[科普中國]-地下水探測儀

地下水探測儀用于勘探尋找基巖水、裂隙水、巖溶水等，已知的探測地下水方法有間接找水法和直接找水法。間接的探測地下水方法有電法、磁法、重力法等物探方法。直接找水法即核磁共振法。1

電法地下水探測儀電法找水在各種找水方法中仍是最經(jīng)濟(jì)、最有效、應(yīng)用最廣泛的方法。被國內(nèi)外廣泛應(yīng)用于尋找基巖水、裂隙水、巖溶水等各種類型地下水，亦用于金屬與非金屬礦產(chǎn)資源勘探、城市物探、鐵道橋梁勘探等方面、確定水庫壩基和防洪大堤隱患位置等水文、工程地質(zhì)勘探中，還能用于地?zé)峥碧健?/p>

原理及特點二次時差法是以一定的電流制式與時間，向地下供入大小兩種電流，人工電場消失后，取其二次電位衰減時之差的正值反映含水層，負(fù)值反映非含水層，根據(jù)這一原理設(shè)計地下水探測儀。儀器由發(fā)送機(jī)和微機(jī)測量系統(tǒng)兩部分組成。

儀器主要特點及功能：集發(fā)射、接收于一體，輕便靈活，測量精度高。

工作性能介紹（1）儀器整機(jī)體積小、耗電低、功能多，若操作員在10分鐘內(nèi)無任何操作則儀器自動關(guān)閉電源。接收部分有瞬間過壓輸入保護(hù)能力，發(fā)射部分有過壓、過流及開路保護(hù)能力。

（2）多參數(shù)、多方法。儀器可直接給出自然電位、視電阻率、視極化率、半衰時、衰減度、激發(fā)比、偏離度以及綜合參數(shù)等找水參數(shù)，工作在二次時差法時，儀器還可給出二次時差參數(shù)和質(zhì)量判別參數(shù)可將整條測線上各測量參數(shù)在大屏幕顯示器上繪成曲線，測量結(jié)果直觀明了。

（3）全漢字觸摸面板配以漢字菜單提示，操作極為方便。可任意設(shè)定工作周期，并有9種野外常用工作方法選擇及其極距常數(shù)、裝置常數(shù)的輸入與計算功能，極距常數(shù)表──對所有裝置，可預(yù)先存儲最多100組不同 極距常數(shù)，從而避免相同極距常數(shù)反復(fù)輸入可能帶來的輸入錯誤，僅輸入一個編號，就能調(diào)出相應(yīng)組極距常數(shù)使用或重新設(shè)置。

（4）接地電阻檢查?？呻S時檢查各電極接地情況，方便實用。

（5）超大容量數(shù)據(jù)存儲。測量參數(shù)連同極距常數(shù)一同被存儲，儀器可存儲最多2250個測點的數(shù)據(jù)。所有儀器設(shè)置參數(shù)及測量數(shù)據(jù)均有掉電保護(hù)能力。配備的RS－232C接口能與其它微機(jī)聯(lián)機(jī)工作。診斷程序可快速準(zhǔn)確地判斷出故障所在位置及主要損壞器件。

（6）全密封結(jié)構(gòu)具有防水、防塵、壽命長等優(yōu)點。

紅外線地下水探測儀美國地質(zhì)研究人員研究了用紅外線勘測地下水源的工作。據(jù)悉，如果地下有水源，則在地表的近處可測出溫度變化，據(jù)此來判斷地下有無水源。

這種方法有很多優(yōu)點，不但勘測的經(jīng)費可節(jié)省，并且還能使用于復(fù)雜的地面結(jié)構(gòu)。這種方法還可在飛機(jī)和宇宙飛船上使用，根據(jù)測出的地面溫度變化而判明地下水源，從而可在廣闊地區(qū)內(nèi)進(jìn)行水源勘測工作。

根據(jù)研究人員稱，有的地方含有大量的地下水巖層這樣的地下水，在它周圍地區(qū)的溫度有高有低，這是因為受地下水巖層的“影”反映在地表上所引起的。2

核磁共振地下水探測儀地面核磁共振探測地下水(MRS)方法是人們公認(rèn)的最直接的探測地下水方法。與其它找水方法相比，MRS方法主要具有以下顯著優(yōu)勢：一是直接探測地下水；二是測量獲得的信息量豐富且量化；三是經(jīng)濟(jì)、無損、快速。

核磁共振（NMR）是磁矩不為零的原子核在一定的磁場中塞曼能級發(fā)生躍遷的現(xiàn)象，用NMR方法探測地下水使得該現(xiàn)象的應(yīng)用領(lǐng)域取得極大的拓展，開創(chuàng)了地下水直接探測的先河。

核磁共振原理：處于靜磁場中的具有磁距的原子核在另外一個與該靜磁場垂直的特定頻率交變電磁場作用下發(fā)生由低能態(tài)躍遷到高能態(tài)的物理現(xiàn)象。核磁共振廣泛應(yīng)用于獲取化學(xué)物質(zhì)結(jié)構(gòu)、人體內(nèi)部結(jié)構(gòu)信息等方面。利用核磁共振原理探測地下水，簡稱為MRS。

核磁共振找水方法中利用的靜磁場指的是地磁場。地球是一個磁偶極，其中磁場S極位在北極附近，磁場N極位在南極附近，地磁場強(qiáng)度 大小在是5～6萬納特斯拉。在靜磁場 作用下，地下水中氫質(zhì)子處于低能級上，磁化強(qiáng)度矢量繞 作拉莫爾進(jìn)動，如圖1所示，進(jìn)動的頻率由拉莫爾方程決定。

當(dāng)我們外加一個與該靜磁場垂直的拉莫爾頻率交變電磁場時，氫核吸收這個特定頻率的光量子，產(chǎn)生塞曼能級的躍遷，躍遷到高能級，可以形象的用圖 2描述。

當(dāng)撤掉與靜磁場 垂直的交變電磁場時，由原子物理知識可以得出，氫核的塞曼能級自動的從高能級 躍遷到低能級 ，如圖3所示。

氫核磁化強(qiáng)度的塞曼能級自動從高能級 躍遷到低能級 時，釋放出特定能量的光量子，用線圈接收這個信號，就得到了隨時間而周期變化的衰減正弦信號即核磁共振信號。這個信號幅度隨時間按指數(shù)規(guī)律衰減，我們稱它為自由感應(yīng)衰減信號（FID）。

發(fā)射不同交變電磁場的強(qiáng)度時記錄下各個FID信號的初始振幅和平均橫向弛豫時間，利用得到的一組初始振幅和平均橫向弛豫時間的數(shù)據(jù)就可以反演計算得到不同深度地下水信息。

在實際的核磁共振找水工程探測時，靜磁場 利用的是地磁場，在地面鋪設(shè)一個發(fā)射線圈，在發(fā)射線圈中發(fā)射拉莫爾頻率交變電流，由電磁感應(yīng)定律可知交變電流產(chǎn)生垂直于線圈（地面）的拉莫爾頻率交變電磁場。激發(fā)完成后等待發(fā)射線圈中存儲的能量釋放完畢時，儀器轉(zhuǎn)為接收核磁共振信號模式，利用接收的信號就可以計算出地下水信息。若地下一定深度含有地下水則有MRS信號，若沒有水則無MRS信號，所以說核磁共振找水方法是最直接的地下水探測方法。1

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

李勇 - 副教授 - 西南大學(xué)