自旋回波在地面核磁共振找水技术中的应用研究

吴云+张轶+周晓颖

摘 要 地面核磁共振找水技术是目前所有地球物理勘探方法中唯一能够直接寻找地下水的方法，该方法已经在许多地方取得了明显找水效果。但是，该方法在实际应用中受到诸多影响因素的制约。文章尝试将自旋回波技术应用于地面核磁共振找水中，以克服磁性不均匀对该方法所带来的影响，对今后在火成岩、磁铁矿地区找水工作提供参资料。

关键词 核磁共振；磁性不均匀；自旋回波；克服

中图分类号：P631 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）02-0008-01

地面核磁共振找水（SNMR）是一种能够直接探测地下水的新技术，另外它是一种体积勘探的方法，能够对发射线圈所覆盖的范围进行探测，再结合钻孔资料就可以快速标定理想出水井位并圈定出找水远景区。但也受到一些外界因素的影响（如地层导电性、地磁场、工区地形等），本文尝试将自旋回波技术应用于地面核磁共振找水中，以克服磁性不均匀对该方法所带来的影响。

1 地面核磁共振信号相关基本理论

在地面向发射线圈通入交变电流脉冲，在线圈一定范围内形成激发磁场，地下含水体对该激发磁场作出响应，地面接收线圈中会产生感应电动势表达式为：

（1）

上述表达式里：是自由感应衰减信号的横向弛豫时间，量纲为；是自由感应衰减信号的初始相位，与含水层上覆介质的导电性有关，量纲为度；自由感应衰减信号初始振幅用表示，其计算表达式为：

（2）

式中：圆频率，为氢质子的磁化强度，，是激发场垂直于地磁场的分量，激发半径，代表地层的电阻率分布。

我们通常会将问题简化成为一维的，并且假设含水层与上覆地层都呈水平层状，地层电阻率在垂直方向上的分布也是已知的，则式（2）可以改写成：

（3）

式中：，为SNMR信号的核函数；含水量用表示，的值介于0和1之间。

2 磁性不均匀对SNMR信号振幅的影响

在野外实际工作中，我们首先使用质子磁力仪测定工区内的地磁场强度，然而地磁场水平梯度的存在使得我们选取的值总会存在一定偏差，由此而换算出的拉莫尔频率也会与地下水的真实拉莫尔频率不匹配；而地磁场垂直方向上的梯度则导致深部含水层的拉莫尔频率与浅部不同，导致不能产生核磁共振现象，影响整个找水工作的准确性与有效性。

3 磁性不均匀对SNMR信号T2*的影响

在火成岩或玄武岩地区或是探测范围内有局部磁性体时，造成静磁场的不均匀性，导致地磁场在水平方向或垂直方向存在磁场梯度，磁场梯度直接影响对地下含水层拉莫尔频率的确定。

T2*与理想条件下均匀磁场中的自由感应衰减的T2的关系为：

（4）

式中：为静磁场的梯度，反映了B0的不均匀性。

4 自旋回波基本理论

自旋回波（spinecho）脉冲序列由90?～τ～180?～τ回波组成。首先使用90?脉冲作为激发脉冲，该脉冲使磁化矢量扳转90?到X-Y平面上，磁化矢量强度纵向分量MZ=0，水平分量MXY=M0。然后撤去外部射频脉冲作用，随着接收线圈中产生自由感应衰减信号（FID），MXY逐渐衰减，由于外部磁场的非均匀性，自由感应信号衰减时间常数为T2*，为了能够消除磁场不均匀造成的影响，在经过时间τ=TE/2后施加180?脉冲，这时在接收线圈中出现一个先增长后衰减的信号，最大值在t=TE处出现，这一信号就是自旋回波，该信号的最大值取决于被测样品本身的横向弛豫时间T2。

自旋回波的产生过程实际上就是质子磁矩散相到重聚的过程，这个过程随着180?脉冲的不断重复作用而不断产生，信号包络线呈负指数规律衰减，样品本身的横向弛豫时间不受磁场不均匀的影响。

5 将SE应用到SNMR方法中的理论推导

在同一个记录点上，用两个连续的激发脉冲q1和q2进行测量，q1和q2相隔时间为τe，自旋回波串可在两个脉冲结束后的τe观测。我们假定在近地表、地下为水平层状介质，在相同电流I0条件下，式（2）又可表示成：

（5）

式（4）中，M⊥表示为：

（6）

式中，M0指质子的核磁矩；q1和q2分别指前后两个时间的脉冲矩。

观测到的弛豫信号是按指数规律衰减的，在时间2τe可以表示为：

（7）

式中：T2MRS指的是观测到的弛豫时间，而且，T2MRS≈T2。

6 地面核磁共振信号（FID）与自旋回波信号（SE）对比

为了便于对比，核磁共振信号正演和自旋回波信号正演都选取了相同的模型计算条件。正演软件采用法国NUMIS地面核磁共振找水系统自带的软件。

模型计算条件：地磁场倾角40°固定，线圈类型为大圆形，线圈直径为100 m，10 m含水层，含水量n=100%，T2*=300 ms，地层电阻率ρ=200Ω·m，地磁场强度为变量，大小为30000 nT～60000 nT。

1）自由感应信衰减信号和自旋回波信号的核函数都呈现一个方向的对称性，这主要是由地磁场的倾斜方向所决定的，核函数中包含有垂直场，它垂直于地磁场，因此核函数取值呈对称分布。

2）随着磁场强度的增大，到达地层中同一深度的电磁能量加强，此时对含水层的分辨率提高，尤其是对浅部较薄含水层的分辨能力增大。

3）当磁场大小相同时，在同一深度上自由感应信号核函数取值较为集中，即能量分布较为均匀，而自选回波信号核函数取值较为分散。

自旋回波信号幅值较自由感应信号幅值要小一些。在曲线形态上，差别不大。自旋回波对于含水层需要一个特定的带宽（即两个激发脉冲的持续宽度），会降低信噪比。

7 结束语

目前将自旋回波技术应用于地面核磁共振中我国还处于起步研究阶段，国际上，也只有法国和美国的少数学者进行了理论研究，因此如果能将该技术进行深入研究并投入实际应用，其意义必将重大。但是目前也存在一些问题，因此需要广泛地借鉴自旋回波法在生物医学、光谱学以及核磁共振测井上的成功经验，本文也只是初步进行尝试，还须进一步研究。

参考文献

[1]潘玉玲，张昌达.地面核磁共振找水理论与方法[M].武汉：中国地质大学出版社，2000.

[2]叶永泉.基于快速自旋回波的功能磁共振方法研究[D].中国科学院生物物理研究所，2009.endprint