原子核系统中的核子在稳定磁场(此处为地磁场b0)和人工激发场b1的共同作用下,吸收人工激发场的能量产生共振跃迁[2]。
理论上,应用nmr技术的条件是所研究物质的原子核磁矩不为零[4]。
水中氢核具有核子顺磁性,其磁矩不为零。氢核是地层中具有核子顺磁性物质中丰度、旋磁比c的核子。
在稳定的地磁场b0作用下,氢核像陀螺一样绕地磁场方向旋进,其旋进频率(称为拉莫尔频率)f0与地磁场强度b0、旋磁比c关系为式(1)。其中c为一常数[2-3]。
核磁共振找水原理(1)
如果以具有拉莫尔频率f0的交变磁场b1(f0)对地下水中的质子进行激发,即可产生核磁共振现象。
核磁共振找水原理
质子磁矩在磁场作用下的旋进运动
在nmr方法中,通常向铺在地面上的线圈(作为发射及接收线圈,如图2所示)中供入频率为拉莫尔频率、包络为矩形的交变电流脉冲(如图3(a)所示)。
在周围形成交变磁场,激发周围水中的氢核形成宏观磁矩m0,该磁矩在地磁场中产生拉莫尔频率旋进运动。在切断激发电流脉冲后,用同一线圈拾取由m0衰落过程中产生的nmr信号(如3(b)所示)。
核磁共振找水原理
地面nmr找水方法原理示意图
核磁共振找水原理
nmr信号时序示意图
用q=i0s表示电流脉冲矩,其中s为发射矩形电流脉冲持续时间,如图3(a)所示。
q由小到大可使探测深度由浅变深;e0为nmr信号的初始振幅,它的大小反映所对应深度的含水层的含水量;t*2为nmr信号的自旋-自旋弛豫时间；
其大小反映含水岩层平均孔隙度的大小[5];50为nmr信号与激发电流之间的相位差,它反映地下岩层的导电性情况[6]。
核磁共振找水仪由电源、发射与接收等部分组成,如图4所示[7,9]。
核磁共振找水原理
地面核磁共振找水仪组成
在计算机控制下,由单片机和dds等产生如图3(a)所示的拉莫尔激发信号,功率驱动电路将这个信号调制为发射所需的电流,经开关及铺设于地面的电缆发射出激发电磁场。
停止激发后,由快速开关控制电路将电缆转接到放大器输入端。放大器将接收到的nmr信号进行模拟调理后输出给数据采集与处理电路,经数据解释成为检测到的地下水信息。