3.3.5.1 方法簡介
核磁***振技術是當前世界上的尖端技術，應用於地下水勘查的研究僅有20多年的歷史。1978年前蘇聯研制了第壹臺核磁***振層析找水儀，1994年法國購買了俄羅斯找水儀專利並開始研制地面核磁感應系統(NUMIS)，1996年法國IRIS公司生產出6臺改進型的NUMIS系統。我國1992年中國地質大學核磁***振科研組對該方法進行了國內外調研，1995～1996年中國地質大學與航遙中心完成“核磁***振找水方法效果預研究”項目，1997年中國地質大學引進了我國首臺NUMIS系統，填補了我國用地球物理方法直接找水的空白，使我國步入了用高新技術直接找水的世界先進行列，經在湖北、河南、廣西、湖南等省區的試驗，已取得了較好的效果。但核磁***振技術目前勘探深度較淺，可靠的深度小於100m，並且NMR測深是體積勘探，即線圈範圍內含水層的綜合反映，加之電磁噪聲幹擾和局部磁性體等因素的影響，部分地區應用效果不明顯。目前國內數據處理及反演解釋程序是以壹維單點解釋為主，而德國在核磁***振技術找水方面已開發研制了數據二維處理軟件，位於世界領先地位，處理精度遠高於壹維數據處理軟件。並正在開發研究野外觀測新技術，壹次布置多個線圈，壹個線圈發射交變電流，多個線圈接收信號，達到提高效率和效果的目的[5]。
3.3.5.1.1 基本原理
是應用核磁感應系統實現對地下水資源的探測，是直接找水的壹種地球物理方法。水中氫核具有核子順磁性，磁矩不為零，是地層中具有核子順磁性物質中豐度最高、磁旋比最大的核子。在穩定的磁場的作用下，氫核像陀螺壹樣繞地磁場方向旋進，其旋進頻率(拉摩爾頻率)與地磁場強度和原子核的磁旋比有關。當對鋪在地面上的線圈(發射線圈)供入頻率為拉摩爾頻率的交變電流時，地中交變電流則形成交變磁場，在磁場的激發下，使地下水中氫核形成宏觀磁矩，這壹宏觀磁矩在地磁場中產生旋進運動，其旋進頻率為氫核所特有。當切斷電流脈沖後，用同壹線圈(接收線圈)拾取由不同激發脈沖矩激發產生的NMR信號，信號強弱或衰減快慢直接與水中質子的數量有關，即NMR信號的幅值與所探測空間內自由水含量成正比。核磁***振找水儀即利用了水中氫核(質子)的弛豫特性差異，觀測、研究地下水的質子產生的核磁***振信號的變化規律，進而探測是否有水存在。也就是說，在核磁***振測深探測範圍內，在信噪比適宜的情況下，地層中有自由水存在，就有NMR信號響應，地層中含水(氫核)越多，NMR信號就越強，反之信號就弱或沒有響應。由信號的幅度和衰減時間常數，可用專門的反演程序，經定量解釋後得到水文地質參數隨深度的變化[6]。
3.3.5.1.2 應用範圍及適用條件
可以解決大量的水文地質及與水環境等有關的問題。主要用於確定該方法探查深度範圍內各含水層巖石結構及分布；定量評價含水層厚度、埋深、含水量；評價不同含水層間水平和垂向分布情況；確定井位、判斷充填物性質等。
由於NMR信號幅值非常微弱，易受電磁噪聲及人文噪聲的幹擾，同時測區及附近存在的局部磁性體也會幹擾NMR信號，所以工作區應盡量避開電力線、電機、電氣機車及火成巖分布區；探測目標埋深應小於100m。
3.3.5.1.3 工作布置原則與觀測方法
