芻議水文地質中NMR 技術與應用

周建新

（云南省地礦局地球物理地球化學勘查隊，云南 昆明 652100）

1 前言

滑坡是一種多發的地質災害類型,它嚴重威脅著人民生命財產安全。對于滑坡進行穩定性分析和監測,是防災減災和預報避險的關鍵。在滑體空隙中,常有地下水分布,由于滑體結構復雜,地下水的分布也十分復雜,尤其是特殊巖質的滑坡,因滑體內各處空隙分布和連通性等差別較大,導致了地下水系統的復雜和不穩定,使滑體內地下水多以潛水為主且埋深相對較淺,受外界影響較大,動態變化較明顯。因此,在影響滑坡穩定性的諸多因素中,滑坡的水文地質因素對滑坡穩定性有很大影響,這些因素包括滑體的賦水性、滲透性、空隙連通性以及地下水的結構系統、水位、動態變化、補徑排條件等,且它們最易變、最難確定。為了進行滑坡穩定性分析評價,就需要查明滑坡的水文地質條件,獲得滑體含水層的相關水文地質參數。

2 核磁共振找水儀的工作原理

核磁共振 (Nuclear Magnetic Resonance,縮寫為NMR)技術是當前世界上的尖端技術,它被應用到物理學、化學、生物學、醫學等很多領域,在地質領域也有一些應用。利用地面核磁共振 (Surface Nuclear Magnetic Resonance 縮寫為SNMR)勘測滑坡的水文地質條件,就是其在地質領域應用研究的新方向。核磁共振是原子核的一種物理現象,它是指具有核子順磁性的物質能夠選擇性地吸收電磁能量,而氫核是地層中具有核子順磁性物質中豐度最高、磁旋比最大的核子,水中的氫核是地層中氫核的主體。利用地面核磁共振測量地層水中的氫核可以直接找水,這就是核磁共振找水儀。若地層中賦存有地下水,當施加一個與地磁場(B0)方向不同的外磁場(B1)時,氫核磁矩將偏離地磁場方向,一旦B1 消失,氫核將繞B0 旋進,其磁矩方向恢復到地磁場方向。設旋進頻率為ω0,氫核的磁旋比為γ,則:ω0=γB0通過向鋪在地面上的線圈 (發射P 接收線圈)中供入交變電 流脈沖,在其形成的交變磁場激發下,使地下水中氫核形成宏觀磁矩。這一宏觀磁矩在地磁場中產生旋進運動,其旋進頻率為氫核所特有。在切斷激發電流脈沖后,用同一線圈拾取由不同激發脈沖矩激發產生的NMR 信號,該信號強弱或衰減快慢與水中質子的數量有直接關系,信號的幅值與所探測空間內自由水含量成正比,據此可以探測地下水的存在性及時空賦存特征。在實際測試中,地面每個NMR 測點上通過由小到大(100～9000A ·ms 或者 100～18000A ·ms)依次改變激發脈沖矩來探測由淺到深的含水層的賦存狀態,進而反演水文地質參數。由于自由水和結合水信號頻率不同,該方法測試到的是巖土層中的自由水,結合水則測試不到。因此,該方法測試的數據是含水層中地下水的反應。

3 利用NMR 確定水文地質條件

根據NMR 找水儀的測試原理,當有地下水存在時,可以測試到NMR 信號,信號的特性可以反映地下水的存在性及時空賦存特征。在沒有地下水活動的地段,NMR 則測不到信號。因此,可以根據測試到的NMR 信號情況劃分含水層和隔水層。通過專門的處理和解釋,可以給出各含水層的深度和厚度。因為NMR 信號初始振幅的大小與巖土體含水量成正比,由此可以確定各含水層的含水量。水中氫核在地磁場中形成一個極其微弱的宏觀磁矩,這個宏觀磁矩的旋進運動在線框中感應產生一個衰減信號,稱為自由感應衰減信號或旋進信號(FID),其衰減時間常數為T2*。T2*可以反映地下水巖層的空隙度n,計算公式如下:

式中：V 為巖土體體積;V 為空隙體積;S為空隙面積;T2*為弛豫時間,以毫秒(ms)為單位;ρ為與界面鄰近水層距界面的距離和弛豫時間有關的系數。通過空隙度還可以推算地層的滲透系數。根據已發表的NMR 數據,用試配法可以得到如下的計算含水層滲透系數k 的數值模型:k=2.2ΦT2*式中：Ф為有效空隙度。

