《地面核磁共振方法与应用》的读书报告 - 张海

题目：关于《地面核磁共振方法与应用》的读书

报告

姓名： 张 海 学号：20081001102 学院： 地空学院 专业： 地球物理 指导老师：李振宇 班级： 061084

2011年5

第一章 NMR的应用和发展

自1946年帕塞尔(E M Purecell)和布洛赫(F Bloch)同时发现在物质中的核磁共振现象以来，到现在仅有几十年的历史。但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，它除了广泛应用于物理学、化学、生物学、医学等领域，在地学方面也得到了广泛的应用： （1）、在地球科学方面，NMR技术的应用开始得也比较早。最早在1954年，M Packard（斯坦福大学F Bloch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核感应，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。 （2）、NMR技术在地球科学中的第二项应用是核磁共振测井（NML），以及与之相关的室内NMR岩心分析测试。这种测井方法经过近50多年的发展，目前能可靠地评价砂岩与复杂储层的渗透率和孔隙结构、可采储量、剩余油分布和流体的饱和度以及粘度等，已成为石油测井技术的一个新热点。 （3）、NMR技术在地球科学中的第三项应用就是核磁共振找水。 科学技术的迅速发展和进步，推动和促进了地球物理学方法和技术的不断发展和进步。核磁共振是物理学最新研究成果之一，也是当今世界上尖端技术。将其应用到探测地下水是核磁共振技术应用的新领域，开创了应用地球物理方法直接找水的先河。 1978年，前苏联科学院新西伯利亚分院化学动力学和燃烧研究所（ICKC）的一个科学家小组研制成一台NMR找水仪，取名Hydroscope，这是世界上第一台用核磁共振方法找水的专业仪器。 应用这种仪器在前苏联和欧、美、澳洲的许多国家以及在中国进行了试验和找水工作。1994年ICKC与法国地调局（BRGM）合作，由法国IRIS公司改制成名为核磁感应系统（NUMIS）的找水仪器。1997年底中国地质大学(武汉)以“211工程建设”经费引进了法国IRIS公司研制的NUMIS系统。 这是我国引进的第一套NUMIS系统。利用NMR探测地下水信息方法成功地在湖北、湖南、河北、福建、内蒙古、江西、云南、广东、河南、山东、陕西、新疆等12省（地区）进行了找水实践，并在上述缺水区找到了地下水，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先进国家行列。 近年来我们又首次将地面核磁共振系统用于滑坡研究、考古、堤坝渗漏检测、水合物探测等新领域。

第二章 简介SNMR原理以及SNMR仪器——NUMIS系统

地面核磁共振（Surface Nuclear Magnetic Resonance，缩写为SNMR）是探测

地下水信息方法，有些学者也称之为核磁共振测深（Magnetic Resonance Sounding，缩写为MRS）。其特点如下：NMR找水仪是输出功率高、接收灵敏度高并由PC机控制的当今世界上最先进的直接探测地下水的地球物理仪器；直接找水 ；反演解释具有量化的特点，信息量丰富 ；经济、快速；缺点（NUMIS系统的探测深度为100m，NUMIS+系统的探测深度为150m，它们尚不能用来探测埋藏深度大于150m的地下水；由于核磁共振找水仪的接收灵敏度高（可以接收纳伏级的信号），故易受电磁噪声干扰）。

核磁共振是一个基于原子核特性的物理现象，在稳定磁场的作用下，原子核处于一定的能级。如果用适当频率的交变磁场作用，可使原子核在能级间产生共

振跃迁，称为核磁共振。研究核磁共振现象除了考虑稳定磁场、交变磁场的作用外，还要考虑晶格对原子核的弛豫作用和原子核间的弛豫作用。核磁共振就是上述四种作用的结果 。

SNMR探测地下水信息方法利用了不同物质原子核弛豫性质差异产生的NMR效应。即利用了水中氢核（质子）的弛豫特性差异，在地面上利用核磁共振找水仪，观测、研究在地层中水质子产生的核磁共振信号的变化规律，进而探测地下水的存在性及时空赋存特征。该方法应用核磁感应系统（Nuclear Magnetic Induction System，缩写为NUMIS）实现对地下水信息的探测。

NUMIS系统是一种高灵敏度、高功率、全部由PC计算机控制的核磁共振设备。计算机使得该系统操作尽可能地实现了自动化。但是，在进行野外测量时，为了获得最佳质量的数据，还必须由操作人员确定激发频率、选择天线类型、选择测量参数等。

