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磁共振測深原理與工程應用 版權信息
- ISBN:9787030683908
- 條形碼:9787030683908 ; 978-7-03-068390-8
- 裝幀:一般膠版紙
- 冊數:暫無
- 重量:暫無
- 所屬分類:>
磁共振測深原理與工程應用 內容簡介
磁共振測深是基于核磁共振理論為原理找水的地球物理新方法。本書~4章論述磁共振測深的基礎理論和原理,介紹該方法的正演計算、數據處理和反演解釋的新方法。第5~11章介紹磁共振測深儀器原理、組成、工作方法及儀器維護,闡述該方法對各類地下水資源探測、考古和文物保護中的應用成果、地質災害(滑坡、堤壩)探測/檢測,還介紹該方法在凍土及陸域水合物研究中的應用、在生態環境(地下水被烴類物污染)檢測中的作用。
磁共振測深原理與工程應用 目錄
第0章 緒論 1
0.1 核磁共振現象的發現 2
0.2 核磁共振技術的應用和發展 2
0.2.1 核磁共振技術在地球科學中的應用和發展 2
0.2.2 核磁共振找水方法的出現和儀器研制 3
0.2.3 新型的核磁共振找水儀問世 3
0.3 磁共振測深方法在中國的應用和發展 4
0.4 磁共振測深找水方法的特點 5
0.5 磁共振測深發展展望 6
0.5.1 探求磁共振測深數據處理的新方法 7
0.5.2 研究磁共振測深反演的新方法 7
0.5.3 對磁共振測深儀器改進與研制 7
0.5.4 擴大磁共振測深應用領域 8
參考文獻 11
第1章 磁共振測深方法的基礎理論和原理 13
1.1 磁共振測深方法的基礎理論 14
1.1.1 原子核的特性 14
1.1.2 核磁共振原理 19
1.2 磁共振測深方法的原理 32
1.2.1 磁共振方法探測地下水的原理 32
1.2.2 磁共振測深方法的測量參數 36
1.2.3 磁共振測深方法求取水文地質參數 40
參考文獻 42
第2章 磁共振測深正演 45
2.1 地下介質中的激發場計算 46
2.1.1 數值積分算法 46
2.1.2 有限元算法 49
2.2 磁共振測深正演數值模擬 52
2.3 影響因素分析 56
2.3.1 導電性對磁共振測深的影響 56
2.3.2 地磁場對磁共振測深的影響 60
2.3.3 局部磁性不均勻體對磁共振測深的影響 61
2.3.4 地形對磁共振測深的影響 62
2.3.5 其他因素對磁共振測深的影響 64
2.4 典型模型計算與分析 66
2.4.1 滑坡模型 66
2.4.2 堤壩模型 66
2.4.3 巖溶模型 68
2.4.4 凍土水合物 72
2.5 物理試驗 73
2.5.1 凍土 73
2.5.2 水合物 79
2.5.3 有機污染物 91
參考文獻 100
第3章 磁共振測深數據處理 101
3.1 磁共振測深方法信號處理概述 102
3.1.1 噪聲壓制方法的發展 102
3.1.2 磁共振測深方法信號處理流程 102
3.2 電磁噪聲類型及特征 103
3.2.1 電磁噪聲類型 104
3.2.2 電磁噪聲特征 104
3.3 噪聲的壓制方法 107
3.3.1 濾波方法 108
3.3.2 疊加方法及疊加準則 116
3.4 關鍵參數的提取 121
3.4.1 零時外延 121
3.4.2 線性擬合及非線性擬合 122
參考文獻 122
第4章 磁共振測深反演 125
4.1 磁共振測深反演基本理論 126
4.2 吉洪諾夫正則化反演法 127
4.3 基于奇異值分解的廣義反演法 131
4.4 模擬退火法 135
4.5 QT反演 136
參考文獻 139
第5章 磁共振測深儀器 141
5.1 磁共振測深儀器研制和應用狀況概述 142
5.2 磁共振測深儀器的工作原理 143
5.2.1 對儀器的基本技術要求 143
5.2.2 儀器的工作原理概述 144
5.3 磁共振測深的工作方法和儀器維護 147
5.3.1 磁共振測深的工作方法 147
5.3.2 技術安全要求和儀器維護 152
參考文獻 152
第6章 磁共振測深在水資源探測中的應用 153
6.1 地下水的主要類型及其特點 154
6.1.1 孔隙水 154
6.1.2 裂隙水 155
6.1.3 巖溶水 156
6.2 磁共振測深方法探測地下水資源應用實例 157
6.2.1 以磁共振測深為主導的綜合電法尋找孔隙水(淡水) 157
6.2.2 探測巖溶水 159
6.2.3 探測基巖裂隙、紅層裂隙水 160
6.2.4 探測風化的花崗巖中地下水 161
