多探头核磁共振联合荧光光谱原位地下监测系统及方法

本技术涉及岩土探测领域，尤其是涉及一种多探头核磁共振联合荧光光谱原位地下监测系统及方法。

背景技术：

1、石油中的烃类化合物是典型污染物，其中以多环芳烃对生物的危害性较大。降雨和农业灌溉等活动还会使污染物进一步向深层土壤扩散，造成地下水体的污染。石油烃类污染物在紫外光的照射下会发出荧光，在实验室内常利用这种紫外荧光反应检测石油烃类污染物的含量。

2、核磁共振技术能够测定固体和液体物质的化学成分和分子结构，特别在对多孔介质中的孔隙流体进行定量分析方面具有显著优势。核磁共振技术不仅能够在实验室中分析各类含水的信息，还广泛应用于地质勘探领域进行地下储层油、气、水等物质成分的探测，获得地下数百米至上千米的原位地层信息。

3、由于污染场地土体中污染物的分布具有较大的时空变异性，单次钻探或取样可能不具备代表性且效率不高，鉴于此，有必要研制一种适用于污染土场地的，能够对土壤中的水、油和石油烃类污染物信息开展长期综合监测与评价的核磁共振原位测量系统及方法。

技术实现思路

1、为了对土壤中的水、油和石油烃类污染物信息开展长期综合监测与评价，本技术提供一种多探头核磁共振联合荧光光谱原位地下监测系统及方法。

2、本技术提供的一种多探头核磁共振联合荧光光谱原位地下监测系统采用如下的技术方案：

3、一种多探头核磁共振联合荧光光谱原位地下监测系统，包括：

4、多探头组件，包括筒状的外壳和固定设置于所述外壳中的多个联合探头，多个所述联合探头沿所述外壳的轴向依次间隔排布且分别位于不同深度的地层；每个所述联合探头包括核磁探测模块和荧光探测模块，每个所述联合探头中，所述核磁探测模块的测量频率各不相同；

5、光源组件，用于提供单色紫外光；

6、分导光纤，连接于所述光源组件和多个所述荧光探测模块；

7、谱仪组件，用于发射和接收所述联合探头测量的射频信号；

8、工控机，用于发送测量指令并对测量数据进行实时处理；

9、电缆，连接于所述谱仪组件、所述工控机和多个所述联合探头，用于供电以及传输测量数据。

10、将多探头组件下放至钻孔中，使多个联合探头分别埋置于不同深度的土层，对不同深度位置原状土的核磁信息和荧光光谱进行同时测量。不同频率的核磁探测模块采集的数据统一由电缆传输至地面的谱仪组件，从采集信号频率上实现了多个核磁探测模块数据的区分。测量数据经过工控机处理，得到不同深度位置土体的t2分布谱和荧光光谱，进而得到土体的含水率、油水流体性质和石油烃类污染物分布等信息。

11、通过对比不同深度土层的核磁共振信息和荧光光谱信息，可对土体的污染程度进行评价。将多探头组件长期埋置于地下土体进行原位测量，对污染场地中污染物随着时间的迁移和变化情况进行长期、连续监测。

12、进一步地，所述核磁探测模块包括套筒和贯穿于所述套筒的套管，所述套管与所述套筒同轴固接，所述套筒中设置有核磁组件；所述套管的轴向长度大于所述套筒的轴向长度，相邻的两个所述套管之间通过螺纹连接，所述电缆和所述分导光纤均安装于所述套管内，所述荧光探测模块设置于所述套管外。

13、如此可实现任意数量联合探头的连接。

14、进一步地，所述核磁组件包括固定设置于所述套筒中的磁体和绕设于所述套筒外的射频线圈，所述射频线圈连接有射频线圈电路，所述射频线圈电路连接于所述电缆。

15、进一步地，每个所述核磁探测模块中，所述磁体包括两个极性相反的空心圆柱型磁铁，两个所述磁铁沿自身轴向间隔排布，产生围绕轴线的圆环形静磁场b0；所述射频线圈位于两个所述磁铁之间，所述射频线圈产生的射频磁场b1沿磁体轴向且与静磁场b0垂直。

16、进一步地，不同的所述核磁探测模块中，所述磁体的磁场强度各不相同，使得每个所述核磁探测模块的共振频率各不相同。

17、每个核磁探测模块都采用不同磁场强度的磁体，根据磁场强度b0和共振频率的关系，每个核磁探测模块的共振频率都不相同，将每个核磁探测模块的射频线圈频率和磁体产生的静磁场b0的磁场强度调谐一致，使得每个核磁探测模块都在不同的频率下工作，不同频率射频线圈采集的数据统一由电缆传输至地面谱仪组件，从采集信号频率上实现了多个核磁探测模块数据的区分。

