巖芯掃描信息采集技術方法與應用分析

高鵬鑫，王瑞紅，張慧軍，鄧 晃，沈 迪

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

實物地質資料館藏機構是專門負責實物地質資料接收、保管與服務利用的公益性機構。我國實物地質資料實行三級保管，國家級實物地質資料館藏機構、各省級實物地質資料館藏機構和地勘單位、工礦企業等基層實物地質資料保管單位，保管著海量的巖芯，涵蓋了礦產勘查、科學研究、海洋調查、工程地質勘查、水文地質調查、環境調查等各類巖芯。對于國家和省級實物地質資料館藏機構而言，入庫保管的巖芯是經過精心篩選的，具有代表性、典型性和特殊性，這些巖芯數量少、代表性強、利用價值大，具有不可替代性，應盡可能的永久保管。

館藏珍貴巖芯的永久保管需求與取樣測試服務是矛盾的，因為傳統的取樣測試需要破壞巖芯，而巖芯掃描技術最大的優點是不必取樣、不破壞巖芯，又能最大限度地挖掘、提取巖芯中蘊含的各種信息，是同時實現巖芯長期保管和服務利用的最佳手段。此外，巖芯掃描后，其內部蘊含的信息從巖石載體轉變為電子載體，解決了巖芯體積大、質量大、存儲成本高、不便于移動等難題，獲取的電子數據可以輕而易舉地上網服務，能夠極大地提高服務效率。

巖芯掃描技術方法的發展日新月異，目前能夠通過巖芯掃描技術獲取的巖芯數據種類多達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方法，對于實物地質資料館藏機構而言，應綜合考慮掃描目的、掃描原理、不同掃描技術方法對巖芯性狀的要求、掃描速度、掃描精度、掃描數據種類、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方法，達到既能降低工作量與工作成本，又能提高工作成效的目的。本文匯總目前已經應用成熟的巖芯掃描技術方法，總結每一種技術方法的應用原理、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，為實物地質資料館購置巖芯掃描設備，開展巖芯掃描提供參考。

1 巖芯掃描信息采集技術方法的特點

巖芯掃描是指將地質工作中形成的巖礦心，通過儀器掃描、數碼照相等方法，轉化成計算機可存儲、處理的文字、圖像、數據等信息，對信息進行處理，以數據庫的形式進行存儲，利用輸出設備和系統進行信息展示的過程。巖芯掃描技術不需要對巖芯進行取樣，可連續、批量地提取、分析巖芯表面及內部蘊含的各類物化信息，且不對巖芯造成破壞，與傳統的實驗室測試分析相比，巖芯掃描具有以下特點。

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，可以反復重復測試，是一種無損的測試分析手段。

2）巖芯掃描測試的數據往往是批量的、連續的，獲取數據的種類豐富，數據量大。

3）測試的速度快，在掃描的過程中即可獲得數據。

4）大多數巖芯掃描技術獲得的數據是基于對巖芯表面測試點范圍內的分析測試，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驗室測試的精度高。

2 巖芯掃描信息采集技術方法的種類

目前應用成熟的巖芯掃描信息采集技術方法種類很多，大體可分為三類：一是獲取實物表面圖像信息；二是獲取實物表面的各類化學參數信息，三是獲取實物內部的物理參數信息，詳細情況見表1。

表1 巖芯掃描技術方法匯總表

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°旋轉掃描，巖芯必須為圓柱狀，掃描速度慢，主要針對關鍵層位；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、最基礎的信息，最早應用于石油勘查，目前該項技術已經廣泛應用于固體礦產勘查、科學研究等領域。巖芯外表面的光信號經傳感器轉換為電信號，送專用集成芯片進行采樣和處理后傳送給計算機，完成巖芯表面圖像的采集，采用白平衡技術、分色校正技術、高分辨率圖像拼接融合等方法，保證巖芯圖像的高質量（劉鳳民等，2010）。

