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    巖芯掃描信息采集技術(shù)方法與應(yīng)用分析

    2015-03-03 13:35:22高鵬鑫王瑞紅張慧軍
    中國礦業(yè) 2015年1期
    關(guān)鍵詞:磁化率X射線礦物

    高鵬鑫,王瑞紅,張慧軍,鄧 晃,沈 迪

    (1.國土資源實(shí)物地質(zhì)資料中心,河北 三河065201;2.全國地質(zhì)資料館,北京100037)

    實(shí)物地質(zhì)資料館藏機(jī)構(gòu)是專門負(fù)責(zé)實(shí)物地質(zhì)資料接收、保管與服務(wù)利用的公益性機(jī)構(gòu)。我國實(shí)物地質(zhì)資料實(shí)行三級保管,國家級實(shí)物地質(zhì)資料館藏機(jī)構(gòu)、各省級實(shí)物地質(zhì)資料館藏機(jī)構(gòu)和地勘單位、工礦企業(yè)等基層實(shí)物地質(zhì)資料保管單位,保管著海量的巖芯,涵蓋了礦產(chǎn)勘查、科學(xué)研究、海洋調(diào)查、工程地質(zhì)勘查、水文地質(zhì)調(diào)查、環(huán)境調(diào)查等各類巖芯。對于國家和省級實(shí)物地質(zhì)資料館藏機(jī)構(gòu)而言,入庫保管的巖芯是經(jīng)過精心篩選的,具有代表性、典型性和特殊性,這些巖芯數(shù)量少、代表性強(qiáng)、利用價(jià)值大,具有不可替代性,應(yīng)盡可能的永久保管。

    館藏珍貴巖芯的永久保管需求與取樣測試服務(wù)是矛盾的,因?yàn)閭鹘y(tǒng)的取樣測試需要破壞巖芯,而巖芯掃描技術(shù)最大的優(yōu)點(diǎn)是不必取樣、不破壞巖芯,又能最大限度地挖掘、提取巖芯中蘊(yùn)含的各種信息,是同時(shí)實(shí)現(xiàn)巖芯長期保管和服務(wù)利用的最佳手段。此外,巖芯掃描后,其內(nèi)部蘊(yùn)含的信息從巖石載體轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮虞d體,解決了巖芯體積大、質(zhì)量大、存儲成本高、不便于移動等難題,獲取的電子數(shù)據(jù)可以輕而易舉地上網(wǎng)服務(wù),能夠極大地提高服務(wù)效率。

    巖芯掃描技術(shù)方法的發(fā)展日新月異,目前能夠通過巖芯掃描技術(shù)獲取的巖芯數(shù)據(jù)種類多達(dá)10余種,但是并不是所有種類的巖芯都適用于各種掃描技術(shù)方法,對于實(shí)物地質(zhì)資料館藏機(jī)構(gòu)而言,應(yīng)綜合考慮掃描目的、掃描原理、不同掃描技術(shù)方法對巖芯性狀的要求、掃描速度、掃描精度、掃描數(shù)據(jù)種類、工作成本等多種因素,為不同種類的巖芯,選擇合適的掃描技術(shù)方法,達(dá)到既能降低工作量與工作成本,又能提高工作成效的目的。本文匯總目前已經(jīng)應(yīng)用成熟的巖芯掃描技術(shù)方法,總結(jié)每一種技術(shù)方法的應(yīng)用原理、適用范圍、對巖芯的要求、掃描速度及掃描精度等,對不同種類巖芯適用的掃描方法提出建議,為實(shí)物地質(zhì)資料館購置巖芯掃描設(shè)備,開展巖芯掃描提供參考。

    1 巖芯掃描信息采集技術(shù)方法的特點(diǎn)