6.2.5 探查地下熱水資源 162
6.2.6 探測鹵水 165
6.2.7 探測凍土地區地下水 169
參考文獻 171
第7章 磁共振測深在考古和文物保護中的應用 173
7.1 磁共振測深在考古和文物保護中的作用概述 174
7.2 磁共振測深在考古或文物保護中的應用實例 174
7.2.1 磁共振測深在秦始皇陵考古中的應用 174
7.2.2 磁共振測深在陽華巖摩崖石刻文物保護中的應用 179
7.2.3 磁共振測深在金燈寺石窟滲水病害勘查中的應用 182
參考文獻 185
第8章 磁共振測深在滑坡探測與監測中的應用 187
8.1 磁共振測深在滑坡探測與監測中的作用概述 188
8.1.1 滑坡穩定性與地下水的關系 188
8.1.2 磁共振測深方法在探測與監測滑坡穩定性中的作用 188
8.2 磁共振測深滑坡探測與監測中的應用實例 189
8.2.1 磁共振測深在保扎滑坡探測中的應用 189
8.2.2 磁共振測深監測趙樹嶺滑坡內地下水分布特征 194
8.2.3 磁共振測深監測白水河滑坡內地下水分布特征 197
8.2.4 磁共振測深在楊家山滑坡探測中的應用 205
參考文獻 210
第9章 磁共振測深在堤壩檢測中的應用 211
9.1 磁共振測深在堤壩檢測中的作用概述 212
9.2 磁共振測深在大堤檢測中的應用 212
9.3 磁共振測深在壩體檢測中的應用 215
9.3.1 安徽滁州堤壩浸潤線深度探測 215
9.3.2 云南魯甸堤壩浸潤線深度探測 218
9.3.3 湖北咸寧壩體滲漏探測 221
參考文獻 225
第10章 磁共振測深在凍土及陸域水合物研究中的應用 227
10.1 凍土性質與特點 228
10.2 磁共振測深在凍土研究中的應用 228
10.3 磁共振測深在陸域水合物研究中的應用 232
參考文獻 235
第11章 磁共振測深在生態環境檢測中的應用 237
11.1 磁共振測深方法探查地下水污染的基本理論依據 238
11.2 磁共振測深方法探查含水層被烴類污染實例 239
11.3 磁共振測深方法在地下水污染檢測工作中的應用前景 240
參考文獻 241
附錄 243
磁共振測深原理與工程應用 節選
第0章 緒 論 地球物理學是一門以數學為基礎將地質學與物理學結合于一體的交叉學科。地球物理勘探的知識體系與天體、地球、生態有密切的關系,從宏觀探測地球到微觀研究物質結構,都有其施展功能的空間。磁共振測深(magnetic resonance sounding,MRS)方法基于物質原子核特性,在地磁場中觀測、研究交變磁場激發下地下含水體產生的核磁共振響應,即水中質子(氫核)產生的自由感應衰減(free induction decay,FID)信號[即核磁共振(nuclear magnetic resonance,NMR)信號],FID 信號的強弱和特點與含水體含水量多少有密切關系,以此研究含水體的賦存特征。磁共振測深方法是物探方法中的一種方法,是屬于交流電磁法(電磁法)范疇的直接找水的新方法。它與其他交流電磁法相同之處在于都有發射系統和接收系統,磁共振測深方法發射交變電流脈沖形成的激發磁場激發目標體,接收機觀測地磁場中目標體的核磁共振響應,觀測、研究與地磁場、激發磁場和弛豫磁場作用有關的探測目標體的信號特征,以NMR 信號的初始振幅、初始相位及其換算的弛豫特性參數判斷地下目標體的賦存特征,即含水目標體的深度、厚度、單位體積含水量、滲透系數和導水系數等。這樣看來,磁共振測深方法與其他物探找水方法相比,在探測地下水能力方面具有明顯的優勢。地質學的研究方法是“將今論古”,磁共振測深方法與其他主動源類方法的研究方法是“由表及里”,即通過在地面激發地下研究目標體,接收分析和研究其產生的地球物理場時間與空間變化規律達到探查地下目標體結構和物理特征的方法。 磁共振是一種量子物理現象[1],磁共振測深方法形成與發展建立于量子物理學基礎之上。培根說過“讀史使人明智”,下面簡單回顧一下核磁共振的歷史。 0.1 核磁共振現象的發現 核磁共振現象的發現和核磁共振技術的利用僅有幾十年的歷史。1946年,E.M.Purcell 研究小組和F.Bloch 研究小組幾乎同時而獨立地發現在物質中的核磁共振現象,這是核磁共振技術發展中的里程碑。 麻省理工學院(Massachusetts Institute of Technology )的E.M.Purcell 、H.C.Torrey 和R.V.Pound 研究小組用富含質子的石蠟做樣品,觀測到了射頻能量的共振吸收,求得質子的核磁矩為2.75 μN(μN 為核磁子)。