很多巖芯在長期保管后，由于風化作用，其表面顏色及含油特征等都發生了很大變化，很難反映原始的巖礦實際，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）。在固體礦產勘查領域，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據等，可以對巖芯有初步的認識，甚至可以對一些礦物、蝕變進行初步的鑒定；在油氣勘查領域，利用表面圖像中顏色的差異，可以對巖芯的粒度、孔隙度、裂隙度等進行半定量的計算。

3．1．2 熒光掃描

熒光掃描通過特殊的紫外光源照射巖芯，有機質在紫外光的激發下能發出熒光，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行定量計算，得到含油指數等綜合數據（陸春峰等，2011）。

應用圖像處理及模式識別理論和數學地質方法，進行層理分析、熒光評級、裂縫分析、孔洞分析和砂礫巖礫石定量分析計算，并自動生成圖文報表，為研究部門迅速準確地提供各種相應的研究數據，為油氣田的儲層精細評價、油藏精細描述及成像測井定量分析等相關技術的發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、含油級別及含油飽滿程度等。

3．2 化學參數信息采集

巖芯的化學參數主要是礦物構成和元素濃度。在礦物構成掃描方面，主要應用顏色光譜技術，該技術起源于遙感領域應用的“地物光譜”；在元素濃度掃描方面，X射線熒光光譜（簡稱XRF）分析技術是一種新的分析技術，但經過多年的探索以后，現在已經應用成熟，廣泛用于冶金、地質、有色、建材、商檢、環保、衛生等各個領域。

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，利用光譜儀采集和測量巖芯400～2500nm波長范圍內的反射波譜，依據其光譜診斷性特征來計算和識別不同的礦物，最終形成礦物學信息。目前市場應用成熟的技術為中低溫蝕變礦物（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；在短波紅外區域（1000～2500nm）可識別礦物：烴類物質、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。此外據調研，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）的光譜掃描技術在實驗室也已經成熟，但尚未做市場應用。

表2 高光譜技術識別礦物種類一覽表

在固體礦產勘查領域，礦體往往與蝕變作用在空間上具有某種特定的關系，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）關系緊密，可作為尋找斑巖型銅礦標志；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）等高溫蝕變作用關系緊密。蝕變作用的發育范圍大于礦體的范圍或與礦體有固定的上下關系，因此通過對礦山巖芯進行高光譜掃描，掌握重要蝕變作用的發育特征，從而可以在空間上預測礦體的產出位置。

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對這類礦物的識別度很好，通過對地質勘探鉆孔進行高光譜掃描，對高嶺石、蒙脫石等礦物進行三維建模，能夠很好地指導采礦工作，降低采礦成本。因此，發達國家許多巖芯庫和大型礦山應用了此項技術，我國的紫金礦業公司也已開展此項掃描工作。

3．2．2 XRF巖芯掃描

X射線熒光光譜（XRF）分析技術根據分辨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。當用高能電子照射試樣時，入射電子被試樣中的電子減速，會產生波長連續X射線譜。如果入射光束為X射線，試樣中的元素內層電子受其激發，可產生特征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生的熒光X射線波長（或能量）和強度，可以獲得試樣中的元素組成與含量信息，達到定性和定量分析的目的（尹明等，2010）。

利用XRF分析技術可以同時測量樣品中從鋁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數據，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，對環境指標和古環境演化進行重建（成艾穎等，2010）。

此外，也可作為固體礦產巖芯有用元素濃度的變化趨勢、劃分地層的重要數據。例如在加拿大馬塔加米Zn－Cu礦床，運用便攜式X熒光檢測方法獲取元素濃度數據，利用Ti／Zr對Al／Zr圖可以迅速的區分礦區內兩個視覺上相似但變質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志層（Ross et al．，2014）。在鉆探領域，識別標志層至關重要，可以幫助鉆探者準確地確定目的層，做出一些類似于“是否到達了目標地層層位，還是應該向更深處鉆探”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用有限，主要問題在于對標樣和待測試樣的基體匹配要求比較苛刻，而固態制樣技術實現難度較大，目前鐵礦、鋁土礦等的XRF測定已有國家標準方法，其他類型的礦物XRF分析方法的應用不是很廣泛。有些硫化礦的分析方法正開發研制中（尹明等，2010）。

