實物地質(zhì)資料重要巖心數(shù)字化技術(shù)探討

陳輝

［安徽省自然資源信息中心(安徽省地質(zhì)資料館)，安徽合肥 230092］

0 引言

安徽省作為礦業(yè)大省，礦產(chǎn)資源比較豐富。國家投入了大量的財力和人力開展區(qū)域地質(zhì)調(diào)查、礦產(chǎn)勘查和開發(fā)等工作，形成了豐富的巖心等實物地質(zhì)資料，由于各種原因，這些巖心大部分分散保存在各個地勘單位。近年來，通過部實物中心和省館篩選出重要的巖心，保管在安徽省地質(zhì)資料館實物庫房中。這些巖心實物地質(zhì)資料具有原始性、唯一性和不可再生性等特征，潛在使用價值很大。傳統(tǒng)的巖心保存是暴露在空氣中，其表面會隨著時間推移逐漸被破壞或風(fēng)化，丟失原有的價值信息。同時，在進(jìn)行巖心取樣開展分析測試時，對原有完整巖心會造成一定的破壞，且傳統(tǒng)巖心分析測試時間周期長、效率不高，這些問題制約了巖心的長久保管和信息共享服務(wù)。隨著數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字巖心的提出為解決上述問題提供了途徑。數(shù)字巖心是指通過一系列方法和手段，將真實的巖心數(shù)字化，得到巖心表面及內(nèi)部結(jié)構(gòu)的二維、三維的圖像信息，結(jié)合圖像處理和數(shù)值模擬，對巖心進(jìn)行物理和化學(xué)等各方面研究，推算巖心及地層的各種性質(zhì)［1］。利用巖心數(shù)字化可以長期保存巖心表面圖像和內(nèi)部的結(jié)構(gòu)構(gòu)造、化學(xué)成分等重要信息，有助于巖心信息的集成管理和數(shù)字化圖像服務(wù)，節(jié)約成本，提高巖心服務(wù)效率。

1 安徽省實物巖心管理情況

國家對實物巖心的管理可分為以下階段。原地質(zhì)礦產(chǎn)部早在1979年就出臺了《巖礦心管理規(guī)定》；1990年又發(fā)布了《關(guān)于印發(fā)巖礦心管理規(guī)定的通知》，對巖心的現(xiàn)場管理、庫房保管、巖礦心縮減和保管年限等作出了規(guī)定和要求；1992年制定了《地質(zhì)勘查鉆探巖礦心管理通則》（DZ/T 0032—92），該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了地質(zhì)勘查鉆探巖礦心的現(xiàn)場管理、縮減處理、巖心和庫房管理。2008年原國土資源部發(fā)布了《實物地質(zhì)資料管理辦法》，2016年修訂版是當(dāng)前實物地質(zhì)資料管理與服務(wù)工作主要依據(jù)；2019 年國家檔案局發(fā)布了《巖心檔案管理規(guī)范》（DA/T 72—2019），規(guī)定了建設(shè)項目巖心檔案從收集、整理到利用、銷毀全流程規(guī)范要求；2020年發(fā)布了《自然資源部辦公廳關(guān)于做好巖心數(shù)字化與信息共享工作的通知》（自然資辦函〔2020〕907號），要求加強(qiáng)巖心匯交管理，提高巖心數(shù)字化與信息共享工作水平，創(chuàng)新保管與服務(wù)機(jī)制，構(gòu)建全國統(tǒng)籌、有效匯集、高度共享的巖心大數(shù)據(jù)共享服務(wù)格局。