正確選擇激發頻率(拉摩爾頻率)：要求地磁場測量誤差小於10 nT，同時註意地磁場的垂向梯度變化情況，在進行測量之前，要通過試驗來確定激發頻率；根據工區內待探查含水層的深度和含水量以及工區電磁幹擾的強弱、方向，優化線圈形狀和科學地敷設線圈。通常使用邊長75m的正方形和直徑為100m的圓形天線，如果環境噪聲大於1500 nV時，選擇能夠降低噪聲水平的∞字形線圈；采集參數的選擇：測量範圍、記錄長度、脈沖持續時間、脈沖矩的個數、疊加次數，全區測量範圍設置應統壹，壹般取4倍平均環境噪聲值；觀測參數有初始振幅E0、初始相位φ0和衰減(弛豫)時間 。
目前采用的是單線圈觀測方法，即發射、接收為同壹線圈，通過轉換開關切換接收NMR信號，屬純異常觀測，受地形和地質因素影響小。
3.3.5.1.4 資料整理及成果解釋
由於NMR信號較弱，易受各種因素影響，為提高解釋可靠性，對實測資料需進行零時外延、化為標準觀測值、噪聲濾波預處理。經處理合格的數據進行各種反演處理，編繪各種成果圖件：含水層參數(含水量、衰減時間)隨深度變化圖及表；NMR測深斷面圖；綜合解釋成果圖等。將觀測到的地球物理數據轉換成水文地質參數，獲取地下各含水層的深度、厚度、含水量和平均孔隙度等，圈定找水遠景區或提供水井井位或用於區分其他物探找水方法的異常性質。
3.3.5.2 試驗情況
為了解巖溶發育的垂向分帶和水平分帶特征及富水性，在實驗區內選擇電測深成果有利地段，以單點形式***布置了四片區15個核磁***振點。萬畝果園2點，大衣村3點，三家村5點，大興堡5點。工作結果，圈出10個富水有利靶區，經4個鉆孔驗證，100m內核磁***振(NMR)推斷的含水層與實際基本吻合。
本次工作使用法國IRIS公司核磁***振系統(NUMIS)，基準頻率為1985 Hz；三家村測點和大興堡1號點因幹擾大，采用直徑50m的∞字形線圈，探測深度60m；其他9個測點均采用邊長75m的方形框，探測深度100m；測量範圍取4倍平均的環境噪聲；記錄長度240ms；脈沖持續時間40ms；脈沖個數為10個；疊加次數80～140次。
3.3.5.3 主要成果
3.3.5.3.1萬畝果園
兩個點均發現二層或三層含水層，1號點下有三個主要含水層，15～25m、25～40m、64～100m，含水量及衰減時間分別為 2.2%、219.7ms；1.1%、639.6ms；5.9%、157.4ms。以深部含水量最大，平均孔隙度最小。2號點下有兩個主要含水層，25～40m、40～64m，衰減時間77.6～148ms，說明平均孔隙度均較小，含水量分別為3.9%、0.7%。以第壹層含水量最大。兩點相距60m，NMR測深結果就存在很大差異，也說明該區巖溶橫向分布的復雜性。
1號點經施工的鉆孔驗證，5m以下進入白雲巖段，主要含水層為83～200m，以蟻食狀溶孔為主，富水性中等，與核磁***振第三含水層對應，只是推斷的深度比實際深度淺20m。鉆孔巖心破碎呈砂狀，NMR反映為孔隙度小、含水量較高的特征。
3.3.5.3.2 大衣村
3個點均發現2～3層含水層(圖3-14)，1號點有三個主要含水層，10～16m、25～40m、64～100m，含水量為1.4%、1.6%、2.3%，衰減時間為54.2ms、69.1ms、77.5ms。三層衰減時間都短，說明平均孔隙度均較小，但以第3層含水量最大。2號點有兩個主要含水層，40～64m、64～100m，含水量均為1.6%，衰減時間455.4ms、730.0ms。兩層含水量都不大，但孔隙率較大。3號點下有兩個含水層，13～22m、60～100m，含水量為2.5%、6.1%，衰減時間76.7ms、147.3ms。第二層水量與孔隙率都比第壹層大。1、2號點相距30m，NMR測深結果也有差異，同樣說明巖溶橫向分布的復雜性。
