地面核磁共振找水理论和方法PDF电子书下载

第一章 核磁共振（NMR）理论概述和NMR勘探地下水的原理 1

第一节 核磁共振（NMR）理论概述 1

一、原子核的磁性和核磁共振 1

（一）原子核的磁性 1

（二）核磁共振 3

二、磁矩在磁场中的运动 5

（一）拉摩尔进动 5

（二）旋转坐标系 6

（三）旋转磁场和扳倒角 7

三、弛豫作用 10

（一）磁化强度和氢核的顺磁性 10

（二）自旋-晶格弛豫 12

（三）自旋-自旋弛豫 13

四、Bloch方程 17

（一）Bloch方程 17

（二）在恒定磁场和交变磁场作用下M的运动 17

第二节 NMR技术勘探地下水的原理 19

一、NMR在地球物理学方面的应用 19

二、NMR找水方法的前期探索 20

三、在地磁场和交变磁场作用下地下含水层的NMR响应 21

（一）地面NMR找水方法的工作原理 22

（二）早期在俄罗斯的试验工作 24

四、多孔介质中液体的弛豫现象 27

（一）弛豫与孔隙大小的关系 27

（二）估算渗透率的一种方法 29

（三）弛豫时间与含水地层类型的经验关系 30

第一章参考文献 30

第二章 核磁共振找水仪 32

第一节 预极化方式 32

一、预极化磁场的作用 32

二、自由感应衰减信号 33

三、同步极化 33

第二节 质子磁力仪的基本原理 34

一、质子磁力仪的结构 34

二、探头的结构 35

三、抗干扰的措施 35

四、探头的信号幅度及其影响因素 36

第三节 地面核磁共振找水仪 37

一、核磁共振找水仪与质子磁力仪的对比 37

二、NMR找水仪的组成 38

（一）发射单元 38

（二）接收单元 39

第四节 NUMIS工作过程和维护 40

一、工作过程 40

（一）选择激发（发射）频率 40

（二）选择回线（发射／接收天线）的形状 41

（三）选择采集参数 41

（四）测量NMR信号 41

（五）信号的处理及定量解释 42

二、仪器的维护 42

（一）要配备训练有素的专业人员 42

（二）保持良好的工作环境 42

（三）特殊部件的注意事项 42

（四）DC/DC的格式化 42

（五）检查仪器注意事项 42

第二章参考文献 43

第三章 影响核磁共振找水信号的因素研究 44

第一节 导电性对NMR信号影响的特点 44

一、正演计算的理论基础 45

（一）正演计算的数学模型 45

（二）水平含水层上方NMR信号的计算 45

二、导电性对NMR信号振幅和相位的影响 50

（一）均匀半空间中一个含水层的NMR信号的振幅和相位曲线 50

（二）层状大地中两个水平含水层时的NMR信号的振幅曲线 50

（三）导电性对NMR信号影响的几点认识 54

第二节 地磁场强度和倾角变化对NMR信号的影响 55

一、地磁场强度变化对NMR信号的影响 55

二、地磁场倾角变化对NMR信号的影响 55

三、局部磁性不均匀对NMR信号衰减时间的影响 56

第三节 含水岩石类型和含水层赋存状态对NMR信号的影响 58

一、含水岩石类型 58

（一）含水岩层平均孔隙度与NMR信号衰减时间的关系 58

（二）T*2值对NMR信号振幅的影响 58

二、含水层赋存状态及其含水量与NMR信号的关系 59

（一）含水层深度对NMR信号的影响 59

（二）含水量与NMR信号的关系 61

第四节 电磁噪声对NMR信号的影响 61

一、研究方法 61

二、电磁噪声对NMR信号解释结果的影响 63

第五节 人为技术因素对NMR信号的影响 63

一、天线形状和大小 64

（一）天线形状变化对NMR信号的影响 64

（二）天线大小对NMR信号的影响 64

二、激发脉冲矩大小和个数 65

（一）含水层的NMR信号与脉冲矩大小的关系 65

（二）激发脉冲矩个数对NMR信号的影响 66

三、人为技术因素对NMR信号影响讨论的几点认识 69

第三章参考文献 70

第四章 NMR信号的采集 71

第一节 施工前的准备工作 71

一、收集地质和地球物理资料 71

（一）区域性水文地质调查 71

（二）勘探阶段确定出水井位 73

二、了解工作区的地球物理环境——电磁干扰源的分布情况 73

三、仪器设备的准备 73

（一）发送机电容器的连接 73

