核磁共振技术探测运动的原子核
作者:Don Monroe 翻译:葛韶锋
原文网址:http://focus.aps.org/story/v18/st13
地质学家们常常采用核磁共振(NMR: Nuclear Magnetic Resonance )方法探测地下的原子核状况,以了解多孔结构的岩石是否含有石油(Petroleum )。在今年10 月27 日出版的《物理学评论快报》(PRL: Physical Review Letters )上,研究者们展示了如何将这种技术推广以探测不同孔洞间液体的流动。这种方法可以帮助石油工程师们更高效率地找到石油。这种技术同样还可以监测液晶或是生物细胞中不同微观结构之间分子的流动。
为了使用核磁共振技术了解岩石的结构,研究者们首先将浸满了水的岩石放置在强磁场中。水分子中的氢原子( Hydrogen Atom )由于内部具有自旋结构,它在磁场中就象微型的磁针一样排列起来。然后一个振动磁场被叠加到原来的磁场上,挤压排列在一起的分子使之同步振动。检测这些振动就可以得到关于岩石结构的信息。
十多年以来,石油工程师们将核磁共振设备放到候选的油井中探测周围的岩石。比如,他们可以测量一个被称为 T2 的时间,即让振动的分子与原来的振动磁场失去同步性所需要的时间。由于和孔壁的碰撞可以加速这种解耦过程,在较小孔洞中的分子由于和孔壁碰撞的频率比较高从而具有更短的 T2 值。来自新西兰惠灵顿(Wellington )维多利亚大学(Victoria University )的Paul Callaghan 说:“这是空洞大小的标志。”但是知道了空洞的大小并不能知道这些空洞是否是相互隔离的,还是很好地连接在一起从而使得包含在其中的石油可以在岩石之间流动并能够被开采。正是由于这个原因,需要知道分子是否可以在孔洞之间流动,如果可以流动的话其速度又是多少。这些信息可以通过测量 T2 随时间的变化得到。
在此之前有两个研究小组在实验室中测量过T2 值的变化,但是只是在一定的时间范围内进行的[1, 2] 。他们在某一时刻测量T2 值,然后经过若干毫秒(Millisecond )的混合时间(Mixing Time )再测一次。这项技术使得他们能够测量分子的量,以及有多大部分获得了新的T2 值,也就是说移到了另一个不同尺寸的孔洞。但是这两个小组虽然测量了很多性质,但是并没有改变时间间隔来确定水分子整体移动的速度。
Callaghan 和他在维多利亚大学的研究生Kate Washburn 采用不同的混合时间来测量大块的沙石(Sandstone )。Callaghan 说他们是“按照交换过程的实际机制进行的”。使用正确的计算技术对于他们的成功是非常关键的。从原始数据中获得 T2 值要用到复杂的数学方法,即二维逆拉普拉斯变换(Inverse Laplace Transform )。Callaghan 告诉我们,他们这个小组从计算机算法(Computer Algorithm )的*新进展中获益良多。他表示相信类似的技术应该会被用于测量样品中不同区域之间的分子运动,比如液晶中的不同区域或者是生物分子的内外区域。
Yi-Qiao Song (Schlumberger-Doll Research in Ridgefield, Connecticut )评价说,这项工作和*近的其它几篇文章是非常令人振奋的。他认为这项新技术将会让石油研究者们不再仅仅是测量岩石的结构,而且能够探测一些新物理性质。