核磁共振地下水探测技术在水源勘察及确定地下咸淡水界面中的应用与研究

赵义平，汪馨竹，王文婷

（水利部牧区水利科学研究所，呼和浩特 010020）

核磁共振地下水探测技术在水源勘察及确定地下咸淡水界面中的应用与研究

赵义平，汪馨竹，王文婷

（水利部牧区水利科学研究所，呼和浩特 010020）

地面核磁共振找水技术是目前世界上唯一的直接找水方法。笔者通过该技术在内蒙古五原县乡镇安全饮水工程水源勘察中的应用，对如何确定地下咸淡水界面开展了研究工作。通过所获得的解译成果与钻孔资料的对比，认为在依据区域水文地质资料的基础上，用该技术确定地下咸淡水界面位置较为准确；在无区域水文地质资料的情况下，单以核磁共振解译成果能否准确确定此界面有待进一步研究。

核磁共振技术；地下水；咸淡水界面；内蒙古；五原县

1 核磁共振地下水测试系统原理简述

对所有的NMR(核磁共振)现象来说，一个共同的特点是应用一个稳定磁场B0以及与之有关的拉摩尔进动，圆频率为ω=γB0；另一个特点是运用一个振荡磁场。NMR找水是采用这种技术对地下水信息实现探测[1]。

应用核磁共振技术的唯一条件是所研究物质的原子核具有非零磁矩。核磁共振是一种量子效应，即具有核子顺磁性的物质选择性地吸收电磁能量。水（H2O）中氢核(质子)具有核子顺磁性，其磁矩不为零，氢核是地层中具有核子顺磁性的物质中丰度最高的核子。在稳定地磁场B0作用下，具有一定磁矩的氢核绕外磁场进动[2-3]。

地面核磁共振（Surface NMR）找水技术的原理是，地下水中的氢核在地磁场这一恒定磁场作用下，产生一宏观磁矩M。如果在垂直于地磁场方向上施加一交变磁场脉冲，当交变磁场的频率等于质子在磁场中进动的拉摩尔频率，脉冲的宽度t与交变磁场振幅2B1的乘积有以下关系：

式中θ是M与地磁场的夹角，调整t和B0使θ=π/2，则宏观磁矩M将转向垂直于地磁场的方向，此时脉冲停止，M将绕地磁场作进动而在地面上产生最强的自由进动信号(FID)。

改变激发脉冲矩参数并记录FID信号，可以得到不同激发脉冲矩下对应的核磁共振信号振幅和横向弛豫时间，经过反演，可得到地下不同深度处的含水量、孔隙度及渗透率等信息[4]。核磁共振信号幅度直接反映地下水含水量的大小，是一种直接的找水方法[5]。

2 研究区水文地质概况

研究区位于河套平原五原县前补红周围一带，面积约10 km2，工作的主要目的是利用核磁共振地下水找水技术，寻找适合人畜饮用的淡水水源地，圈定淡水范围，解决隆兴昌镇、美林乡的人畜安全饮水问题。

研究区在地质构造上为长期下沉的封闭内陆断陷盆地，在漫长的地质过程中，一直为湖水所占据。这种自然地质条件控制着地下水的形成和分布，使河套平原具有明显的干旱气侯带沉降盆地型水文地质特征，形成了以湖相为主的沉积层，岩性以粉细砂为主。由于古气侯和古地理环境影响，地层中盐分积累较高，形成范围较广的咸水，又由于后期淡化作用，形成不同区域的淡水体。咸淡水界面受沉积环境与构造条件控制[6]。

含水层呈多层交迭状态，几何形态复杂，同相含水岩组以空间地质体的形式分布，成因类型较多。主要含水层为上更新统－全新统含水层，是本区域主要供水含水层，以冲湖积相、冲洪（湖）积相为主，由于上更新统一般厚度较大，上下段在沉积上有一定差异，二者之间有的被粘土层分隔，表现在水文地质特征上有明显不同，从水文地质单元上划分为上淡下咸区，淡水层厚约40～80 m，咸淡水界面深50～100 m[7]。

3 核磁共振测点布设及参数选择

本实验的主要目的是确定地下水咸淡水界面。根据实验目的，并结合研究区地形、地貌以及研究区域面积分布范围，在测区内共布设7个核磁共振测点，核磁共振线圈布设方法采用矩形线圈，线圈边长100 m，最大测深100 m。经过测量，当地地磁场对应的拉摩尔频率为2360 Hz，设置16个脉冲距，激发时间40 ms，信号记录时间200 ms，采集信号叠加次数，根据环境噪声而定，最少叠加32次。每个测点耗时大约需1.5小时左右。