    巖芯掃描是指將地質(zhì)工作中形成的巖礦心,通過儀器掃描、數(shù)碼照相等方法,轉(zhuǎn)化成計(jì)算機(jī)可存儲、處理的文字、圖像、數(shù)據(jù)等信息,對信息進(jìn)行處理,以數(shù)據(jù)庫的形式進(jìn)行存儲,利用輸出設(shè)備和系統(tǒng)進(jìn)行信息展示的過程。巖芯掃描技術(shù)不需要對巖芯進(jìn)行取樣,可連續(xù)、批量地提取、分析巖芯表面及內(nèi)部蘊(yùn)含的各類物化信息,且不對巖芯造成破壞,與傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室測試分析相比,巖芯掃描具有以下特點(diǎn)。

    1)巖芯掃描借助各種聲、光、電、射線等信號,不必取樣、不破壞巖芯,可以反復(fù)重復(fù)測試,是一種無損的測試分析手段。

    2)巖芯掃描測試的數(shù)據(jù)往往是批量的、連續(xù)的,獲取數(shù)據(jù)的種類豐富,數(shù)據(jù)量大。

    3)測試的速度快,在掃描的過程中即可獲得數(shù)據(jù)。

    4)大多數(shù)巖芯掃描技術(shù)獲得的數(shù)據(jù)是基于對巖芯表面測試點(diǎn)范圍內(nèi)的分析測試,測試的范圍小,因此容易受局部特征影響,其測試精度一般不如實(shí)驗(yàn)室測試的精度高。

    2 巖芯掃描信息采集技術(shù)方法的種類

    目前應(yīng)用成熟的巖芯掃描信息采集技術(shù)方法種類很多,大體可分為三類:一是獲取實(shí)物表面圖像信息;二是獲取實(shí)物表面的各類化學(xué)參數(shù)信息,三是獲取實(shí)物內(nèi)部的物理參數(shù)信息,詳細(xì)情況見表1。

    表1 巖芯掃描技術(shù)方法匯總表

    3 巖芯掃描信息采集的原理及用途

    3.1 表面圖像采集

    表面圖像采集的技術(shù)方法包括白光掃描(或自然光掃描)和熒光掃描兩種,掃描的目的是獲取巖芯的表面的自然光圖像或熒光圖像。掃描的方式為滾動掃描和平動掃描兩種,滾動掃描為對巖芯360°旋轉(zhuǎn)掃描,巖芯必須為圓柱狀,掃描速度慢,主要針對關(guān)鍵層位;平動掃描是掃描鏡頭與巖芯軸向平行移動的掃描,對巖芯性狀無要求,掃描速度快,適用于全孔掃描。

    3.1.1 白光掃描

    巖芯表面圖像是巖芯能夠展示的最直接、最基礎(chǔ)的信息,最早應(yīng)用于石油勘查,目前該項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于固體礦產(chǎn)勘查、科學(xué)研究等領(lǐng)域。巖芯外表面的光信號經(jīng)傳感器轉(zhuǎn)換為電信號,送專用集成芯片進(jìn)行采樣和處理后傳送給計(jì)算機(jī),完成巖芯表面圖像的采集,采用白平衡技術(shù)、分色校正技術(shù)、高分辨率圖像拼接融合等方法,保證巖芯圖像的高質(zhì)量(劉鳳民等,2010)。

    很多巖芯在長期保管后,由于風(fēng)化作用,其表面顏色及含油特征等都發(fā)生了很大變化,很難反映原始的巖礦實(shí)際,給觀察利用帶來很大困難,因此在巖芯取心初期即對巖芯進(jìn)行掃描,可保留其最原始的表面圖像信息(劉鳳民等,2010)。在固體礦產(chǎn)勘查領(lǐng)域,巖芯掃描圖像可以用于對比觀察,通過綜合觀察巖芯掃描圖像、巖性描述及其他測試分析數(shù)據(jù)等,可以對巖芯有初步的認(rèn)識,甚至可以對一些礦物、蝕變進(jìn)行初步的鑒定;在油氣勘查領(lǐng)域,利用表面圖像中顏色的差異,可以對巖芯的粒度、孔隙度、裂隙度等進(jìn)行半定量的計(jì)算。

