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地面核磁共振測(cè)深儀器NUMIS Plus
——核磁感應(yīng)系統(tǒng)（MRS）
核磁共振技術(shù)是目前世界上唯一的直接找水的地球物理新方法。它應(yīng)用核磁感應(yīng)系統(tǒng)（MRS），通過(guò)由小到大地改變激發(fā)電流脈沖的幅值和持續(xù)時(shí)間，探測(cè)由淺到深的含水層的賦存狀態(tài)。相對(duì)于傳統(tǒng)的地球物理方法而言，它無(wú)需打鉆，是一種無(wú)損監(jiān)測(cè)。
MRS方法可以解決以下問題：第一，快速圈定找水遠(yuǎn)景區(qū)；第二，區(qū)分ρs低阻區(qū)段異常性質(zhì)，即用MRS方法區(qū)分儲(chǔ)水構(gòu)造內(nèi)是否有水，有自由水存在，就有MRS信號(hào)響應(yīng)；第三，在MRS方法確定的有水范圍內(nèi)，結(jié)合ρs異常的特點(diǎn)確定井位；第四，區(qū)分水質(zhì)，利用電阻率值的大小來(lái)區(qū)分出咸水或淡水；第五，結(jié)合激發(fā)極化法異常特點(diǎn)，圈定烴類（含有氫核）污染水的污染范圍和程度；第六，評(píng)價(jià)堤壩和工程地質(zhì)中地下水的活動(dòng)情況、滑坡監(jiān)測(cè)、考古等。 
原理：通過(guò)測(cè)量地層水中的氫核來(lái)直接找水。核磁共振是原子核的一種物理現(xiàn)象，指具有核子順磁性的物質(zhì)選擇性地吸收電磁能量。氫核是地層中具有核子順磁性物質(zhì)中豐度最高、磁旋比最大的核子。
除油層、氣層外，水（H2O）中的氫核是地層中氫核的主體。核磁共振找水方法就是通過(guò)測(cè)量地層。水中的氫核來(lái)直接找水。
當(dāng)施加一個(gè)與地磁場(chǎng)（B0）方向不同的外磁場(chǎng)（B1）時(shí)，氫核磁矩將偏離地磁場(chǎng)方向，一旦B1 消失，氫核將繞B0 旋進(jìn)，其磁矩方向恢復(fù)到地磁場(chǎng)方向。設(shè)旋進(jìn)頻率（拉摩爾圓頻率）為ω0，氫核的磁旋比為γ，則：
ω0＝ γB0 通過(guò)施加具有拉摩爾圓頻率的外磁場(chǎng)，再測(cè)量氫核的共振訊號(hào)，便可實(shí)現(xiàn)核磁共振測(cè)量。
在MRS 找水方法中，通常向鋪在地面上的線圈（發(fā)射/接收線圈,）中供入頻率為拉摩爾頻率的交變電流脈沖，交變電流脈沖的包絡(luò)線為矩形。在地中交變電流形成的交變磁場(chǎng)激發(fā)下，使地下水中氫核形成宏觀磁矩。這一宏觀磁矩在地磁場(chǎng)中產(chǎn)生旋進(jìn)運(yùn)動(dòng)，其旋進(jìn)頻率為氫核所特有。在切斷激發(fā)電流脈沖后，用同一線圈拾取由不同激發(fā)脈沖矩激發(fā)產(chǎn)生的MRS 信號(hào)，該信號(hào)的包絡(luò)線呈指數(shù)規(guī)律衰減。MRS 信號(hào)強(qiáng)弱或衰減快慢與水中質(zhì)子的數(shù)量有直接關(guān)系，即MRS 信號(hào)的幅值與所探測(cè)空間內(nèi)自由水含量成正比，這就是核磁共振找水方法的原理。
MRS方法的原理指出，在有地下水活動(dòng)的地段，就有MRS信號(hào)響應(yīng)，利用NUMIS（或NUMISρLS或NUMISLis）系統(tǒng)配備的軟件對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行處理和解釋，就給出了各含
水層的深度、厚度。在沒有地下水活動(dòng)的地段，MRS方法則無(wú)響應(yīng)，說(shuō)明被研究地段是完好的。
主要技術(shù)：①信號(hào)振幅直接反映地下水的含水量；②衰減時(shí)間反映地下水巖層的平均孔隙度；③信號(hào)相位反映巖層電阻率；④最大探測(cè)深度為150米。NUMIS系統(tǒng)是當(dāng)前最先進(jìn)的直接找水設(shè)備，在世界上多個(gè)國(guó)家進(jìn)行過(guò)實(shí)地應(yīng)用，應(yīng)用效果非常理想。
使用優(yōu)點(diǎn)：1)核磁共振找水方法的原理決定了該方法能夠直接找水，特別是找淡水。在該方法的探測(cè)深度范圍內(nèi)，只要地層中有自由水存在，就有核磁共振信號(hào)響應(yīng)，反之則沒有響應(yīng)，2)核磁共振方法受地質(zhì)因素影響小。這些優(yōu)點(diǎn)可用來(lái)區(qū)分間接找水的電阻率法和電磁測(cè)深法卡尼亞視電阻率的異常性質(zhì)。例如，在我國(guó)巖溶發(fā)育區(qū)，特別是在西南巖溶石山缺水地區(qū)，當(dāng)溶洞、裂隙被泥質(zhì)充填或含水時(shí)，視電阻率均顯示低阻異常，是泥是水難以區(qū)分。核磁共振測(cè)深不受泥質(zhì)充填物干擾，很容易將二者區(qū)分開來(lái)。3)在淡水電阻率與其賦存空間介質(zhì)的電阻率無(wú)明顯差異的情況下，電阻率法找水就顯得無(wú)能為力，而核磁共振測(cè)深卻能夠直接探測(cè)出淡水的存在。完成一個(gè)核磁共振深點(diǎn)的費(fèi)用僅為一個(gè)水文地質(zhì)勘探鉆孔費(fèi)用的1/10，并可以快速地提供出打井位置及劃定找水遠(yuǎn)景區(qū).
