DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2016.05.023

基于钻孔摄像技术的珊瑚礁完整性评价分析

汪进超，王川婴，韩增强，胡胜

 (中国科学院武汉岩土力学研究所 岩土力学与工程国家重点实验室，湖北 武汉，430071)

摘要：在西沙琛航岛地质调查中，应用数字钻孔摄像技术，通过引入RMDI法开展对珊瑚礁完整性的分析研究，结合岩体分级标准，构建珊瑚礁完整性指数与珊瑚礁完整程度的对应关系，实现针对珊瑚礁完整性的工程评价。通过对CK1孔和CK2孔的摄像勘察和统计分析，按照基于RMDI法的珊瑚礁完整程度分级标准，对两孔进行珊瑚礁完整性评价，与实体岩芯保持一致，并估算出两孔之间珊瑚礁的岩体完整程度。研究结果表明：在珊瑚礁完整性评价中，按珊瑚礁完整性指数构建的分级标准是可行的；按RMDI法建立的珊瑚礁完整程度是准确的；针对珊瑚礁的钻孔摄像勘察和统计分析具有重要意义。

关键词：钻孔摄像；地质调查；珊瑚礁；岩体完整性

中图分类号：TU45        文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2016)05-1619-06

Analysis of coral reef integrity based on borehole camera technology

WANG Jinchao, WANG Chuanying, HAN Zengqiang, HU Sheng

 (State Key Laboratory of Geomechanics and Geotechnical Engineering, Institute of Rock and Soil Mechanics,

Chinese Academy of Sciences, Wuhan 430071, China)

Abstract: The geological survey in Xisha Chenhang Island has an application of digital borehole camera technology. The RMDI method was used to carry out the analysis and research on coral reef integrity according to rock mass classification standard, and achieves the coral reef integrity evaluation by combining the coral reef integrity index with coral reef integrity degree of correspondence construction. Borehole CK1 and CK2 were evaluated based on RMDI method of coral reef integrity standards, and the result is consistent with rock cores, and then the coral reef rock mass integrity between CK1 and CK2 was estimated. The results indicate that the classification system based on integrity index is feasible in the integrity evaluation of coral reefs; the coral reef integrity degree based on RMDI method is accurate and borehole camera survey and statistical analysis are of great utility in the study of coral reefs.

Key words: borehole camera; geological survey; coral reefs; rock mass integrity

造礁石珊瑚属能分泌碳酸钙形成骨骼和外壳、行群体固着生活的腔肠动物的石珊瑚目Scleractinia^[1]。珊瑚礁是由造礁石珊瑚群体死后遗骸经过破坏、搬运、堆积及胶结等作用而形成的特殊岩土体^[2]。珊瑚从古生代初期开始繁衍，一直延续至今。珊瑚属种多，演化快，常成为划分地层的依据。造礁珊瑚对环境要求严格，只生长于热带、亚热带浅海中，而且随着纬度升高，其属种减少，生长率变慢，因而又可作为判断古气候、古地理的重要标志。珊瑚礁与地壳运动有关。正常情况下，珊瑚礁形成于低潮线以下50 m以浅的海域，高出海面者无疑是地壳上升或海平面下降的反映；反之，50 m以深或覆盖在平顶海山上的巨厚珊瑚礁灰岩，则标志该处地壳下沉^[3]。珊瑚礁蕴藏着丰富的矿产资源。珊瑚礁及其泻湖沉积层中，还有煤炭、铝土矿、锰矿、磷矿。礁体粗碎屑中发现铜、铅、锌等多金属层控矿床。我国的珊瑚礁主要分布于北回归线以南的热带海岸和海洋中，尤其在南海地区珊瑚礁分布范围广，且地理位置显要。珊瑚礁是茫茫大海中的“绿洲”和极其宝贵的陆地资源，是海洋资源开发和海洋权益保护的基地。因此，对珊瑚礁的研究具有重要意义。珊瑚礁之所以是一种特殊的岩土类型，一是由于其组成物质的特殊性，二是由于其发育环境的特殊性。珊瑚礁砂砾土的矿物成分为文石和方解石，这就决定了其物理力学性质与石英砂土相比具有显著的区别：疏松、多孔、性脆、易碎、硬度低，且具有一定的自行胶结能力。岩体的主要成分是碳酸钙(CaCO₃)，它结构疏松、多孔、性脆、低硬度以及低强度。由于珊瑚礁岩土的脆性、易碎性，珊瑚礁地质调查中的钻探会明显地破坏岩土的胶结状况和引起颗粒的破碎，取样时也会引起附加的扰动，导致地质信息的获取不够完整和不准确，往往使传统的测定方法失去了准确性。数字钻孔摄像系统^[4-9]集电子技术、视频技术、数字技术和计算机应用技术于一体，摆脱了上述制约，能够将光学探头放入钻孔内，对岩体进行近距离观察，通过计算机信息的提取和存储，形成钻孔孔壁的数字柱状图像，解决了珊瑚礁钻孔内地质信息采集的完整性和准确性问题。岩体基本质量是岩体所固有的，影响工程岩体稳定性的最基本属性。而岩体基本质量的优劣取决于构成岩体结构特征的内在因素，而岩体完整性是起控制性作用的因素之一。钻孔摄像系统能够评价岩体的几何(宏观形态)完整性，在之前的珊瑚礁岩体完整性评价方法^[10]的研究中，提出了一种针对珊瑚礁完整性评价的方法，并验证了该方法的可行性和准确性，但是没有具体的评价标准，因此，本文作者开展了将RMDI法^[10]和实际工程进行详细的对比分析工作，通过将西沙群岛琛航岛地质调查CK1孔的珊瑚礁完整性指数与其他方法获得的地质信息进行详细地对比分析，并结合岩体划分标准确定RMDI值所对应的岩体完整程度。

