地面核磁共振测深仪器

产品名称：地面核磁共振测深仪器    产品类别：物探设备

地面核磁共振测深仪器NUMIS Plus

——核磁感应系统（MRS）

核磁共振技术是目前世界上**的直接找水的地球物理新方法。它应用核磁感应系统（MRS），通过由小到大地改变激发电流脉冲的幅值和持续时间，探测由浅到深的含水层的赋存状态。相对于传统的地球物理方法而言，它无需打钻，是一种无损监测。

MRS方法可以解决以下问题：**，快速圈定找水远景区；第二，区分ρ_s低阻区段异常性质，即用MRS方法区分储水构造内是否有水，有自由水存在，就有MRS信号响应；第三，在MRS方法确定的有水范围内，结合ρ_s异常的特点确定井位；第四，区分水质，利用电阻率值的大小来区分出咸水或淡水；第五，结合激发极化法异常特点，圈定烃类（含有氢核）污染水的污染范围和程度；第六，评价堤坝和工程地质中地下水的活动情况、滑坡监测、考古等。

原理：通过测量地层水中的氢核来直接找水。核磁共振是原子核的一种物理现象，指具有核子顺磁性的物质选择性地吸收电磁能量。氢核是地层中具有核子顺磁性物质中丰度*高、磁旋比*大的核子。

除油层、气层外，水（H2O）中的氢核是地层中氢核的主体。核磁共振找水方法就是通过测量地层。水中的氢核来直接找水。
　　当施加一个与地磁场（B0）方向不同的外磁场（B1）时，氢核磁矩将偏离地磁场方向，一旦B1 消失，氢核将绕B0 旋进，其磁矩方向恢复到地磁场方向。设旋进频率（拉摩尔圆频率）为ω0，氢核的磁旋比为γ，则：
ω0＝ γB0　通过施加具有拉摩尔圆频率的外磁场，再测量氢核的共振讯号，便可实现核磁共振测量。
　　在MRS 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。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MRS 信号，该信号的包络线呈指数规律衰减。MRS 信号强弱或衰减快慢与水中质子的数量有直接关系，即MRS 信号的幅值与所探测空间内自由水含量成正比，这就是核磁共振找水方法的原理。

MRS方法的原理指出，在有地下水活动的地段，就有MRS信号响应，利用NUMIS（或NUMIS^ρLS或NUMIS^Lis）系统配备的软件对采集的信号进行处理和解释，就给出了各含水层的深度、厚度。在没有地下水活动的地段，MRS方法则无响应，说明被研究地段是完好的。

主要技术：①信号振幅直接反映地下水的含水量；②衰减时间反映地下水岩层的平均孔隙度；③信号相位反映岩层电阻率；④*大探测深度为150米。NUMIS系统是当前*先进的直接找水设备，在世界上多个国家进行过实地应用，应用效果非常理想。

使用优点：1)核磁共振找水方法的原理决定了该方法能够直接找水，特别是找淡水。在该方法的探测深度范围内，只要地层中有自由水存在，就有核磁共振信号响应，反之则没有响应，2)核磁共振方法受地质因素影响小。这些优点可用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，在我国岩溶发育区，特别是在西南岩溶石山缺水地区，当溶洞、裂隙被泥质充填或含水时，视电阻率均显示低阻异常，是泥是水难以区分。核磁共振测深不受泥质充填物干扰，很容易将二者区分开来。3)在淡水电阻率与其赋存空间介质的电阻率无明显差异的情况下，电阻率法找水就显得无能为力，而核磁共振测深却能够直接探测出淡水的存在。完成一个核磁共振深点的费用仅为一个水文地质勘探钻孔费用的1/10，并可以快速地提供出打井位置及划定找水远景区.

主要特点

1） NUMIS+是一套具有大发射功率（瞬时*大输出功率为450 安、4000 伏特的模块式找水设备。该设备

每个部分的重量都在25 公斤以内，便于一个人搬运。NUMIS+ 输出功率高（450 安、4000 伏特）、接收灵敏度高（接纳伏级信号）并由PC 机控制的直接探测地下水的仪器。

- Tx/Rx单元: 组成NUMIS+的核心部分. 它保证脉冲在拉摩尔进动的应用. 同时MRS测定控制过滤、放大和分析数字转换。.

- PC机接收原始数据, 然后进行处理、显示、储存.

- 勘探深度150米需要2个DC/DC变频器，配备150米的四方形线圈(总长600米). 勘探深度100米只需要1个变频器, 也相应配备100米的四方形线圈.(总长400米).

- 低纬度航磁，必须使用2个调谐单元(因为大地磁场低于31000nT，需要150m四方形线圈; 磁场37000nT，需要100m四方形线圈)。然而中高纬度航磁只需要1个调谐单元.