主要特點(diǎn)
1）NUMIS+是一套具有大發(fā)射功率（瞬時(shí)最大輸出功率為450 安、4000 伏特的模塊式找水設(shè)備。該設(shè)備
每個(gè)部分的重量都在25 公斤以內(nèi)，便于一個(gè)人搬運(yùn)。NUMIS+ 輸出功率高（450 安、4000 伏特）、接收靈敏度高（接納伏級(jí)信號(hào)）并由PC 機(jī)控制的直接探測(cè)地下水的儀器。
- Tx/Rx單元: 組成NUMIS+的核心部分. 它保證脈沖在拉摩爾進(jìn)動(dòng)的應(yīng)用. 同時(shí)MRS測(cè)定控制過(guò)濾、放大和分析數(shù)字轉(zhuǎn)換。.
- PC機(jī)接收原始數(shù)據(jù), 然后進(jìn)行處理、顯示、儲(chǔ)存.
- 勘探深度150米需要2個(gè)DC/DC變頻器，配備150米的四方形線圈(總長(zhǎng)600米). 勘探深度100米只需要1個(gè)變頻器, 也相應(yīng)配備100米的四方形線圈.(總長(zhǎng)400米).
- 低緯度航磁，必須使用2個(gè)調(diào)諧單元(因?yàn)榇蟮卮艌?chǎng)低于31000nT，需要150m四方形線圈; 磁場(chǎng)37000nT，需要100m四方形線圈)。然而中高緯度航磁只需要1個(gè)調(diào)諧單元.
2）直接找水
MRS方法具有如下優(yōu)點(diǎn)：首先，MRS找水方法的原理決定了該方法能夠直接找水，特別是找淡水。在該方
法的探測(cè)深度范圍內(nèi)，只要地層中有自由水存在，就有MRS 信號(hào)響應(yīng)，反之則沒有響應(yīng)；其次，MRS 方
法受地質(zhì)因素影響小。這些優(yōu)點(diǎn)可用來(lái)區(qū)分間接找水的電阻率法和電磁測(cè)深法卡尼亞視電阻率的異常地
質(zhì)。此外，在淡水電阻率與其賦存空間介質(zhì)的電阻率無(wú)明顯差異的情況下，而MRS 測(cè)深卻能夠直接探測(cè)
出淡水的存在。MRS 方法采用測(cè)深方式，通過(guò)改變激發(fā)脈沖矩q，實(shí)現(xiàn)不同深度的測(cè)量。
q ＝ I0t 式中I0 為脈沖電流的幅值，t 為脈沖電流的持續(xù)時(shí)間。
MRS 找水方法測(cè)量的參數(shù)有E0、T2*、φ0。該方法能直接找水，主要是因?yàn)檫@些參數(shù)的變化能直接反映地下含水層的賦存狀態(tài)和特征。
MRS 信號(hào)初始振幅E0
E0 值的大小與含水層的含水量成正比，隨q 值變化形成測(cè)深曲線，通常用E0q 曲線表示。對(duì)該曲線（原始資料）進(jìn)行解釋后就可得到該測(cè)深點(diǎn)探測(cè)范圍內(nèi)的水文地質(zhì)參數(shù)，包括含水層的深度、厚度和單位體積的含水量。
MRS 信號(hào)平均衰減時(shí)間T2 *
MRS 信號(hào)平均衰減時(shí)間用T2 *表示，單位為毫秒（ms）。每個(gè)激發(fā)脈沖矩q 均可以得到一條E0 隨時(shí)間按指數(shù)規(guī)律衰減的E0t 曲線，由此曲線可以求出該q 值探測(cè)深度內(nèi)含水層的T2 *。T2 *值的大小可反映含水層類型（平均孔隙度）的信息。國(guó)內(nèi)外的研究統(tǒng)計(jì)規(guī)律表明，自由水和束縛水具有不同的T2 *值，自由水的T2 *變化范圍在30 毫秒至1000 毫秒之間。而束縛水的T2 *小于30 毫秒。由于MRS找水儀的電流脈沖的間歇時(shí)間是30 毫秒，因此，MRS 找水儀接收不到束縛水的MRS 信號(hào)。
MRS 信號(hào)初始相位φ0
初始相位是天線中激發(fā)的電流與測(cè)量到的衰減電壓之間的相位差。MRS 信號(hào)的初始相位反映地下巖石的導(dǎo)電性。
