基于CT掃描試驗(yàn)的珊瑚骨架灰?guī)r孔隙結(jié)構(gòu)特征研究*

張 標(biāo) 雷學(xué)文 魏厚振 孟慶山 李肖肖 王新志

(①武漢科技大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院， 武漢 430065， 中國) (②中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所， 巖土力學(xué)與工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 武漢 430071， 中國)

0 引 言

珊瑚礁灰?guī)r是一種廣泛分布在我國的巖土體，是造礁石珊瑚大范圍死亡后其殘骸在長期地質(zhì)演化作用下形成的巖體。珊瑚死后仍留在海底原地，叢生的珊瑚群體死后其遺骸構(gòu)成的巖體，堆積在死前原生長地稱為原生礁； 珊瑚被波浪破壞后其殘肢和各種附礁生物貝類及藻類的遺骸堆積膠結(jié)在一起構(gòu)成次生礁。原生礁和次生礁構(gòu)成了水中珊瑚礁灰?guī)r地質(zhì)體(王新志等， 2008； 劉志偉等， 2012； 余克服， 2012； 趙煥庭等， 2016； 劉海峰等， 2018)。為研究礁體的穩(wěn)定性，需了解作為珊瑚礁主體的礁灰?guī)r的物理力學(xué)性質(zhì)，其中孔隙便是至關(guān)重要的一項(xiàng)參數(shù)。肖向陽等(2018)研究表明，馬爾代夫珊瑚礁灰?guī)r因其成巖作用弱、膠結(jié)物質(zhì)特殊及主要成分為生物骨架三因素疊加而具有較高的孔隙率。甘小泉等(2020)研究表明，珊瑚礁灰?guī)r孔隙率大，可達(dá)13.95%～33.85%，單軸抗壓強(qiáng)度為5.2～11.5MPa。田雨杭等(2020)研究表明，珊瑚礁灰?guī)r彈性波速主要受孔隙度和孔隙結(jié)構(gòu)類型的影響。段志剛等(2020)研究表明，礁灰?guī)r結(jié)構(gòu)中的溶洞和軟弱面的強(qiáng)度具有隨機(jī)性。

根據(jù)巖石結(jié)構(gòu)構(gòu)造的差異性，可以將珊瑚礁灰?guī)r主要?jiǎng)澐譃?種類型：珊瑚骨架灰?guī)r、珊瑚礫塊灰?guī)r、珊瑚礫屑灰?guī)r和珊瑚砂屑灰?guī)r(鄭坤， 2019)。珊瑚骨架灰?guī)r屬于海相生物成因的碳酸鹽巖，膠結(jié)類型主要為孔隙式膠結(jié)和接觸式膠結(jié)，化學(xué)成分基本為碳酸鈣。為了了解珊瑚骨架灰?guī)r的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，對其內(nèi)部孔隙進(jìn)行精細(xì)化定性定量分析，需要深入探究其微觀孔隙的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。目前常見的巖土體微觀結(jié)構(gòu)探測方法有CT掃描試驗(yàn)、SEM掃描電鏡、MIP壓汞、鑄體薄片和聲發(fā)射等(譚峰屹， 2007； 龔囪等， 2014； 韓偉歌等， 2017； Wang et al.， 2018a， 2018b； 趙日新等， 2019； 鄭坤， 2019； 陳玉華等， 2020； 黃賢勝等， 2020)。其中CT掃描試驗(yàn)作為一種典型代表，能夠在不損傷巖樣的前提下對被測對象的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行探測，獲得巖石內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)的高分辨率圖像，廣泛應(yīng)用于巖樣的孔隙分布研究，為巖石微觀結(jié)構(gòu)的可視化、精細(xì)化表征提供了強(qiáng)大的技術(shù)支持(趙建鵬等， 2020)。近年來，一些學(xué)者嘗試?yán)肅T掃描試驗(yàn)結(jié)果來研究各種巖樣的內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征。向杰(2020)通過CT掃描試驗(yàn)研究表明，砒砂巖試樣的孔隙率可以達(dá)到9.451%，連通孔隙占總孔隙的比例超過了60%； 大孔隙的數(shù)量雖只占1.5%，但其孔隙體積占比超過了52%。金智敏等(2020)運(yùn)用Avizo三維可視化軟件對某煤巖巖樣的孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，計(jì)算出巖樣三維重構(gòu)模型中的孔隙個(gè)數(shù)與體積，得出巖樣的孔隙率為6.633%。Christe et al. (2010)通過CT掃描試驗(yàn)評價(jià)了某高構(gòu)造化碳酸鹽巖樣內(nèi)部孔洞與蝕變程度。葉萬軍等(2017)對同一黃土樣進(jìn)行CT掃描，研究表明初始土樣具有不均勻性的微小孔隙與裂紋，即為土樣的初始損傷。高紅靈等(2019)基于CT掃描開發(fā)了一套對黃土大孔隙進(jìn)行矢量化表征的軟件，并對內(nèi)部孔隙的填充球鏈數(shù)與孔徑分布等進(jìn)行了分析。鄭博寧等(2019)通過CT掃描對礫石與土體的邊界進(jìn)行識別與三維重構(gòu)，得到每個(gè)礫石的三維模型?？偟膩砜?，目前的相關(guān)研究工作還并未涉及對珊瑚骨架灰?guī)r孔隙結(jié)構(gòu)的定量化分析與孔隙結(jié)構(gòu)特征的微細(xì)觀描述，因此，珊瑚骨架灰?guī)r孔隙結(jié)構(gòu)的精細(xì)化定性定量研究存在較大的探索空間。