4 應用實例

4.1 某滑坡基本特征

某滑坡被查明為一大型基巖滑坡,其穩定性直接關系到附近沿江大道、的安全與新城土地規劃利用。由于滑體物質主要為碎裂巖,對滑坡穩定性影響較大。因此,查明滑坡水文地質條件是進行穩定性分析的關鍵內容之一。某滑坡是經多次局部滑移和彎曲傾倒滑移形成的綜合滑體。滑體平面上呈不太規則的長方形,其東西寬約550m,南北長約900～950m,面積約50 ×104m2。滑體表面總體呈階梯狀:高程150m 以下至長江邊為陡坡,坡度35～50°;高程 170～200m 和 380～400m 間為緩坡平臺;高程200～380m,坡度較陡;400m 以上為滑坡后緣陡坡。滑體主要為巴東組第三段(T2b3)巖層經滑移碎裂而成,局部覆蓋有1～5m 厚的殘坡積物或新近崩滑堆積物。滑體最大厚度約50～65m。鉆孔揭露滑體碎裂巖中見多層軟弱破碎帶,這些破碎帶具有不順層、不連續和厚度變化大等特點,且互不平行,構成了各不同期次滑坡的滑動面(或滑帶),最深部的滑帶位于T2b2 和T2b3 界面附近。

4.2 NMR 分析結果

對某滑坡共先后進行了6 次SNMR 測試,分別在3月份(枯水期)測試3 次,在8月份(汛期)測試3 次。每次測試都進行了2 次數據觀測,2 次觀測數據生成一個30 脈沖矩的標準NUMIS 反演格式文件,對測試結果進行反演。

4.2.1 水文地質參數的求取

旋進信號FID 的初始振幅E0 與參加旋進運動的質子總數成正比。旋進信號是來自各類空隙水質子信號之和。對于飽和巖土體,所有空隙體積之和等于巖土體中液體的體積,也就是有效空隙。SNMR 儀器經過標定,可以根據FID 的E0 測出巖土體的含水量ω。對于飽和巖土體,根據ω可以計算出飽和帶巖土體的空隙度Φ及空隙率。同時,根據(3)式,由空隙度Φ和T2*可以得到巖土層的滲透系數。結合某滑坡各點位SNMR 測試數據的反演解釋,可綜合反演出滑體的有關水文地質參數(見表1)。

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4.2.2 含水層的劃分和滑動帶的確定

在測試過程中,有3 個深度段可測到NMR 信號。根據NMR 信號只有在地下自由水存在時才可測到的原理,可知該點位存在3層地下水(即3 個含水層):第1 層位于地表層(埋深在5m 以內),為淺地表碎塊石土內的上層滯水;第2 層埋深14～21m,為層間地下水;第3 層埋深25m 以下,含水層厚度大,為區域地下水含水層。3 層地下含水層之間基本上測試不到NMR 信號,所以地下水含水量很低,為相對隔水層。比較3 個含水層所測試到的的大小,可以看出,第1 層含水量較小;第2 層含水量較大,特別是埋深約在18m 處含水量更大;第3 層滲透系數相對最大,特別是埋深約在40m 處含水量最大。在第2 層中的埋深約18m 處,有一層比其上下兩側的含水量都大,且物性差異很明顯,說明該深度巖層比較破碎且連通性較好,因此,推測其為滑帶。同樣,在第3 層中的埋深約40m 處,也有一層比其上下兩側的含水量相對要大,且物性差異較明顯,甚至其下的區域含水層飽水帶的含水量都比該層低,說明該層巖土體相當破碎,其橫向上連通性也好,同樣可推測其為滑帶。其他各點位的測試結果與此點位相似。汛期和枯水期NMR 反演出的兩個滑動面的深度基本不變,說明了該滑動面的客觀存在。另外,同一點位的鉆孔資料也證實了這一推斷——鉆孔揭示18.2m 埋深處有一滑動帶,42m 埋深處有一滑動帶。利用核磁共振方法劃分含水層和確定滑動帶是可行的。

4.2.3 地下水動態分析

根據多次NMR 測試結果表明:第1 層含水層的含水量變化大,說明了上層滯水受地表水的影響較大;第2 層含水層的含水量有一定變化,但變化不大,含水層的深度基本不變;第3 層含水層含水量也有一定變化,但變化也不大,含水層的埋深基本不變。因此,根據NMR 可以獲得某滑坡地下水含水層的分布以及動態變化特征,可以獲得相關的水文地質參數,為建立符合實際的滑坡模型及進一步的穩定性分析評價提供了依據。

5 結束語

利用傳統勘探手段,很難充分揭示滑體內水文地質條件的復雜性,更難以獲取實用、可靠的水文地質參數,且費用高、周期長。為此,根據核磁共振找水原理,測定滑體孔隙度等水文地質參數,劃分含水層,確定滑動面(帶)的方法,進而為滑坡模型的建立及滑坡穩定性的評價提供依據。可以為飽和-非飽和土穩定性模擬提供必需的參數。工程實例表明,把NMR 技術用于勘測滑坡水文地質條件是可行的,并且經濟、快速,效果好。