核磁共振测深方法的新进展.pdf

1、第 13 卷 第 2 期 CT 理论与应用研究 Vol.13 No.2 2004 年 5 月 (610) CT Theory and Applications May, 2004 *收稿日期： 2004-02-28。 文章编号 ： 1004-4140（ 2004） 02-0006-05 核磁共振测深方法的新进展 李振宇 1 , 高秀花 2 , 潘玉玲 1 (1. 中国地质大学（武汉）地球物理与空间信息学院，武汉 430074； 2.中国地质大学（北京）水资源与环境工程学院，北京 100083) 摘要： 核磁共振测深（ MRS）方法是目前唯一直接探查地下水的新方法。本文概要介绍了参加第二届核磁共

2、振测深（ MRS ）国际学术研讨会的主要收获。阐述了 核磁共振找水仪的研制和进展以及 扩大了 MRS 方法的应用领域 方面的情况。 在应用 MRS 方法探测地下水 取 得很大成效的 此基础上， 我们 率先用 MRS 方法 进行了 三峡 滑坡监测和 秦始皇陵 考古工作 ，又取得了新成果。 关键词 ： 核磁共振测深 ； 国际学术研讨会 ； 滑坡监测 ； 考古 中图分类号 ： P315.3 + 1 ； TP 391 . 41 文献标识码 : A New progress of Magnetic Resonance Sounding (MRS)Method A Record of Events of

3、Taking Part in the 2nd MRS International Workshop LI Zhen-yu1 ， GAO Xiu-hua2 ， PAN Yu-ling1 (1.China University of Geosciences (Wuhan),Department of Geophysics and Space Information 430074, China; 2. China University of Geosciences (Beijing), Department of Water Resources and Environment Engineering

4、 100083,China) Abstract: Magnetic Resonance Sounding (MRS) is the only geophysical new method of directly detecting underground water at present. In this paper the main gains of taking part in the 2nd MRS international workshop are introduced, development and progress of hydroscope and applications

5、of MRS method are considered. On the basis of the MRS successful application in the detection of underground water, using MRS method new progress has been made in slide monitoring of Three Gorges and archeology of the first Qin dynasty imperator mausoleum for the first time. Key words: Magnetic Reso

6、nance Sounding (MRS); international workshop; slide monitoring； archeology. 1 第二届核磁共振测深（ MRS ）国际学术研讨会概况 第二届 MRS 在地下水勘查中的应用国际学术研讨会 2003 年 11 月 19 日 21 日在法国奥尔良召开。 1.1 第二届 MRS 研讨会 的主题 研讨会的主题是：对地表下含水层（地下水） MRS 响应模拟（模型）； 数据处理和反演；野外工作对策；数据采集和质量控制方面的经验； MRS 和其它地球物理资料的综合应用和解释； MRS 资料的校正和确认问题；含水层几何形状和水动力学性质特

7、征；开发MRS 方法的前景。 2 期 李振宇，潘玉玲等：核磁共振测深方法的新进展 7 中国地质大学（武汉）地球物理与空间信息学院潘玉玲教授和李振宇高级工程师应法国地质调查局的邀请，于 2003 年 11 月 18 日赴法国，出席了本次国际学术研讨会，他们是出席本次国际学术研讨会的唯一的两位中国代表。出席国际学术研讨会的有来自阿尔及利亚、澳大利亚、 布基纳法索、中国、丹麦、法国、德国、英国、印度、约旦、荷兰、尼日利亚、俄罗斯、西班牙、美国等十五个国家近八十多位代表，会聚于奥尔良。代表们共提交研究论文数十篇，出版了会议论文集，并刻录了光盘。研讨会圆满完成了会议所有议程。 1.2 研讨会主要议程 研

8、讨会主要议程是：大会学术报告；参观、考察了研制地面 MRS 仪器的厂家法国 IRIS 公司； 参观、演示 MRS 新仪器：在法国地质调查局的试验场地，由 IRIS 公司野外现场演示该公司最近研制出的轻便型地面 MRS 仪器 NUMISLite；大会讨论和总结。本次研讨会开的很成功 。 1.3 主要收获 应邀出席研讨会的中国代表只有 2 人，提交学术论文 2 篇（已纳入研讨会文集），并在大会上做了报告，论文和报告内容引起代表们的极大的兴趣，让世界了解了中国，中国则了解了世界。 1.3.1 宣传了中国探查地下水的成就，让世界了解中国： 了解了其他国家同行们应用 MRS 现状，对比了我们应用和研究