    3.1.2 熒光掃描

    熒光掃描通過特殊的紫外光源照射巖芯,有機(jī)質(zhì)在紫外光的激發(fā)下能發(fā)出熒光,通過熒光信號采集、處理,含油巖芯以其所含烴類物質(zhì)的熒光特性顯示出明顯的可識別性(圖3),在圖像中對其面積進(jìn)行定量計(jì)算,得到含油指數(shù)等綜合數(shù)據(jù)(陸春峰等,2011)。

    應(yīng)用圖像處理及模式識別理論和數(shù)學(xué)地質(zhì)方法,進(jìn)行層理分析、熒光評級、裂縫分析、孔洞分析和砂礫巖礫石定量分析計(jì)算,并自動生成圖文報(bào)表,為研究部門迅速準(zhǔn)確地提供各種相應(yīng)的研究數(shù)據(jù),為油氣田的儲層精細(xì)評價(jià)、油藏精細(xì)描述及成像測井定量分析等相關(guān)技術(shù)的發(fā)展起到很大的推動作用(劉鳳民等,2010)。因此可以通過熒光掃描確定油氣勘查巖芯或巖屑的含油性質(zhì)、含油級別及含油飽滿程度等。

    3.2 化學(xué)參數(shù)信息采集

    巖芯的化學(xué)參數(shù)主要是礦物構(gòu)成和元素濃度。在礦物構(gòu)成掃描方面,主要應(yīng)用顏色光譜技術(shù),該技術(shù)起源于遙感領(lǐng)域應(yīng)用的“地物光譜”;在元素濃度掃描方面,X射線熒光光譜(簡稱XRF)分析技術(shù)是一種新的分析技術(shù),但經(jīng)過多年的探索以后,現(xiàn)在已經(jīng)應(yīng)用成熟,廣泛用于冶金、地質(zhì)、有色、建材、商檢、環(huán)保、衛(wèi)生等各個(gè)領(lǐng)域。

    3.2.1 高光譜礦物掃描分析

    高光譜礦物掃描分析基于反射光譜分析技術(shù),利用光譜儀采集和測量巖芯400~2500nm波長范圍內(nèi)的反射波譜,依據(jù)其光譜診斷性特征來計(jì)算和識別不同的礦物,最終形成礦物學(xué)信息。目前市場應(yīng)用成熟的技術(shù)為中低溫蝕變礦物(一般為含水硅酸鹽礦物)的識別。如在可見光近紅外區(qū)域(400~1000nm)可識別礦物:鐵氧化物礦物、含鐵礦物、稀土礦物等;在短波紅外區(qū)域(1000~2500nm)可識別礦物:烴類物質(zhì)、含羥基類礦物、磷酸鹽類礦物、硫酸鹽類礦物、碳酸鹽類礦物等,具體見表2。此外據(jù)調(diào)研,高溫蝕變礦物(無水硅酸鹽礦物,如石英、長石、輝石、石榴子石、橄欖石等)的光譜掃描技術(shù)在實(shí)驗(yàn)室也已經(jīng)成熟,但尚未做市場應(yīng)用。

    表2 高光譜技術(shù)識別礦物種類一覽表

    在固體礦產(chǎn)勘查領(lǐng)域,礦體往往與蝕變作用在空間上具有某種特定的關(guān)系,如斑巖型銅、鉬礦的礦體往往與鉀化帶(特征礦物為鉀長石、黑云母、石英)和石英-絹云母化帶(特征礦物為石英、絹云母、黃鐵礦)關(guān)系緊密,可作為尋找斑巖型銅礦標(biāo)志;而鎢、錫、鉬、鉍等高溫礦物,也常與云英巖化(特征礦物為石英和白云母)等高溫蝕變作用關(guān)系緊密。蝕變作用的發(fā)育范圍大于礦體的范圍或與礦體有固定的上下關(guān)系,因此通過對礦山巖芯進(jìn)行高光譜掃描,掌握重要蝕變作用的發(fā)育特征,從而可以在空間上預(yù)測礦體的產(chǎn)出位置。

