核磁共振技术在水利行业的应用前景展望

张 钊 杨瑞坤 孙 博

(1.山东省水利科学研究院，山东 济南 250014；2.北京海策工程咨询有限公司，北京 100043；3.山东省调水工程运行维护中心，山东 济南 250012)

1 核磁共振技术背景

核磁共振是在固体微观量子理论和无线电微波电子学技术的基础上被发现的。核磁共振经过了70多年的发展和应用，已经成为物理、化学、医学、生物、地质、材料、能源领域的一项重要技术。

1938年，美国哥伦比亚大学教授伊西多·拉比(Isidor Isaac Rabi)使用分子束方法发现了在磁场中的原子核会沿磁场方向呈正向或反向有序平行排列，而施加无线电波之后，原子核的自旋方向发生翻转。凭借这项研究，拉比于1944年获得了诺贝尔物理学奖。1945年底，美国哈佛大学Purcell在石蜡样品中观测到稳定的核磁共振信号。几乎在同一时间(1946年初)，斯坦福大学Bloch在水中观测到了稳态的核磁共振现象。两人凭借这一发现分享了1952年诺贝尔物理学奖。20世纪60年代，科学家利用NMR技术，分析检测到了动物体内分布的氢、氮、磷的NMR信号，从而开始了对生物组织的化学分析研究工作。1971年，美国州立大学的Raymond Damadian 在《科学》杂志上发表了名为“NMR信号可以检测疾病”和“癌组织中的T2时间延长”的论文，为NMR成像技术在生物医学中的研究奠定了基础。1973年，P.C.Lauterbur教授在《自然杂志》发表论文，为NMR成像技术的出现和发展拉开了序幕。

2 核磁共振原理

核磁共振是一个基于原子核特性的物理现象，在稳定磁场的作用下，原子核处于一定的能级。如果用适当频率的交变磁场，可使原子核在能级间产生共振跃迁，称为核磁共振。

2.1 原子核特性

核磁共振现象是原子核特性的表现，通常用质量数(A)、质子数(Z)、动量矩(L)、磁矩(μ)和能级等概念描述。

2.1.1 原子核自旋动量矩

具有一定质量和体积的原子核总在做自旋运动，大多数原子核与旋转陀螺一样绕着某一轴做自身旋转运动，用自旋动量矩(L)描述。按量子力学计算，原子核子自旋动量矩的数值为|L|=[I(I+1)]1/2h/2π。其中h为普朗克常数，I为原子核自旋量子数。

自旋量子数为原子核的固有特性，不同的原子核有不同的I值。I取值为零、半整数和整数，遵循一定规律。只有当原子核中的质子数Z和中子数至少有一项为奇数时，I值不为0，也就是原子核具有自旋动量矩。

对于只有一个质子的氢核1H自旋量子数I=1/2。原子核自旋动量矩的方向是量子化的，氢核自旋动量矩的方向在空间只有两个取向，一个与z轴平行，另一个与z轴反平行。

2.1.2 原子核磁矩

具有一定电荷的原子核做自旋运动将形成电流而产生磁性，用磁矩(μ)描述原子核的磁性，原子核的磁性具有量子化的性质。原子核磁矩与自旋动量矩的关系为μ=γL，其中γ为磁旋比，是测量值，是原子核常数。γ=e/(2m)，e为原子核电荷量，m为原子核质量。磁旋比与质点的运动特性无关，只依赖于质点的电荷和质量。

2.2 稳定磁场作用

2.2.1 晶格作用

物质中原子核位于原子之中，原子组成物质的晶格，晶格本身不断地做热运动，原子核处于热运动的晶格包围之中。宏观样品可以认为是由原子核系统和晶格系统组成的，两系统间存在着互相作用，进行能量交换。

2.2.2 稳定磁场对原子核磁矩的作用

在稳定磁场中，原子核系统释放的一部分能量转化为晶格系统热运动的能量，一些原子核从高能级跃迁到低能级，因此低能级的核粒子数比高能级多，直到晶格系统不再接收原子核系统释放的能量时，原子核系统和晶格系统达到热平衡。

对于只有一个质子的氢核，在稳定磁场中有两个能级，沿磁场方向的一部分磁矩，处于低能级；与磁场方向相反的一部分磁矩，处于高能级，并且处于低能级的核粒子数大于处于高能级的核粒子数，由此就有过剩的沿稳定磁场方向的核磁矩纵向分量(M)存在。