本文通過對某島礁珊瑚骨架灰?guī)r進(jìn)行加工制樣，采用CT掃描技術(shù)對試樣內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行掃描，并用圖像處理技術(shù)構(gòu)建了試樣的三維孔隙模型。在此基礎(chǔ)上，對提取的孔隙采用數(shù)字巖芯分析技術(shù)，從整體孔隙率、逐層面孔隙率、孔隙等效直徑篩分與孔隙連通性等4個(gè)方面對珊瑚骨架灰?guī)r代表巖樣的孔隙微細(xì)觀結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行了深入探討。

1 測試原理與方法

1.1 試樣準(zhǔn)備

珊瑚骨架灰?guī)r巖樣取自某珊瑚礁體，根據(jù)《工程巖體試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50266-2013)相關(guān)規(guī)定，為滿足掃描測試的基本要求，將巖樣制備成直徑為50mm、高為100mm的標(biāo)準(zhǔn)圓柱體巖樣進(jìn)行全方位的CT掃描試驗(yàn)。典型試樣如圖 1所示，為了方便分析與整理，將6塊巖樣分別編號為A-F，其兩端面不平整度誤差均不大于0.05mm，沿巖樣高度，直徑誤差不大于0.3mm，端面垂直于巖樣軸線，最大偏差不大于0.25°，巖樣精度滿足規(guī)范要求。

圖 1 珊瑚骨架灰?guī)r代表試樣Fig. 1 Typical sample of coral skeleton limestone

1.2 CT測試原理

CT掃描劃分不同材料的理論基礎(chǔ)是材料的密度越小，掃描得到的二維圖像灰度值越大。珊瑚骨架灰?guī)r是一種由高密度巖石骨架和低密度孔隙組成的二元材料。在此基礎(chǔ)上，可將樣品劃分為巖石骨架模型和孔隙模型。CT掃描技術(shù)是目前應(yīng)用最廣泛的三維無損成像技術(shù)，這項(xiàng)技術(shù)的成像原理是計(jì)算試樣中每個(gè)微元的射線吸收系數(shù)(受密度這一參數(shù)的影響較大)，而后根據(jù)這一系數(shù)來區(qū)分不同組分。CT前端試驗(yàn)系統(tǒng)主要包括射線源、探測器與機(jī)械系統(tǒng)等，如圖 2所示。

圖 2 CT試驗(yàn)系統(tǒng)組成Fig. 2 CT test system composition

1.3 CT測試方法

試驗(yàn)采用的是nanoVoxel-3000系列X射線高精度三維顯微鏡，最高掃描精度為0.5μm，掃描后可得到珊瑚骨架灰?guī)r代表巖樣的三維立體圖像。

