在本實驗的裝置中哪部分是測量體系

Ⅰ 現代實驗室系統包括哪些部分各有何作用和要求

實驗室根據使用情況不同，裡面所需要的功能跟系統都會有所要求的，參考以下實驗室系統的詳細介紹：
一、實驗室通風系統：實驗室通風系統與室內空調系統的通風設計的要求不同，主要的目的是提供安全、舒服的工作環境，減少人員暴露在危險的空氣下，通風主要的目是解決實驗人員的身體健康和勞動保護問題。
二、實驗室建築空調與潔凈系統：實驗室建築與普通的建築是有區別的，不同的實驗室對溫度、溫度、壓強、潔凈度等參數有不同的要求，而且不同的實驗室之間的氣流不能交叉污染，實驗區的氣流不能流向辦公區，因些實驗建築空調系統的要求比普通建築的要求復雜很多，按布置方式不同可分為分散型空調系統、集中型空調系統及局部集中型空調系統。
三、實驗室環保系統：在化學實驗室進行實驗時會使用化學葯品，實驗過程中發生的化學反應會產生廢氣、廢液、固體廢物，對環境造成污染。近年來，隨著人們環保意識和法律意識的增強，化學實驗室的污染問題備受關注。為了降低實驗室對環境的污染，應把實驗室環保系統納入實驗室設計與建設中，從而有利於實驗室環境污染的防預措施，在保證實驗效果的前提下，用無害、沒有污染或低害、低虧染的試劑替代毒性較強的試劑，在一些特定實驗要用到較高的化學試劑時，一定要用封閉的收集桶收集廢液。
四、實驗室氣體管道系統：實驗室的氣體的供應不同於一般工廠的要求，首先表現在儀器設備對氣體的純度要求較高，一般工作氣體要求達到99.999%以上，其次氣體的供應連續，輸出壓力平穩，氣體的壓力波動可能導致儀器設備沒有辦法正常工作，氣體的不連續供應甚至可能導致儀器設備故障，因此實驗室氣體管路的設計是較為嚴格的。
五、實驗室給排水系統：包括實驗給水系統、生活給水系統和消防給水系統。實驗給水系統分為一般實驗用水與實驗用純水，實驗室純水系統屬於單獨的給水系統，生活給水系統和消防給水系統與一般建築的給水系統一致。
不同的實驗室對實驗用水有不同的要求，通常進行強酸、強鹼、劇毒液體的實驗並有飛濺爆炸的實驗室，就近設置應急噴淋施，應急眼睛沖洗器。無菌室和放射性實驗室配熱水淋浴裝置。
污染區的用水需要通過斷流水箱，室內消火栓應設置在清潔區內，給水系統的管道入口通常應設置潔凈區，採用上行下給式給水管網，以免擴散污染。
室內消防給水系統包括普通消防系統、自動噴灑消防給水系統和水幕消防給水系統等。實驗樓，庫房等建築物在必要時應設立室外消防給水系統，由室外消助給水管道。
六、實驗室純水系統：在當今的實驗室中，水環境作為絕大數實驗室的基本環境，在實驗中占的地位非常重要，水質往往決定了很多實驗結果的真實性、可重復性，對多數做實驗的專家來說，他們通常要純水中的雜質和化合物的濃度在b級，甚至更低。

七、實驗室供電系統：實驗室建築內部有各種類型的實驗室及儀器設備，供電系統除了維持實驗室特定的環境用電外，還要滿足現有及未來增加的各種儀器的特殊用電要求，對於離心機、層析冷櫃、低溫冰箱帶壓縮機之類的儀器，它們]的電機啟動所需要的電流往往是工作電流的數倍，在啟動瞬間往往會影響該線路的電壓波動，如果接在該線路上所用的大功率儀器較多，就會引起儀器工作不正常。
所以，對實驗建築供電系統的設計，除了要預留足夠的富餘電量以滿足未來發展的需要，還需要提供不間斷的穩壓電源，基於實驗室的與眾不同，實驗室建築的供電系統從電源、線路、照明、安全等各方面都有其獨特性實驗建築的用電量通常是現有用電量的2倍。

八、實驗建築智能化系統：實驗室智能化不僅是一種技術，更是一種理念，一種潮流，它是將實驗室世界帶入一個嶄新的時候 ，改變人們觀念，影響人們的工作方式，實驗建築智能化系統包括樓宇自控系統，信息管理系統，辦公自動化系統，綜合布線系統，安全防範系統，火災自動報警系統和停車場管理系統。
九、實驗室安全防護系統：實驗室是科技的搖籃，實驗室安全防護系統是保證實驗室安全的前提條件，是為了將實驗室潛在的職業危險降至較低，以創造健康安全的工作環境。保護對象包括人員的安全、樣品的安全、儀器的安全、運行系統的安全及環境的安全、實驗室安全防護系統包括實驗室硬體建設與軟體管理。
十、實驗室管道系統：實驗建築內有各種共用設施管道很多，在一般小型實驗室內常見的管道有水管、風管、電線管和煤氣管，在大型實驗室或特殊實驗室內還有壓縮空氣、蒸汽、氫氣、氧氣、真空、蒸餾水、空調、網路等管道，管道系統的布置原則是既要保證使用安全，方便安裝，檢修、改裝和增添，又要盡量使各種管線短捷經濟合理和美觀。

Ⅱ 請教一下質量體系管理中 監視和測量裝置的A、B、C類

國家強制的，或非常關鍵參數為A；關鍵過程式控制制參數，對產品影響較大的，為B；C類是非關鍵參數，但也需要進行監測統計的定為C。

Ⅲ 物理化學答案第三版

思考題
實驗一 燃燒熱的測定

1. 在本實驗中，哪些是系統？哪些是環境？系統和環境間有無熱交換？這些熱交換對實驗結果有何影響？如何校正？

提示：盛水桶內部物質及空間為系統，除盛水桶內部物質及空間的熱量計其餘部分為環境，系統和環境之間有熱交換，熱交換的存在會影響燃燒熱測定的准確值，可通過雷諾校正曲線校正來減小其影響。

2. 固體樣品為什麼要壓成片狀？萘和苯甲酸的用量是如何確定的？

提示：壓成片狀有利於樣品充分燃燒；萘和苯甲酸的用量太少測定誤差較大，量太多不能充分燃燒，可根據氧彈的體積和內部氧的壓力確定來樣品的最大用量。

3. 試分析樣品燃不著、燃不盡的原因有哪些?

