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地面核磁共振測深儀器NUMIS Plus
——核磁感應系統(tǒng)（MRS）
核磁共振技術是目前世界上唯一的直接找水的地球物理新方法。它應用核磁感應系統(tǒng)（MRS），通過由小到大地改變激發(fā)電流脈沖的幅值和持續(xù)時間，探測由淺到深的含水層的賦存狀態(tài)。相對于傳統(tǒng)的地球物理方法而言，它無需打鉆，是一種無損監(jiān)測。
MRS方法可以解決以下問題：第一，快速圈定找水遠景區(qū)；第二，區(qū)分ρs低阻區(qū)段異常性質，即用MRS方法區(qū)分儲水構造內(nèi)是否有水，有自由水存在，就有MRS信號響應；第三，在MRS方法確定的有水范圍內(nèi)，結合ρs異常的特點確定井位；第四，區(qū)分水質，利用電阻率值的大小來區(qū)分出咸水或淡水；第五，結合激發(fā)極化法異常特點，圈定烴類（含有氫核）污染水的污染范圍和程度；第六，評價堤壩和工程地質中地下水的活動情況、滑坡監(jiān)測、考古等。 
原理：通過測量地層水中的氫核來直接找水。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測量地層。水中的氫核來直接找水。
當施加一個與地磁場（B0）方向不同的外磁場（B1）時，氫核磁矩將偏離地磁場方向，一旦B1 消失，氫核將繞B0 旋進，其磁矩方向恢復到地磁場方向。設旋進頻率（拉摩爾圓頻率）為ω0，氫核的磁旋比為γ，則：
ω0＝ γB0 通過施加具有拉摩爾圓頻率的外磁場，再測量氫核的共振訊號，便可實現(xiàn)核磁共振測量。
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線為矩形。在地中交變電流形成的交變磁場激發(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中產(chǎn)生旋進運動，其旋進頻率為氫核所特有。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，該信號的包絡線呈指數(shù)規(guī)律衰減。MRS 信號強弱或衰減快慢與水中質子的數(shù)量有直接關系，即MRS 信號的幅值與所探測空間內(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，在有地下水活動的地段，就有MRS信號響應，利用NUMIS（或NUMISρLS或NUMISLis）系統(tǒng)配備的軟件對采集的信號進行處理和解釋，就給出了各含
水層的深度、厚度。在沒有地下水活動的地段，MRS方法則無響應，說明被研究地段是完好的。
主要技術：①信號振幅直接反映地下水的含水量；②衰減時間反映地下水巖層的平均孔隙度；③信號相位反映巖層電阻率；④最大探測深度為150米。NUMIS系統(tǒng)是當前最先進的直接找水設備，在世界上多個國家進行過實地應用，應用效果非常理想。
使用優(yōu)點：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，就有核磁共振信號響應，反之則沒有響應，2)核磁共振方法受地質因素影響小。這些優(yōu)點可用來區(qū)分間接找水的電阻率法和電磁測深法卡尼亞視電阻率的異常性質。例如，在我國巖溶發(fā)育區(qū)，特別是在西南巖溶石山缺水地區(qū)，當溶洞、裂隙被泥質充填或含水時，視電阻率均顯示低阻異常，是泥是水難以區(qū)分。核磁共振測深不受泥質充填物干擾，很容易將二者區(qū)分開來。3)在淡水電阻率與其賦存空間介質的電阻率無明顯差異的情況下，電阻率法找水就顯得無能為力，而核磁共振測深卻能夠直接探測出淡水的存在。完成一個核磁共振深點的費用僅為一個水文地質勘探鉆孔費用的1/10，并可以快速地提供出打井位置及劃定找水遠景區(qū).
主要特點
1）NUMIS+是一套具有大發(fā)射功率（瞬時最大輸出功率為450 安、4000 伏特的模塊式找水設備。該設備
每個部分的重量都在25 公斤以內(nèi)，便于一個人搬運。NUMIS+ 輸出功率高（450 安、4000 伏特）、接收靈敏度高（接納伏級信號）并由PC 機控制的直接探測地下水的儀器。
- Tx/Rx單元: 組成NUMIS+的核心部分. 它保證脈沖在拉摩爾進動的應用. 同時MRS測定控制過濾、放大和分析數(shù)字轉換。.
- PC機接收原始數(shù)據(jù), 然后進行處理、顯示、儲存.