根據(jù)試驗(yàn)需求，樣品掃描高度為100mm，底座速度為1 (°)·min-1，每個(gè)樣品共得到3000余張切片，切片圖如圖 3所示。掃描時(shí)將珊瑚骨架灰?guī)r試樣靜置在旋轉(zhuǎn)底座上，采用螺旋上升的方法慢速旋轉(zhuǎn)提升，然后開啟X射線源開關(guān)，使得X射線穿透珊瑚骨架灰?guī)r巖樣得到掃描圖像。對巖樣進(jìn)行CT掃描后，得到樣品內(nèi)部三維結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)體，并采用巖芯CT圖像濾波技術(shù)消除掃描過程中產(chǎn)生的噪聲，選擇中值濾波的方法對CT圖像進(jìn)行去噪處理。

圖 3 巖樣切片展示Fig. 3 Sample slice presentation

為了更清晰便捷地觀察巖樣孔隙的分布情況，通常采用閾值分割法來進(jìn)行巖樣微觀結(jié)構(gòu)的定量表征。閾值分割法是數(shù)字巖芯圖像處理中常用的方法之一，該方法利用圖像的灰度差異，用某一固定閾值將CT圖像的灰度直方圖分割成兩部分，并分別進(jìn)行表達(dá)。

利用三維立體圖像處理軟件可對得到的三維結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)體進(jìn)行區(qū)域提取，并在XY、YZ、XZ3個(gè)方向進(jìn)行切片處理，如圖 4所示，可以清晰地看出樣品內(nèi)部結(jié)構(gòu)，根據(jù)不同組分的密度差異，在三維顯微成像時(shí)呈現(xiàn)出不同的亮度，亮度越高代表密度越大。

圖 4 XY方向切片圖Fig. 4 XY slice diagram

對目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行標(biāo)記放大，如圖 5所示，其中較亮部分為基質(zhì)，黑色部分為孔隙，灰色物質(zhì)密度略低于基質(zhì)。

圖 5 XY方向放大圖Fig. 5 XY enlarged diagram

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 整體孔隙率分析

運(yùn)用Avizo三維可視化軟件對巖樣三維結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)體進(jìn)行閾值選取與處理，利用圖像顯示軟件生成珊瑚骨架灰?guī)r巖樣整體孔隙的三維立體結(jié)構(gòu)。為方便觀察，選取三維珊瑚骨架灰?guī)r巖樣模型的不同角度進(jìn)行展示，如圖 6所示，其中藍(lán)色(見電子版文章)表示巖樣整體孔隙。

圖 6 巖樣整體孔隙三維模型Fig. 6 3D model of integral porosity of sample

在原始圖像中對不同灰度值所對應(yīng)的材料進(jìn)行閾值選取與劃分。通過對孔隙三維模型信息進(jìn)行分析計(jì)算，獲取孔隙與巖石骨架的體積分別為Vp和Vr，利用式(1)和式(2)來計(jì)算整體孔隙與巖石骨架占總體積的比例：

(1)

(2)

式中：ωp為整體孔隙體積占比，即整體孔隙率；ωr為巖體骨架體積占比。

經(jīng)計(jì)算，珊瑚骨架灰?guī)r巖樣A-F的整體孔隙率ωp分別為3.22%、2.33%、3.16%、5.71%、1.98%和3.40%。其中巖樣D的整體孔隙率最大，達(dá)到5.71%，巖樣E的整體孔隙率最小，僅為1.98%， 6塊巖樣整體孔隙率均值僅為3.30%。

將整體孔隙率進(jìn)行對比分析如表 1所示，可以看出，本次試驗(yàn)的珊瑚骨架灰?guī)r與馬爾代夫部分礁灰?guī)r(肖向陽等， 2018)相比，孔隙發(fā)育程度較小，孔隙對于強(qiáng)度和工程滲透特性有著極其重要的影響。

表 1 整體孔隙率對比分析Table 1 Comparative analysis of overall porosity

2.2 非均質(zhì)程度與逐層面孔隙率分析

運(yùn)用Avizo三維可視化軟件對珊瑚骨架灰?guī)r逐層面孔隙進(jìn)行處理與閾值提取如圖 7所示，其中藍(lán)色(見電子版文章)表示巖樣逐層孔隙。提取孔隙并進(jìn)行閾值分割的目的在于選取進(jìn)行分析的孔隙部分，將孔隙部分與基質(zhì)部分分割開來，之后便可進(jìn)行后續(xù)的處理。