提示：壓片太緊、燃燒絲陷入葯片內會造成燃不著；壓片太松、氧氣不足會造成燃不盡。

4. 試分析測量中影響實驗結果的主要因素有哪些? 本實驗成功的關鍵因素是什麼?

提示：能否保證樣品充分燃燒、系統和環境間的熱交換是影響本實驗結果的主要因素。本實驗成功的關鍵：葯品的量合適，壓片松緊合適，雷諾溫度校正。

5. 使用氧氣鋼瓶和氧氣減壓器時要注意哪些事項？

提示：閱讀《物理化學實驗》教材P217-220

實驗二 凝固點降低法測定相對分子質量

1. 什麼原因可能造成過冷太甚？若過冷太甚，所測溶液凝固點偏低還是偏高？由此所得萘的相對分子質量偏低還是偏高？說明原因。

答：寒劑溫度過低會造成過冷太甚。若過冷太甚，則所測溶液凝固點偏低。根據公式 和 可知由於溶液凝固點偏低，∆Tf偏大，由此所得萘的相對分子質量偏低。

2. 寒劑溫度過高或過低有什麼不好？

答：寒劑溫度過高一方面不會出現過冷現象，也就不能產生大量細小晶體析出的這個實驗現象，會導致實驗失敗，另一方面會使實驗的整個時間延長，不利於實驗的順利完成；而寒劑溫度過低則會造成過冷太甚，影響萘的相對分子質量的測定，具體見思考題1答案。

3. 加入溶劑中的溶質量應如何確定?加入量過多或過少將會有何影響？

答：溶質的加入量應該根據它在溶劑中的溶解度來確定，因為凝固點降低是稀溶液的依數性，所以應當保證溶質的量既能使溶液的凝固點降低值不是太小，容易測定，又要保證是稀溶液這個前提。如果加入量過多，一方面會導致凝固點下降過多，不利於溶液凝固點的測定，另一方面有可能超出了稀溶液的范圍而不具有依數性。過少則會使凝固點下降不明顯，也不易測定並且實驗誤差增大。

4. 估算實驗測定結果的誤差，說明影響測定結果的主要因素？

答：影響測定結果的主要因素有控制過冷的程度和攪拌速度、寒劑的溫度等。本實驗測定凝固點需要過冷出現，過冷太甚會造成凝固點測定結果偏低，因此需要控制過冷程度，只有固液兩相的接觸面相當大時，固液才能達到平衡。實驗過程中就是採取突然攪拌的方式和改變攪拌速度來達到控制過冷程度的目的；寒劑的溫度，寒劑溫度過高過低都不利於實驗的完成。

5. 當溶質在溶液中有解離、締合、溶劑化和形成配合物時，測定的結果有何意義？

答：溶質在溶液中有解離、締合、溶劑化和形成配合物時，凝固點降低法測定的相對分子質量為溶質的解離、締合、溶劑化或者形成的配合物相對分子質量，因此凝固點降低法測定出的結果反應了物質在溶劑中的實際存在形式。

6. 在冷卻過程中，凝固點測定管內液體有哪些熱交換存在？它們對凝固點的測定有何影響？

答：凝固點測定管內液體與空氣套管、測定管的管壁、攪拌棒以及溫差測量儀的感測器等存在熱交換。因此，如果攪拌棒與溫度感測器摩擦會導致測定的凝固點偏高。測定管的外壁上粘有水會導致凝固點的測定偏低。

實驗三 純液體飽和蒸氣壓的測定
1.在停止抽氣時，若先拔掉電源插頭會有什麼情況出現?

答：會出現真空泵油倒灌。

2. 能否在加熱情況下檢查裝置是否漏氣?漏氣對結果有何影響?

答：不能。加熱過程中溫度不能恆定，氣－液兩相不能達到平衡，壓力也不恆定。

漏氣會導致在整個實驗過程中體系內部壓力的不穩定，氣－液兩相無法達到平衡，從而造成所測結果不準確。

3.壓力計讀數為何在不漏氣時也會時常跳動?

答：因為體系未達到氣－液平衡。

4. 克－克方程在什麼條件下才適用?

答：克－克方程的適用條件：一是液體的摩爾體積V與氣體的摩爾體積Vg相比可略而不計；二是忽略溫度對摩爾蒸發熱△vapHm的影響，在實驗溫度范圍內可視其為常數。三是氣體視為理想氣體。

5.本實驗所測得的摩爾氣化熱數據是否與溫度有關？

答：有關。

6. 本實驗主要誤差來源是什麼?

答：裝置的密閉性是否良好，水本身是否含有雜質等。

實驗四 雙液系的氣一液平衡相圖的繪制

1．本實驗在測向環己烷加異丙醇體系時，為什麼沸點儀不需要洗凈、烘乾？

提示：實驗只要測不同組成下的沸點、平衡時氣相及液相的組成即可。體系具體總的組成沒必要精確。

2．體系平衡時，兩相溫度應不應該一樣？實際呢？怎樣插置溫度計的水銀球在溶液中，才能准確測得沸點呢?

提示：兩相溫度應該一樣，但實際是不一樣的，一般將溫度計的水銀球插入溶液下1/3較好。

3．收集氣相冷凝液的小槽體積大小對實驗結果有無影響？為什麼？

提示：有影響，氣相冷凝液的小槽大小會影響氣相和液相的組成。

4．阿貝折射儀的使用應注意什麼？

提示：不能測定強酸、強鹼等對儀器有強腐蝕性的物質。

5．討論本實驗的主要誤差來源。

提示：影響溫度測定的：溫度計的插入深度、沸騰的程度等；影響組成測定的：移動沸點儀時氣相冷凝液倒流回液相中、測定的速度慢等

實驗五 二組分金屬相圖的繪制

1. 對於不同成分混合物的步冷曲線，其水平段有什麼不同？

答：純物質的步冷曲線在其熔點處出現水平段，混合物在共熔溫度時出現水平段。而平台長短也不同。

2. 作相圖還有哪些方法？

答：作相圖的方法還有溶解度法、沸點法等。

3. 通常認為，體系發生相變時的熱效應很小，則用熱分析法很難測得准確相圖，為什麼？ 在含Bi30%和80%的二個樣品的步冷曲線中第一個轉折點哪個明顯？ 為什麼？

答：因為熱分析法是通過步冷曲線來繪制相圖的，主要是通過步冷曲線上的拐點和水平段(斜率的改變)來判斷新相的出現。如果體系發生相變的熱效應很小，則用熱分析法很難產生拐點和水平段。30%樣品的步冷曲線中第一個轉折點明顯，熔化熱大的Sn先析出，所以當發生相變時可以提供更多的溫度補償，使曲線斜率改變較大。