安徽省地質(zhì)資料館建成之前，早期各類實物地質(zhì)資料由各地勘單位分散保管。然而，自20世紀(jì)80年代至21世紀(jì)初，我國大部分地勘單位由于經(jīng)費嚴(yán)重短缺，巖心庫破損坍塌，庫房保管人員退休或者轉(zhuǎn)崗，致使大量實物地質(zhì)資料損毀散失。21世紀(jì)初，地勘行業(yè)開始逐漸走出低谷，而隨著《地質(zhì)資料管理條例》（國務(wù)院令第349號）、《地質(zhì)資料管理條例實施辦法》（國土資源部令第16號）和國土資源部關(guān)于印發(fā)《實物地質(zhì)資料管理辦法》的通知（國土資規(guī)〔2016〕11號）等相關(guān)法律法規(guī)以及規(guī)范性文件的出臺，實物地質(zhì)資料的保管和利用又被重新重視起來。2009年7月7日，原國土資源部辦公廳發(fā)布了《關(guān)于開展全國實物地質(zhì)資料管理情況摸底調(diào)查工作的通知》（國土資廳發(fā)〔2009〕60號文），安徽省通過摸底調(diào)查基本摸清了各地勘單位現(xiàn)有實物地質(zhì)資料庫房情況和全省分散保管的實物地質(zhì)資料情況。2011年，原國土資源部要求各省國土資源部門開展地質(zhì)鉆孔基本信息清查工作，建立全國地質(zhì)鉆孔基本信息數(shù)據(jù)庫。2013年，國土資源部在全國開展重要地質(zhì)鉆孔數(shù)據(jù)庫建設(shè)，建成了全國重要地質(zhì)鉆孔數(shù)據(jù)庫和服務(wù)平臺并向社會公眾提供服務(wù)。安徽省地質(zhì)鉆孔基本信息清查工作調(diào)查了安徽省內(nèi)75家地勘單位從新中國成立以來至2010年12月底的地質(zhì)鉆孔基本信息，查清了地質(zhì)鉆孔類型、分布及數(shù)量等基本信息，初步建立了安徽省地質(zhì)鉆孔基本信息數(shù)據(jù)庫。

2014年，安徽省實物地質(zhì)資料庫建成并投入使用，基本建立起了實物地質(zhì)資料匯交、篩選、整理、入庫和服務(wù)工作制度、業(yè)務(wù)流程和技術(shù)方法，開展實物巖心的整理建檔掃描數(shù)字化工作。2013—2016年開展了安徽省重要地質(zhì)鉆孔數(shù)據(jù)庫建設(shè)工作，根據(jù)前期清查工作，對成果資料中“三圖一表”信息相對完整的鉆孔進(jìn)行了建庫工作。從2017年開始，安徽省地質(zhì)資料館積極爭取省級財政資金陸續(xù)開展了安徽省實物地質(zhì)資料篩選整理保管，安徽省重要地質(zhì)鉆孔數(shù)據(jù)庫更新維護(hù)以及巖心箱等裝具采購項目。截至2022年底，共采集實物巖心近56.57萬m，光薄片2 218件，化探副樣49.18萬瓶（袋）；完成10 117個鉆孔共計約346.94萬m鉆孔屬性數(shù)據(jù)的采集，9 633個鉆孔“三圖一表”入庫工作。安徽省實物巖心管理工作雖取得了一定的成績，但是依然存在一些問題：一是各地勘單位缺乏固定的實物巖心管理人員，未開展巖心建檔和服務(wù)研究；二是各地勘單位實物巖心保存設(shè)施落后，大多數(shù)巖心庫房建在地勘單位早期野外基地或租用民房，許多庫房嚴(yán)重破損，甚至瀕臨倒塌，且很多簡易木質(zhì)巖心箱已腐爛損壞。全省普遍存在巖心管理人員缺乏、保管設(shè)施環(huán)境差、服務(wù)利用率低等現(xiàn)象。

2 巖心數(shù)字化技術(shù)方法研究

目前國內(nèi)巖心數(shù)字化技術(shù)方法種類較多，其技術(shù)原理和數(shù)字化成果也不盡相同，通過系統(tǒng)總結(jié)可以將巖心數(shù)字化技術(shù)分為三大類：一是獲取實物表面圖像信息；二是獲取實物表面各類化學(xué)參數(shù)信息；三是獲取實物內(nèi)部物理參數(shù)信息［2］。