    此外,高嶺石、蒙脫石等含水硅酸鹽礦物一般為采礦過程中的有害礦物,利用高光譜掃描技術(shù)對這類礦物的識別度很好,通過對地質(zhì)勘探鉆孔進(jìn)行高光譜掃描,對高嶺石、蒙脫石等礦物進(jìn)行三維建模,能夠很好地指導(dǎo)采礦工作,降低采礦成本。因此,發(fā)達(dá)國家許多巖芯庫和大型礦山應(yīng)用了此項(xiàng)技術(shù),我國的紫金礦業(yè)公司也已開展此項(xiàng)掃描工作。

    3.2.2 XRF巖芯掃描

    X射線熒光光譜(XRF)分析技術(shù)根據(jù)分辨X射線的方式,分為波長色散X射線熒光光譜儀(WDXRF)和能量色散X射線熒光光譜儀(EDXRF)。X射線是一種波長較短的電磁輻射,通常是指能量范圍在0.1~100KeV的光子。當(dāng)用高能電子照射試樣時(shí),入射電子被試樣中的電子減速,會產(chǎn)生波長連續(xù)X射線譜。如果入射光束為X射線,試樣中的元素內(nèi)層電子受其激發(fā),可產(chǎn)生特征X射線,稱為二次X射線,或稱為X射線熒光。通過分析試樣中不同元素產(chǎn)生的熒光X射線波長(或能量)和強(qiáng)度,可以獲得試樣中的元素組成與含量信息,達(dá)到定性和定量分析的目的(尹明等,2010)。

    利用XRF分析技術(shù)可以同時(shí)測量樣品中從鋁AI(或Mg)到鈾U的絕大部分元素的濃度分布圖,從微量到高濃度均能反映出來。提供巖芯樣本的化學(xué)數(shù)據(jù),一般用于陸地、海洋、湖泊、河口、冰河的沉積巖芯分析,研究沉積環(huán)境和古氣候。如通過對Fe、Ca、K、Si、Al、Ti、Zr、Sr等元素含量的變化,轉(zhuǎn)化為沉積物中Fe2O3、CaO、K2O、SiO2、Al2O3、TiO2等化合物含量的變化,綜合其磁化率、孢粉、硅藻、礦物、色素等多種指標(biāo),對環(huán)境指標(biāo)和古環(huán)境演化進(jìn)行重建(成艾穎等,2010)。

    此外,也可作為固體礦產(chǎn)巖芯有用元素濃度的變化趨勢、劃分地層的重要數(shù)據(jù)。例如在加拿大馬塔加米Zn-Cu礦床,運(yùn)用便攜式X熒光檢測方法獲取元素濃度數(shù)據(jù),利用Ti/Zr對Al/Zr圖可以迅速的區(qū)分礦區(qū)內(nèi)兩個(gè)視覺上相似但變質(zhì)程度不同的流紋巖巖芯(圖1),而其中一種流紋巖為鉆探的標(biāo)志層(Ross et al.,2014)。在鉆探領(lǐng)域,識別標(biāo)志層至關(guān)重要,可以幫助鉆探者準(zhǔn)確地確定目的層,做出一些類似于“是否到達(dá)了目標(biāo)地層層位,還是應(yīng)該向更深處鉆探”等重要決定。

    但是,目前XRF定量分析仍以硅酸鹽類巖石礦物為主,在其他類型的礦石礦物中的應(yīng)用有限,主要問題在于對標(biāo)樣和待測試樣的基體匹配要求比較苛刻,而固態(tài)制樣技術(shù)實(shí)現(xiàn)難度較大,目前鐵礦、鋁土礦等的XRF測定已有國家標(biāo)準(zhǔn)方法,其他類型的礦物XRF分析方法的應(yīng)用不是很廣泛。有些硫化礦的分析方法正開發(fā)研制中(尹明等,2010)。

    3.3 物理參數(shù)信息采集

    如前所屬,物理參數(shù)包括CT內(nèi)部結(jié)構(gòu)構(gòu)造掃描,該技術(shù)源自于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域,目前在油氣資源勘查領(lǐng)域應(yīng)用廣泛;磁化率掃描,該技術(shù)在固體礦產(chǎn)勘查領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛;同時(shí)還有一些原本應(yīng)用于油田測井、錄井的技術(shù),目前也已經(jīng)被應(yīng)用于巖芯掃描領(lǐng)域,如P波速度掃描、伽馬密度掃描、電阻率掃描等。