- 勘探深度150米需要2個DC/DC變頻器，配備150米的四方形線圈(總長600米). 勘探深度100米只需要1個變頻器, 也相應配備100米的四方形線圈.(總長400米).
- 低緯度航磁，必須使用2個調(diào)諧單元(因為大地磁場低于31000nT，需要150m四方形線圈; 磁場37000nT，需要100m四方形線圈)。然而中高緯度航磁只需要1個調(diào)諧單元.
2）直接找水
MRS方法具有如下優(yōu)點：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
法的探測深度范圍內(nèi)，只要地層中有自由水存在，就有MRS 信號響應，反之則沒有響應；其次，MRS 方
法受地質因素影響小。這些優(yōu)點可用來區(qū)分間接找水的電阻率法和電磁測深法卡尼亞視電阻率的異常地
質。此外，在淡水電阻率與其賦存空間介質的電阻率無明顯差異的情況下，而MRS 測深卻能夠直接探測
出淡水的存在。MRS 方法采用測深方式，通過改變激發(fā)脈沖矩q，實現(xiàn)不同深度的測量。
q ＝ I0t 式中I0 為脈沖電流的幅值，t 為脈沖電流的持續(xù)時間。
MRS 找水方法測量的參數(shù)有E0、T2*、φ0。該方法能直接找水，主要是因為這些參數(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 值變化形成測深曲線，通常用E0q 曲線表示。對該曲線（原始資料）進行解釋后就可得到該測深點探測范圍內(nèi)的水文地質參數(shù)，包括含水層的深度、厚度和單位體積的含水量。
MRS 信號平均衰減時間T2 *
MRS 信號平均衰減時間用T2 *表示，單位為毫秒（ms）。每個激發(fā)脈沖矩q 均可以得到一條E0 隨時間按指數(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。國內(nèi)外的研究統(tǒng)計規(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間是30 毫秒，因此，MRS 找水儀接收不到束縛水的MRS 信號。
MRS 信號初始相位φ0
初始相位是天線中激發(fā)的電流與測量到的衰減電壓之間的相位差。MRS 信號的初始相位反映地下巖石的導電性。
3）反演解釋具有量化的特點，信息量豐富
核磁共振方法可將核磁共振信號解釋為某些水文地質參數(shù)和含水層的幾何參數(shù)。在該方法的探測深度范圍內(nèi),可以給出定量解釋結果，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、快速
完成一個核磁共振測深點的費用僅為一個水文地質勘探鉆孔費用的十分之一，并可以快速地提供出打井位置及劃定找水遠景區(qū)。
5）缺點
核磁共振的缺點是探測最大深度僅為150米，尚不能探測埋藏深度大于150米的地下水；此外，由于核磁共振找水儀的靈敏度高，可以接收納伏級的信號，故容易受電磁噪聲干擾，在電磁噪聲干擾強的區(qū)段不能開展工作。這是該方法的一大缺點。目前，主要通過改變天線形狀和增加信號疊加次數(shù)來提高信噪比。
性能指標
組件
- 1臺發(fā)射、接收器測定脈沖發(fā)生和信號
- PC機控制整個系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集和解釋
- 2個變頻器的電源含2節(jié)12V電池組
- 2個調(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個小時自動讀數(shù)
- 電容量: 0.07F
- 輸出: ±430V DC; 0.5 A
- 并聯(lián)2個變頻器
- 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)
- 由一個或兩個DC/DC 變頻器補給
- 頻率范圍: 0.8-3 kHz
- 最大輸出: 4000V, 450A
- 振幅脈沖及持續(xù)時間: 可程控
- 脈沖間隔: 40msb標準脈沖持續(xù)時間為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)的標準程序
- T2*(1個變頻器) 和T2*和T1 (2個變頻器) 測量值
調(diào)諧單元
- 根據(jù)電容調(diào)諧拉摩爾進動頻率的線圈
- 1個調(diào)諧單元的電容量為6-30µF, 2個調(diào)諧單元達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：
6卷筒, 電阻1.0ohm, 1.2 mH
- 100米勘測：
4卷筒, 電阻0.7ohm, 0.8 mH
- 其它線圈配置（按需求）
PC機
- 控制整個系統(tǒng): 變頻器、發(fā)射器、接收器
- 數(shù)據(jù)傳輸: DFT 和加權棧
數(shù)據(jù)解釋: 1維反演算法 | 
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