4. 有時在出現固相的冷卻記錄曲線轉折處出現凹陷的小彎，是什麼原因造成的？此時應如何讀相圖轉折溫度？

答：這是由於出現過冷現象造成的，遇到這種情況可以通過做延長線的方式確定相圖的轉折溫度。

5. 金屬熔融系統冷卻時，冷卻曲線為什麼出現折點？純金屬、低共熔金屬、及合金等轉折點各有幾個？曲線形狀為何不同？

答：因為金屬熔融系統冷卻時，由於金屬凝固放熱對體系散熱發生一個補償，因而造成冷卻曲線上的斜率發生改變，出現折點。純金屬、低共熔金屬各出現一個水平段，合金出現一個折點和一個水平段。由於曲線的形狀與樣品熔點溫度和環境溫度、樣品相變熱的多少、保溫加熱爐的保溫性能和樣品的數量均有關系，所以樣品的步冷曲線是不一樣的。對於純金屬和低共熔金屬來說只有一個熔點，所以只出現平台。而對於合金來說，先有一種金屬析出，然後2種再同時析出，所以會出現一個折點和一個平台。

6. 有一失去標簽的Sn－Bi合金樣品，用什麼方法可以確定其組成？

答：可以通過熱分析法來確定其組成。首先通過熱分析法繪制Sn－Bi的二組分相圖，然後再繪制該合金樣品的步冷曲線，與Sn－Bi的二組分相圖對照即可得出該合金的組成。

實驗六 原電池電動勢的測定

1. 對消法測電動勢的基本原理是什麼? 為什麼用伏特表不能准確測定電池電動勢?

答：對消法就是用一個與原電池反向的外加電壓，於電池電壓相抗，使的迴路中的電流趨近於零，只有這樣才能使得測出來的電壓為電動勢。電動勢指的就是當迴路中電流為零時電池兩端的電壓，因而必須想辦法使迴路中電流為零。伏特表測定電池電動勢的時候，迴路中的電流不為零，測出的電池兩端的電壓比實際的電動勢要小，因此用伏特表不能准確測定電池電動勢。

2. 參比電極應具備什麼條件？它有什麼功用? 鹽橋有什麼作用? 應選擇什麼樣的電解質作鹽橋?

答：參比電極一般用電勢值已知且較恆定的電極，它在測量中可作標准電極使用，在實驗中我們測出未知電極和參比電極的電勢差後就可以直接知道未知電極的電勢。

鹽橋起到降低液接電勢和使兩種溶液相連構成閉合電路的作用。作鹽橋的電解質，應該不與兩種電解質溶液反應且陰陽離子的遷移數相等，而且濃度要高。

3. 電動勢的測量方法屬於平衡測量，在測量過程中盡可能地做到在可逆條件下進行。為此，應注意些什麼?

答：應注意電池迴路接通之前，應該讓電池穩定一段時間，讓離子交換達到一個相對的平衡狀態；還應該在接通迴路之前先估算電池電動勢，然後將電位差計旋鈕設定未電池電動勢的估算值，避免測量時迴路中有較大電流。

4. 對照理論值和實驗測得值，分析誤差產生的原因。

答：原電池電動勢測定結果的誤差來源有很多：標准電池工作時間過長，長時間有電流通過，標准電動勢偏離；鹽橋受污染；飽和甘汞電極電勢不穩定；未能將電位差計旋鈕設定在待測電池電動勢應有的大體位置，使待測電池中有電流通過等等。

5. 在精確的實驗中，需要在原電池中通入氮氣，它的作用是什麼？

答：為了除去溶液中的氧氣，以避免氧氣參與電極反應，腐蝕電極等。

實驗七 一級反應－蔗糖的轉化

1. 配製蔗糖溶液時稱量不夠准確，對測量結果k有無影響? 取用鹽酸的體積不準呢？

答：蔗糖的濃度不影響lnc=-kt + B的斜率，因而蔗糖濃度不準對k的測量無影響。H+在該反應體系中作催化劑，它的濃度會影響k的大小。

2. 在混合蔗糖溶液和鹽酸溶液時，我們將鹽酸溶液加到蔗糖溶液里去，可否將蔗糖溶液加到鹽酸溶液中？為什麼？

答：不能。本反應中氫離子為催化劑，如果將蔗糖溶液加到鹽酸溶液中，在瞬間體系中氫離子濃度較高，導致反應速率過快，不利於測定。

3. 測定最終旋光度時，為了加快蔗糖水解進程，採用60℃左右的恆溫使反應進行到底，為什麼不能採用更高的溫度進行恆溫？

答：溫度過高將會產生副反應，顏色變黃。

4. 在旋光度的測量中，為什麼要對零點進行校正？在本實驗中若不進行校正，對結果是否有影響？

答：因為除了被測物有旋光性外，溶液中可能還有其他物質有旋光性，因此一般要用試劑空白對零點進行校正。本實驗不需要校正，因為在數據處理中用的是兩個旋光度的差值。

5. 記錄反應開始的時間晚了一些，是否會影響到k值的測定？為什麼？

答：不影響。不同時間所作的直線的位置不同而已，但k（所作直線的斜率）相同。

實驗八 二級反應－乙酸乙酯皂化

1. 為什麼實驗用NaOH和乙酸乙酯應新鮮配製?