9、MRS 的地位和水平。 与其它国家对比，总体上我们应用和研究 MRS 方法探查地下水方面达到世界先进水平；在应用 MRS 方法监测滑坡、考古方面达到世界领先水平 。 中国应用和研究 MRS 方法特点是 1,2,3 ：引进 IR IS 公司的仪器多： 3 套 NUMIS 、 3 套 NUMIS Plus ；用 MRS 方法探查地下水工作面积大： 14 省（区）， 12 个省（区）由中国地质大学勘查到地下水类型多（孔隙水、裂隙水、喀斯特水）；率先将 MRS 方法已应用到新领域：工程地质、考古方面 。 上述成果，是我们以研究成果指导找水实践的结果。近年来，核磁共振组主要成员主持和参加了多项国家重点科

10、研项目和完成数十项横项项目。 2000 年，出版了中国第一部地面核磁共振找水理论和方法专著 4，已与法国、澳大利亚、韩国、朝鲜、日本、越南等国家学者进行交流，在本次研讨会上，荷 兰学者 JEAN Roy 评价说：这是目前世界上第一本完整的 MRS 方法著作。此外，将 MRS 找水新方法与中国实际相结合，总结出了一套适合中国国情的物探找水方法和技术，即注重直接、间接（传统方法）物探找水方法的对比研究，建立起合理的工作程序，提高了物探找水方法资料解释的技术水平，使找水布钻成功率达 90以上。 1.3.2 了解了 MRS 方法的现状和发展趋势，找到我们工作的不足： 中国的 MRS 方法的基础、应用基

11、础理论研究的工作力度不够，人力和物力投入均相对不足。德国柏林技术大学在这方面做了许多工作，值得我们学习和借鉴。在 MRS 的仪器研制方面是法国的 IRIS 公司 为唯一商品仪器制造厂家，世界各国使用的仪器都是该公司产品，唯有俄罗斯在使用他们自己研制的核磁共振层析找水仪（ HYDROSCOPE3B）。 目前，中国还没有国产的该类仪器。尽管几年来我们为 MRS 仪器和找水产业国产化积累了经验和人才、技术储备，但是，仪器的国产化资金无着落。中国现有的 NUMIS 与 NUMISPlus 相比的差距是： 仪器 (NUMIS)笨重 ； 勘探深度仅为 100m;水文地质信息不如 NUMISPlus 丰富。

12、 3.1.3 结识了新朋友，促进了各国学者的交流，探讨了共同 关心的 MRS 方法应用和发展前景的有关问题 ：如何把 MRS 方法的信息转换为水文地质信息：孔隙率、渗透系数、导水能力、含水层描述、如何确认水文地质情况；各种物性参数的利用与 MRS 方法信息三维描述； MRS 未来发展需要研究；扩大 MRS 的应用领域；如何改进 MRS 的抗干扰和仪器研制等问题。 8 CT 理论与应用研究 13 卷 2 核磁共振找水仪的研制及进展 目前， NUMIS、 NUMISPlus和 、 NUMISLite 均是由 PC 机控制的当今世界上最先进的直接探测地下水的设备。它们都是 IRIS 公司的产品，其中

13、最先推出的是 NUMIS，中国共引进 3 套 NUMIS，其 探测深度为 100m，比较笨重。 1999 年 IRIS 公司将 NUMIS 升级为 NUMIS Plus。 NUMIS Plus 除了具有 NUMIS 全部功能外，是一套比 NUMIS 具有更大的发射功率（瞬时最大输出功率为 450 A、 4 000 V）、更大深度（ 150 m）、模块式的找水设备 5。该设备每个部分的重量都在 25 kg 以内，便于一个人搬送。 为了适用于浅部（ 50 m 以内）地下水勘查和解决浅部工程地质问题， 2003 年 IRIS 公司又推出轻便型 MRS 仪器 NUMISLite。目前，直接探测地下水的

