基于鉆孔攝像技術(shù)的珊瑚礁完整性評價分析

汪進超，王川嬰，韓增強，胡勝

（中國科學院武漢巖土力學研究所 巖土力學與工程國家重點實驗室，湖北 武漢，430071）

基于鉆孔攝像技術(shù)的珊瑚礁完整性評價分析

汪進超，王川嬰，韓增強，胡勝

（中國科學院武漢巖土力學研究所 巖土力學與工程國家重點實驗室，湖北 武漢，430071）

在西沙琛航島地質(zhì)調(diào)查中，應(yīng)用數(shù)字鉆孔攝像技術(shù)，通過引入RMDI法開展對珊瑚礁完整性的分析研究，結(jié)合巖體分級標準，構(gòu)建珊瑚礁完整性指數(shù)與珊瑚礁完整程度的對應(yīng)關(guān)系，實現(xiàn)針對珊瑚礁完整性的工程評價。通過對CK1孔和CK2孔的攝像勘察和統(tǒng)計分析，按照基于RMDI法的珊瑚礁完整程度分級標準，對兩孔進行珊瑚礁完整性評價，與實體巖芯保持一致，并估算出兩孔之間珊瑚礁的巖體完整程度。研究結(jié)果表明：在珊瑚礁完整性評價中，按珊瑚礁完整性指數(shù)構(gòu)建的分級標準是可行的；按RMDI法建立的珊瑚礁完整程度是準確的；針對珊瑚礁的鉆孔攝像勘察和統(tǒng)計分析具有重要意義。

鉆孔攝像；地質(zhì)調(diào)查；珊瑚礁；巖體完整性

造礁石珊瑚屬能分泌碳酸鈣形成骨骼和外殼、行群體固著生活的腔腸動物的石珊瑚目 Scleractinia［1］。珊瑚礁是由造礁石珊瑚群體死后遺骸經(jīng)過破壞、搬運、堆積及膠結(jié)等作用而形成的特殊巖土體［2］。珊瑚從古生代初期開始繁衍，一直延續(xù)至今。珊瑚屬種多，演化快，常成為劃分地層的依據(jù)。造礁珊瑚對環(huán)境要求嚴格，只生長于熱帶、亞熱帶淺海中，而且隨著緯度升高，其屬種減少，生長率變慢，因而又可作為判斷古氣候、古地理的重要標志。珊瑚礁與地殼運動有關(guān)。正常情況下，珊瑚礁形成于低潮線以下50 m以淺的海域，高出海面者無疑是地殼上升或海平面下降的反映；反之，50 m以深或覆蓋在平頂海山上的巨厚珊瑚礁灰?guī)r，則標志該處地殼下沉［3］。珊瑚礁蘊藏著豐富的礦產(chǎn)資源。珊瑚礁及其瀉湖沉積層中，還有煤炭、鋁土礦、錳礦、磷礦。礁體粗碎屑中發(fā)現(xiàn)銅、鉛、鋅等多金屬層控礦床。我國的珊瑚礁主要分布于北回歸線以南的熱帶海岸和海洋中，尤其在南海地區(qū)珊瑚礁分布范圍廣，且地理位置顯要。珊瑚礁是茫茫大海中的“綠洲”和極其寶貴的陸地資源，是海洋資源開發(fā)和海洋權(quán)益保護的基地。因此，對珊瑚礁的研究具有重要意義。珊瑚礁之所以是一種特殊的巖土類型，一是由于其組成物質(zhì)的特殊性，二是由于其發(fā)育環(huán)境的特殊性。珊瑚礁砂礫土的礦物成分為文石和方解石，這就決定了其物理力學性質(zhì)與石英砂土相比具有顯著的區(qū)別：疏松、多孔、性脆、易碎、硬度低，且具有一定的自行膠結(jié)能力。巖體的主要成分是碳酸鈣（CaCO3），它結(jié)構(gòu)疏松、多孔、性脆、低硬度以及低強度。由于珊瑚礁巖土的脆性、易碎性，珊瑚礁地質(zhì)調(diào)查中的鉆探會明顯地破壞巖土的膠結(jié)狀況和引起顆粒的破碎，取樣時也會引起附加的擾動，導致地質(zhì)信息的獲取不夠完整和不準確，往往使傳統(tǒng)的測定方法失去了準確性。數(shù)字鉆孔攝像系統(tǒng)［4-9］集電子技術(shù)、視頻技術(shù)、數(shù)字技術(shù)和計算機應(yīng)用技術(shù)于一體，擺脫了上述制約，能夠?qū)⒐鈱W探頭放入鉆孔內(nèi)，對巖體進行近距離觀察，通過計算機信息的提取和存儲，形成鉆孔孔壁的數(shù)字柱狀圖像，解決了珊瑚礁鉆孔內(nèi)地質(zhì)信息采集的完整性和準確性問題。巖體基本質(zhì)量是巖體所固有的，影響工程巖體穩(wěn)定性的最基本屬性。而巖體基本質(zhì)量的優(yōu)劣取決于構(gòu)成巖體結(jié)構(gòu)特征的內(nèi)在因素，而巖體完整性是起控制性作用的因素之一。鉆孔攝像系統(tǒng)能夠評價巖體的幾何（宏觀形態(tài)）完整性，在之前的珊瑚礁巖體完整性評價方法［10］的研究中，提出了一種針對珊瑚礁完整性評價的方法，并驗證了該方法的可行性和準確性，但是沒有具體的評價標準，因此，本文作者開展了將RMDI法［10］和實際工程進行詳細的對比分析工作，通過將西沙群島琛航島地質(zhì)調(diào)查CK1孔的珊瑚礁完整性指數(shù)與其他方法獲得的地質(zhì)信息進行詳細地對比分析，并結(jié)合巖體劃分標準確定RMDI值所對應(yīng)的巖體完整程度。