答：氫氧化鈉溶液易吸收空氣中二氧化碳而變質；乙酸乙酯容易揮發和發生水解反應而使濃度改變。

2. 為何本實驗要在恆溫條件下進行，而且CH3COOC2H5和NaOH溶液在混合前還要預先恆溫？混合時能否將乙酸乙酯溶液倒入NaOH溶液中一半時開始計時？

答：（1）因為溫度對電導有影響。（2）不能，應剛混合完開始計時。

3. 被測溶液的電導率是哪些離子的貢獻?反應進程中溶液的電導率為何發生減少?

答：參與導電的離子有 、 和 。 在反應前後濃度不變， 的遷移率比 的遷移率大得多。隨著時間的增加， 不斷減少， 不斷增加，所以，體系的電導率值不斷下降。

4. 為什麼要使兩種反應物的濃度相等?

答：為了使二級反應的數學公式簡化。

實驗九 復雜反應－丙酮碘化

1. 實驗時用分光光度計測量什麼物理量？它和碘濃度有什麼關系？

答：測量的是溶液的吸光度A；根據朗伯－比爾定律可知，在指定波長下，所測吸光度與I2溶液濃度成正比關系。

2. 本實驗中，將CH3COCH3溶液加入盛有I2、HCl溶液的碘瓶中時，反應即開始，而反應時間卻以溶液混合均勻並注入比色皿中才開始計時，這樣操作對實驗結果有無影響？為什麼？

答：無影響。不同時間所作的直線的位置不同而已，但k（所作直線的斜率）相同。

3. 速率常數k與T有關，而本實驗沒有安裝恆溫裝置，這對k的影響如何？所測得的k是室溫下的k，還是暗箱溫度時的k?

答：本實驗整個過程是在室溫下進行的，由於室溫在短時間內變化幅度很小，故對k的影響不大。所測得的k是暗箱溫度時的k。

實驗十 溶液表面張力的測定(最大氣泡壓力法)

1. 用最大氣泡壓力法測定表面張力時為什麼要讀最大壓力差？

提示：若讀中間某個壓力差值，不能保證每次讀壓力差對應大小相同氣泡。

2. 為何要控制氣泡逸出速率？

提示：氣泡逸出速率會影響氣泡的大小，近而影響壓力差值的大小，因而要保證測定過程中氣泡逸出速率恆定。

3. 本實驗需要在恆溫下進行嗎？為什麼？

提示：需要恆溫，因為表面張力的大小受溫度的影響。

4. 毛細管尖端為何必須調節得恰與液面相切？否則對實驗有何影響?

提示：毛細管尖端若不與液面相切插入一定深度，會引起表面張力測定值偏小。

5. 哪些因素影響表面張力測定的結果？如何減小或消除這些因素對實驗的影響？

提示：溫度、氣泡逸出速度、毛細管是否干凈及毛細管的尖端是否與液面相切會影響測定結果。減小或消除這些因素引起誤差的措施是：恆溫、控制氣泡逸出速率恆定、毛細管幹凈以及毛細管與液面相切。

實驗十一 膠體制備和電泳

1. 電泳中輔助液起何作用，選擇輔助液的依據是什麼？

提示：輔液主要起膠體泳動的介質、電介質作用和與膠體形成清晰的界面易於觀測等作用。選擇的輔液不能與膠體發生化學反應，電導率與膠體相同等

2. 若電泳儀事先沒有洗干凈，內壁上殘留有微量的電解質，對電泳測量的結果將會產生什麼影響？

提示：可能改變ζ電勢大小，甚至引起膠體的聚沉。

3. 電泳儀中不能有氣泡，為什麼？

提示：氣泡會阻斷電介質。

4. 電泳速率的快慢與哪些因素有關？

提示：電泳蘇聯與膠粒的大小、帶電量、電壓的大小及兩電極的距離等因素有關。

實驗十二 粘度法測定高聚物的相對分子質量

1. 粘度計毛細管的粗細對實驗結果有何影響？

答：粘度計毛細管的過粗，液體流出時間就會過短，那麼使用Poisuille公式時就無法近似，也就無法用時間的比值來代替粘度；如果毛細管過細，容易造成堵塞，導致實驗失敗。

2. 烏氏粘度計中的C管的作用是什麼？能否去除C管改為雙管粘度計使用？

答：C管的作用是形成氣承懸液柱。不能去除C管改為雙管粘度計，因為沒有了C管，就成了連通器，不斷稀釋之後會導致粘度計內液體量不一樣，這樣在測定液體流出時間時就不能處在相同的條件之下，因而沒有可比性。只有形成了氣承懸液柱，使流出液體上下方均處在大氣環境下，測定的數據才具有可比性。

3. 若把溶液吸到了乳膠管內對實驗結果有何影響？

答：會使溶液濃度降低，導致測定的流出時間減小，從而使相對粘度測定值減小，影響實驗結果。

4. 試列舉影響准確測定的因素有哪些?

答：影響准確測定的因素有溫度、溶液濃度、攪拌速度、粘度計的垂直度等。

5. 粘度法測定高聚物的摩爾質量有何局限性？該法適用的高聚物摩爾質量范圍是多少？

答：粘度法是利用大分子化合物溶液的粘度和分子量間的某種經驗方程來計算分子量，適用於各種分子量的范圍。局限性在於不同的分子量范圍有不同的經驗方程。

Ⅳ 在燃燒熱的測定實驗中，那些是體系，哪些是環境實驗過程中有無熱損耗

有。體系：內筒水，氧彈，溫度計，內筒攪拌器。環境：外筒水。

燃燒熱是1摩爾物質專完全燃燒時所放出的熱量。屬在恆容條件下測得的燃燒熱為恆容燃燒熱（ov），恆容燃燒熱這個過程的內能變化（δu）。在恆壓條件下測得的燃燒熱為恆壓燃燒熱（qp），恆壓燃燒熱等於這個過程的熱焓變化（δh）。

熱量的散失仍然無法完全避免，這可以是同於環境向量熱計輻射進熱量而使其溫度升高，也可以是由於量熱計向環境輻射出熱量而使量熱計的溫度降低。因此燃燒前後溫度的變化值不能直接准確測量，而必須經過作圖法進行校正。

(4)在本實驗的裝置中哪部分是測量體系擴展閱讀：

注意事項：

數據處理中用雷諾法校正溫差，觀測燃燒前後的一系列水溫和時間的觀測值誤差，造成校正曲線的不準確，從開始燃燒到溫度上升至室溫這一段時間△t1內，由環境輻射和攪拌引進的能量所造成的升溫,故應予扣除。