14、商品仪器是 NUMISPlus 和 、 NUMISLite。 NUMISPlus 系统的主要软件 有：测试软件、数据采集控制软件、解释软件。在上述软件支持下， MRS 方法的测量参数和反演解释获得的水文地质参数见表。 表 1 NUMISPlus 和 NUMISLite 系统的实测和解释参数 Tab.1 Measured and interpreted parameters of NUMISPlus and NUMISLite MRS 方法测量参数 MRS 方法解释参数 NMR 信号初始振幅 E0（ nV） 含水量（有效孔隙度） NMR 信号横向衰减时间常数 T2 * (ms) 孔隙大小 NMR

15、 信号纵向衰减时间常数 T1 (ms) 渗透系数（ m/s） NMR 信号的初始相位 （度） 含水层的导电性（电阻率） 2.1 NUMISLite 和 NUMISPlus 的组成硬件技术指标对比 由表 2 可知 NUMISLite 和 NUMISPlus 组成单元。除仪器原理、仪器各单元的作用相同外，由于两类仪器的探查深度、轻便程度不同，故在制造工艺、技术指标等方 面有明显差别；由表可见， NUMISLite 是一个体积小、重量轻、轻便型的找水设备，适用于浅部（ 50 m 以内）地下水勘查和解决浅部工程地质问题。 NUMISPlus发射功率大、探查深度大（ 150 m）模块式直接找水设备。 表

16、 2 NUMISPlus 和 NUMISLite 硬件技术指标对比 Tab.2 Technical specifications comparison of NUMISPlus and NUMISLite 对比内容 NUMISPlus NUMISLite 1.DC/DC 单元 最大输出 430 V， 0.5 A 110 V， 0.5 A DC/DC 个数 2 1 尺寸与重量 43 30 43 cm， 24 kg 43 30 33 cm 2 调谐单元 尺寸与重量 43 30 34 cm， 20 kg 与 .DC/DC 单元合并为一体， 21 kg 3.发射机 /接收机主单元 尺寸与重量 43 3

17、0 43 cm； 24 kg 43 30 30 cm； 19 kg 频率范围 0.8 3 kHz 1.4 3 kHz 瞬间最大输出 4000 V， 450 A 1 000 V， 150 A 发射强度（脉冲矩范围） 100 18 000 A .ms 100 6 000 A .ms 4 天线 总长度与卷数 600 m（ 100 m 6 卷 ） 240 m， 60 m 4 卷 导线截面积 10 mm2 6 mm2 5.探测深度 150 m 50 m 2 期 李振宇，潘玉玲等：核磁共振测深方法的新进展 9 3 MRS 方法应用的新领域 自 1997 年中国地质大学引进 NUMIS 系统以来 ，我们结合

18、中国的实际，在大面积地下淡水资源普查工作中应用 MRS 方法；解决重大工程项目的水源地、支援工、农业和国防建设中探查到各种类型的地下水（喀斯特水、孔隙水、裂隙水、地下热水）中应用 MRS 方法。并在我们的科研成果的指导下，总结了在我国应用 MRS 方法探测地下水的应用效果和特点，在此基础上，扩大了 MRS 方法的应用领域。我们率先用 MRS 方法进行了滑坡监测和考古工作。 3.1 中国地质大学利用 NUMIS 系统在三峡滑坡监测中得到了良好的地质效果 在总结应用 MRS 方法探测地下水的经验的同时，考虑了 MRS 方法特点，我 们研究了工程地质和考古方面工作需要和可能性，在工程地质和考古方面应

19、用了 MRS 方法，在三峡滑坡监测和秦皇陵勘测中，已取得中外瞩目的科研成果 6。 MRS 方法原理已指出，在有地下水活动地段，就有核磁共振信号响应，因此， MRS 方法可以用来查明研究地段（滑坡发育地段）有或无地下水的活动情况。利用 NUMIS（或 NUMISPlus或 NUMISLite）系统配备的软件对采集信号进行处理和解释，给出了各含水层深度、厚度和表中的定量解释结果。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。 我们利用 NUMIS 系统对三峡滑坡进行监测的原理，也是基于查明监测地段地下水的活动情况，因为地下水的存在与运移状况直接影响滑坡的稳定性，地下水是滑

20、坡发生的润滑剂，所以，近三年来，把 MRS 方法应用在三峡滑坡监测中（国家自然科学基金项目用核磁共振方法对三峡巴东地区滑坡的监测），在丰水期和枯水区监测地下水活动的情况表明，地下含水层的位置和滑坡面的位置是完全一致的，这一结论已被钻探结果所证实 7。事实说明了 MRS 方法解释结果的正确性和监测滑坡的可能性，为监测滑坡提供了新手段。 3.2 用 MRS 方法进行考古 国家 863 计 划考古遥感与地球物理综合探测技术课题，总目标以秦皇陵区为对象，利用遥感与地球物理综合探测技术进行无损勘查。该研究已于 2002 年 11 月 15 日正式启动， 2003 年 7月 30 日外业工作结束。该课题