圖 7 閾值分割提取孔隙Fig. 7 Threshold segmentation to extract pores

圖像二值化分割后可將巖樣三維數(shù)據(jù)體劃分為巖體骨架和孔隙兩部分。面孔隙率的分布在一定程度上能夠反映出孔隙的宏觀情況，其中橫坐標(biāo)0的位置為巖樣下側(cè)，如圖 8所示。由圖 8可以看出，巖樣在軸向上面孔隙率分布離散性較大，在相鄰較近界面頻繁出現(xiàn)最大最小值，這種情況在流體流動(dòng)中極易產(chǎn)生降壓過大的現(xiàn)象。

圖 8 切片孔隙率隨切片位置的變化關(guān)系Fig. 8 The relationship of slice porosity and slice location

將巖樣A-F的最大孔隙剖切面、最大面孔隙率、最小孔隙剖切面和最小面孔隙率進(jìn)行提取，結(jié)果如表 2所示。通過對6塊珊瑚骨架灰?guī)r巖樣18000余張連續(xù)二維切片的孔隙率沿Z軸的變化規(guī)律觀察可以看出， 6塊巖樣逐層面孔隙率均有較大程度的波動(dòng)，體現(xiàn)了巖樣的非均質(zhì)性(圖 8)。

表 2 孔隙剖切面位置與面孔隙率Table 2 Position and porosity of pore section surface

為反映切片孔隙率的離散程度，分別計(jì)算了6塊巖樣的切片孔隙率標(biāo)準(zhǔn)差、方差、眾數(shù)與中位數(shù)，如表 3所示。參考某些陸源砂巖(趙建鵬等， 2020)的切片孔隙率分析，細(xì)砂巖的切片孔隙率主要的分布范圍為5%～18%，比珊瑚骨架灰?guī)r的孔隙率大，但其切片孔隙率標(biāo)準(zhǔn)差僅為0.015左右。可以看出，珊瑚骨架灰?guī)r的切片孔隙率存在較大波動(dòng)，通過對比進(jìn)一步體現(xiàn)了珊瑚骨架灰?guī)r較強(qiáng)的非均質(zhì)性。

表 3 切片孔隙率離散程度分析Table 3 Analysis of slices porosity dispersion degree

2.3 等效直徑篩分分析

等效直徑是指與不規(guī)則外形物體其體積相同的球體的直徑，通常用球形顆粒的直徑去代表該實(shí)際顆粒的直徑。由于巖土體的分布與孔隙形狀復(fù)雜，在分析其尺寸特征時(shí)，通常按等效法將孔隙歸一化為三維球體，從而獲得等效球體直徑，即等效直徑d。按照d值大小將所有孔隙由大到小分為6組，即：d>5000μm、1000μm

圖 9 孔隙標(biāo)記與篩分Fig. 9 Pore marking and screening

通過計(jì)算不同等效直徑出現(xiàn)的概率得出6塊珊瑚骨架灰?guī)r巖樣孔隙直徑分布規(guī)律的柱狀圖如圖 10所示，其中藍(lán)色部分表示相應(yīng)孔隙數(shù)量的分布概率，紅色部分表示相應(yīng)孔隙體積的分布概率。由圖 10可知巖樣的孔隙直徑主要分布在35～50μm之間，孔隙數(shù)量占比分別為51.96%、12.74%、44.92%、37.67%、43.40%和53.19%，但其孔隙體積占比卻很小?？梢杂^察到，除巖樣B以外，其余5個(gè)巖樣中較大孔隙數(shù)量分布概率很小，但其孔隙體積的分布概率很大，這說明珊瑚骨架灰?guī)r中存在極個(gè)別超大孔隙，這是決定孔隙整體發(fā)育程度的關(guān)鍵因素。

