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第一章 核磁共振（NMR）理论概述和NMR勘探地下水的原理1

第一节 核磁共振（NMR）理论概述1

一、原子核的磁性和核磁共振1

（一）原子核的磁性1

（二）核磁共振3

二、磁矩在磁场中的运动5

（一）拉摩尔进动5

（二）旋转坐标系6

（三）旋转磁场和扳倒角7

三、弛豫作用10

（一）磁化强度和氢核的顺磁性10

（二）自旋-晶格弛豫12

（三）自旋-自旋弛豫13

四、Bloch方程17

（一）Bloch方程17

（二）在恒定磁场和交变磁场作用下M的运动17

第二节 NMR技术勘探地下水的原理19

一、NMR在地球物理学方面的应用19

二、NMR找水方法的前期探索20

三、在地磁场和交变磁场作用下地下含水层的NMR响应21

（一）地面NMR找水方法的工作原理22

（二）早期在俄罗斯的试验工作24

四、多孔介质中液体的弛豫现象27

（一）弛豫与孔隙大小的关系27

（二）估算渗透率的一种方法29

（三）弛豫时间与含水地层类型的经验关系30

第一章参考文献30

第二章 核磁共振找水仪32

第一节 预极化方式32

一、预极化磁场的作用32

二、自由感应衰减信号33

三、同步极化33

第二节 质子磁力仪的基本原理34

一、质子磁力仪的结构34

二、探头的结构35

三、抗干扰的措施35

四、探头的信号幅度及其影响因素36

第三节 地面核磁共振找水仪37

一、核磁共振找水仪与质子磁力仪的对比37

二、NMR找水仪的组成38

（一）发射单元38

（二）接收单元39

第四节 NUMIS工作过程和维护40

一、工作过程40

（一）选择激发（发射）频率40

（二）选择回线（发射／接收天线）的形状41

（三）选择采集参数41

（四）测量NMR信号41

（五）信号的处理及定量解释42

二、仪器的维护42

（一）要配备训练有素的专业人员42

（二）保持良好的工作环境42

（三）特殊部件的注意事项42

（四）DC/DC的格式化42

（五）检查仪器注意事项42

第二章参考文献43

第三章 影响核磁共振找水信号的因素研究44

第一节 导电性对NMR信号影响的特点44

一、正演计算的理论基础45

（一）正演计算的数学模型45

（二）水平含水层上方NMR信号的计算45

二、导电性对NMR信号振幅和相位的影响50

（一）均匀半空间中一个含水层的NMR信号的振幅和相位曲线50

（二）层状大地中两个水平含水层时的NMR信号的振幅曲线50

（三）导电性对NMR信号影响的几点认识54

第二节 地磁场强度和倾角变化对NMR信号的影响55

一、地磁场强度变化对NMR信号的影响55

二、地磁场倾角变化对NMR信号的影响55

三、局部磁性不均匀对NMR信号衰减时间的影响56

第三节 含水岩石类型和含水层赋存状态对NMR信号的影响58

一、含水岩石类型58

（一）含水岩层平均孔隙度与NMR信号衰减时间的关系58

（二）T*2值对NMR信号振幅的影响58

二、含水层赋存状态及其含水量与NMR信号的关系59

（一）含水层深度对NMR信号的影响59

（二）含水量与NMR信号的关系61

第四节 电磁噪声对NMR信号的影响61

一、研究方法61

二、电磁噪声对NMR信号解释结果的影响63

第五节 人为技术因素对NMR信号的影响63

一、天线形状和大小64

（一）天线形状变化对NMR信号的影响64

（二）天线大小对NMR信号的影响64

二、激发脉冲矩大小和个数65

（一）含水层的NMR信号与脉冲矩大小的关系65

（二）激发脉冲矩个数对NMR信号的影响66

三、人为技术因素对NMR信号影响讨论的几点认识69

第三章参考文献70

第四章 NMR信号的采集71

第一节 施工前的准备工作71

一、收集地质和地球物理资料71

（一）区域性水文地质调查71

（二）勘探阶段确定出水井位73

二、了解工作区的地球物理环境——电磁干扰源的分布情况73

三、仪器设备的准备73