由室溫升到最高點這一段時間△t2內，熱量計向環境的熱漏造成的溫度降低，計算時必須考慮在內扣除不合適會造成誤差。

Ⅳ 核磁共振測井物理基礎與實驗

（一）原子核磁矩

1.帶電體的磁矩

我們知道，帶電物體做閉合運動時具有磁矩（圖5-38（a）），其定義為式中：i為電流，A；S為閉合面積，m²；n為電流方向成右手法則的面積單位矢量。

圖5-38 微觀粒子的磁矩

地球物理測井

可以證明，帶正電荷q、以速度v做圓周運動的帶電粒子體系（圖5-38）的磁矩為

地球物理測井

上式中，P_L=r×mv為粒子的角動量。粒子的磁矩與角動量成正比，且方向一致。

具有磁矩的體系置於磁場B中，它將受到力矩L的作用：

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並且具有熱能E：

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上兩式說明，當M與B方向一致時，體系熱能最低，最為穩定；當兩者反平行時，熱能最高，為非穩態平衡。

2.原子核的磁矩

原子核是帶有Z個正電荷的帶電粒子，且具有一定的自旋角動量。因此，原子核具有磁矩（圖5-38（b）），原子核磁矩的表達式一般寫為

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式中，ħ=h/2π=1.0546×10 J·s，h稱普朗克常數；m_p=1.6726×10 kg為質子質量；P_I為以ħ為單位的核自旋角動量；系數g_I稱為核迴旋磁比率，簡稱G因子。

核的磁矩是原子核的重要屬性之一。例如，對氫核（質子）g_p=5.586（≠2）；對中子（電荷為0）g_n=-3.826（≠0）。

式（5-11）也可寫為

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其中

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稱旋磁比。對H核γ=2.67519×10⁸（rad·T^-1·s^-1）。

3.氫核磁矩

原子核的磁矩可以通過核磁共振方法測量。實驗發現，對偶A核（A是原子核質量數），角動量量子數為整數，其中偶-偶核（中子數N、電荷數Z都是偶數）I=0；奇A核，I為半整數。因此，對偶-偶核，其磁矩為零。

構成地表元素的核素，偶-偶核佔有最大的含量；而對其他核，氫核的含量最多，它的信息最大。除此之外，還有以下諸原因：①氫元素是地下流體最顯著的標識元素；②氫核的g因子（或旋磁比γ）在所有核素中為最大，理論表明對樣品測量的靈敏度正比於γ^5/2；③可以通過共振除去其他核的影響。

（二）核磁共振實驗和核磁共振現象

1.核磁共振現象

對核磁共振現象存在著兩種理論解釋方法：量子力學和經典電動力學。由於經典力學直觀形象，可以解釋大多數實驗現象，工程應用中一般採用經典力學方法。

核磁共振現象，從微觀機理講是具有簡並量子狀態的粒子在磁場作用下簡並度被解除的效應（Zeeman效應）。具有磁導率μ_I的核置於磁場B₀中，將獲得附加的能量：

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式中：μ_I，Z是在B₀（Z）方向的投影。

由量子力學可知，μ_I，Z有I+1個值，E也有I+1個值：

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磁量子數m=I，…，-I。當m=I時，能量最低。例如，對H核，I=1/2，其能級分裂為兩條，如圖5-39所示。相鄰能級差（Δm=1）：

地球物理測井

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圖5-39 在磁場B₀中H核的能級分裂

如果在垂直於均勻磁場B₀方向上再加一個強度較弱的高頻磁場B₁，其頻率滿足

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即

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原子核會吸收高頻磁場的能量，從而使核的取向發生變化，實現由較低能級向相鄰較高能級的躍遷。在這里，ω₀稱為共振頻率或躍遷頻率，它也是具有固有自旋角動量P_I的體系繞外加磁場B₀做高速旋轉的拉莫爾進動頻率。

2.核磁共振實驗

核磁共振實驗裝置有連續波工作法（CW）和脈沖-傅里葉法（PF）。前者直接測量共振頻率；後者測量樣品吸收外部能量後發出的時域譜，再經過傅里葉變換轉化為頻譜。目前大都採用後一種工作方式。NMR工作方式原理如圖5-40所示。

首先考慮NMR信號的數量級。①為克服電子對核的屏蔽作用，外加均勻磁場B₀需足夠強，約1 T（1 T=10⁴ Gs）。當B₀=1.4 T時，由式（518），其共振頻率MHz。它在無線電波譜段，核磁共振是低能量電磁波（無線電波）與物質相互作用的一種物理現象。②理論表明，受到磁化的粒子數服從玻爾茲曼分布：

圖5-40 核磁共振簡示圖

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k=1.38054×10^-23J·K^-1為玻爾茲曼常數。在熱平衡時，基態核素N₀∝e^（-E/kT）。

第一激發態核數N₁∝e^（-E，所以：

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當T=300 K及B₀=1 T時，ΔN≈7×10^-6 N₀。這是一個非常小的量，NMR信號正比於ΔN。

由圖5-40樣品置於強均勻磁場B₀中，使樣品磁化，把射頻場B₁（ω）以一個短而強的脈沖加到樣品上（B₁⊥B₀），射頻脈沖期間的射頻頻率滿足核磁共振條件：ω=γB₀，樣品會吸收高頻磁場的能量而實現能級躍遷（吸能過程）。脈沖過後，樣品會釋放在高能級的能量（放能過程），在感應線圈上會產生一個「自由感應衰減」信號（FID），它是時間域函數。一般要求射頻脈沖門成直角，且脈沖寬度τ很小。

在實驗室條件下，通過傅里葉變換，得到樣品頻譜和縱向弛豫時間T₁等多種物理參數；而在測井中或其他工程中一般只測橫向弛豫時間T₂。

利用NMR還可實現樣品內部成像，即核磁共振成像（NMRI）技術。其基本原理由式（5-18）知，共振頻率與外加磁場成正比。設置磁場為空間變數B₀（x，y，z），則樣品的共振頻率為ω₀（x，y，z）=γB₀（x，y，z），也是空間向量。激發不同頻率，對應不同空間點信號，利用計算機相應存儲器存儲，即完成「空間編碼」，重現成像。

