核磁共振找水仪的相关原理介绍

利用核磁共振寻找地下水是目前世界上的直接找水新方法,核磁共振是指当射频激发磁场的频率满足一定条件时;

原子核系统中的核子在稳定磁场(此处为地磁场B0)和人工激发场B1的共同作用下,吸收人工激发场的能量产生共振跃迁[2]。

理论上,应用NMR技术的条件是所研究物质的原子核磁矩不为零[4]。

水中氢核具有核子顺磁性,其磁矩不为零。氢核是地层中具有核子顺磁性物质中丰度、旋磁比C的核子。

在稳定的地磁场B0作用下,氢核像陀螺一样绕地磁场方向旋进,其旋进频率(称为拉莫尔频率)f0与地磁场强度B0、旋磁比C关系为式(1)。其中C为一常数[2-3]。

核磁共振找水原理(1)

如果以具有拉莫尔频率f0的交变磁场B1(f0)对地下水中的质子进行激发,即可产生核磁共振现象。

核磁共振找水原理

质子磁矩在磁场作用下的旋进运动

在NMR方法中,通常向铺在地面上的线圈(作为发射及接收线圈,如图2所示)中供入频率为拉莫尔频率、包络为矩形的交变电流脉冲(如图3(a)所示)。

在周围形成交变磁场,激发周围水中的氢核形成宏观磁矩M0,该磁矩在地磁场中产生拉莫尔频率旋进运动。在切断激发电流脉冲后,用同一线圈拾取由M0衰落过程中产生的NMR信号(如3(b)所示)。

核磁共振找水原理

地面NMR找水方法原理示意图

核磁共振找水原理

NMR信号时序示意图

用q=I0S表示电流脉冲矩,其中S为发射矩形电流脉冲持续时间,如图3(a)所示。

q由小到大可使探测深度由浅变深;E0为NMR信号的初始振幅,它的大小反映所对应深度的含水层的含水量;T*2为NMR信号的自旋-自旋弛豫时间；

其大小反映含水岩层平均孔隙度的大小[5];50为NMR信号与激发电流之间的相位差,它反映地下岩层的导电性情况[6]。

核磁共振找水仪由电源、发射与接收等部分组成,如图4所示[7,9]。

核磁共振找水原理

地面核磁共振找水仪组成

在计算机控制下,由单片机和DDS等产生如图3(a)所示的拉莫尔激发信号,功率驱动电路将这个信号调制为发射所需的电流,经开关及铺设于地面的电缆发射出激发电磁场。

停止激发后,由快速开关控制电路将电缆转接到放大器输入端。放大器将接收到的NMR信号进行模拟调理后输出给数据采集与处理电路,经数据解释成为检测到的地下水信息。