2.1 實物巖心表面圖像信息獲取方法

實物巖心表面圖像信息的獲取方法有兩種：一是在野外巖心現(xiàn)場或?qū)嵨飵r心庫使用照相機(jī)對巖心進(jìn)行表面圖像的采集，同時在巖心圖像采集管理系統(tǒng)中導(dǎo)入巖心相關(guān)信息，目前使用常見的是數(shù)碼單反相機(jī)；二是利用專業(yè)巖心掃描儀器，獲取巖心表面圖像信息，對巖心圖像進(jìn)行處理、信息錄入、數(shù)據(jù)導(dǎo)入，然后形成巖心綜合柱狀圖。巖心掃描方法根據(jù)掃描的光源不同可分為白光掃描和熒光掃描。白光掃描主要原理是將光信號通過傳感器轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘栐俳?jīng)過處理后傳輸?shù)接嬎銠C(jī)中，適用于固體礦產(chǎn)勘查和油氣勘查形成的巖心，使用該方法應(yīng)在鉆孔巖心未完全風(fēng)化前開展掃描，以保證表面圖像信息的真實性。通過對巖心圖像和巖心描述的分析，可以獲取對該地層層位初步的認(rèn)識；在油氣勘查方面，通過對巖心圖像顏色的變化可以計算相關(guān)粒度、孔隙度等數(shù)據(jù)。熒光掃描的原理是利用有機(jī)質(zhì)烴類受到紫外線的照射下激發(fā)熒光，再對熒光進(jìn)行收集處理轉(zhuǎn)換后可以得到有機(jī)質(zhì)烴類的含量等相關(guān)信息，可以對該層段含油性質(zhì)進(jìn)行評價。滾動掃描較適用于油氣能源勘查形成的巖心。

另外，按照掃描方式不同，巖心掃描還可以分為平動掃描和滾動掃描。平動掃描在掃描過程中光源鏡頭在巖心軸向上勻速進(jìn)行移動，掃描速度較快，可以獲取巖心上半部分表面圖像信息；滾動掃描是指在掃描過程中巖心進(jìn)行360°的旋轉(zhuǎn)，可以獲取整個圓形柱表面圖像信息，獲取的信息比較完整。該方法適用于保存完整無破碎的巖心，但是掃描速度較慢。

2.2 實物巖心表面化學(xué)參數(shù)信息獲取方法

實物巖心表面化學(xué)參數(shù)信息主要包括礦物組成成分與化學(xué)元素濃度。當(dāng)前通過巖心數(shù)字化獲取礦物組成成分比較成熟的方法有高光譜礦物掃描成像技術(shù)。該方法利用顏色光譜技術(shù)，對巖心400～2 500 nm波長范圍的礦物反射波譜進(jìn)行計算和分析，測算出巖心所含礦物組成成分。在目前市場中，該方法被應(yīng)用于識別含水硅酸鹽礦物。

巖心數(shù)字化獲取元素濃度的方法有X射線熒光光譜分析技術(shù)，原理是利用X 射線照射巖心產(chǎn)生二次X射線（或X 射線熒光），根據(jù)不同元素產(chǎn)生的二次X 射線（或X 射線熒光）的波長（或能量）和強(qiáng)度不同，通過定性和定量分析，可以獲得巖心元素組成與含量信息。該方法主要應(yīng)用于各類沉積環(huán)境和古氣候的研究，還可以通過元素濃度的變化為劃分地層提供數(shù)據(jù)依據(jù)。

2.3 實物巖心內(nèi)部物理參數(shù)信息獲取方法

實物巖心內(nèi)部物理參數(shù)信息主要包括巖心的內(nèi)部結(jié)構(gòu)構(gòu)造（裂縫、孔洞）、磁化率和電阻率等。

CT 掃描是利用X射線穿透不同密度的物質(zhì)時穿透能力不同，形成不同的信息，獲取巖心內(nèi)部結(jié)構(gòu)構(gòu)造。計算機(jī)根據(jù)接收的信息合成二維或者三維圖像。根據(jù)合成的圖像可以計算裂縫和孔洞的尺寸，計算裂縫的孔隙度參數(shù)和孔洞連通性的好壞，為評價研究油氣儲層和油氣運移機(jī)理提供數(shù)據(jù)依據(jù)。

巖心的磁化率主要取決于其中某些具有磁性的礦物，主要影響因素有巖石的礦物成分、巖石結(jié)構(gòu)、礦物顆粒大小和形狀等。通過掃描測量磁化率的大小和分布規(guī)律可以建立磁性礦物元素含量與磁化率的關(guān)系，為尋找磁鐵礦類型的礦床提供依據(jù)。

通過巖心電阻率掃描測量巖心電阻率的變化可以建立電阻率與含油層位變化的關(guān)系，根據(jù)相關(guān)理論，地層含油與電阻率成正比關(guān)系，含油層具有高電阻的特性，依據(jù)巖心電阻率的變化，為油氣勘查中尋找含油層位提供依據(jù)。