而用分子束法求得的是2.789 6 μN,結果相當吻合。使用的穩定磁場強度為7 100 Gs,共振頻率為29.8 MHz 。1946年,Physics Review (《物理學評論》)報道了Purcell[2]的實驗結果,題目為“Resonant absorb of magnetic moment in solid body”(《固體中核磁矩的共振吸收》)。 美國斯坦福大學(Stanford University )的F.Bloch 、W.W.Hansen 和M.Packard 研究小組用富含質子的水做樣品,置于強的穩定磁場B0 中產生一個小的順磁磁化,在垂直于此磁場的方向上施加一交變磁場,而在另一垂直方向上的檢測線圈接收感應信號。改變磁場B0 的大小,得到相應的共振頻率f0,B0/ f0 值是相同的,與Rabi 等[3]在1939年用粒子束得到的質子朗德因子gp 相符。在1946年同一卷Physics Review(《物理學評論》) 上報道了Bloch 等[4]的實驗結果,題目為“Nuclear magnetic induction”(《核感應》)。 0.2 核磁共振技術的應用和發展 自1946年E.M.Purcell 和F.Bloch 同時發現在物質中的核磁共振現象到現在,僅有幾十年的歷史。隨著科學技術的發展,核磁共振現象已由理論研究、試驗進入了應用與開發階段,它已被廣泛應用于物理學、化學、生物學、醫學等領域,在地球科學領域也得到了廣泛的應用,如質子旋進磁力儀、核磁共振波譜儀、核磁共振巖心分析測試儀及核磁共振測井(nuclear magnetic resonance logging,NML)等。 利用核磁共振技術,*先受益的是醫學領域,其在該領域發展*快,成績*明顯的是醫學磁共振成像(magnetic resonance imaging,MRI)。1971年,美國紐約州立大學(State University of New York)的R.Damadian 在Science(《科學》)雜志上發表了“Tumor detection by nuclear magnetic resonance”(《癌組織中的T2 時間延長》)[5]及“Human tumors detected by nuclear magnetic resonance”(《NMR 信號可以檢測疾病》)[6]等論文,為核磁共振技術在生物醫學中的研究奠定了理論基礎;醫學磁共振成像已成為診斷疾病的重要手段。 0.2.1 核磁共振技術在地球科學中的應用和發展 核磁共振的理論和技術不斷發展,其應用領域也在不斷擴大,現僅就核磁共振技術在地球科學領域的應用和發展簡述如下。 早在1954年,M.Packard (斯坦福大學F.Bloch 研究小組成員)和R.H.Varian 成功地觀測到了地磁場中水中質子的自由感應衰減(稱為FID )信號,即NMR 信號,此后,Varian 公司很快就研制出了準確度高、性能穩定的質子旋進磁力儀(**項應用),包括地面和航空質子磁力儀,它被廣泛地用于地質與礦產資源的勘查,直到如今,這種類型的磁力儀仍是高精度測量地磁場的主要儀器。 核磁共振技術在地球科學中的第二項應用是核磁共振測井,與之相關的隨鉆和室內核磁共振巖心分析測試儀。這種測井方法經過近四十多年的發展,能可靠地評價砂巖和復雜儲層的滲透率與孔隙結構、可采儲量、剩余油分布和流體的飽和度及黏度等,也是石油測井技術的一個新熱點。 核磁共振技術在地球科學中的第三項應用就是利用核磁共振技術找水。核磁共振技術在地球物理學方面的*新應用是成功開發了地面核磁共振(surface nuclear magnetic resonance, SNMR)找水方法,也稱為磁共振測深方法。由磁共振測深方法測得的NMR 信號振幅和弛豫時間,經過反演解釋可以得到地下不同深度各含水層的賦存特征,提供含水體的單位體積含水量(有效孔隙度)和滲透系數等參數。磁共振測深找水方法是地球物理方法中**直接探測水資源的方法。這種方法在理論、方法技術、儀器研制和反演方法及應用領域等方面都有較寬廣的研究和開發空間。 0.2.2 核磁共振找水方法的出現和儀器研制 利用核磁共振技術進行找水的方法、儀器研制的首創國是蘇聯。從1978年起,蘇聯科學院西伯利亞分院化學動力學和燃燒研究所(Institute of Chemical Kinetics and Combustion,ICKC )以A.G.Semenov 為首的一批科學家,開始利用核磁共振原理進行找水的全面研究;1981年研制成了原型儀器,在其后十年間對儀器進行改進,開發出了世界上**臺在地磁場中測定NMR 信號的儀器,稱為核磁共振層析找水儀Hydroscope ,該儀器作為新方法探測地下水的重要手段,試驗研究遍及蘇聯的大部分國土。