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    珊瑚礁巖體完整性評價方法

    2014-01-20 14:20:34汪進(jìn)超王川嬰
    巖土力學(xué) 2014年10期
    關(guān)鍵詞:塊度珊瑚礁孔洞

    汪進(jìn)超,王川嬰

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

    1 引 言

    造礁石珊瑚群體死亡后其遺骸經(jīng)過漫長的地質(zhì)作用后形成的巖土體即為珊瑚礁[1]。全球現(xiàn)代珊瑚礁主要分布在南北回歸線之間的熱帶海洋中,中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,中國南海諸島和部分南海海岸珊瑚礁發(fā)育,尤其是南海地區(qū)珊瑚礁分布范圍廣,地理位置顯要,散布于南海中的島礁絕大部分是由珊瑚礁構(gòu)成的,礁體厚達(dá)2 000 m 以上[2]。這些礁體是中國領(lǐng)土主權(quán)的標(biāo)志,是開發(fā)海洋資源、建設(shè)中國南海海空交通中繼站的重要基地。珊瑚從古生代初期開始繁衍,一直延續(xù)至今,可作為劃分地層、判斷古氣候、古地理的重要標(biāo)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 淺的海域,高出海面者是地殼上升或海平面下降的反映;反之,則標(biāo)志該處地殼下沉[3]。珊瑚礁蘊藏著豐富的油氣資源。珊瑚礁及其潟湖沉積層中,含有煤炭、鋁土礦、錳礦、磷礦,礁體粗碎屑巖中發(fā)現(xiàn)有銅、鉛、鋅等多金屬層控礦床。珊瑚灰?guī)r可作燒石灰、水泥的原料,千姿百態(tài)的珊瑚可作裝飾工藝品,不少礁區(qū)已開辟為旅游場所[4]。因此,珊瑚礁的研究具有非常重要的意義。

    珊瑚礁的礦物成分主要為文石和高鎂方解石,化學(xué)成分主要為碳酸鈣(CaCO3),其含量達(dá)97%,如圖1 所示,它結(jié)構(gòu)疏松、多孔、性脆、低硬度以及低強(qiáng)度。在珊瑚礁本底調(diào)查中,鉆探為不可缺少的重要手段之一,由于珊瑚礁巖體結(jié)構(gòu)的特殊性和復(fù)雜性以及鉆探技術(shù)的局限性,如機(jī)械擾動導(dǎo)致的低取芯率或零取芯率,導(dǎo)致地質(zhì)信息的獲取不夠完整,往往使傳統(tǒng)的測定方法(如巖體質(zhì)量指標(biāo)RQD法、巖體龜裂系數(shù)Kv法等[5-9])失去了準(zhǔn)確性,此外,由于珊瑚礁在高壓力作用下容易破碎,在鉆探過程中容易使完整的珊瑚礁巖石破碎,通過巖芯無法判斷原珊瑚礁巖體是完整還是破碎,因此,單一的鉆探會影響到人們對珊瑚礁的研究,甚至可能導(dǎo)致錯誤的評價結(jié)果,只有將鉆探和其他探測方法結(jié)合起來才能更加準(zhǔn)確的評價珊瑚礁巖體。數(shù)字鉆孔攝像系統(tǒng)[10-12]集電子技術(shù)、視頻技術(shù)、數(shù)字技術(shù)和計算機(jī)應(yīng)用技術(shù)于一體,擺脫了上述制約,能夠?qū)⒐鈱W(xué)探頭放入鉆孔內(nèi),對巖體進(jìn)行近距離觀察,通過計算機(jī)信息的提取和存儲,形成鉆孔孔壁的數(shù)字柱狀圖像(見圖2),解決了珊瑚礁鉆孔內(nèi)地質(zhì)信息采集的完整性和準(zhǔn)確性問題。