3 安徽省重要巖心數(shù)字化技術(shù)探討

安徽省地質(zhì)資料館自2014 年啟動實物地質(zhì)資料篩選采集工作以來，截至2022 年底，共收儲重要巖心56.57 萬m，涵蓋鐵、銅、鉛、鋅、鉬等省內(nèi)重要礦產(chǎn)勘查形成的巖心。2019 年12 月，自然資源實物地質(zhì)資料區(qū)域中心（安徽）掛牌成立，其中重要一項職責(zé)是開展巖心圖像、光譜、XRF、磁化率等多參數(shù)數(shù)字化工作和技術(shù)研究。當(dāng)前，國外歐美發(fā)達(dá)國家已深入開展了巖心多參數(shù)數(shù)字化研究和應(yīng)用，國內(nèi)自然資源實物地質(zhì)資料中心及各大油田也開展了多參數(shù)數(shù)字化工作，安徽省受制于巖心掃描設(shè)備條件，僅開展了巖心圖像數(shù)字化工作，完成近12萬m巖心的圖像掃描采集。

2021年，安徽省地質(zhì)資料館受自然資源實物地質(zhì)資料中心委托，承擔(dān)“實物地質(zhì)資料區(qū)域中心重要巖心整理數(shù)字化”課題，其中一項任務(wù)是開展重要的Ⅰ類巖心的掃描數(shù)字化，現(xiàn)就本項目工作實際探討安徽省巖心圖像掃描數(shù)字化技術(shù)和工作流程。根據(jù)安徽省區(qū)域中心重要Ⅰ類巖心保管情況，選取了四川盆地下古生界海相頁巖氣基礎(chǔ)地質(zhì)調(diào)查、南方重點地區(qū)1∶50 000頁巖氣地質(zhì)調(diào)查等5個項目的鉆孔巖心作為本次課題的巖心數(shù)字化目錄清單?，F(xiàn)以四川盆地下古生界海相頁巖氣基礎(chǔ)地質(zhì)調(diào)查項目華地1井的巖心為例，系統(tǒng)介紹一下巖心數(shù)字化（掃描）技術(shù)和操作流程（圖1）。

圖1 實物巖心數(shù)字化工作流程Figure 1.Digitization workflow of physical cores

3.1 實物巖心數(shù)字化基本原則

（1）真實性原則。掃描形成的圖像在長度、色度和面貌方面盡可能與實際巖心保持一致。

（2）清晰性原則。在與原始巖心相同比例顯示狀態(tài)下，掃描圖像反映的巖石主要礦物、結(jié)構(gòu)構(gòu)造等地質(zhì)特征要清晰。

（3）完整性原則。鉆孔巖心掃描形成的圖像信息、相關(guān)的記錄信息［項目信息、鉆孔名稱、掃描（照相）的方式、存在的問題及處理方式等信息］。

3.2 準(zhǔn)備工作

（1）準(zhǔn)備材料。制定掃描計劃，以鉆孔為單位，一個鉆孔為一個掃描批次。在掃描巖心前，首先對巖心進(jìn)行必要的整理，包括清點、清潔、干燥、丈量長度，填寫巖心整理登記表等，其次準(zhǔn)備必要的材料和資料，包括完成整理的巖心、巖心整理表、鉆孔原始地質(zhì)編錄表、鉆孔柱狀圖等。

（2）掃描參數(shù)設(shè)置。本次工作選用的巖心掃描儀型號為CSGE-Ⅵ型，功能包括巖心高分辨率圖像采集、編輯、處理等內(nèi)容。啟動計算機(jī)進(jìn)入掃描系統(tǒng)，打開掃描儀及白光掃描照明燈，預(yù)熱5 min以上達(dá)到最佳工作狀態(tài)。根據(jù)制定的工作計劃選擇掃描方式，本次選擇平動掃描方式。設(shè)置長度（每格最大長度為100 cm）、寬度（3～18 cm）、亮度（默認(rèn)值）、對比度（默認(rèn)值）及掃描儀分辨率，本次分辨率設(shè)置為400 dpi，重要層段的巖心采用600 dpi，特殊層段的巖心采用600 dpi以上。

3.3 巖心白光平動掃描

首先調(diào)整掃描儀的白光燈架，確保與鏡頭的行進(jìn)方向垂直。將巖心盒放置到掃描平臺并與鏡頭的行進(jìn)方向平行。對格子里的巖心進(jìn)行整理使其斷面對接整齊并保持在一條直線上，將巖心標(biāo)識較少或無標(biāo)識的一面朝上。調(diào)試掃描升降控制按鈕和標(biāo)配的定焦尺將掃描鏡頭對焦巖心表面，并保持對焦距離為42 cm。啟動平動掃描程序，開始的時候反復(fù)調(diào)試并對比所采集圖像，直到清晰完整才可以進(jìn)入下一個環(huán)節(jié)。

