地面核磁共振在陕北基岩裂隙水地区找水的应用

2011-02-23姜军，马媛

地下水 2011年5期

姜军，马媛

(1.西安地质矿产研究所，陕西西安710054;2.长安大学环境科学与工程学院，陕西西安710054)

在地面核磁共振(surface nuclear magnetic resonance，简称SNMR)找水方法引进中国之前，所有的物探找水方法都属于间接找水［1］。我国应用NMR方法在前人认为是“无水区”、缺水区和常规物探找水方法难以奏效的地方找到了地下水。基岩裂隙水是中国分布最为普遍的地下水类型之一，基于其特殊的地质、地球物理特征，用常规的地球物理找水方法往往难以取得较好的找水效果［2］。利用核磁共振技术探测地下水是核磁共振技术应用的新领域。由前苏联在上世纪80年代研制成功世界上第一台核磁共振层析找水仪，它是目前唯一一种直接探测地下水的地球物理方法［1］。它利用水中氢核在地磁场的作用下表现出沿地磁场方向的磁矩，在与地磁场垂直的方向上加一个交变磁场去激发地下的氢质子，氢核的磁矩就会偏离地磁场的方向形成宏观磁矩。当激发场停止后，宏观磁矩又会恢复到沿着地磁场的方向并产生微弱的信号，利用该信号就能探测地下水情况。核磁共振在松散层及岩溶地区找水，已有成功的案例，但在层状基岩中尤其是泥岩与砂岩互层的情况下，探明基岩裂隙水是否存在，还有一定的难度。作者在对陕北榆林绥德县地下水勘查工作中，对绥德义合镇地表有明显的风化裂隙发育的地段运用核磁共振方法进行了试探性找水工作。

1 NMR方法的特点

NMR测深有以下特点:(1)直接找水，核磁共振找水方法的原理决定了该方法能够直接找水，在探测深度范围内，若地层中有自由水存在，就会有NMR信号响应，反之，则没有响应;(2)反演解释具有量化的特点，信息量丰富，从NMR测深资料中可以提取含水层的深度、厚度、含水量以及平均孔隙度等参数;(3)经济、快速完成一个核磁共振测点的费用仅为一个水文地质勘探孔费用的1/10［3］。同时NMR测深可以快速地确定出水井位置及圈定找水远景区;(4)其缺点是，日前核磁共振测深还无法探测大于150 m深度的地下水。另外，由于核磁共振找水仪的接收灵敏度高，而NMR信号相对较弱，因此，NMR测深容易受到电磁噪声的干扰。

2 勘查区概况

2.1 自然条件

勘查区行政辖区为榆林市绥德县。东西宽50 km，南北长51.8 km，总面积1708 km2。属暖温带和温带半干旱大陆性季风气候区，多年平均降水量431.3 mm，60%以上集中在七、八、九三个月，年内分配极不均匀，且多阵雨暴雨，由东往西递减;蒸发度一般较大，为降水量的4至5倍，多年平均蒸发量1 685 mm，由南往北递增。水系为黄河水系，主要为黄河一级支流无定河水系。区内较大的河流有黄河、无定河、大理河，各河流量随季节变化较大，年内分配很不均衡。地形属黄土梁峁地区，沟壑纵横、切割强烈、地形十分破碎，海拔约620～1 300 m。

2.2 水文地质条件

区内地下水依据赋存条件、水力特征和含水介质条件，可分为第四系松散层孔隙、裂隙孔洞水和中生界三叠系碎屑岩裂隙水两大类型。其赋存条件受地形地貌、地层岩性诸因素的综合控制。河谷区冲积层厚度小，水系发育，有充足的补给来源，地下水赋存条件较好;黄土梁峁区地势相对较高，地形破碎，沟谷深切，不利于地下水的补给及赋存;三叠系碎屑岩风化带裂隙较发育，有利于地下水赋存，其下裂隙不发育，地下水赋存条件差。

三叠系碎屑岩基岩裂隙水全区均有分布。其赋存条件主要受岩性及裂隙发育程度控制。据物探及钻探资料，三叠系基岩为砂泥岩互层，沿无定河河床两侧地带，浅部基岩(50 m以上)风化带裂隙相对较发育，对地下水的赋存十分有利;而在阶地中后部基岩裂隙不甚发育，地下水赋存条件也相对较差。深部基岩(50 m以下)完整，裂隙不发育，地下水赋存条件差。勘查区地下水的补给来源主要为大气降水入渗及侧向径流。

2.3 区域构造特征

中生代以来，勘查区未遭受强烈构造运动，构造性极不明显。从黄河向勘查区腹地，岩层水平，构造形迹不明显，仅在无定河沿岸绥德崔家湾的朱家寨、雷家俭一带有规模较小零星的褶皱和断裂分布。另外，在绥德满堂川、义合以南无定河支流沟谷中有郝家桥断裂延伸(图1)。上述构造体系在区内具有重要的水文地质意义，一般沿这些褶皱轴向及两翼和断层两盘发育的裂隙以及裂隙密集带，不仅是各类基岩裂隙水赋存的主要空间和运移的主要通道，而且控制着基岩风化裂隙的发育程度和风化强度，对基岩风化带潜水的富集具有相当重要的影响。

图1 勘查区无定河流域构造形迹分布图

义合镇位于无定河支流义合河的上游部位，地表裂隙相对其它地段发育，本次工作试图在该部位基岩破碎地段通过先进的核磁共振方法在寻找基岩裂隙水。

3 核磁共振方法解释实例

在义合拟选点位布设核磁共振物探测量点，探测构造及其破碎带裂隙发育程度，以寻找构造裂隙水为目标，并布设一眼勘探孔(孔深70 m)加以验证浅部地层中含水情况。

SNMR1、2测深点均在义合近南北向褶皱附近，相距不到1 km，沿小河沟西侧布设，共完成2个SNMR测深点。根据工区电磁干扰水平，采用了圆“∞”字形天线(D=50 m)。经过多次试验选取本次核磁共振参数设置如下:

天线形状:正方形/方八字

测量范围:噪声4～5倍

记录长度:240

脉冲持续时间:40

脉冲矩的个数:16

叠加次数:128

核磁共振测深点含水量直方图，横坐标为单位体积含水量(%)，纵坐标为深度(m)，由图2所示的SNMR1测深点含水量直方图可知，工区有2个主要含水层，第1个含水层位于6～10 m深处，含水层的SNMR信号平均衰减时间常数T2*=550 ms;第2个含水层位于19～27 m，其T2*=370 ms。越向下，衰减时间T2*值越小，说明下部地层越来越完整。图3 SNMR2点反映结果不如SNMR1点。

图2 核磁共振反演图(SNMR1)

为了验证测试结果，在测量范围内，选择其中的SNMR1测深点验证，进行钻孔(编号为J－1)施工，J1孔地层如表1:

表1 J1孔地层表

施工结果，钻探岩芯6.60～10.20 m可见基岩裂隙发育，其下为完整的砂岩与泥岩互层，风化微弱。通过抽水试验验证，水位降深 52.98 m，水量只有 20.74 m3/d(0.24 L/s)，说明上部基岩裂隙充水，下部裂隙不发育，处于无水状态，与地面核磁共振解释吻合的很好。从另一侧面说明，核磁共振在绥德地区层状基岩找水也是成功的。