3）反演解釋具有量化的特點(diǎn)，信息量豐富
核磁共振方法可將核磁共振信號(hào)解釋為某些水文地質(zhì)參數(shù)和含水層的幾何參數(shù)。在該方法的探測(cè)深度范圍內(nèi),可以給出定量解釋結(jié)果，確定出含水層的深度、厚度、單位體積含水量，并可提供含水層平均孔隙度的信息。
4）經(jīng)濟(jì)、快速
完成一個(gè)核磁共振測(cè)深點(diǎn)的費(fèi)用僅為一個(gè)水文地質(zhì)勘探鉆孔費(fèi)用的十分之一，并可以快速地提供出打井位置及劃定找水遠(yuǎn)景區(qū)。
5）缺點(diǎn)
核磁共振的缺點(diǎn)是探測(cè)最大深度僅為150米，尚不能探測(cè)埋藏深度大于150米的地下水；此外，由于核磁共振找水儀的靈敏度高，可以接收納伏級(jí)的信號(hào)，故容易受電磁噪聲干擾，在電磁噪聲干擾強(qiáng)的區(qū)段不能開展工作。這是該方法的一大缺點(diǎn)。目前，主要通過(guò)改變天線形狀和增加信號(hào)疊加次數(shù)來(lái)提高信噪比。
性能指標(biāo)
組件
- 1臺(tái)發(fā)射、接收器測(cè)定脈沖發(fā)生和信號(hào)
- PC機(jī)控制整個(gè)系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集和解釋
- 2個(gè)變頻器的電源含2節(jié)12V電池組
- 2個(gè)調(diào)諧單元控制激磁能
- 發(fā)射和接收線圈
DC/DC 變頻器
- 電源: 2節(jié)12V電池(每節(jié)65Ah)
- 6-8個(gè)小時(shí)自動(dòng)讀數(shù)
- 電容量: 0.07F
- 輸出: ±430V DC; 0.5 A
- 并聯(lián)2個(gè)變頻器
- 尺寸: 43×30×43cm
- 重量：24Kg
Tx/Rx發(fā)送器和接收器
- 尺寸: 43×30×43cm
- 重量: 24Kg
發(fā)送器參數(shù)
- 由一個(gè)或兩個(gè)DC/DC 變頻器補(bǔ)給
- 頻率范圍: 0.8-3 kHz
- 最大輸出: 4000V, 450A
- 振幅脈沖及持續(xù)時(shí)間: 可程控
- 脈沖間隔: 40msb標(biāo)準(zhǔn)脈沖持續(xù)時(shí)間為100-18000A.ms
接收器參數(shù):
- 帶通濾波器譜儀寬度: 100 Hz
- 增益范圍: 1010-106
- 信噪比高: < 10nV/sqrt (Hz)
- A/D變頻器: 14 bits
- 腮頻率:頻率4次
- 變相參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)程序
- T2*(1個(gè)變頻器) 和T2*和T1 (2個(gè)變頻器) 測(cè)量值
調(diào)諧單元
- 根據(jù)電容調(diào)諧拉摩爾進(jìn)動(dòng)頻率的線圈
- 1個(gè)調(diào)諧單元的電容量為6-30µF, 2個(gè)調(diào)諧單元達(dá)60µF
- 尺寸：43×30×34cm
- 重量: 20Kg
發(fā)射/接收線圈
- 電線為100m, 10mm2 卷筒
- 150米勘測(cè)：
6卷筒, 電阻1.0ohm, 1.2 mH
- 100米勘測(cè)：
4卷筒, 電阻0.7ohm, 0.8 mH
- 其它線圈配置（按需求）
PC機(jī)
- 控制整個(gè)系統(tǒng): 變頻器、發(fā)射器、接收器
- 數(shù)據(jù)傳輸: DFT 和加權(quán)棧
數(shù)據(jù)解釋: 1維反演算法 | 
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