（二）DC/DC变换器的电容器格式化 75

第二节 NMR信号的采集过程 75

一、激发频率的选择 75

（一）地磁场的测量 75

（二）激发频率的确定 76

二、线圈形状的选择和敷设 77

（一）优化线圈形状 77

（二）线圈的敷设 78

三、仪器连接 78

四、测量参数的选择 78

（一）测量范围 79

（二）记录长度 79

（三）脉冲持续时间 79

（四）脉冲矩的个数 79

（五）叠加次数 79

五、测量步骤 79

（一）必须注意的安全事项 79

（二）测量步骤 80

（三）数据采集 80

（四）文件储存 81

（五）NMR信号采集中容易出现的几个问题 81

第三节 采集高质量信号的技术保障 82

（一）避开电磁干扰源 82

（二）了解工作地区地层电阻率分布特征 82

（三）正确连接仪器各部分 82

（四）经常性的仪器维护 82

（五）改变线圈形状 82

（六）适当增大叠加次数 82

（七）地磁场强度测量准确 82

（八）对测量质量的监控 82

第四章参考文献 83

第五章 NMR信号的预处理和反演解释 85

第一节 NMR信号的预处理 85

一、零时外延 85

二、化为标准观测值 86

三、噪声滤波 86

（一）傅里叶滤波 87

（二）多项式圆滑 87

四、提供反演解释用的原始数据形式 88

第二节 NMR信号的反演解释 89

一、反问题的求解过程 89

（一）选择反问题的求解方法 89

（二）NUMIS系统的反演解释过程 91

二、地面NMR找水方法的成果图 93

三、由地面NMR资料求取水文地质参数的探讨 96

四、提高NMR找水方法资料解释可靠性的研究 96

（一）资料的综合研究 96

（二）加强NMR信号的正演研究 97

（三）培养高素质人才，获取高水平的研究成果 97

第五章参考文献 97

第六章 地面核磁共振找水方法的应用 98

第一节 地面核磁共振找水方法与传统的物探找水方法的对比研究 98

一、地下水类型及其地质、地球物理特点概述 98

（一）探查基岩裂隙水 99

（二）探查山前冲洪积扇区地下水 103

（三）探查平原区地下水 103

（四）探查黄土区地下水 105

二、地面核磁共振找水方法与传统找水方法对比 105

第二节 地面核磁共振找水方法的应用 107

一、地面NMR找水仪的标定和理论简化模型的试验评价 108

二、地面NMR方法探查岩溶水的几则实例 109

（一）为岩溶石山地区找水是改善生态环境和解决脱贫的关键 109

（二）岩溶发育区常用找水的电阻率方法遇到的地质干扰 109

（三）在湖北“非含水区”探查到水质良好的岩溶水（实例1、2） 110

（四）在法国St.Cyr-en-Val试验地探查岩溶水（实例3） 115

（五）在以色列中部工业区探查区域性喀斯特白云岩中的地下水（实例4） 115

三、用地面NMR方法探查其他类型的基岩裂隙水 118

（一）在中国湖北孝感探查基岩裂隙水（实例5） 118

（二）在南加利福尼亚沙漠区探查砂岩裂隙水（实例6） 119

四、用地面NMR方法在火成岩地区探查地下水 119

（一）在中国北方某地风化花岗岩地区找到了地下水（实例7） 121

（二）在沙特阿拉伯应用地面NMR方法探测破碎花岗岩中的含水层（实例8） 121

（三）在葡萄牙摩拉地区应用地面NMR方法探测变质火山岩中的含水层的试验结果（实例9） 123

（四）在西班牙应用地面NMR方法对硬岩（花岗岩）地区地下水量化的试验结果（实例10） 125

五、用地面NMR方法进行区域性水文地质填图和对地下水资源进行评价 127

（一）在哈萨克斯坦用Hydroscope找水仪确定找水远景区（实例11） 127

（二）在西班牙国家公园的水文地质调查任务和工作结论（实例12） 127

六、地面核磁共振方法探查孔隙水的研究与应用 129

（一）在中国河南验收NUMIS系统（实例13） 129

（二）在中国广西南丹县八圩乡用地面NMR方法探测水源地（实例14） 130

七、地面NMR和TDEM测深相结合评价水质（实例15） 130

八、地面NMR方法在中国辽宁大连海滨地下挡水坝勘查中的应用试验（实例16） 133

第六章参考文献 133

结束语 135