灰?guī)r微觀孔隙的三維定量描述及其對變形的影響

汲云濤 黃庭芳

1）中國地震局地質(zhì)研究所，北京100029

2）紐約州立大學(xué)石溪分校，美國 11794-2100

巖石的力學(xué)行為是由其微觀的巖石物理性質(zhì)和微觀結(jié)構(gòu)所最終決定的。因此在巖石物理學(xué)中描述孔隙結(jié)構(gòu)及其幾何性質(zhì)如孔隙大小、形狀、彎曲度和連通性有著極其重要的意義。研究孔隙結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)方法是光學(xué)顯微鏡和掃描電鏡。微米CT（microCT）作為一種新的三維成像技術(shù)為研究巖石孔隙結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性提供了新的視角，這對理解巖石的孔隙結(jié)構(gòu)及其對巖石的物理性質(zhì)的影響，以及巖石破壞的演化及其與破裂微觀力學(xué)的關(guān)系有極大的幫助。

一般而言，巖石里的孔隙有兩部分組成：拉伸的微裂紋和球形孔隙。在碎屑巖中，巖石孔隙主要為由喉狀結(jié)構(gòu)鏈接的相對偏心的球形孔隙，這些孔隙足夠大，可以被微米CT觀測到和進(jìn)行直接成像。很多數(shù)據(jù)（主要是砂巖數(shù)據(jù)）為深入理解巖石孔隙三維幾何復(fù)雜性提供幫助。相比而言，碳酸鹽孔隙結(jié)構(gòu)的三維成像并沒有這么直接。一般的來說，碳酸鹽的孔隙結(jié)構(gòu)比硅質(zhì)巖石更加復(fù)雜。造成這種幾何復(fù)雜性的原因之一是沉積環(huán)境和成巖作用在碳酸鹽的紋理和纖維演化的過程中對其有重要的影響。這種影響能相對快速和劇烈的改變孔隙結(jié)構(gòu)的尺寸和連通性。碳酸鹽中的孔隙尺寸分布較廣，這種分布常常是雙峰值的，其中的很大一部分由微孔隙構(gòu)成，這種微孔隙目前只能被掃描電鏡觀測到。

近期研究表明，宏觀孔隙和微觀孔隙各自對彈性變形和非彈性變形有著影響。與之對應(yīng)的，微觀力學(xué)建模也需要一個雙孔隙度模型。盡管大多數(shù)微觀孔隙能被掃描電鏡觀測到，對統(tǒng)計意義上的表征樣品的細(xì)微特征進(jìn)行定量分析可能會很繁瑣。進(jìn)一步，三維特征只能從樣品的二維截面上推測。受微觀結(jié)構(gòu)觀測的指導(dǎo)，客觀研究的第一步是搞清楚微米CT在描述宏觀孔隙和時接推測微觀孔隙的幾何結(jié)構(gòu)和空時分布上能走多遠(yuǎn)。我們沒有按照傳統(tǒng)的方法把CT圖像分割為兩個類別空和固體，而是把它分為三類：空、固體和中時區(qū)域，這中時區(qū)域是由處于微孔隙的像素組成的。

利用微米CT成像研究在灰?guī)r完整樣品和塑性壓縮的樣品中的孔隙結(jié)構(gòu)。在已經(jīng)獲得了幾組空時分辨率為4微米的三維CT數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，在光學(xué)顯微觀測的輔助下，利用Otsu方法的原則，自行設(shè)計了多級的Otsu分類算法。三維CT數(shù)據(jù)被分為三個組分：固體顆粒，宏觀孔隙和中時區(qū)域，此處的中時區(qū)域是由微觀孔隙主導(dǎo)的。利用數(shù)字圖像處理和形態(tài)學(xué)方法，每一個獨立的宏觀孔隙被分別識別出來，并用球形度和等效直徑對它們的形狀進(jìn)行定量化。結(jié)果數(shù)據(jù)可以揭示出，在圍壓壓縮和三軸壓縮的樣品中，相對于完整樣品，宏觀孔隙的數(shù)據(jù)有著顯著的減少，這與微觀結(jié)構(gòu)分析的結(jié)果是一致的。中時區(qū)域（微觀孔隙）保持內(nèi)部的互相連接。數(shù)據(jù)指出，灰?guī)r中的非彈性壓縮有兩方面的表現(xiàn)：

（1）微觀孔隙骨架的體積百分比的減少。

（2）與之對應(yīng)的微觀孔隙結(jié)構(gòu)的厚度的減少。