18、进一步地，所述光源组件包括紫外光源和依次设置于所述光源光路上的平面衍射光栅、第一柱面镜和移动光纤准直器，还包括用于驱动所述移动光纤准直器平移的驱动机构；所述移动光纤准直器的运动轨迹平行于所述平面衍射光栅，所述移动光纤准直器包括反射板，所述反射板的中心开设有出光孔，所述出光孔连接于所述分导光纤的入射端。

19、光源提供波长在200-400nm范围内的连续紫外光，连续紫外光经过平面衍射光栅发生衍射并分散为波长宽度为1nm的单色光，第一柱面镜将具有相同波长的单色光会聚在一点上，特定波长的光通过出光孔并经过分导光纤传导至荧光探测模块；通过驱动机构驱使移动光纤准直器平移，实现对激发波长的扫描。

20、进一步地，所述荧光探测模块包括同轴固接于所述套管的遮光罩，所述遮光罩内设置有用于向土体发射紫外光的发射组件和用于接收并检测土体荧光的检测组件，所述遮光罩上设置有透明视窗，所述外壳上开设有与所述透明视窗位置对应的通孔。

21、发射组件发出的紫外光经过透明视窗到达土体，土体中的石油烃类污染物在紫外光的激发下发出荧光，荧光经过透明视窗被检测组件接收并检测；遮光罩的内表面设有黑色吸光涂层，用于减少非成像光在遮光罩内部的反射。

22、进一步地，所述发射组件包括固定光纤准直器和第三柱面镜，所述固定光纤准直器安装于所述套管上且连接于所述分导光纤的出射端，所述第三柱面镜位于所述固定光纤准直器和所述透明视窗之间，所述第三柱面镜的光轴与所述固定光纤准直器的轴线重合。

23、光源组件提供的单色紫外光经过分导光纤传导，再依次经过固定光纤准直器、第三柱面镜和透明视窗并进入土体。

24、进一步地，所述检测组件包括沿荧光光路依次设置的第二柱面镜、狭缝、偏光片、凹面反射光栅和面阵ccd探测器，所述第二柱面镜的光轴与所述第三柱面镜光轴之间的夹角为45°且二者均通过所述透明视窗的中心。

25、土体中的荧光依次经过透明视窗、第二柱面镜、狭缝、偏光片、凹面反射光栅到达面阵ccd探测器，狭缝用于过滤非成像光，偏光片用于阻挡反射光并使荧光透过，凹面反射光栅将荧光分为不同波长的单色光并反射到面阵ccd探测器上，面阵ccd探测器将荧光信号转换为电信号，得到包括荧光强度、激发波长、发射波长信息的三维荧光光谱。

26、本技术提供的一种多探头核磁共振联合荧光光谱原位地下监测方法，采用一种多探头核磁共振联合荧光光谱原位地下监测系统，包括以下步骤：

27、步骤一：将多探头组件下放至土体钻孔中的目标层段；

28、步骤二：多个联合探头分别对不同深度的土层同时进行原位荧光光谱和核磁共振测量；

29、步骤三：谱仪组件接收所有联合探头的核磁和荧光测量信号，并对核磁信号进行频谱分析，以区分每个核磁探测模块采集的核磁共振原始测量数据；

30、步骤四：原始测量数据传输至工控机，对不同深度位置核磁探测模块和荧光探测模块的测量数据进行处理，得到不同位置土体的t2分布谱和荧光光谱，进而得到土体的含水率、油水流体性质和石油烃类污染物分布的信息。

31、综上所述，本技术包括以下至少一种有益技术效果：

32、1.多个联合探头分别埋置于不同深度的土层，对不同深度位置原状土的核磁信息和荧光光谱进行同时测量，可同时获取不同深度位置原状土的含水率、油水流体性质和石油烃类污染物分布等信息，通过对比不同深度土层的核磁共振信息和荧光光谱信息，可对土体的污染程度进行评价；

33、2.每个核磁探测模块都采用不同磁场强度的磁体，使得每个核磁探测模块都在不同的频率下工作，不同频率的射频线圈采集的数据统一由电缆传输至地面谱仪系统，从采集信号频率上实现了多个核磁探测模块数据的区分；

34、3.将多探头组件长期埋置于地下土体进行原位测量，可对地下土体尤其是污染场地进行长期、连续的原位监测。