    3.3.1 CT三維掃描

    CT掃描利用X射線的穿透性,對不同密度的物質(zhì)有不同的穿透能力,密度越高,穿透能力越低,當(dāng)X光束圍繞物體旋轉(zhuǎn)掃描時(shí),從數(shù)百個(gè)角度進(jìn)行掃描,計(jì)算機(jī)負(fù)責(zé)收集所有信息,并將這些信息合成為三維圖像。利用CT掃描技術(shù),可以定量計(jì)算巖芯內(nèi)部裂縫寬度、長度、面積、面孔隙度及裂縫孔隙度等參數(shù),計(jì)算巖芯中孔洞的大小,觀察孔洞的聯(lián)通狀態(tài)(圖2)。該技術(shù)主要應(yīng)用于油氣資源勘查領(lǐng)域,對油氣資源可采儲量計(jì)算、驅(qū)油機(jī)理研究等方面有重要參考價(jià)值,可以更直觀更精確地認(rèn)識剩余油在油藏中的微觀分布。

    圖1 利用元素濃度相圖區(qū)分地層并識別標(biāo)志層(據(jù)Ross et al.,2014)

    圖2 CT掃描三維巖芯及內(nèi)部裂縫、孔洞重建效果圖(據(jù)滕奇志等,2011)

    3.3.2 磁化率

    巖石、礦石均具有一定程度的磁化率,其磁化率的大小主要取決于巖石的礦物成分、巖石結(jié)構(gòu)、礦物顆粒大小和形狀等因素。通過巖芯對磁化率的測定及其變化規(guī)律的研究,建立磁化率與成礦元素含量、環(huán)境變化等的關(guān)系,從而作為找礦和環(huán)境研究的輔助性數(shù)據(jù)。

    磁化率測定應(yīng)用廣泛資源勘查和環(huán)境研究。在資源勘查領(lǐng)域,研究磁化率與成礦元素含量的關(guān)系,可以對找礦勘查進(jìn)行指導(dǎo)。如王磊等(2012)在智利月亮山鐵氧化物銅金型礦床勘查中,利用磁化率對鐵磁性礦物及蝕變巖的現(xiàn)場識別能力和XRF快速分析元素含量功能,結(jié)合礦床地質(zhì)劃分巖相,確定磁化率和鐵、銅含量對應(yīng)關(guān)系:高磁化率-高鐵含量-磁鐵礦型、低磁化率-高鐵含量-赤鐵礦型、低磁化率-低鐵含量-蝕變巖型,對月亮山礦區(qū)進(jìn)行深部找礦預(yù)測。

    此外,在環(huán)境磁學(xué)領(lǐng)域,巖芯磁化率的掃描測定,獲得沉積物的磁學(xué)性質(zhì),可以研究過去和現(xiàn)在的環(huán)境狀況,如孟慶勇等(2009)通過對浙-閩沿岸泥質(zhì)帶的長巖芯EC2005進(jìn)行的磁化率巖芯掃描及對比研究,發(fā)現(xiàn)磁化率隨粒度及沉積環(huán)境的變化而變化,從而建立磁化率與環(huán)境之間的變化機(jī)制。

    3.3.3 其他物化參數(shù)掃描

    P波速度:P波是傳播速度最快的地震波,在地球物理和地震研究領(lǐng)域使用稍多,利用P波在不同界面的反射性質(zhì),可用于研究地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)構(gòu)造。