    珊瑚礁巖體一般沒有節(jié)理、裂隙和斷層,但構(gòu)成珊瑚礁巖體的各種珊瑚中有大量的孔洞存在,從而導(dǎo)致鉆孔攝像技術(shù)不能用現(xiàn)有的評價方法對珊瑚礁巖體進(jìn)行評價。而珊瑚礁巖體的完整性評價是珊瑚礁調(diào)查中需要進(jìn)行的基礎(chǔ)性工作之一。因此,在本文中開展了基于鉆孔攝像技術(shù)的珊瑚礁巖體完整性評價方法的研究,引入巖體完整性指數(shù)RMDI法[13],考慮珊瑚礁巖體的孔洞尺寸效應(yīng),提出珊瑚礁孔密度的概念,并建立孔密度函數(shù)和塊度函數(shù),重新確定α 值,使RMDI 法能適用于評價珊瑚礁巖體的完整性。

    圖1 珊瑚和珊瑚礁巖體Fig.1 Coral reef and coral reef rock mass

    圖2 鉆孔攝像圖像Fig.2 Borehole camera images

    2 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(jìn)行計算機(jī)處理,能夠統(tǒng)計出圖像中可視的孔洞尺寸及數(shù)量,圖3 所示為數(shù)字鉆孔攝像技術(shù)的成像原理示意圖。

    圖3 數(shù)字全景鉆孔成像原理示意圖Fig.3 Sketches of imaging principle of borehole camera system

    3 脆性多孔材料的孔洞尺寸效應(yīng)

    根據(jù)孔洞的大小,孔洞可分為宏觀孔洞和微觀孔洞,均對材料的宏觀力學(xué)性能影響強(qiáng)烈。孔洞的大小對材料力學(xué)性質(zhì)的影響,即孔洞的尺寸效應(yīng)。在一定的孔徑范圍內(nèi),不同孔洞尺寸的模型具有近似的單軸抗壓強(qiáng)度,模型的抗壓強(qiáng)度沒有明顯的孔洞尺寸效應(yīng)。段進(jìn)超等[14]采用以有限元方法為基礎(chǔ)的材料真實破壞過程分析系統(tǒng)RFPA,進(jìn)行了單軸壓縮載荷下孔徑D為3、5、7、11、13、15 mm 共6 種孔徑材料的破壞過程數(shù)值模擬。研究中所涉及的模型孔洞均為圓形孔洞,孔隙率均為20%,孔洞的排列類型均為菱形排布,模型尺寸為100 mm×65 mm,模型劃分為195×300=58 500個等面積單元。試樣模型的物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)及載荷條件如表1 所示。采用平面應(yīng)力分析,加載方式為位移控制,每步加載位移量ΔS=0.002 mm。

    表1 計算模型力學(xué)性質(zhì)參數(shù)Table1 Mechanical parameters of models

    各種模型變形破壞過程的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖4 所示,從圖中可以看到,各種模型的應(yīng)力-應(yīng)變曲線非常相似,極限抗壓強(qiáng)度也基本一致,說明模型的抗壓強(qiáng)度沒有明顯的孔徑尺寸效應(yīng)。其中D=15 mm 的模型破壞的應(yīng)力-應(yīng)變曲線和其他的應(yīng)力-應(yīng)變曲線有明顯的區(qū)別,脆性增強(qiáng),極限強(qiáng)度也明顯增大,說明當(dāng)孔徑達(dá)到一定值以后,模型的破壞特征會逐漸偏離孔的特征,也就是說應(yīng)力-應(yīng)變的相似需要滿足一定的孔徑范圍。

    由于多孔材料是一種新型材料,目前對孔洞尺寸效應(yīng)的問題研究比較少,通過以上的脆性多孔材料的壓縮試驗分析,推斷孔洞的尺寸增加量超過10 mm,模型破壞的應(yīng)力-應(yīng)變曲線和其他的應(yīng)力-應(yīng)變曲線就會有明顯區(qū)別,即根據(jù)多孔材料的孔洞尺寸效應(yīng),可以將孔徑的大小按10 mm 的范圍進(jìn)行分類。珊瑚砂顆粒具有可破碎性,且珊瑚礁巖體有多孔洞,筆者將珊瑚礁巖體視為多孔材料,當(dāng)考慮到孔洞尺寸效應(yīng)時,可以將珊瑚礁巖體的孔洞大小按10 mm 的范圍進(jìn)行分類。

