基于核磁共振成像与颗粒形态分析的软沉积物表面弛豫度测定新方法及其在地质环境研究中的应用

针对传统方法（如MIP/BET）在软沉积物孔隙分布（PSD）分析中因干燥步骤导致材料变形的局限性，本研究结合一维核磁共振（NMR）成像与颗粒尺寸/形状估算，提出非侵入式表面弛豫度（ρ2 ）测定新方法。实验验证了该方法在高岭土、玻璃微球及天然土壤中的适用性，为地质工程和环境研究中软土稳定性评估提供了可靠工具。

　　

论文解读

研究背景

在地质工程和环境科学领域，软沉积物（如海底淤泥、湖泊黏土）的孔隙分布（Pore Size Distribution, PSD）直接影响其水力传导性、抗剪强度等关键性质。传统测定方法如压汞法（MIP）和Brunauer–Emmett–Teller（BET）分析需干燥样品，而软沉积物在脱水过程中易发生结构变形，导致数据失真。此外，微计算机断层扫描（μCT）分辨率不足或耗时过长。核磁共振（NMR）技术虽能非破坏性分析PSD，但需校准表面弛豫度（ρ₂
）——这一参数通常依赖独立测量（如μCT或MIP），对软沉积物仍不理想。

研究方法与技术

荷兰代尔夫特理工大学团队开发了一种结合一维NMR成像与颗粒尺寸/形状估算的新方法。关键技术包括：

1. 低场NMR系统（0.78T磁场，0.11 T/m梯度）测量沉降柱中水的体积分数（φ）和弛豫时间（T₂
   ）；
2. 激光衍射粒度分析（Malvern Mastersizer 3000+）确定颗粒中值直径（D50）；
3. 扫描电镜（SEM）表征颗粒形态（如高岭土片状结构）；
4. X射线荧光（XRF）分析铁含量以验证ρ₂
   的关联性。

研究结果

1. 理论与模型验证
通过Brownstein–Tarr模型推导出ρ₂
与颗粒几何参数的关系（公式9）：
ρ₂
= (1/〈T₂
〉) × (〈r〉〈φ〉) / [α(1?〈φ〉)]
其中α为几何因子（片状颗粒α=22，球形α=3）。实验证明，高岭土（D50≈7–10 μm）的ρ₂
为21.5–25.3 μm/s，与铁含量（1.12–1.59% Fe₂
O₃
）正相关；天然不莱梅港沉积物因含12.5%铁，ρ₂
高达291.8 μm/s。

2. 与传统方法的对比
BET测得的ρ₂
值比NMR新方法低5–8倍，因BET在纳米尺度测量，而NMR仅敏感于微米级大孔表面。例如，高岭土BET结果（3.2–5.0 μm/s）显著低估实际弛豫效应。

3. 动态沉降过程分析
高岭土悬浮液（KAO_ANG pH=4.9，KAO_CLA pH=8.3）的沉降显示：酸性条件下片状颗粒形成“卡片屋”结构，ρ₂
在6–7 h内稳定；碱性条件下“面-面”堆叠需25 h才稳定，反映结构紧实度差异。

结论与意义

该研究提出了一种基于NMR与颗粒形态的ρ₂
测定方法，解决了软沉积物PSD分析中干燥导致的结构失真问题。其意义在于：

1. 技术革新：无需干燥或假设孔隙形状，直接关联颗粒特性与弛豫行为；
2. 应用价值：适用于海洋沉积物早期固结阶段监测，为地质灾害预警提供数据支持；
3. 局限性：目前仅适用于窄粒度分布（如D50≈10 μm）样本，未来需扩展至宽分布体系。

论文发表于《Journal of Magnetic Resonance Open》，为地质与环境工程领域提供了可靠的工具，尤其对含铁黏土的稳定性研究具有突破性贡献。