2）直接找水

MRS方法具有如下优点：首先，MRS找水方法的原理决定了该方法能够直接找水，特别是找淡水。在该方

法的探测深度范围内，只要地层中有自由水存在，就有MRS 信号响应，反之则没有响应；其次，MRS 方

法受地质因素影响小。这些优点可用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地

质。此外，在淡水电阻率与其赋存空间介质的电阻率无明显差异的情况下，而MRS 测深却能够直接探测

出淡水的存在。MRS 方法采用测深方式，通过改变激发脉冲矩q，实现不同深度的测量。
q ＝ I0t　式中I0 为脉冲电流的幅值，t 为脉冲电流的持续时间。

MRS 找水方法测量的参数有E0、T2*、φ0。该方法能直接找水，主要是因为这些参数的变化能直接反映地下含水层的赋存状态和特征。
MRS 信号初始振幅E0
　　E0 值的大小与含水层的含水量成正比，随q 值变化形成测深曲线，通常用E0～q 曲线表示。对该曲线（原始资料）进行解释后就可得到该测深点探测范围内的水文地质参数，包括含水层的深度、厚度和单位体积的含水量。
　　　　　　　MRS 信号平均衰减时间T2 *
　　MRS 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E0 随时间按指数规律衰减的E0～t 曲线，由此曲线可以求出该q 值探测深度内含水层的T2 *。T2 *值的大小可反映含水层类型（平均孔隙度）的信息。国内外的研究统计规律表明，自由水和束缚水具有不同的T2 *值，自由水的T2 *变化范围在30 毫秒至1000 毫秒之间。而束缚水的T2 *小于30 毫秒。由于MRS找水仪的电流脉冲的间歇时间是30 毫秒，因此，MRS 找水仪接收不到束缚水的MRS 信号。
　　　　　　　MRS 信号初始相位φ0
　　初始相位是天线中激发的电流与测量到的衰减电压之间的相位差。MRS 信号的初始相位反映地下岩石的导电性。
3）反演解释具有量化的特点，信息量丰富

核磁共振方法可将核磁共振信号解释为某些水文地质参数和含水层的几何参数。在该方法的探测深度范围内,可以给出定量解释结果，确定出含水层的深度、厚度、单位体积含水量，并可提供含水层平均孔隙度的信息。

4）经济、快速

完成一个核磁共振测深点的费用仅为一个水文地质勘探钻孔费用的十分之一，并可以快速地提供出打井位置及划定找水远景区。
5）缺点
核磁共振的缺点是探测*大深度仅为150米，尚不能探测埋藏深度大于150米的地下水；此外，由于核磁共振找水仪的灵敏度高，可以接收纳伏级的信号，故容易受电磁噪声干扰，在电磁噪声干扰强的区段不能开展工作。这是该方法的一大缺点。目前，主要通过改变天线形状和增加信号叠加次数来提高信噪比。

性能指标

组件

-         1台发射、接收器测定脉冲发生和信号

-         PC机控制整个系统，数据采集和解释

-         2个变频器的电源含2节12V电池组

-         2个调谐单元控制激磁能

-         发射和接收线圈

DC/DC 变频器

- 电源: 2节12V电池(每节65Ah)

- 6-8个小时自动读数

- 电容量: 0.07F

- 输出: ±430V DC; 0.5 A

- 并联2个变频器

- 尺寸: 43×30×43cm

- 重量：24Kg

Tx/Rx发送器和接收器

-          尺寸: 43×30×43cm

-          重量: 24Kg

发送器参数

- 由一个或两个DC/DC 变频器补给

- 频率范围: 0.8-3 kHz

- *大输出: 4000V, 450A

- 振幅脉冲及持续时间: 可程控

- 脉冲间隔: 40msb标准脉冲持续时间为100-18000A.ms

接收器参数:

- 带通滤波器谱仪宽度: 100 Hz

- 增益范围: 1010-106

- 信噪比高: < 10nV/sqrt (Hz)

-  A/D变频器: 14 bits

- 取样频率:频率4次

- 变相参数的标准程序

- T2*(1个变频器) 和T2*和T1 (2个变频器) 测量值

调谐单元

- 根据电容调谐拉摩尔进动频率的线圈

- 1个调谐单元的电容量为6-30µF, 2个调谐单元达60µF

- 尺寸：43×30×34cm

- 重量: 20Kg

发射/接收线圈

- 电线为100m, 10mm2 卷筒

- 150米勘测：

6卷筒, 电阻1.0ohm, 1.2 mH

- 100米勘测：

4卷筒, 电阻0.7ohm, 0.8 mH

- 其它线圈配置（按需求）

PC机

- 控制整个系统: 变频器、发射器、接收器

- 数据传输: DFT 和加权栈