4 核磁共振测试成果分析

4.1 测试结果信噪比（S/N）分析及数据可靠性判定

信噪比是采集到的信号与测点环境噪声的比值，信噪比水平是确定测试结果是否可靠的直接依据，信噪比越高，测试结果越可靠。根据多年测试经验，一个可信的测试结果，信噪比值通常应大于2；信噪比太小，表示环境噪声太高，信号和噪声不能分开，数据可靠性不高。表1给出了研究区各测点信噪比。

表1的数据说明，测点wuyuan-12的信噪比仅为0.75，不可靠，分析其原因是距附近电力高压线路太近所致。研究区其它7个核磁共振测点整体测试结果可靠，其中测点wuyuan-22的信噪比最高，达到26.62。

4.2 测试结果的信号和噪声E-Q曲线说明

在发送回线中，激发脉冲电流停止后，开始记录接收信号，这个信号叫做自由进动信号，其初始振幅表达式为：

公式（2）中q=I0τp，I0、τ0分别是电流脉冲的幅值和持续时间，q是脉冲距，ω0是进动频率，β1⊥(r)是垂直于地磁场的比感应矢量的分量。

利用脉冲距q和接收到的信号振幅E0、噪声振幅绘制曲线，称为E-Q曲线。根据E-Q曲线的形状、信号和噪声点分布情况也可判断测试结果的可靠性和含水量信息，好的测试结果，在E-Q曲线上，信号和噪声点分布特别有规律，信号振幅随着地下水含水层的含水量越高，峰值越大，含水层厚度越大，E-Q曲线跨越值越宽，衰减越慢，信号和噪声曲线区分明显。反之，无水点或高噪声点的E-Q曲线杂乱无章，无明显规律可循[8]。测点wuyuan-12和wuyuan-22的E-Q曲线如图1，分别为严重受噪声影响的可靠性不高的数据和可信的数据对比。

测点wuyuan-22信噪比高，E-Q曲线上信号和噪声点分布特别有规律，信号点全部高于噪声点，噪声水平稳定，曲线形状平滑，测试结果可靠。测点wuyuan-12信噪比低，E-Q曲线上信号和噪声点分布杂乱无章，测试结果不可靠。研究区7个测点除测点wuyuan-12外，其余测点测试结果均可靠。

4.3 测试结果的含水率直方图分析

含水量直方图是每个核磁共振测点的测试资料经过反演后所成的解释成果图，以测点wuyuan-17为例，表2为wuyuan-17点测试结果数据，图2横坐标为单位体积含水量（%），纵坐标为深度（m），不同层位不同深度地下水含水量大小由横坐标表示，不同含水层的厚度由纵坐标表示。含水层岩性、颗粒粗细反应在各脉冲距接收到信号衰减时的大小，衰减时间越大，含水层岩性颗粒越粗，反之越细。反映在图2中，含水层条形颜色越深，颗粒越粗，颜色越浅，颗粒越细。

表1 核磁共振测点信噪比值分析表Table1 The signal-to-noise ratio analysis of the NMR measuring point

图1 测点wuyuan-12和wuyuan-22的E-Q曲线对比图Fig.1 E-Q curves comparsion between the measuring point wuyuan-12 and wuyuan-22

表2 测点wuyuan-17含水层测试成果Table 2 Aquifer testing results of the measuring point wuyuan-12

5 核磁共振测试成果的应用研究

5.1 地下水含水层分布范围确定

图2 测点wuyuan-17含水层直方图Fig.2 Aquifer histogram of the measuring point wuyuan-12

从核磁共振测试结果看，淡水层底板埋深并不一致，最浅部分为30～40 m，如Wuyuan-16号点；最深部分为75 m，如Wuyuan22号点。含水层主要为第四系冲积湖积层潜水、半承压水，主要岩性为由湖相向冲积湖积相过渡的中细砂，细砂和粉细砂，局部有含砾粗中砂，含水层顶扳埋深小于2 m。含水层构造形态为东浅、西深，南浅、北深的断陷盆地，水力特性以半承压水为主。勘查区淡水无论在垂向上还是水平分布，范围较窄，在垂向上，淡水含水层厚度较小，约40～80 m；深部为高矿化度咸水。