    伽馬密度:用于測量巖層的密度,密度測井是劃分煤層、劃分致密巖層中的裂隙帶,以及研究滲透性巖層孔隙度的有效方法。

    電阻率:主要用于油氣鉆探錄井,因?yàn)楹蛯泳哂忻黠@的高電阻特征。

    4 巖芯掃描技術(shù)方法應(yīng)用分析

    目前應(yīng)用成熟的巖芯掃描信息提取技術(shù)方法繁多,如前所述,能夠測試的參數(shù)大約10余種。每種技術(shù)方法由于受其工作原理和技術(shù)發(fā)展程度等因素限制,其對巖芯的要求、掃描速度等各不相同(表3)。但總體上講,巖芯掃描技術(shù)作為一種便捷、高效、成本低、無須破壞測試對象的技術(shù)方法,既適用于實(shí)物地質(zhì)資料館藏機(jī)構(gòu),也適用于地勘單位和工礦企業(yè)。對于館藏機(jī)構(gòu)而言,開展巖芯掃描信息采集工作,將提取的數(shù)據(jù)以鉆孔為單位進(jìn)行集成,可以將實(shí)體巖芯的數(shù)字化,建設(shè)“數(shù)字巖芯庫”,既能夠提高服務(wù)效率和服務(wù)水平,也可以大大延長珍貴巖芯的服務(wù)壽命。

    表3 幾種主要的巖芯掃描信息采集技術(shù)方法種類及對巖芯的要求

    對于地勘單位和工礦企業(yè)而言,一方面大量重復(fù)的巖芯經(jīng)過掃描后即可進(jìn)行處置(縮減、埋藏或清除),既降低保管成本,又減少資料損失;另一方面,巖芯在鉆探取心的第一時(shí)間進(jìn)行掃描,可將巖芯最原始的物化性質(zhì)記錄下來,盡可能降低后期環(huán)境對巖芯造成的影響,提高數(shù)據(jù)質(zhì)量;此外,通過對巖芯掃描數(shù)據(jù)的獲取與分析,還可以直接指導(dǎo)找礦、采礦等工作。

    每種巖芯掃描的方法,均與巖芯的狀態(tài)(完好、破碎)、種類(固體礦產(chǎn)、科鉆、環(huán)境調(diào)查、地應(yīng)力等)以及巖芯掃描技術(shù)本身的特點(diǎn)有關(guān)。不同的巖芯適用于不同的掃描技術(shù)方法,選擇正確的掃描方法既能確保后期數(shù)據(jù)的質(zhì)量,同時(shí)也可提高數(shù)據(jù)的利用價(jià)值,提高工作成效,具體每類巖芯適用的掃描技術(shù)方法歸納如下。

    1)固體礦產(chǎn)勘查巖芯:此類巖芯數(shù)量大,越是礦體部分,巖芯越較為破碎,礦物組成、元素濃度等化學(xué)參數(shù)相對于其他參數(shù)更為重要,因此建議對于該類巖芯開展的掃描方法包括:全巖芯的圖像掃描、高光譜礦物掃描和磁化率掃描,由于XRF元素濃度掃描速度慢,且對巖芯要求較高,因此建議鉆孔中關(guān)鍵層位或需要做補(bǔ)充研究的深度范圍采用XRF元素濃度分析掃描。

    2)科學(xué)鉆探巖芯:此類巖芯獲取成本高、數(shù)量少、研究價(jià)值大,十分珍貴,因此建議盡可能多地掃描各種物化參數(shù)。建議開展該類巖芯的全巖芯圖像掃描、高光譜礦物掃描、XRF元素濃度掃描、磁化率掃描、CT結(jié)構(gòu)構(gòu)造掃描和伽馬密度掃描。

    3)環(huán)境調(diào)查與評價(jià)巖芯:經(jīng)篩選后進(jìn)行保管的此類巖芯數(shù)量少且一般很完整,針對其研究目的,建議開展全巖芯的圖像掃描、XRF元素濃度掃描和磁化率掃描。

    4)油氣調(diào)查巖芯:此類巖芯取心數(shù)量少,且一般較為完整,巖芯的粒度、孔隙度、裂隙度等參數(shù)是含油儲量及驅(qū)油機(jī)理的重要評價(jià)因素,因此相對于化學(xué)參數(shù),油氣巖芯的結(jié)構(gòu)構(gòu)造等物理參數(shù)更為重要。建議對于該類巖芯要開展全孔巖芯的白光圖像掃描、熒光圖像掃描、CT掃描和電阻率和伽馬密度掃描。

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