21、取得非常有价值的研究成果 ， 2003 年年底通过国家科委正式验收。 参与该项目的专家曾运用遥感、 物探等多种方法，对秦皇陵区地宫进行无损测查，但均不能确定地宫中有没有进水。 地面核磁共振测量探测任务是，利用直接寻找地下水的 MRS 方法，查明封土堆下的含水层的情况。这是世界上核磁共振技术首次用于考古。 2002 年 12 月底，我们在 秦皇陵封土堆上及其附近，进行了地面 MRS 方法测量，通过精细施工，采集到了 5 个测深点的数据，其中 4 个测深点位于秦皇陵封土堆上，另 1 个位于封土堆排水渠南边。并经过精细处理和反演发现，封土堆上的 4 个测深点下方都有两个含水层，图 1 是 MRS方法

22、在封土堆上的东西剖面推断解释结果：两个含水层分别位于海拔 480 490 米和海拔 440 米深处，而在海拔 440 米 480 米区段是无水区。但在封土堆排水渠南边的测深点推断解释结果则不一样，即在相同海拔高程之间（ 440 米 480 米 ）却为含水区。 在其它物探方法推测的基础上，我们的探测结 果说明了地宫就位于海拔 440 米至 480 米的封土堆下，而且地宫中没有进水， 为推断地宫的完好性提供了重要依据；同时也说明了 周围的排水渠仍在发挥作用。 利用遥感与地球物理综合探测技术对秦始陵区进行无损勘查，意义非常重大，地宫则是秦皇陵的主体。本次秦皇陵考古 的无损勘查成果 ，对考古工作有重大

23、的指导作用。 10 CT 理论与应用研究 13 卷 图 1 秦皇陵 封土堆上 MRS 方法在东西剖面推断解释结果 6 Fig.1 MRS Result in Mausoleum of Firs Qin Emperor 4 今后研究方向和建议 4.1 加强 MRS 方法资料的二维、三维反演解释和成图研究， 以便提供更多的水文地质信息和提高MRS 资料的可视化程度。 4.2 继续扩大 MRS 方法应用领域的研究与实践， 其重点是堤坝安全、高速公路检测和考古研究与实践。 4.3 建议保持 MRS 方法研究人员的相对稳定不断提高研究人员的技术水平。 4.4 仪器研制方面的工作 一是筹措资金，加速 MR

24、S 仪器国产化的进程，形成民族化的找水产业；二是建议设备更新， 将 NUISM 升级为 NUMIS Plus 或者购买新仪器 。 参考文献： 1万 乐，潘玉玲 .利用核磁共振方法探查岩溶水 .CT 理论与应用研究 J.1999, 8 (3) ,1519. 2潘玉玲，万乐，袁照令，李振宇 .核磁共振找水方法现状和 发展趋势 J地质科技情报， 2000,19 (1),105108. 3 PAN Yuling1,LI Zhenyu1,DENG Jingwu2, ZHANG Bing1. Application Examples of SNMR Method in Hydrogeological In

25、vestigations in China. Proceedings of MRS 2ndinternational workshop on the Magnetic Resonance Sounding method applied to non-invasive groundwater investigationsC. France,Orleans： 2003,pp8992. 4潘玉玲，张昌达等 .地面核磁共振找水理论和方法 M.武汉：中国地质大学出版社， 2000. 5潘玉玲 ,JEAN Bernard. 地面核磁共振找水仪及其在水文地质调查工 作中的应用 J.CT 理论与应用研究 ,2

26、000,（增刊）， 3443. 6 Zhenyu LI, Yuling PAN, Huiming TANG, Bing ZHANG, QU Zan. .Application of SNMR method in engineering geology. Proceedings of MRS 2ndinternational workshop on the Magnetic Resonance Sounding method applied to non-invasive groundwater investigationsC. France,Orleans： 2003,pp129133. 作者简介： 李振宇（ 1962 ）男，高级工程师，在读博士，长期从事应用地球物理勘查的教学和 科研工作。