2.2.3 拉摩尔进动

如图1所示，在稳定磁场B0中，磁矩M绕B0的运动类似于陀螺在地球重力场中的运动，称为拉摩尔进动。进动频率称为拉摩尔频率。磁矩M在磁场B0中进动的角速度ω0=γB0，由上述可知γ为磁旋比。进动频率f=ω0/(2π)。

图1 原子核在稳定磁场B0中进动示意图

2.3 弛豫作用

对于被磁化后的核自旋系统，其旋进频率(拉摩尔频率)为ω0。如果在垂直于稳定磁场(B0)方向再施加一个交变电磁场(B1)，而且使其频率ω=ω0，根据量子力学原理，核自旋将发生共振吸收现象，处于低能态的核磁矩通过吸收交变磁场能量跃迁到高能态，此即核磁共振现象。

激发脉冲施加前，核自旋系统保持平衡状态，宏观磁矩M0与B0方向相同。激发脉冲作用期间，磁化矢量吸收电磁能量而偏离磁场方向；激发脉冲作用结束后，磁化矢量释放电磁能量，通过自由进动，向B0方向恢复。

使核自旋从高能级的非平衡状态恢复到低能级的平衡状态，这一过程叫作“弛豫”。弛豫分为横向驰豫和纵向弛豫，以T2表示横向驰豫时间，T1表示纵向弛豫时间。NMR利用自旋回波技术测得原子核不同状态下的T1、T2值，从而得到原子核在不同状态下的分布情况。以氢核1H为例，国内外的研究、统计规律表明，自由水和束缚水的变化范围为而自由束缚水为由此可以根据不同形态水分的弛豫特征值反演得到研究对象的含水特征。

3 水利相关专业领域的核磁共振研究应用概述

3.1 岩土物理学特性表征

近些年，核磁共振技术以其无损检测、无放射性、检测速度快、微观结构三维成像、设备便携等优势，广泛地应用于岩土方面物理学特征的表征，并取得了重要研究成果及应用效果。

土的物理性质指标，一类是试验测定的，如含水率、密度和土粒比重，传统试验方法为烘干法、环刀法等；另一类是根据试验测定的指标换算得来的，如孔隙比、孔隙率和饱和度等。核磁共振技术通过衰减信号反演获得的不同相态水分的弛豫参数(T1、T2)，除可快速获得以上参数外，还可获得常规测试手段无法测得的重要信息，如样品中不同相态水分的含量及分布情况、流体剖面及流体迁移信息等。而且磁共振技术还具有测试速度快、对样品标准与否不作限制的技术优势。

李彰明等[2]在淤泥、超软土地基排水固结处理方面，运用核磁共振技术可测得土体中自由水、结合水比例的优势，得出了通过施加荷载使非自由水转化为自由水的荷载水平及速率。对应于通常工程荷载的较低能量真三轴试验，在100kPa以下的荷载水平及1.6MPa/s荷载速率下，淤泥类超软土中非自由水不能转化为自由水。对应于静动力排水固结法条件的高速冲击荷载下(每击荷载水平3787kPa，速率631.2MPa/s)，非自由水可转化为自由水。

王琨等[3]通过对国内外诸多文献资料的研究，总结了核磁共振技术在岩石物理与空隙结构表征中的应用，如：核磁共振技术对碳酸盐岩、致密砂岩及页岩等岩样的孔隙度表征，能获得与氦气测孔基本一致的结果[4-7]；Fellah et al[8]根据一定质量钻屑的1H信号和19F信号，分别确定钻屑孔隙体积和钻屑外表体积，再计算得到钻屑孔隙度，其结果表明钻屑孔隙度与标准岩芯孔隙度基本一致，解决了不规则样孔隙度测试困难的问题。

3.2 水泥基材料

由于现代混凝土的水灰比普遍较小，其水分渗透率比岩石材料的还要低4～6个数量级[9]，试验测量非常困难。而对水泥基材料孔结构与水分渗透率的研究，对混凝土耐久性能分析具有重要意义。谢恩慧等[10]的研究表明，以压汞和气体吸附法为代表的经典测孔技术，测量得到的是多孔材料在干燥状态下的孔结构特征，干燥作用的影响无法从测量结果中解耦并剔除。为此，作者使用某科技有限公司生产的2MHz磁共振分析仪Lime-MRI-D2对砂浆样品在饱水状态下的孔径分布进行了试验测试，同时对烘干后的样品采用压汞法进行测试。通过两种测试结果的对比分析，得出砂浆在饱水与干燥状态下的孔结构差异显著。研究还表明，基于低场磁共振弛豫技术测得的饱水状态下的孔结构特征，可准确预测水泥基材料的水分渗透率。