1 鉆孔攝像技術(shù)

數(shù)字全景鉆孔攝像系統(tǒng)的關(guān)鍵是全景技術(shù)（截頭的錐面反射鏡）和數(shù)字技術(shù)（數(shù)字視頻和數(shù)字圖像）的突破。全景技術(shù)實現(xiàn)了 360°鉆孔孔壁的二維表示，疊加方位信息后形成的平面圖像稱為全景圖像；數(shù)字技術(shù)實現(xiàn)了視頻圖像的數(shù)字化，通過全景圖像的逆變換算法，還原真實的鉆孔孔壁，形成鉆孔孔壁的數(shù)字柱狀圖像。鉆孔攝像圖像能夠直觀地反映出鉆孔內(nèi)孔壁的孔洞以及其他地質(zhì)信息，通過對全孔地質(zhì)信息的提取和存儲，形成完整的信息數(shù)據(jù)庫，將信息數(shù)據(jù)庫進行計算機處理，能夠統(tǒng)計出圖像中可視的孔洞尺寸及數(shù)量，圖1 所示為數(shù)字鉆孔攝像技術(shù)的成像原理示意圖。

圖1 數(shù)字全景鉆孔成像原理示意圖Fig.1 Sketch of imaging principle of borehole camera system

2 RMDI法概述

珊瑚礁完整性指數(shù)（簡稱RMDI），是指在給定范圍內(nèi)完整珊瑚礁所占的比值（%），由于珊瑚礁具有多孔性，珊瑚礁完整性除了受巖體塊度的尺寸效應(yīng)影響外，還受孔洞的尺寸效應(yīng)影響，珊瑚礁完整性指數(shù)反映了珊瑚礁巖體所受塊度尺寸效應(yīng)和孔洞尺寸效應(yīng)的綜合影響。若給定的深度范圍為［h1， h2］，則珊瑚礁完整性指數(shù)的計算式為

3 RMDI值與巖體完整度的對照關(guān)系

3.1 巖體完整性的劃分

巖體完整性是指巖體內(nèi)以裂隙為主的各類地質(zhì)界面的發(fā)育程度，是巖體結(jié)構(gòu)的綜合反映，取決于結(jié)構(gòu)面切割程度、結(jié)構(gòu)體大小以及塊體間結(jié)合狀態(tài)等因素，裂隙少即巖體完整性好，裂隙多則巖體完整性差。它是巖體質(zhì)量好壞最重要的標志之一，是巖體工程中采用的概述性指標。因此，如何既科學又方便地評價工程巖體的完整性對巖石工程建設(shè)意義十分重大。