（三）核磁共振宏觀描述——布洛赫方程

核磁共振的宏觀理論基於核磁共振現象的發現者布洛赫（Bloch）。該理論從磁化強度矢量M出發，是工程中最常用的理論。

磁化強度M定義為單位體積內所有磁矩的矢量和：

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其SI單位為A·m^-1。在沒有加外磁場時，由於電子的屏蔽作用，單個核磁矩隨機取向，〈μ_I〉=0，宏觀上觀察不到核的磁特性（5-41a）。當外加一靜磁場B₀時，情況發生了變化，原子核被磁化，排列有序，產生磁化現象（圖5-41b）。顯然，M的取向與外加磁場B₀的方向一致。

圖5-41 磁場中原子

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式中：κ為核磁化率。由統計力學可求：

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式中：N為單位體積自旋核數。

以平均磁矩〈μ〉表示磁化強度M的大小

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它正比於N，是工程中所關注的量。

布洛赫方程是描述磁化強度與磁場相互作用的微分方程。基於宏觀電磁理論，在NMR中具有非常重要的意義。其向量形式：

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式中：M=（M_x，M_y，M_z）^T為磁化強度矢量。當只有均勻磁場B₀時，M=M₀；B=（B_x，B_y，B_z）^T為外加磁強強度；R=（1/T₂，1/T₁）為3×3階弛豫矩對角方陣。

嚴格求解布洛赫方程是一項困難的工作，只能通過一些假定對問題進行簡化。

1.當脈沖發射時

在其作用時間t_p內，弛豫時間T可忽略不計；在X方向施加射頻磁場：B_x=2B₁cosωt，布洛赫方程為

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上式仍需進一步化簡：①分解線偏振2B₁cosωt為兩個相對反相旋轉的圓偏振，且只考慮激發共振的一個圓偏振場；②實驗室坐標系（L系）變換為以射頻場頻率ω繞Z軸旋轉的旋轉坐標系（R系）求解。在R系中，只有B₁作用，交變數消除，而γB₀=ω₀變為有效角頻率（ω₀-ω）。布洛赫方程化為

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當達到共振時，ω₀-ω=0，由此得：

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由此得到，共振時，磁化強度M以ω₀繞Z軸進動。在旋轉坐標系中，它以ω₁=γB₁的角頻率在YZ平面上轉動，稱為章動（ω₁也稱Rabi頻率）。在脈沖作用時間t_p內，M與Z軸之間形成一個夾角，這個夾角稱為脈沖偏轉角，用θ表示。M的運動可比喻為在重力作用下旋轉的陀螺（圖5-42）。在NMR中，通常說90°脈沖即指把M從Z方面扳轉到XY平面時所對應的時間。

2.脈沖作用過後

此時可以檢測由樣品發出的NMR信號，需考慮弛豫時間，布洛赫方程化為

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當扳轉角θ₀=90°時，上式解為

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此結果表明，M一方面在XY平面繞Z軸以拉莫爾頻率高速旋轉（稱旋進），並以T₂呈指數衰減；同時又以速率1/T₁回復到Z軸的初時值。圖5-43表示了M的縱向和橫向分量衰減示意圖。在XY平面會接受到M進動產生的感應電流信號，即自由感應衰減信號（FID）。

圖5-42 磁化強度M的「陀螺」運動

圖5-43 M的弛豫恢復過程

自由感應衰減信號的弛豫時間是由於分子熱運動以非輻射方式釋放能量的過程而產生，它分為縱向弛豫和橫向弛豫。縱向弛豫時間T₁稱自旋轉-晶格弛豫，它指M在恢復Z方向的磁化強度時，將自身的能量通過熱能傳遞給周圍環境；橫向弛豫時間T₂也稱自旋-自旋弛豫，它的能量交換是在體系內部進行的。測井中，受鑽井空間和長線傳輸等實際問題的限制，測量的是橫向弛豫時間T₂。

（四）物質的弛豫特性

存在三種影響T₁或T₂弛豫時間的NMR弛豫機理：即顆粒表面弛豫、梯度場中分子擴散引起的弛豫和體積流體進動引起的弛豫。

1.顆粒表面弛豫

流體分子在孔隙空間內不停地運動和擴散，在NMR測量期間擴散使分子有充分機會與顆粒表面碰撞。每次碰撞都提供了自旋弛豫的機會。當分子碰到顆粒表面，可能發生兩種現象。首先，氫質子將核自旋能源傳遞給顆粒表面，使之與靜磁場B₀重新線性排列（這對縱向弛豫T₁有貢獻）。其次，氫質子可能產生不可逆的反相自旋，而對橫向弛豫T₂有貢獻。這些現象不是每次碰撞都發生，僅有發生的一種可能性。如圖5-44（a）示出在孔隙中兩個分子的運動路徑，有一個自旋被弛豫前發生了幾次碰撞。研究人員指出，在大部分岩石中，顆粒表面弛豫對T₁和T₂的影響最大。

在弛豫質子自旋方面，不是所有面都具有相同能力。順磁離子如鐵、錳、鎳和鉻等為特別有效的弛豫物質，只要它們存在就能夠控制弛豫速度。砂岩通常含1%的鐵，這使流體質子有效預見弛豫。碳酸鹽岩的流體弛豫速率低於砂岩。在弛豫孔隙水方面，砂岩比碳酸鹽岩的有效率高三倍。

在表面弛豫中，孔隙大小也起了重要作用。弛豫速度與質子碰撞表面的頻率有關，也就與表面體積比（S/V）有關，見圖5-44。在大孔隙中，碰撞發生次數少，其S/V小，因此弛豫時間相對長。同樣，小孔隙的S/V大，弛豫時間短。

圖5-44 顆粒表面弛豫

對於單個孔隙，核自旋激勵按指數衰減。在T₂實驗中，作為時間的函數，信號幅度隨特性時間常數［ρ₂S/V］^-1衰減，於是：

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同樣

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實驗研究表明，表面弛豫機制與溫度和壓力無關。岩石中流體弛豫主要為顆粒表面弛豫，弛豫時間比（T₁/T₂）在1至2.5之間，通常為1.6。