（一）发送机电容器的连接73

（二）DC/DC变换器的电容器格式化75

第二节 NMR信号的采集过程75

一、激发频率的选择75

（一）地磁场的测量75

（二）激发频率的确定76

二、线圈形状的选择和敷设77

（一）优化线圈形状77

（二）线圈的敷设78

三、仪器连接78

四、测量参数的选择78

（一）测量范围79

（二）记录长度79

（三）脉冲持续时间79

（四）脉冲矩的个数79

（五）叠加次数79

五、测量步骤79

（一）必须注意的安全事项79

（二）测量步骤80

（三）数据采集80

（四）文件储存81

（五）NMR信号采集中容易出现的几个问题81

第三节 采集高质量信号的技术保障82

（一）避开电磁干扰源82

（二）了解工作地区地层电阻率分布特征82

（三）正确连接仪器各部分82

（四）经常性的仪器维护82

（五）改变线圈形状82

（六）适当增大叠加次数82

（七）地磁场强度测量准确82

（八）对测量质量的监控82

第四章参考文献83

第五章 NMR信号的预处理和反演解释85

第一节 NMR信号的预处理85

一、零时外延85

二、化为标准观测值86

三、噪声滤波86

（一）傅里叶滤波87

（二）多项式圆滑87

四、提供反演解释用的原始数据形式88

第二节 NMR信号的反演解释89

一、反问题的求解过程89

（一）选择反问题的求解方法89

（二）NUMIS系统的反演解释过程91

二、地面NMR找水方法的成果图93

三、由地面NMR资料求取水文地质参数的探讨96

四、提高NMR找水方法资料解释可靠性的研究96

（一）资料的综合研究96

（二）加强NMR信号的正演研究97

（三）培养高素质人才，获取高水平的研究成果97

第五章参考文献97

第六章 地面核磁共振找水方法的应用98

第一节 地面核磁共振找水方法与传统的物探找水方法的对比研究98

一、地下水类型及其地质、地球物理特点概述98

（一）探查基岩裂隙水99

（二）探查山前冲洪积扇区地下水103

（三）探查平原区地下水103

（四）探查黄土区地下水105

二、地面核磁共振找水方法与传统找水方法对比105

第二节 地面核磁共振找水方法的应用107

一、地面NMR找水仪的标定和理论简化模型的试验评价108

二、地面NMR方法探查岩溶水的几则实例109

（一）为岩溶石山地区找水是改善生态环境和解决脱贫的关键109

（二）岩溶发育区常用找水的电阻率方法遇到的地质干扰109

（三）在湖北“非含水区”探查到水质良好的岩溶水（实例1、2）110

（四）在法国St.Cyr-en-Val试验地探查岩溶水（实例3）115

（五）在以色列中部工业区探查区域性喀斯特白云岩中的地下水（实例4）115

三、用地面NMR方法探查其他类型的基岩裂隙水118

（一）在中国湖北孝感探查基岩裂隙水（实例5）118

（二）在南加利福尼亚沙漠区探查砂岩裂隙水（实例6）119

四、用地面NMR方法在火成岩地区探查地下水119

（一）在中国北方某地风化花岗岩地区找到了地下水（实例7）121

（二）在沙特阿拉伯应用地面NMR方法探测破碎花岗岩中的含水层（实例8）121

（三）在葡萄牙摩拉地区应用地面NMR方法探测变质火山岩中的含水层的试验结果（实例9）123

（四）在西班牙应用地面NMR方法对硬岩（花岗岩）地区地下水量化的试验结果（实例10）125

五、用地面NMR方法进行区域性水文地质填图和对地下水资源进行评价127

（一）在哈萨克斯坦用Hydroscope找水仪确定找水远景区（实例11）127

（二）在西班牙国家公园的水文地质调查任务和工作结论（实例12）127

六、地面核磁共振方法探查孔隙水的研究与应用129

（一）在中国河南验收NUMIS系统（实例13）129

（二）在中国广西南丹县八圩乡用地面NMR方法探测水源地（实例14）130

七、地面NMR和TDEM测深相结合评价水质（实例15）130

八、地面NMR方法在中国辽宁大连海滨地下挡水坝勘查中的应用试验（实例16）133

第六章参考文献133

结束语135