    圖4 模型的應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.4 Stress-strain curves for models

    4 珊瑚礁巖體孔密度

    珊瑚礁巖體在成巖過程中較少受到地質(zhì)營力的影響,因此,一般沒有節(jié)理、裂隙和斷層,但構(gòu)成珊瑚礁巖體的各種珊瑚中有大量的孔洞存在,珊瑚骨架之間不同程度地充填有珊瑚碎屑以及生物碎屑等,部分孔洞被填實,但珊瑚礁巖體中仍然存在大量的孔隙和溶洞,將孔隙和溶洞統(tǒng)稱為孔洞,鉆孔攝像圖像能夠直觀地反映出鉆孔內(nèi)孔壁的這些特征,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(jìn)行計算機(jī)處理,統(tǒng)計出圖像中可視的孔洞。

    孔洞的外形各異,可以將孔洞視為長方形,該長方形不是圖像上的直觀長方形,而是根據(jù)孔洞沿鉆孔軸向和垂直軸向的尺寸而確定,由于鉆孔在沿鉆孔軸向和垂直軸向之間的尺寸差別較大,為了讓人直觀地看清孔壁圖像,鉆孔圖像沿鉆孔軸向比例進(jìn)行了壓縮,故圖像中的長方形不一定是統(tǒng)計中的長方形,定義統(tǒng)計中的長方形孔洞的長邊為a,短邊為b,在本次研究中,將統(tǒng)計中的長方形孔洞視為是由多個邊長為b 的正方形孔洞組成,近似圓形孔洞視為正方形孔洞,定義孔洞的長邊和短邊都等于圓孔洞的直徑。將孔洞短邊長度與b 的大小等同于孔洞大小S。

    不同尺寸的孔洞對珊瑚礁巖體的影響不同,需要考慮珊瑚礁巖體的孔洞尺寸效應(yīng),可將孔洞按S大小分成i 類。在本次珊瑚礁巖體完整性的方法研究中,為了使統(tǒng)計更方便,將孔洞分成5 類,S≤10 mm,10 mm<S≤20 mm,20 mm<S≤30 mm,30 mm< S≤40 mm,S >40 mm。

    定義孔洞數(shù)量為N,其中近似正方形和圓形孔洞的數(shù)量為N′,近似為長方形孔洞的數(shù)量為N′,由于長方形孔洞被視為多個正方形孔洞,它們與統(tǒng)計中的孔洞數(shù)量N 之間存在的關(guān)系為

    式中:a、b 分別為長方形孔洞的長邊、短邊。

    定義未劃分前的孔洞總數(shù)量為d,其表達(dá)式為

    圖5 鉆孔攝像圖像Fig.5 Borehole camera images

    將單位深度內(nèi)孔洞對珊瑚礁巖體的影響程度定義為珊瑚礁孔密度,孔密度函數(shù)是一個沿鉆孔軸向變化的函數(shù),用g(z)表示,其中z為鉆孔的深度,其表達(dá)式為

    式中:γ為孔洞的加權(quán)值,其值根據(jù)孔洞尺寸對巖體影響程度而定(γ ≥0);Nnk為第n 類中的第k個孔洞被視為正方形孔洞的數(shù)量;bnk為第n 類中的第k個孔洞的短邊長度;Δh為評價范圍;π為圓周率;R為鉆孔的孔徑。

    結(jié)合式(1),對圖5(a)和(b)進(jìn)行孔洞統(tǒng)計(見表2),其中,在深度28 106 mm 處有一個長邊為157 mm、短邊為40 mm 的長方形孔洞,那么該長方形孔洞被視為3.925個大小為40 mm 的孔洞,由于40 mm 屬于第4 類,且該孔為第4 類的第1個孔洞,那么孔洞數(shù)量N41為3.925,孔洞大小 b41為40 mm;在深度為28 131 mm 處有一個長邊為157 mm、短邊為10 mm 的長方形孔洞,那么該長方形孔洞被視為15.7個大小為10 mm 的孔洞,由于10 mm 屬于第1 類,且該孔為第1 類的第1個孔洞,那么孔洞數(shù)量 N11為15.7,孔洞大小 b11為10。