NUMIS系统线路连接示意图

第三章 SNMR正演与反演

E0?q???K?q,??z?,?,z?n?z?dz0L

sin?dxdyK?q,??z?,?,z???0M0???1??z,??z?,??x,y式中n(z) 是含水量，0≤ n(z) ≤1。L = 2D，D是天线直径，单位为m。含水层

的含水量多少直接影响到E0值的大小。每个NMR测深点都有一条NMR信号E0随q值变化而形成的曲线－NMR测深曲线（E0 - q 曲 线）。

影响核磁共振信号的因素： （1）、自然因素对核磁共振信号的影响（岩层的导电性、磁场强度和倾角变化、含水层岩石类型和含水量、电磁噪声）。 （2）、人为技术因素对核磁共振信号的影响（天线的形状和大小、激发脉冲矩大小和个数）。 （3）、NMR信号反演的目的是将观测到的地球物理数据，转换成地下各含水层的深度、厚度、含水量和平均孔隙度等水文地质参数。NMR信号的反演中也存在地球物理反演的不适定问题。例如，NMR信号相对激发电流而言是非线性的，而NMR信号相对含水量n(z)来说是呈线性的。若不考虑上述问题，当反演有噪声的数据时，通常的反演算法可能不稳定，导致解的偏差或出现振荡。

在NMR测深资料反演解释中，目前比较广泛使用的是吉洪诺夫正则化法。 NUMIS、NUMIS+用吉洪诺夫正则化的经典最小二乘反演方法，对于每个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。垂向分层层数与激发脉冲矩的个数一样多，对于100m直径的圆天线，其典型值为16层(因为常采用16个脉冲矩进行工作)。这种反演算法可使由下述两项之和构成的损失函数最小；第一项是实测数据和理论曲线之间的剩余均方差，以此建立了平滑的约束；第二项是两相邻的含水层参数之间的均方差，以此建立了平滑的约束。 提高NMR方法资料解释水平值得注意到 （1）、NMR方法更应重视正演数字模拟工作，以正演结果指导反演解释研究岩石导电性、地磁场强度、地磁场倾角、含水岩石类型和含水层赋存状态、电磁噪声等自然因素变化和人为技术因素变化诸如天线形状和大小、激发脉冲矩大小和个数等对NMR信号影响的特点。通过正演数字模拟工作，对在均匀半空间和层状大地中含水层的NMR信号异常形态有了充分认识，以此研究成果指导反演解释。不断完善NMR方法找水的解释技术。 （2）、对自野外采集的数据进行联合反演。 （3）、推行NMR直接探测地下水信息方法的同时，注重直接、间接探测地下水信息方法的对比研究,做到各种方法扬长避短，建立起合理的工作程序。

第四章 SNMR应用

一、中国地质大学核磁共振科研组应用NUMIS系统在水文地质中的实例：

1、湖北永安地区岩溶水的勘查 2、康保地区花岗岩裂隙水

3、三峡输电工程——孝感变电站变质岩裂隙水

4、在湖北、山东、广东、湖南等探测到红层裂隙水。 5、广西柳州地下热水评价 6、云南卢西岩溶水勘查

7、福建安溪上汤地区的热水评价。 8、河南某地孔隙水的勘查。 9、塔河油田寻找地下淡水资源。

二、在滑坡研究中应用：

三年来，用MRS方法在丰水期和枯水区监测地下水活动的情况表明，地下含水层的位置和滑坡面的位置是完全一致的，已被钻探结果所证实。说明了MRS方法解释结果的正确性和监测滑坡的有效性，为滑坡稳定性评价和精细结构研究提供全新技术和手段； 在滑坡探测中，与其它物探方法相比，突出了MRS方法具有方法理论先进、直接获取地下水信息、经济和快速的优点；基于MRS方法进行滑坡监测信息，多方法、多参数、实测参数综合对比分析研究是提高资料解释水平的必要手段 ；实现了三峡库区巴东赵树岭滑坡二维和三维建模与分析，为稳定性评价提供依据。 探讨了在滑坡监测中MRS方法有关的方法和技术问题，利于扩大核磁共振方法的应用领域。

三、核磁共振技术应用的新领域 ——考古秦始皇陵无损探测：

MRS方法首次用于秦皇陵的考古工作，在确定地宫就在封土堆下、并且没有