在各種巖體的分類中，無論是以定性為主的分類，還是以定量判據(jù)為主的分類，都要涉及到巖體的完整性問題，巖體的完整性，是表征巖體強度，巖體變形性的重要標志之一。長期以來，國內(nèi)工程地質(zhì)界都以直接影響巖體完整性的節(jié)理裂隙的特性來描述巖體的工程性質(zhì)，其中尤其是采用節(jié)理裂隙的間距來進行描述，表 1［11-14］列出巖體工程勘察規(guī)范、鐵路工程地質(zhì)規(guī)范、工程地質(zhì)調(diào)查規(guī)范、水利水電工程地質(zhì)勘測規(guī)范和國際巖石力學學會推薦的巖體節(jié)理間距分級標準，表 2［15］所示為工程巖體分級標準中的巖體完整程度的定性劃分結(jié)果。

巖體完整性的規(guī)范在不同領(lǐng)域的劃分存在差異，特別是對珊瑚礁這種特殊的巖體進行完整性的劃分尚無先例，正確劃分珊瑚礁巖體的完整程度比較困難，鉆孔攝像系統(tǒng)能夠準確地獲得完整的地質(zhì)信息，嘗試通過基于鉆孔攝像技術(shù)的RMDI法進行珊瑚礁的巖體完整性評價，積極探索 KRMDI與巖體完整程度的對應(yīng)關(guān)系。

表1 巖體節(jié)理間距分級標準Table 1 Classification based on rock mass joint spacing m

表2 巖體完整程度的定性劃分結(jié)果Table 2 Qualitative classification of rock mass intactness

3.2 KRMDI與巖體完整程度的對應(yīng)關(guān)系

在琛航島地質(zhì)調(diào)查中，數(shù)字全景鉆孔攝像系統(tǒng)完成了琛航島所有鉆孔的勘測，勘測累計深度接近

5）構(gòu)建特征矩陣T65=［I，Rx1，Rx2，…，Rx65，Ry1，Ry2，…，Ry65］，其中I為類別標識，定義為文字的類別。

2 000 m，通過對鉆孔孔壁巖體的地質(zhì)信息提取和存儲，形成信息數(shù)據(jù)庫，將信息數(shù)據(jù)庫進行計算機處理，繪制出鉆孔攝像圖像，統(tǒng)計出鉆孔攝像圖像中可視孔洞的尺寸和數(shù)量，為了便于統(tǒng)計，選擇1 m作為單位深度，10 m作為統(tǒng)計深度，根據(jù)式（1）計算出CK1孔的部分珊瑚礁KRMDI，其中孔深91～220 m段孔徑R為114 mm，孔深220～351 m段孔徑R為92 mm，計算結(jié)果如圖2所示。圖3所示為CK1孔部分巖芯圖。

圖2 CK1部分深度對應(yīng)的KRMDIFig.2 Part of KRMDI

從圖2可以看出：在孔深161～221 m段內(nèi)，KRMDI均較高，且大于85%，通過查閱鉆探記錄和對照現(xiàn)場巖芯照片（圖3（a）～（c）），巖芯呈整體狀，且取出來的完整巖芯高度均大于1 m，通過完整巖芯的高度來判斷巖體節(jié)理或結(jié)構(gòu)面的間距，認為完整巖芯的高度即為節(jié)理或者結(jié)構(gòu)面的間距，參照表2， 該段珊瑚礁巖體對應(yīng)定性劃分巖體完整程度中的完整類型，因此，認為該段珊瑚礁巖體的完整程度好。

在孔深101～131 m段，KRMDI較小，均小于40%，通過查閱鉆探記錄和對照現(xiàn)場巖芯照片（圖3（d）～（f）），發(fā)現(xiàn)該段取上來的巖芯大部分呈散體碎塊結(jié)構(gòu)，完整巖芯的高度均不足0.2 m，膠結(jié)很差，對應(yīng)定性劃分巖體完整程度中的極破碎類型，因此，認為該段珊瑚礁巖體的完整程度差。

在孔深91～111 m段，KRMDI介于55%與75%之間，通過查閱鉆探記錄和對照現(xiàn)場巖芯照片（圖3（g）～（i）），發(fā)現(xiàn)完整巖芯高度平均在0.5 m左右，巖芯呈中厚層狀，膠結(jié)程度一般，對應(yīng)定性劃分巖體完整程度中的較破碎，因此，認為該段的珊瑚礁巖體完整度一般。