岩石包括一系列不同尺寸的孔隙，每個孔隙具有自己的S/V。因而會有多個弛豫組分，總激勵為來自不同孔隙信號之和，所以實測的T₂不是一個單值，而是T₂分布函數。所有孔隙體積之和等於岩石的流體體積——孔隙度。總信號正比於孔隙度，總衰減為反映孔隙尺寸分布的單個衰減之和。孔隙度和孔隙尺寸分布的測量是NMR解釋的重要參數。

2.擴散弛豫

在梯度場中分子擴散造成的弛豫為擴散弛豫。

當靜磁場中存在梯度時，分子運動能造成失相，導致T₂弛豫。T₁弛豫不受影響。當不存在梯度場時，分子擴散不會造成NMR弛豫。

圖5-45中，開始CPMG脈沖序列，在90°脈沖期間一個分子位於A點。被扳倒到橫向平面上之後，自旋開始以頻率ω₀（A）進動，ω₀（A）為局域進動頻率。但是，當它擴散時遇到緩慢變化的B₀，其進動頻率慢慢改變。在T_E時它到達C點，此時發生自旋迴波。如果點A和B間其進動快於點B和C，在T_E時其相位不能完全恢復。同時，其他分子沿其他方向運動，每個分子都有自己的進動過程。因此，T_E時的自旋重聚不完全。因為子運動是隨機的，失相不可改變，故構成真T₂。由此擴散產生的T₂表示如下：

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圖5-45 在梯度磁場中的分子擴散

NMR測井儀能產生明顯的磁場梯度。例如，MRIL-C型儀器在整個采樣區域內可產生近17×10^-4 T/cm的均勻梯度場。CMR儀的梯度場在采樣區域內是變化的，梯度為20×10^-4 T/cm時儀器對擴散響應達峰值。

造成磁場梯度的另一個原因是顆粒物質與孔隙流體間的磁化率不同。岩石通常含1%的順磁離子，顆粒磁化率典型值為χ_g=+10^-5 cgs/cm³。水和油為弱抗磁物，水的磁化率為χ_w=-0.72×10^-6 cgs/cm³。岩石中靜磁場B₀的范圍是：

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其中Δχ=χ_g-χ_w為磁化率差；ΔB₀為靜磁場梯度。若B₀=500×10^-4 T，對典型的充滿流體岩石，ΔB₀為0.005T/cm。內部磁場梯度也與磁場變化的距離R有關：

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R明顯受控於孔隙幾何形狀，由於對孔隙幾何形狀知之甚少，所以很難估算內部梯度。岩石復雜的微觀幾何形狀也對擴散本身有影響。故對於岩石，式（5-33）變得復雜但仍以不完全了解的方式變化。

CMPG法是已知的減小梯度場擴散影響的最好脈沖序列。使CPMG回波間隔達到極小可減小擴散對T₂弛豫的影響，使之到可忽略程度。對於間隔較近的脈沖，T₂主要為表面弛豫或體積弛豫。當採用大回波間隔，或者當擴散系數很高如氣體或高溫下的水和輕烴，擴散影響十分顯著。

3.體積弛豫

即使顆粒表面和內磁場梯度不存在，在體積流體中也會發生弛豫。

對於水和烴，體積流體中的弛豫主要是鄰近自旋隨機運動產生的局部磁場波動造成的。

相鄰原子核的局域磁場相當強，但快速的分子運動（多數為分子旋轉）使該影響趨於平衡。通常，體積弛豫可以忽略。當一種流體被阻止進入與固體表面接觸，體積弛豫就十分重要了。在水濕潤性岩石中，水的弛豫主要是與顆粒表面碰撞造成的，因孔隙中心的小滴油或氣則無法接近岩石表面，因此僅被體積弛豫。當水存在於很大孔隙中時，僅有少量水可接觸表面（如碳酸鹽岩中的孔洞），此時體積弛豫明顯。

對於粘滯流體，即使它們構成濕潤相，其體積弛豫也十分重要。在這種流體中，旋轉是無效的，弛豫時間相對短。短的弛豫時間和擴散到顆粒表面能力的減弱使體積弛豫變得顯著。所以，提高流體黏度縮短了體積弛豫時間。

當孔隙流體含有高密度順磁離子氯、錳、鐵、鎳時，孔隙流體的體積弛豫也十分明顯。例如，木質磺鹽酸鉻泥漿濾液中的鉻離子減少了弛豫時間，因為電子自旋周圍的局域場太強。

懸浮液中的細微粒子（在整個泥漿侵入帶中都存在）也減少了流體體積弛豫時間，因為存在大量的流體分子可遇到的「懸浮」固體表面。

體積弛豫僅是一種流體特徵，不受它所駐留地層的特性（如礦物或微觀或幾何形狀）的影響。通常它受溫度影響較大。在水濕潤岩石中的油、孔洞中的水和溶液中存在大量順磁離子如鐵、鉻或錳的情況下，這一點十分重要。當體積弛豫明顯時，T₁=T₂。

4.弛豫過程小節

上述的弛豫過程並行作用，也就是說，它們的速率相加。對於橫向弛豫：

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式中：為體積貢獻；為表面貢獻；為梯度場擴散貢獻。

對於縱向弛豫，相應的等式為

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注意擴散對T₁無影響，因為該過程僅是一個失相機制。

（五）水、油、氣弛豫特徵

1.水的弛豫特徵

在水潤濕的碎屑岩中，水的弛豫時間為顆粒表面的弛豫所控制。弛豫速度與充滿水的孔隙空間的比面和顆粒礦物成分有關。在下列環境下，水的弛豫時間受控於體積和擴散弛豫，僅知地層溫度即可預測其值。這些環境是：①孔洞孔隙，孔隙比面很小；②嚴重油濕岩石；③含有高濃度順磁離子如鐵、鉻的原生水或濾液。