孙振平等[11]将核磁共振技术广泛应用于混凝土的研究，主要包括水分在混凝土中的扩散、混凝土高温爆裂、混凝土的自扩散系数、T1-T2相关谱、混凝土内养护剂的作用、混凝土保护层厚度、混凝土孔结构、混凝土水化过程和水化产物等方面。作者认为核磁共振作为一种多尺度研究手段，可用于分析混凝土性能与水分迁移的相关性、多种因素对水化过程的影响及C-S-H凝胶等水化产物的微观结构。

3.3 水文地质

1997年底，中国地质大学(武汉)引进了中国第一套NUMIS，率先在我国利用地面核磁共振(SNMR)方法成功在湖北、湖南、河北、福建、内蒙古、新疆等12个省区开展找水实践。中国地质科学院水环所、新疆水利厅石油供水办公室、水利部内蒙古牧区水利科学研究所、乌兰浩特水利局先后引进NUMIS系统，在找水实践中得到了成功的应用。

在国家自然科学基金资助下，2001—2003年，中国地质大学(武汉)利用SNMR方法对赵树岭滑坡共进行了6次监测。对6次实测数据进行数据处理和反演，获得核磁共振测深点的含水量直方图，由该图可以直观地看出地下含水层(或隔水层)的个数，各含水层的深度、厚度、含水量；同时由色标可以看出各含水层的平均衰减时间值的大小，即各含水层颗粒大小的变化情况。

4 核磁技术在水利行业的应用前景

水利事业关系国计民生，行业功能为通过相关的工程、技术和管理措施，解决人与水之间一系列问题，以实现水资源的综合开发利用和水灾害的防治。核磁共振技术的研究和应用以1H核的磁共振特性为基础。通过上述对核磁共振技术的历史、发展、现状的探讨，结合水利行业的性质，磁共振技术在水利行业科研、应用方面有广泛的应用前景。

4.1 水文地质

地面核磁技术(SNMR)在三峡库区赵树岭滑坡监测方面的应用研究以及其在找水方面的应用实践，表明该技术可广泛应用于水文地质勘探、水库库区滑坡监测等其他与地下水存赋情况密切相关的地质工作中。

4.2 土工试验

土石坝坝体填筑施工中，压实度检测是施工质量控制的一项重要内容。传统方法对压实度的检测一般采用灌砂法，从现场取样到实验室检测以及最后的报告形成，需要较长时间，不能及时指导现场施工作业。前述磁共振技术在土体物理学性质表征方面的研究应用，以及其安全无辐射、检测速度快、设备便携、现场即时出具数据和相关图像的技术优势，可为土石坝填筑现场质量控制工作提供高效、可靠的技术支持。

4.3 土石堤坝防渗透探测

我国目前已建的9.8万余座大坝中95%以上为土石坝[12]。土石坝破坏通常以渗透破坏为主，包括坝体渗漏、坝基渗漏以及绕坝渗漏。目前土石坝坝体内部渗流监测通常采用渗压计。随着技术进步，新型监测设施不断应用于土石坝内部的渗流监测，如分布式光纤温度监测系统；此外地质雷达检测技术在大坝渗漏检测中也有应用。由前述地面核磁共振技术(SNMR)在赵树岭滑坡监测方面对地下水情况探测的研究结论，作者认为其在土石坝、堤防渗流安全监测方面的应用值得期待。

4.4 其他

以氢核1H磁共振特性为基础的磁共振技术，通过表征水分在多孔介质中的存赋，可预期其在水利行业有着广泛的应用场景。除上述应用场景外，核磁共振技术在水利工程大型混凝土特性研究、输水工程漏水点探测、水土保持植物根系形态研究、加油站渗漏污染地下水监测方面的应用同样值得探索。

5 结 语

随着NMR/MRI技术的不断发展，磁共振设备系统硬件发展迅速，如超高场宽口径磁体、多梯度系统、相控阵或一体化射频线圈、均场技术和屏蔽技术相继问世[13-14]。我国水利事业历史悠久，随着水利事业的发展不断推进，各种新方法、新技术不断开创和应用。核磁技术目前仍是世界上的尖端技术，将其引进水利行业，将会为水利事业现代化注入新的科技力量。