在之前的關(guān)于珊瑚礁巖體完整性評價方法的研究中，已經(jīng)驗證了RMDI法的可行性和準確性，對于珊瑚礁這種特殊的巖體，通過以上將 KRMDI與其他資料進行的對比分析，并結(jié)合巖體節(jié)理分級標準（表1）和巖體完整程度的定性劃分（表2），構(gòu)建珊瑚礁巖體完整性指數(shù)（KRMDI）與珊瑚礁巖體完整程度的對應(yīng)關(guān)系（表3）。

表3 KRMDI與珊瑚礁巖體完整程度對應(yīng)關(guān)系Table 3 Correlation between KRMDIand coral reef rock mass intactness

3.3 CK1孔和CK2孔的對比評價

圖3 CK1孔部分巖芯圖Fig.3 Picture of rock cores

表4 CK1孔深與珊瑚礁完整程度對應(yīng)關(guān)系Table 4 Correlation between dept and rock mass intactness

從表4可以看出：將采用RMDI法進行珊瑚礁巖體完整性評價的結(jié)果與實體巖芯進行對比，RMDI法的評價結(jié)果基本與實體巖芯保持一致，可見按RMDI法構(gòu)建的分級標準具有可行性和準確性。

CK2孔與CK1孔的水平間距為10 m，CK2位于CK1的東南方向，且更靠近外海岸，根據(jù)式（1）計算出與CK1孔對應(yīng)深度91～351 m的KRMDI，其中鉆孔孔徑R為114 mm，其KRMDI如圖4所示。

圖4 CK2部分深度對應(yīng)的RMDI值Fig.4 Part of RMDI values

根據(jù) KRMDI與珊瑚礁完整性程度對應(yīng)關(guān)系，對CK2孔進行完整性評價，然后與CK1孔同等深度進行對比，結(jié)果如圖5所示。

圖5 CK1孔與CK2孔之間的巖體完整性程度劃分Fig.5 Evaluation results between CK1 and CK2

通過對CK1孔和CK2孔的評價，可以推斷出兩孔之間珊瑚礁巖體的完整程度，如圖5所示。從圖5可以看出：珊瑚礁地層較復(fù)雜，且在一定范圍外，部分深度珊瑚礁巖體的完整程度存在明顯差異，通過對珊瑚礁完整程度的評價，可以為珊瑚礁發(fā)育地層結(jié)構(gòu)的建立提供重要依據(jù)，也對劃分地層、判斷古氣候、古地理具有重要的意義。

4 結(jié)論

1） 在珊瑚礁完整性評價中，按RMDI值構(gòu)建的分級標準是可行的。

2） 按RMDI法建立的珊瑚礁完整程度是準確的。

3） 針對珊瑚礁的鉆孔攝像勘察和統(tǒng)計分析具有重要意義。

［1］ 孫宗勛， 趙煥庭. 珊瑚礁工程地質(zhì)學［J］. 水文地質(zhì)工程地質(zhì)，1988， 25（1）： 1-4. SUN Zhongxun， ZHAO Huanting. Coral reef engineering geology［J］. Hydrogeology and Engineering Geology， 1988，25（1）： 1-4.

［2］ 單華剛， 汪稔， 周曾輝. 南沙群島永暑礁工程地質(zhì)特征［J］. 海洋地質(zhì)與第四紀地質(zhì)， 2000， 20（3）： 31-35. SHAN Huagang， WANG Ren， ZHOU Zenghui. Geological characteristics of Yongshu Reef of the Spratly Islands［J］. Marine Geology & Quaternary Geology， 2000， 20（3）： 31-35.

［3］ 潘正莆， 黃金森， 沙慶安. 珊瑚礁的奧秘［M］. 北京： 科學出版社， 1984： 10-240. PAN zhengpu， HUANG Jinshen， SHA Qingan. The mystery of coral reefs［M］. Beijing： Science Press， 1984： 10-240.

［4］ PRENSKY S E. A survey of recent developments and emerging technology in well logging and rock characterization［J］. The Log Analyst， 1994， 35（2）： 15-45.

