它交流电法优越；TEM 测深分辨能力强、勘探深度大； EH- 4 具有混合场的特点，装置轻便。 为了快速、经济、高质量地进行地下淡水资源详查，优选出如下方法系列 当含水层深度在 100～150m 时，优选的方法系列是 NMR 与 TEM 或 NMR 与 VES 或 EH- 4 与 VES；当含水层深度大于 150m 时，优选的方法系列是TEM 与 VES 或 EH- 4 与 VES 或 TEM 与 EH- 4。 4 结论 （1 ）地面ＮＭＲ找水方法为探查地下水资源和水文地质工作量化提供了崭新的技术手段 地面 N M R 找水方法已在国内外一些国家和地区取得了明显的地质效果，为探查 1 0 0 ～ 1 5 0 m 深处地下水资源和水文地质工作量化提供了崭新的技术手段。 （2 ） 直接和间接找水方法相结合，提高了物探方法找水资料的解释水平 在利用 N M R 找水方法时，将直接找水的地面ＮＭＲ找水方法与间接找水的物探方法相 合，并形成合理的工作程序，则有利于区分异常的性质，提高了找水资料的解释水平，同 时，提高了成水井的命中率。 （3 ）地面ＮＭＲ找水方法的应用前景广阔 国内外应用实例表明，ＮＭＲ找水方法可以解决大量的与水环境有关的问题，除了作 为水文地质调查的首选方法外，在灾害地质监测（例如滑坡） 、堤坝和路基检测等方面的工 作已见成效，因此，地面ＮＭＲ找水方法的应用前景十分广阔。 主要参考文献 [ 1 ] 潘玉玲, 张昌达等编著. 地面核磁共振找水理论和方法. 武汉中国地质大学出版社，2 0 0 0 [ 2 ] 伍岳. E H - 4 电磁成像系统在砂岩地区勘查地下水的应用研究. 物探与化探. 1 9 9 9 ， （5 ） [ 3 ] S e m e n o v A G , B u r s h t e i n A I , P u s e p A . J u a n d S c h i r o v M D , 1 9 8 8 . i n R u s s i a n ‘A d e v i c e f o r m e a s u r e m e n t o f u n d e r g r o u n d m i n e r a l p a r a m e t e r s ’. U S S R p a t e n t 1 0 7 9 0 6 3 [ 4 ] S e m e n o v A G , S c h i r o v M D , L e g c h e n k o A V , B u r s h t e i n A I a n d P u s e p A . J u . , 1 8 8 9 . ‘D e v i c e f o r m e a s u r e m e n t o f a n u n d e r g r o u n d m i n e r a l p a r a m e t e r s d e p o s i t ’. G B p a t e n t 2 1 9 8 5 4 0 [ 5 ] 万乐, 潘玉玲. 利用核磁共振方法探查岩溶水. C T 理论与应用研究. 1 9 9 9 ， （3 ） [ 6 ] 杨桂新, 武 毅, 郭建强, 朱庆俊. 地面核磁共振技术勘查西北干旱浅层地下水效果浅析. C T理论与应 用研究. 2 0 0 0 年，增刊 [ 7 ] 徐恒力等编著. 水资源开发与保护. 北京地质出版社，2 0 0 1 [ 8 ] 吴海成, 王振东. 水文物探、遥感联合勘测方案的讨论. 物探与化探，1 9 9 9 ， （5 ） [ 9 ] 陈文升编著. 核磁共振地球物理仪器原理. 北京地质出版社，1 9 9 2 [ 1 0 ] J e a n B E R N A R D 提供法国 I R I S 公司技术资料N U M I S p l u s , 1 9 9 9