圖3-14 瀘西小江流域大衣村NMR測深解釋結果與鉆孔資料對比圖
經1號點鉆孔驗證，含水層18.3～31m和31～57m，富水性中等，這兩層與核磁***振第二層含水層對應，只是實際含水層厚度大於NMR推斷的厚度。57～120m的含水層，富水性弱—中等，與核磁***振第三層含水層對應。120～160m的含水層，已超過了NMR探測深度。總體各含水層水量都不大，與實際鉆孔結果是壹致的。
3.3.5.3.3 三家村
5個點均由多個含水層組成，其中有兩個主要含水層，20～40m、40～60m，第壹層含水量小於2.3%，衰減時間變化較大，為148～864ms；第二層含水量為1.4%～4.8%，壹般大於2%，衰減時間400～750ms，說明越往深部含水量越大，巖石越破碎，孔隙率較大。由於該區幹擾較大，采用∞線圈方式，勘探深度較淺，最大達60m。NMR測深結果以4、5、3、2號點為找水有利區。結合水文地質條件綜合分析，選擇2號點處布置鉆孔。根據鉆孔結果，8.9m以下進入白雲巖段，裂隙發育，富水性弱—中等，水量壹般，與2號點測深結果含水量不大(2.4%)的結論基本壹致。
3.3.5.3.4 大興堡
1號點位於煙葉站旁，該地曾經施工了兩個180m深的探采井，巖體較完整，水量極小，未成井。采用∞線圈方式，勘探深度60m，在40～60m內有壹含水層顯示(圖3-15)，含水量4.6%，衰減時間767ms，含水層孔隙度較大，NMR測深結果與探采井結果不壹致。由於巖溶橫向變化大，也不能完全確定1號點線框範圍內不存在含水層。
圖3-15 瀘西小江流域大興堡NMR測深解釋結果與鉆孔資料對比圖
其余各點均有兩個以上的含水層(圖3-15)，以5、3、4號點為有利的找水區，驗證孔即選擇在5號點。5號點有3個主要含水層，16～25m、40～64m、64～100m，含水量為0.7%、1.3%、5.5%，衰減時間116ms、106ms、178ms。以64～100m處含水量較大，鉆孔結果，20.55m以下進入白雲巖段，巖體破碎，節理裂隙發育，富水性強，與NMR測深結果吻合。
3.3.5.4 結論
綜上所述，瀘西巖溶盆地的NMR探測結果，較好地反映了巖溶含水層的分層結構特征，主要含水層對應的NMR信號的衰減(弛豫)時間壹般在100～200ms範圍內，含水量為1.4%～6%，經4個鉆孔驗證，100m內NMR推斷的含水層基本吻合，但NMR推斷的含水層深度部分偏淺，約相差5～20m。少部分NMR測深點結果與鉆孔實際有差異。
在雲南巖溶區找水工作中，NMR方法的應用尚屬首次，僅作了幾個試驗點。由於巖溶發育普遍不均勻，許多地區的巖溶水主要集中於地下溶洞和管道中，而這些溶洞和管道的埋藏和分布位置隨機、變化復雜，目前所使用的各種方法都難於準確地查明巖溶地下水位置，這是巖溶水資源開發所面臨的最大問題。核磁***振技術(NMR)目前勘探深度較淺，可靠的深度小於100m，並且NMR測深是體積勘探，單點解釋結果是發射線圈邊框(70m×70m)範圍內的綜合反映，對確定具體井位影響較大，特別是巖溶含水層橫向變化大，致使解釋成果與實際情況會產生差異。因此對核磁***振圈定的異常，還須采用其他方法縮小靶區，如采用電測深法在NMR異常範圍內進行加密測量，以便能較準確定位。