［5］ PRENSKY S E. Advances in borehole imaging technology and application［C］//Borehole Imaging： Applications and Case Histories. London： Geological Society， 1999： 1-43.

［6］ JOHN H W， CAROLE D. Johnson. Acoustic and optical borehole-wall imaging for fractured-rock aquifer studies［J］. Journal of Applied Geophysics， 2004， 55（1）： 151-159.

［7］ 王川嬰， LAW K T. 鉆孔攝像技術(shù)的發(fā)展和現(xiàn)狀［J］. 巖石力學和工程學報， 2005， 24（19）： 3440-3448. WANG Chuanying， LAW K T. Review of borehole camera technology［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering， 2005， 24（19）： 340-348.

［8］ 王川嬰， 葛修潤， 白世偉. 數(shù)字式全景鉆孔攝像系統(tǒng)及應(yīng)用［J］. 巖土力學， 2001， 22（4）： 522-525. WANG Chuanying， Ge Xiuruan， BAI Shiwei. The digital panoramic borehole camera system and its application［J］. Rock and Soil Mechanics， 2001， 22（4）： 522-525.

［9］ 秦英譯， 王川嬰. 前視井下電視和數(shù)字鉆孔攝像在工程中的應(yīng)用［J］. 巖石力學與工程學報， 2007， 26（增1）： 2834-2840. QIN Yingyi， WANG Chuanying. Axial downhole TV and digital optical borehole imagine and their engineering applications［J］. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering， 2007，26（Supp.1）： 2834-2840.

［10］ 汪進超， 王川嬰. 珊瑚礁巖體完整性評價方法［J］. 巖土力學，2014， 35（10）： 2934-2940. WANG Jinchao， WANG Chuanying. Method for evaluating coral reef rock mass integrity［J］. Rock and Soil Mechanics， 2014，35（10）： 2934-2940.

［11］ GB 50021—2001， 巖土工程勘察規(guī)范［S］. GB 50021—2001， Code for investigation of geotechnical engineering［S］.

［12］ TBJ 12-85， 鐵路工程技術(shù)規(guī)范［S］. TBJ 12—85， Technical code of railroad engineering geology［S］.

［13］ GB 50287—2006， 水利水電工程地質(zhì)勘查規(guī)范［S］. GB 50287—2006， Code of engineering geological survey［S］.

［14］ ZBD 14003—89， 工程地質(zhì)調(diào)查規(guī)范［S］. ZBD 14003—89， Code of engineering geological survey［S］.

［15］ ［15］ GB 50218—94， 工程巖體分級標準［S］. GB 50218—94， Standard for engineering classification of rock masses［S］.

（編輯 陳愛華）

Analysis of coral reef integrity based on borehole camera technology

WANG Jinchao， WANG Chuanying， HAN Zengqiang， HU Sheng

（State Key Laboratory of Geomechanics and Geotechnical Engineering， Institute of Rock and Soil Mechanics，Chinese Academy of Sciences， Wuhan 430071， China）

The geological survey in Xisha Chenhang Island has an application of digital borehole camera technology. The RMDI method was used to carry out the analysis and research on coral reef integrity according to rock mass classification standard， and achieves the coral reef integrity evaluation by combining the coral reef integrity index with coral reef integrity degree of correspondence construction. Borehole CK1 and CK2 were evaluated based on RMDI method of coral reef integrity standards， and the result is consistent with rock cores， and then the coral reef rock mass integrity between CK1 and CK2 was estimated. The results indicate that the classification system based on integrity index is feasible in the integrity evaluation of coral reefs； the coral reef integrity degree based on RMDI method is accurate and borehole camera survey and statistical analysis are of great utility in the study of coral reefs.

borehole camera； geological survey； coral reefs； rock mass integrity

TU45

A

1672-7207（2016）05-1619-06

10.11817/j.issn.1672-7207.2016.05.023

2015-07-30；

2015-10-08

國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃（973計劃）項目（2013CB956104）；國家科技基礎(chǔ)工作專項（2012FY112400） （Project（2013CB956104） supported by the Major State Basic Research Development Program （973 Program） of China； Project（2012FY112400） supported by National Science and Technology Basic Work）

王川嬰，博士生導師，研究員，從事鉆孔攝像和巖體測試方面的研究；E-mail： chywang@whrsm.ac.cn