    表2 某段鉆孔攝像圖像孔洞統(tǒng)計表Table 2 Statistics for a borehole camera image

    由于孔洞尺寸對珊瑚礁巖體的影響程度較復(fù)雜,具體影響程度在今后將做進(jìn)一步研究,目前認(rèn)為,不同類尺寸的孔洞對巖體的影響程度相差不大,在不考慮分類的情況下,其表達(dá)式可簡化為

    式中:ak為第k個孔洞的長邊長度;bk為第k個孔洞的短邊長度。

    例如:表2 已經(jīng)統(tǒng)計出鉆孔攝像圖像中各類孔洞尺寸的孔洞個數(shù),將數(shù)據(jù)代入式(4),即

    得出該圖5(a)圖段和圖5(b)圖段的孔密度分別為0.052 和0.003。

    5 珊瑚礁巖體完整性指數(shù)RMDI

    5.1 DIDF 的建立

    珊瑚礁巖體是珊瑚礁地質(zhì)構(gòu)造結(jié)構(gòu)的綜合體,鉆孔攝像圖像中的完整和破碎與地質(zhì)結(jié)構(gòu)有著直接的關(guān)系。例如,極少數(shù)量的小孔洞對珊瑚礁巖體的完整性產(chǎn)生的影響很小,其圖像顏色分布均勻,表現(xiàn)為完整特征;而較多數(shù)量的大孔洞使珊瑚礁破碎,其圖像顏色變化較大,表現(xiàn)為破碎特征。建立一個沿鉆孔軸向變化的單變量函數(shù)巖體完整性指數(shù)密度函數(shù)(integrity index density function)[13],簡稱DIDF,用f(z)表示,其中z為深度。表達(dá)式為

    式中:0≤α≤1。當(dāng) f(z)值為1 或接近1時,說明該深度的珊瑚礁巖體完整性好,f(z)值越小,說明珊瑚礁巖體完整性越差,表現(xiàn)為破碎。

    5.2 塊度函數(shù)的建立

    由于珊瑚礁巖體的形成受多種因素的影響,巖體中有較多的空洞和破碎段,以至于珊瑚礁巖體通常有多段完整的巖石,為了統(tǒng)計單位深度內(nèi)完整巖石高度的最大值,建立塊度函數(shù)l(z),表達(dá)式為

    式中:H為統(tǒng)計深度;L為統(tǒng)計深度內(nèi)完整巖石高度的最大值。如果塊度函數(shù)l(z)=0,說明該段珊瑚礁巖體存在空洞。例如:從圖3(a)中的鉆孔攝像圖像可以看出,統(tǒng)計深度H為1 000 mm,該段完整珊瑚礁巖石的高度分別為680 mm 和220 mm,最大高度值L為680 mm,那么該段珊瑚礁巖體的塊度函數(shù)l(z)=680 mm/1 000 mm=0.68。

    5.3 尺寸效應(yīng)系數(shù)α 值的確定

    由于珊瑚礁巖體具有多孔性,珊瑚礁巖體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,DIDF 中的尺寸效應(yīng)系數(shù)α 值反映了珊瑚礁巖體的塊度尺寸效應(yīng)和孔洞尺寸效應(yīng)的影響,定義它們之間的表達(dá)式為

    以圖5(a)圖像為例,該段的塊度函數(shù)l(z)=0.68,通過計算已經(jīng)得出該段的孔密度函數(shù) g(a)為0.052,代入式(7),即可以得到系數(shù)α=0.68×(1-0.052)=0.645。

    5.4 RMDI 及完整性評價

    珊瑚礁巖體完整性指數(shù)密度函數(shù) DIDF 反映了珊瑚礁巖體完整度沿鉆孔軸向的分布。珊瑚礁巖體完整性指數(shù)(rock mass integrity index)[13]簡稱RMDI,是指在給定范圍內(nèi)完整珊瑚礁巖體塊度所占的尺度,用百分?jǐn)?shù)來表示,給定范圍可以是局部孔段也可以是全孔。若給定的深度范圍為[h1,h2],則RMDI 可用該范圍內(nèi)DIDF 的定積分表示,其表達(dá)式為