根据核磁共振测试结果和研究区附近现有开采井调查，研究区面积约10 km2，圈定可作为饮用水的水源地面积约3.8 km2，含水层岩性主要为中细砂及细砂。

图3 含水层咸淡水分界面Fig.3 The salt-fresh water interface of the aquifer

5.2 地下水咸淡水界面的确定

核磁共振找水系统在测试地下水过程中，核磁共振效应受地层低阻带影响，随着地层电阻率越低，接收到核磁共振信号振幅越小，地下水的咸水层会对核磁共振信号接受起到屏蔽作用[9-10]。

利用核磁共振找水技术确定研究区含水层咸淡水界面分两步：1）结合研究区的区域水文地质资料，研究区从水文地质单元上划分出上淡下咸区，淡水层厚约40～80 m，咸淡水界面深50～100 m，这一带上淡下咸结构形成主要受古地理控制，是后期黄河迂迥改道淡化作用，在本工作区形成上淡下咸型含水结构。2）根据核磁共振测试成果分析，研究区6个核磁共振测点测试结果分两种类型，一类为深部含水层，矿化度高，由于含水层电阻率太低，对深部核磁共振信号起到屏蔽作用，只测到淡水层，如测点wuyuan-22、wuyuan-18、wuyuan-16，见图3。从图中可见，wuyuan-22点淡水含水层分布在56.7 m以上，wuyuan-18点淡水含水层分布在42.5 m以上，wuyuan-16点淡水含水层分布在56.7 m以上，下部为咸水含水层。另一类是测试结果根据区域资料分析的上部为淡水层，下部为湖相沉积微咸水含水层，如测点wuyuan-17、wuyuan-21、wuyuan-20，见图 3。测点wuyuan-17测试结果，100 m测深范围内含水层从5 m到100 m连续分布，56.7 m以上为一层中粗砂含水层，从区域资料分析为淡水含水层，以下为厚层粉细砂湖湘含水层，为微咸水含水层；测点wuyuan-21测试结果，100 m测深范围内含水层从6 m到42.5 m为淡水含水层，42.5 m以下为微咸水含水层；测点wuyuan-20测试结果，100 m测深范围内含水层从3 m到32 m为淡水含水层，32 m以下为微咸水含水层。

5.3 地下水开采井为确定核磁共振研究结论验证

研究区经过核磁共振找水系统测试，资料分析研究，确定以测点wuyuan-22、wuyuan-16、wuyuan-21为开采井位置，成井深度按核磁共振测试结果确定的咸淡水界面为依据，测点wuyuan-22和测点wuyuan-16井深60 m，测点wuyuan-21井深45 m，经打井验证，三眼井单井出水量均为80 m3/h，取样化验，三眼井水质均为优质淡水，化验部分指标见表3。

表3 水质化验部分指标Table 3 Certain indexes of the water quality test

本研究项目已安全运行五年，解决了五原县隆兴昌镇、美林乡的人畜安全饮水问题。

6 结论

地面核磁共振找水技术在物探领域作为一种直接找水方法，具有同类方法不可比拟的优越性，具有省时、省力、经济实惠，结果一目了然的优点，不用打孔抽水试验，即可得到地下水含水层厚度、含水量，层位，渗透系数等水文地质参数，同时可以借助与区域水文地质资料确定含水层咸淡水界面。通过钻孔验证结果说明，利用核磁共振找水技术的低阻屏蔽作用确定咸淡水界面较准确，未打穿咸水层，供水井运行一直很稳定，也未发现下层咸水污染上层淡水的现象。测点费用小，一个测点费用仅为一个水文地质勘探孔费用的1/10。

作为一种物探仪器，核磁共振找水系统同时存在缺点，一是抗干扰能力差，对电力高压线、磁场异常区如闪电、磁暴等条件下，不适宜用核磁共振找水系统；二是探测深度小，最大只能测试150 m，不能满足深层地下水探测要求。

[1]陈文升.核磁共振地球物理仪器原理[M].北京：地质出版社，1992，50-53.

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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

中国水利水电科学研究院科研专项

基于核磁共振地下水探测技术确定咸淡水界面的探索性研究（MK2010010915）

赵义平（1973年-），男，汉族，工程师，1997年毕业于河北科技建筑学院，学士学位，2007年毕业于内蒙古农业大学工程硕士。现在水利部牧区水利科学研究所主要从事水文水资源、水文地质勘察、核磁共振找水等工作。Email:mkszhyp@126.com。