他們根據在這些地區已知的400 多個水文鉆孔附近進行的對比試驗,總結和研制出了一套正反演數學模型、計算機處理解釋程序和水文地質解釋方法,取得了世界領先水平的研究成果。與此同時,他們還在國外缺水地區也先后進行了找水實踐和研究,證實了磁共振測深方法是目前世界上**的直接找水的地球物理新方法。 0.2.3 新型的核磁共振找水儀問世 1996年后,法國IRIS 公司陸續研制出新型的核磁共振找水儀——核磁感應系統(nuclear magnetic induction system,NUMIS )及NUMIS 升級版NUMISPlus、NUMISPoly (可探測深度為150 m)。與此同時,美國的大地磁共振(geomagnetic resonance,GMR)儀器也問世。2007年,我國吉林大學的核磁共振研究團隊成功的研制出了JLMRS-I 型儀器[7],其成果填補了我國自主研制生產核磁共振找水儀的空白,這部分內容將在本書的第5章 中詳細介紹。 0.3 磁共振測深方法在中國的應用和發展 1965年,張昌達等進行磁共振測深找水方法試驗,受當時條件限制,沒有收到NMR 信號,但積累了經驗。1992年,中國地質大學物探系組建了核磁共振科研組,科研組中既有從事儀器研究的青年教師,也有從事物探方法研究的中老年專家,他們對核磁共振儀器的組成、原理和方法理論進行預研,對國內外研究進行調研和初步試驗,科研組內定期交流研究情況,為進一步研究工作奠定了基礎。 1992~1993年,中國地質大學核磁共振科研組對該方法進行了國內外調研,1993年與莫斯科國立大學建立了校際科研合作聯系。 1995~1996年,航空物探和遙感中心(簡稱航遙中心)、中國地質大學完成了“核磁共振探測地下水信息方法效果的預研究”項目。1995年底,由地質礦產部科技司與勘查技術院出資支持,中國地質大學、航遙中心組團專訪新西伯利亞化學動力學和燃燒研究所、莫斯科水文地質層析成像公司,確認了核磁共振技術在探測地下水的應用效果。 1997年底,中國地質大學以“211 工程建設”經費引進了法國IRIS 公司研制的NUMIS ,這是我國引進的**套NUMIS 。由四代師生組成的核磁共振科研組研究人員,利用磁共振測深方法在教學、科研、生產等方面做了大量工作,他們的足跡遍布我國20 個。ㄗ灾螀^、直轄市);在缺水地區找到了各種類型的地下水(孔隙水、巖溶水、裂隙水、熱水和鹵水)。以磁共振測深方法為主導與其他物探方法配合,定出水井位見水率達90%以上,研究成果填補了我國用NMR 技術直接找水的空白,使我國躍居使用核磁共振技術找水的世界前列[8-11]。 核磁共振科研組在方法理論、技術研究的基礎上,擴大了磁共振測深方法的應用領域。在地質災害探測/監測方面也發揮了其獨特的作用。在國家自然科學基金、國家重點基礎研究發展計劃(973 計劃)、國家高技術研究發展計劃(863 計劃)和原地礦部重點科研等項目資金支持下,科研組在2001年首次將磁共振測深方法應用于滑坡監測,至今對三峽庫區的一些滑坡監測工作還在繼續,并已取得了明顯的地質效果;2002年科研組將磁共振測深方法引入考古研究、文物保護工作;2004年開始的堤壩滲漏檢測方面的磁共振測深方法的應用也都取得好的地質效果。 近年來,在我國西北凍土區的天然氣水合物探測工作中,磁共振測深方法同其他物探方法配合使用,也取得一定成效。 2008年以來,我國與煤炭系統有關單位和法國IRIS 公司一起,應用磁共振測深方法對巷道內水害問題進行了超前探測的理論研究和方法試驗,期望為巷道安全生產提供新的技術手段。 中國地質大學(武漢)核磁共振科研組在不斷總結磁共振測深方法應用經驗的基礎上,在核磁共振測深方法的基礎理論研究和方法技術創新方面也做了探索和研究。同時,本著“走出去,請進來”的精神,參與國內外科技交流,把握學科發展前沿,在與科研、生產單位的合作過程中,促進了教學改革和創新,培養出一批優秀的地質人才。 0.4 磁共振測深找水方法的特點 1.磁共振測深方法利用*先進的找水儀 磁共振測深方法的找水儀是輸出功率高、接收靈敏度高,并由PC 控制的當今世界上*先進的直接探測地下水的地球物理儀器。 2.直接找水 在傳統的物探找水的諸方法中,電法勘探在地下水勘查中幾乎承擔了80%的工作量,成為配合水文地質工作的主要手段。因
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