為了評估擴散弛豫的重要性，必須知道水的擴散系數D。D基本上與壓力無關，但受溫度影響較大，如圖5-46a所示。

對於不受固體表面弛豫影響的水而言，NMR弛豫速度為

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在體液中（也就是沒有擴散限制），由式（5-33）得出。在岩石中，特別是細粒岩石，顆粒是擴散的明顯屏障，有效擴散系數小於D，這使1/T_2D接近1/T_2B。另一方面，大於已知儀器梯度的內部梯度使1/T_2D增加。在缺乏更好資料情況下，使用純流體D值和儀器G值可估算1/T₂的合理近似值。假定儀器磁場梯度為20×10^-4 T/cm，體積水擴散，T₂曲線示於圖4-46b。T₁也示於此圖，因T₁既與擴散系數無關也與磁場梯度無關，故它總為標准值。用其他儀器梯度值和回波間隔通過式（5-33）重新計算的T₂曲線與圖中曲線相似。

圖5-46a 水的擴散系數與溫度的關系

圖5-46b 水的體積弛豫和擴散弛豫

泥漿濾液含有增加體積弛豫速度的順磁離子，特別是木質磺酸含鐵或鉻時在這方面有特別的效果。圖5-47a和圖5-47b為幾十年前收集數據的再版。現代泥漿的數據仍未見報道。注意到高溫一般減弱泥漿濾液中增加物的影響。

在某些情況下，故意在泥漿中加入順磁錳離子以減小水基泥漿的 T₂。如果錳濃度足夠高，水相的T₂減小至儀器死時間之下，所有的水信號將消失。因為在烴中錳不會衰弱，它們的弛豫時間不受影響，所以NMR孔隙度中僅剩下油或氣的信號。該技術已成功用於估算殘余油飽和度。類似地，孔洞地層中加入中等數量的錳能減小孔洞中水的 T₁，這使得能用短的等待時間估算總孔隙度，從而提高了測井速度。

圖5-47a T₁與加入鑽井泥漿中的稀釋劑的關系

圖5-47b 作為不同鑽井增加劑的函數T₁與溫度關系

通常，錳必須用乙烯二胺四乙酸鹽（EDTA）處理以阻止它與粘土礦物發生離子交換。當井未穿過泥質地層時，可用相對不太貴的氯化錳替代。錳溶液的弛豫特性示於圖5-48a和圖5-48b。當預測錳減小水相T₂時，記錄泥漿濾液被NMR儀探測域內原生水稀釋程度，這一點十分重要。

圖5-48a 錳溶液的弛豫特徵

圖5-48b Mn-EDTA弛豫特性與溫度的關系

2.油的弛豫特徵

在水潤濕岩中，油的NMR弛豫時間不受地層特性的影響，僅為油組分和地層溫度的函數。這大大簡化了測井解釋的任務，人們可以有部分把握地預測油信號在T₂弛豫時間分布上出現的位置。

預測油的NMR特性的第一步是確定井下油的黏度。已知黏度後，根據圖5-49確定T₁和T₂。T₂曲線假定儀器梯度為20×10^-4 T/cm。如果儀器磁場梯度低於此值，T₂曲線向T₁曲線移近。較高的儀器梯度或高的內部梯度增加了曲線間的距離（根據式5-33）。

圖5-49 原油弛豫時間、體積弛豫和擴散弛豫

在預測原油 T₂時，一定要記住原油不是單一的弛豫時間，而具有一定弛豫時間分布。圖5-50 示出了幾種原油的T₂分布，是在均勻磁場中（G=0）作為體積液體測量的。與具有窄T₂分布的成品油對比，原油的T₂分布跨度大，原因是原油為不同類型烴的混合物。典型的分布由一個源於最具流動性氫核的較長T₂峰和一個來自運動受限制氫核的較短弛豫時間的尾組成。定量確定烴量需要將原油T₂分布與觀測到總的T₂分布重疊，在一個尺寸變化大的孔隙系統中，總T₂分布包括水的寬弛豫時間分布。

圖5-50 體積樣品的T₂分布

在許多油基鑽井泥漿（OBM）中，基質油為用一個窄沸點范圍蒸餾得到的精製烴。這使OBM濾液的T₂分布窄。

3.氣體弛豫特徵

甲烷的T₁為其成分、溫度和壓力的函數，如圖5-51所示。弛豫為體積弛豫，但不同於液體的自旋-自旋弛豫，像甲烷一樣的簡單氣體主要弛豫為自旋-軌道相互作用所致。

圖5-51 甲烷氣的T₁與溫度和壓力的關系

圖5-52 甲烷擴散系數

氣體T₂完全受控於擴散弛豫，所以T₁和T₂彼此無關。甲烷的擴散系數很高，如圖5-52所示，將其結果代入等式（5-33），得出圖5-53所示的甲烷T₂值，圖中假設儀器梯度為20×10 ^-4T/cm。

在靜態條件下，氣體很少作為連續相存在。在中等水飽和狀態下，水阻塞孔隙喉道，氣體作為孤立的氣泡存在於孔隙中間。因氣的擴散系數很高，在梯度場中擴散影響可被消除。如果在T_E期間，一個氣體分子在氣泡上來回移動，擴散弛豫變為無效，T₂接近T₁。對於尺寸小於5 μm的氣泡，氣體T₂很長，且與T_E無關。

4.結論

圖5-53 未限制擴散的甲烷T₂

對於在潤濕岩石中的水，常常以表面弛豫機制為主。當在泥漿濾液中含鐵、錳、鉻、鎳或其他順磁離子時，必須作體積弛豫校正。孔洞中的水以體積速率弛豫，受擴散弛豫影響。同樣，水濕潤岩中的油也以體積速度弛豫，受擴散影響，氣體的T₁受控於體積弛豫，而T₂受控於擴散弛豫（表5-2）。

表5-2 弛豫機制

（六）固體的弛豫特性

NMR測井儀地層中氫核有響應。部分骨架組分，特別是粘土和含結晶水的礦物如石膏富含氫。

雖然固體中的氫核影響中子測井，但他們對NMR測井無影響，原因是固體中氫核的弛豫速率很慢，使之不被井下測井儀檢測。通常，T₁很長，約幾十秒或幾百秒，使之不被移動測井儀極化。此外，其T₂值很短，約為10 μs，所以來自固體中的信號因在接收死時間內而被丟失（所有NMR測井儀的死時間約為幾百毫秒）。因此，NMR儀器對骨架影響極不敏感，是核磁共振測井的重要優越性之一；測量結果不受岩性影響，從而使核磁測井資料解釋大大簡化。