3.4 圖像處理

掃描完成后，要將以單格巖心為單位存儲命名的圖片裁剪、拼接為以單個回次為單位存儲、命名的圖片。裁剪原則是按回次進(jìn)行裁剪，使同一回次多個巖心段的圖像在入庫時能夠連續(xù)拼接，形成一個回次完整的巖心圖像，并使每一回次的巖心圖像獨立保存。對圖像進(jìn)行糾斜及亮度、對比度、飽和度的調(diào)整等操作。裁剪后圖像按回次號進(jìn)行文件命名。

3.5 圖像入庫

圖像入庫是指將處理后的圖像存儲到巖心圖像管理庫中。入庫前應(yīng)先確保已登錄數(shù)據(jù)庫，登錄數(shù)據(jù)庫后，根據(jù)掃描的圖像屬性填寫參數(shù)，最后確定入庫操作。

3.6 相關(guān)地質(zhì)信息的錄入

通過查看鉆孔野外記錄表或鉆孔柱狀圖等原始文檔信息，錄入巖性分層信息生成鉆孔柱狀圖，錄入巖性描述信息（主要包括分層深度、巖石名稱和巖性描述）。如果巖性花紋在系統(tǒng)中沒有的話，可以利用系統(tǒng)中自帶的巖性花紋編輯功能，手動錄入。

3.7 繪制綜合柱狀圖

當(dāng)信息錄入完成后，系統(tǒng)可自動生成鉆孔綜合柱狀圖，可顯示巖心圖像、巖性花紋、巖石名稱、巖性描述等綜合圖像效果，同時該系統(tǒng)軟件可根據(jù)需要進(jìn)行人工設(shè)置。繪制完成后填寫鉆孔信息、掃描小結(jié)。

3.8 巖心掃描信息歸檔

每一檔巖心掃描完成后都要進(jìn)行歸檔。歸檔的資料包括巖心掃描的原始JPG 圖像、裁剪后的JPG 圖像、壓縮后的JPG 圖像以及《巖心掃描登記表》《巖心掃描小結(jié)》等資料。

4 巖心數(shù)字化的重要應(yīng)用意義

巖心取出后立即開展圖像掃描工作，可以記錄最原始的巖心表面圖像信息，真實反映巖心地質(zhì)信息。巖心數(shù)字化形成的成果可以存儲在電子光盤、移動硬盤等介質(zhì)中，便于長期保存。當(dāng)前，安徽省實物巖心是在運輸?shù)绞〉刭|(zhì)資料館整理后才開展圖像掃描工作的，地質(zhì)資料匯交人可以在現(xiàn)場巖心取出時利用便攜式數(shù)字化設(shè)備開展圖像掃描和測試，相關(guān)數(shù)據(jù)與巖心實物同時匯交。

巖心掃描圖像通過地質(zhì)資料信息管理服務(wù)系統(tǒng)、全國數(shù)字巖心平臺和安徽省地質(zhì)資料管理服務(wù)門戶網(wǎng)站，開展非涉密巖心數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)共享服務(wù)，提高巖心圖像信息的共享水平，實現(xiàn)巖心信息服務(wù)向數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化服務(wù)模式轉(zhuǎn)變。下一步，通過對重要巖心段開展高光譜礦物掃描、CT 掃描等多參數(shù)數(shù)字化工作，獲取礦物成分、元素含量和結(jié)構(gòu)構(gòu)造等基礎(chǔ)信息，開展數(shù)據(jù)的綜合分析和應(yīng)用，可以進(jìn)一步提高巖心的二次開發(fā)利用，在礦山深部和外圍找礦中提供技術(shù)手段［3-5］；可以圍繞安徽省重點地區(qū)重要構(gòu)造單元開發(fā)系列數(shù)據(jù)產(chǎn)品，建立礦物、元素、磁化率、電阻率、孔隙、裂縫等三維模型，為資源能源安全保障、地質(zhì)科學(xué)研究和地質(zhì)災(zāi)害防治等提供數(shù)據(jù)支撐和服務(wù)。