    6 實例分析

    在南海中北部島礁地質(zhì)調(diào)查中,數(shù)字全景鉆孔攝像完成了琛航島CK1 孔近千米的勘測,選擇勘測深度為221~351 m 的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,通過對該段珊瑚礁巖體的地質(zhì)信息的提取和存儲,形成信息數(shù)據(jù)庫,將信息數(shù)據(jù)庫進(jìn)行計算機(jī)處理,繪制出如圖6 所示的鉆孔攝像圖,并統(tǒng)計出圖像中可視的孔洞,然后按照以下步驟計算出珊瑚礁巖體完整性指數(shù)RMDI 值,并進(jìn)行完整性評價。第1 步:建立孔密度函數(shù)。根據(jù)珊瑚礁巖體孔洞的尺寸,確定出孔洞的面積,計算出孔洞面積所占的比例,建立孔密度函數(shù)(見圖7)。

    圖6 部分鉆孔攝像圖像Fig.6 Part of borehole camera images

    圖7 珊瑚礁巖體孔密度函數(shù)Fig.7 Coral reef rock mass hole density function

    第2 步:建立塊度函數(shù)l(z)。在本次統(tǒng)計中,選擇1 m 作為單位深度,統(tǒng)計出每米內(nèi)完整珊瑚礁巖石的最大高度值L,建立塊度函數(shù)l(z)(見圖8)。

    圖8 珊瑚礁巖體塊度函數(shù)Fig.8 Coral reef rock mass block function

    第3 步:建立巖體完整性密度函數(shù)。在確定以上各參數(shù)以后,確定α 值,并建立DIDF(見圖9)。

    圖9 珊瑚礁巖體完整性指數(shù)密度(DIDF)Fig.9 Coral reef rock mass integrity index density function

    第4 步:確定珊瑚礁巖體完整性指數(shù)值。根據(jù)研究的需要,選擇合適的Δh評價范圍,確定RMDI值。在圖8 中,分別選取了5、10 和15 m 的評價范圍。第5 步:完整性評價。由于CK1 孔孔深近千米,選擇10 m 作為評價范圍,從珊瑚礁巖體完整性指標(biāo)RMDI(10 m)值可以看出,221~231 m、251~261 m 與311~321 m 段的值低于其他段,說明在本次勘測范圍內(nèi),上述3 段珊瑚礁巖體比其他段珊瑚礁巖體破碎,完整性低于其他段。此外,將RMDI(5 m)、RMDI(10 m)和RMDI(15 m)的值分別與該段的取芯率進(jìn)行對比(見圖10),從圖中可以看出,RMDI 值與取芯率基本保持一致,完整度低的巖體取芯率低于完整度高的巖體取芯率,且RMDI 的評價結(jié)果與珊瑚礁巖芯保持一致。圖11為部分珊瑚礁實體巖芯照片和鉆孔攝像圖像的對比圖,說明珊瑚礁巖體完整性指數(shù)RMDI 法是可行的。

    圖10 取芯率與RMDI 對比圖Fig.10 Comparisons of coring rate and RMDI

    圖11 珊瑚礁巖體部分巖芯圖和鉆孔攝像圖片F(xiàn)ig.11 Part of coral reef rock mass core and borehole camera images

    7 結(jié) 論

    (1)鉆孔攝像彌補(bǔ)了鉆孔取芯率的不足。

    (2)高精度的鉆孔圖像能為珊瑚礁巖體完整性評價提供可靠的結(jié)果。

    (3)孔密度函數(shù)能反映鉆孔壁孔洞對珊瑚礁巖體影響程度的軸向分布狀況。

    (4)DIDF 能反映珊瑚礁巖體完整程度的軸向的分布狀況。

    (5)珊瑚礁巖體完整性指數(shù)RMDI 法是可行的,評價結(jié)果與實體巖芯對比結(jié)果保持一致。

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