3．3 物理參數信息采集

如前所屬，物理參數包括CT內部結構構造掃描，該技術源自于醫學領域，目前在油氣資源勘查領域應用廣泛；磁化率掃描，該技術在固體礦產勘查領域應用較為廣泛；同時還有一些原本應用于油田測井、錄井的技術，目前也已經被應用于巖芯掃描領域，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，對不同密度的物質有不同的穿透能力，密度越高，穿透能力越低，當X光束圍繞物體旋轉掃描時，從數百個角度進行掃描，計算機負責收集所有信息，并將這些信息合成為三維圖像。利用CT掃描技術，可以定量計算巖芯內部裂縫寬度、長度、面積、面孔隙度及裂縫孔隙度等參數，計算巖芯中孔洞的大小，觀察孔洞的聯通狀態（圖2）。該技術主要應用于油氣資源勘查領域，對油氣資源可采儲量計算、驅油機理研究等方面有重要參考價值，可以更直觀更精確地認識剩余油在油藏中的微觀分布。

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

圖2 CT掃描三維巖芯及內部裂縫、孔洞重建效果圖（據滕奇志等，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、巖石結構、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律的研究，建立磁化率與成礦元素含量、環境變化等的關系，從而作為找礦和環境研究的輔助性數據。

磁化率測定應用廣泛資源勘查和環境研究。在資源勘查領域，研究磁化率與成礦元素含量的關系，可以對找礦勘查進行指導。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場識別能力和XRF快速分析元素含量功能，結合礦床地質劃分巖相，確定磁化率和鐵、銅含量對應關系：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，對月亮山礦區進行深部找礦預測。

此外，在環境磁學領域，巖芯磁化率的掃描測定，獲得沉積物的磁學性質，可以研究過去和現在的環境狀況，如孟慶勇等（2009）通過對浙－閩沿岸泥質帶的長巖芯EC2005進行的磁化率巖芯掃描及對比研究，發現磁化率隨粒度及沉積環境的變化而變化，從而建立磁化率與環境之間的變化機制。

3．3．3 其他物化參數掃描

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域使用稍多，利用P波在不同界面的反射性質，可用于研究地球內部結構構造。

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，因為含油層具有明顯的高電阻特征。

4 巖芯掃描技術方法應用分析

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

表3 幾種主要的巖芯掃描信息采集技術方法種類及對巖芯的要求

對于地勘單位和工礦企業而言，一方面大量重復的巖芯經過掃描后即可進行處置（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間進行掃描，可將巖芯最原始的物化性質記錄下來，盡可能降低后期環境對巖芯造成的影響，提高數據質量；此外，通過對巖芯掃描數據的獲取與分析，還可以直接指導找礦、采礦等工作。

每種巖芯掃描的方法，均與巖芯的狀態（完好、破碎）、種類（固體礦產、科鉆、環境調查、地應力等）以及巖芯掃描技術本身的特點有關。不同的巖芯適用于不同的掃描技術方法，選擇正確的掃描方法既能確保后期數據的質量，同時也可提高數據的利用價值，提高工作成效，具體每類巖芯適用的掃描技術方法歸納如下。

1）固體礦產勘查巖芯：此類巖芯數量大，越是礦體部分，巖芯越較為破碎，礦物組成、元素濃度等化學參數相對于其他參數更為重要，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，因此建議鉆孔中關鍵層位或需要做補充研究的深度范圍采用XRF元素濃度分析掃描。

2）科學鉆探巖芯：此類巖芯獲取成本高、數量少、研究價值大，十分珍貴，因此建議盡可能多地掃描各種物化參數。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結構構造掃描和伽馬密度掃描。

3）環境調查與評價巖芯：經篩選后進行保管的此類巖芯數量少且一般很完整，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）油氣調查巖芯：此類巖芯取心數量少，且一般較為完整，巖芯的粒度、孔隙度、裂隙度等參數是含油儲量及驅油機理的重要評價因素，因此相對于化學參數，油氣巖芯的結構構造等物理參數更為重要。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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