地面核磁共振方法探测地下水的原理
SNMR找水方法利用了不同物质原子核弛豫性质差异产生的NMR效应。即利用了水中氢核（质子）的弛豫特性差异，在地面上利用核磁共振找水仪，观测、研究在地层中水质子产生的核磁共振信号的变化规律，探测地下水。
核磁共振是一个基于原子核特性的物理现象，是指具有核子顺磁性的物质选择性地吸收电磁能量。从理论上讲，应用NMR技术的唯一条件是所研究物质的原子核磁矩不为零。水中氢核具有核子顺磁性，其磁矩不为零。氢核是地层中具有核子顺磁性物质中丰度最高、磁旋比最大的核子。在稳定地磁场的作用下，氢核像陀螺一样绕地磁场方向旋进（见图1），其旋进频率（拉莫尔频率）与地磁场强度和原子核的磁旋比有关。
质 子 磁 矩
稳定磁场 质 子
激发磁场
氢核在地磁场作用下，
通常向铺在地面上的线圈(发射线圈)中供入频率为拉摩尔频率的交变电流(见图2)，交变电流的包络线为矩形（见图3）。
图1质子磁矩在磁场作用下的旋进运动
I(t)=I0cos(2πf0t)
式中I0为交变电流脉冲的幅值。
图3 NMR信号时序图
“死区时间”
噪声
NMR信号
激发脉冲
在地中交变电流形成的交变磁场激发下，使地下水中氢核形成宏观磁矩。这一宏观磁矩在地磁场中产生旋进运动，其旋进频率为氢核所特有。交变电流的包络线为矩形，其频率为测点的拉摩尔频率(800~3000Hz)，目前SNMR找水仪电流脉冲的持续时间通常为40 ms。当切断线圈中的交变电流后，线圈中将测量到由地下质子弛豫产生的衰减的NMR信号e(t)，NMR信号包络线按照指数规律衰减（见图3）：
e(t)=2πf0M0⎰f(r)exp(-t2*)cos⎡⎣2πf0t+ϕ0(r)⎤⎦B⊥(r)sin(0.5γB⊥(r)q)dV
式中： M0——氢核的核磁矩;
f(r)——地表以下r深处含水层的含水量; T2*——r深处的质子的弛豫时间;
B⊥(r)——激发电磁场B1垂直于地磁场的分量; φ0 (r)——激发电流和感应电流之间的相位;
q——激发脉冲矩(q= I0τ, I0、τ分别为交变(激发)电流脉冲的幅值和
供电持续时间)。
信号强弱或衰减快慢直接与水中质子的数量有关，即NMR信号的幅值与所探测空间内自由水含量成正比，因此构成了一种直接找水技术，形成了地面核磁共振找水方法。
地面核磁共振方法测量参数和反演解释获得的水文地质参数见下表。这些参数的变化直接反映出地下含水层的附存状态和特征。
地面核磁共振方法探测地下水的原理
SNMR找水方法利用了不同物质原子核弛豫性质差异产生的NMR效应。即利用了水中氢核（质子）的弛豫特性差异，在地面上利用核磁共振找水仪，观测、研究在地层中水质子产生的核磁共振信号的变化规律，探测地下水。
核磁共振是一个基于原子核特性的物理现象，是指具有核子顺磁性的物质选择性地吸收电磁能量。从理论上讲，应用NMR技术的唯一条件是所研究物质的原子核磁矩不为零。水中氢核具有核子顺磁性，其磁矩不为零。氢核是地层中具有核子顺磁性物质中丰度最高、磁旋比最大的核子。在稳定地磁场的作用下，氢核像陀螺一样绕地磁场方向旋进（见图1），其旋进频率（拉莫尔频率）与地磁场强度和原子核的磁旋比有关。
质 子 磁 矩
稳定磁场 质 子
激发磁场
氢核在地磁场作用下，
通常向铺在地面上的线圈(发射线圈)中供入频率为拉摩尔频率的交变电流(见图2)，交变电流的包络线为矩形（见图3）。
图1质子磁矩在磁场作用下的旋进运动
I(t)=I0cos(2πf0t)
式中I0为交变电流脉冲的幅值。
图3 NMR信号时序图
“死区时间”
噪声
NMR信号
激发脉冲
在地中交变电流形成的交变磁场激发下，使地下水中氢核形成宏观磁矩。这一宏观磁矩在地磁场中产生旋进运动，其旋进频率为氢核所特有。交变电流的包络线为矩形，其频率为测点的拉摩尔频率(800~3000Hz)，目前SNMR找水仪电流脉冲的持续时间通常为40 ms。当切断线圈中的交变电流后，线圈中将测量到由地下质子弛豫产生的衰减的NMR信号e(t)，NMR信号包络线按照指数规律衰减（见图3）：
e(t)=2πf0M0⎰f(r)exp(-t2*)cos⎡⎣2πf0t+ϕ0(r)⎤⎦B⊥(r)sin(0.5γB⊥(r)q)dV
式中： M0——氢核的核磁矩;
f(r)——地表以下r深处含水层的含水量; T2*——r深处的质子的弛豫时间;
B⊥(r)——激发电磁场B1垂直于地磁场的分量; φ0 (r)——激发电流和感应电流之间的相位;
q——激发脉冲矩(q= I0τ, I0、τ分别为交变(激发)电流脉冲的幅值和
供电持续时间)。
信号强弱或衰减快慢直接与水中质子的数量有关，即NMR信号的幅值与所探测空间内自由水含量成正比，因此构成了一种直接找水技术，形成了地面核磁共振找水方法。
地面核磁共振方法测量参数和反演解释获得的水文地质参数见下表。这些参数的变化直接反映出地下含水层的附存状态和特征。