圖 10 孔隙直徑分布規(guī)律Fig. 10 Pore diameter distribution law

2.4 孔喉結(jié)構(gòu)與孔隙連通性分析

對二值化分割后的三維數(shù)字巖芯圖像采用最大球算法提取規(guī)則化的孔隙和喉道模型來表征孔隙空間，“最大球”算法是在孔隙數(shù)據(jù)體中任選一點(diǎn)并以其為球心向四周延伸，直到碰到最近的骨架結(jié)構(gòu)，形成的區(qū)域中所有像素的集合稱為最大球。

經(jīng)過最大球算法處理后的數(shù)字巖芯孔隙空間被分成了孔隙部分和喉道部分，對提取的三維孔隙網(wǎng)絡(luò)模型，統(tǒng)計(jì)孔隙網(wǎng)絡(luò)尺寸分布，分析孔隙網(wǎng)絡(luò)連通特性。利用數(shù)字巖芯分析技術(shù)對總孔隙進(jìn)行計(jì)算，通過對喉道半徑、孔隙半徑、孔喉比、配位數(shù)、喉道長度統(tǒng)計(jì)分析，可實(shí)現(xiàn)巖石微觀孔隙結(jié)構(gòu)的定量表征。

由巖樣孔喉結(jié)構(gòu)分布參數(shù)的計(jì)算結(jié)果表 4可知，相比于其他5塊巖樣，巖樣E的孔隙半徑偏小，主要分布在50～100μm，其平均值為128.66μm。同樣，巖樣喉道半徑分布也存在差異，較其他5塊巖樣，巖樣E的喉道半徑偏小，喉道半徑主要分布在0～50μm，其平均值為54.39μm。由巖樣的主要配位數(shù)區(qū)間和平均配位數(shù)可以看出，配位數(shù)主要分布區(qū)間為0～2，說明珊瑚骨架灰?guī)r的孔隙連通性較差，主要以獨(dú)立孔隙和單連通孔隙為主。

表 4 孔喉結(jié)構(gòu)分布參數(shù)表Table 4 Parameters of pore throat structure distribution

通過對6塊巖樣進(jìn)行孔隙連通性模型分析發(fā)現(xiàn)，孔隙在x/y/z方向均無連通性，不存在3個(gè)方向貫穿的孔隙，不存在潛在的流體運(yùn)移通道，其對于珊瑚骨架灰?guī)r工程滲透性評價(jià)與研究具有重要意義。

3 結(jié) 論

針對珊瑚骨架灰?guī)r孔隙結(jié)構(gòu)特征，利用CT掃描試驗(yàn)以及數(shù)字巖芯技術(shù)對某島礁珊瑚骨架灰?guī)r試樣開展研究，建立了三維重構(gòu)模型，并對孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行了定性與定量分析，所得的主要結(jié)論如下：

(1)珊瑚骨架灰?guī)r巖樣A-F的整體孔隙率分別為3.22%、2.33%、3.16%、5.71%、1.98%和3.40%，均值僅為3.30%，孔隙發(fā)展程度較小。

(2)通過珊瑚骨架灰?guī)r巖樣連續(xù)二維切片的孔隙率沿Z軸的變化規(guī)律以及切片孔隙率離散程度分析可以看出，珊瑚骨架灰?guī)r逐層面孔隙率均有較大程度波動(dòng)，表明了巖樣較強(qiáng)的非均質(zhì)性。

(3)通過珊瑚骨架灰?guī)r孔隙直徑分布規(guī)律柱狀圖可以看出，巖樣的孔隙直徑主要分布在35～50μm之間，其孔隙體積占比卻很小，但巖樣中存在極個(gè)別超大孔隙，這是決定孔隙整體發(fā)育程度的關(guān)鍵因素。

(4)由巖樣孔喉結(jié)構(gòu)分布參數(shù)的計(jì)算結(jié)果可知，巖樣E的孔隙半徑與喉道半徑均小于其他巖樣。配位數(shù)主要分布區(qū)間為0～2，說明珊瑚骨架灰?guī)r的孔隙連通性較差，主要以獨(dú)立孔隙和單連通孔隙為主。孔隙在x/y/z方向均無連通性，不存在潛在的流體運(yùn)移通道，這對于珊瑚骨架灰?guī)r工程滲透性評價(jià)與研究具有重要意義。