1  钻孔摄像技术

数字全景钻孔摄像系统的关键是全景技术(截头的锥面反射镜)和数字技术(数字视频和数字图像)的突破。全景技术实现了 360°钻孔孔壁的二维表示，叠加方位信息后形成的平面图像称为全景图像；数字技术实现了视频图像的数字化，通过全景图像的逆变换算法，还原真实的钻孔孔壁，形成钻孔孔壁的数字柱状图像。钻孔摄像图像能够直观地反映出钻孔内孔壁的孔洞以及其他地质信息，通过对全孔地质信息的提取和存储，形成完整的信息数据库，将信息数据库进行计算机处理，能够统计出图像中可视的孔洞尺寸及数量，图 1 所示为数字钻孔摄像技术的成像原理示意图。

图1  数字全景钻孔成像原理示意图

Fig. 1  Sketch of imaging principle of borehole camera system

2  RMDI法概述

珊瑚礁完整性指数(简称RMDI)，是指在给定范围内完整珊瑚礁所占的比值(%)，由于珊瑚礁具有多孔性，珊瑚礁完整性除了受岩体块度的尺寸效应影响外，还受孔洞的尺寸效应影响，珊瑚礁完整性指数反映了珊瑚礁岩体所受块度尺寸效应和孔洞尺寸效应的综合影响。若给定的深度范围为[h₁, h₂]，则珊瑚礁完整性指数的计算式为

  (1)

式中：为珊瑚礁完整性指数；z为深度；为统计深度；为第k个孔洞的长边长度；为第k个孔洞的短边长度；为圆周率；R为钻孔的孔径；H为单位深度；L为单位深度内完整岩石高度的最大值。

3  RMDI值与岩体完整度的对照关系

3.1  岩体完整性的划分

岩体完整性是指岩体内以裂隙为主的各类地质界面的发育程度，是岩体结构的综合反映，取决于结构面切割程度、结构体大小以及块体间结合状态等因素，裂隙少即岩体完整性好，裂隙多则岩体完整性差。它是岩体质量好坏最重要的标志之一，是岩体工程中采用的概述性指标。因此，如何既科学又方便地评价工程岩体的完整性对岩石工程建设意义十分重大。

在各种岩体的分类中，无论是以定性为主的分类，还是以定量判据为主的分类，都要涉及到岩体的完整性问题，岩体的完整性，是表征岩体强度，岩体变形性的重要标志之一。长期以来，国内工程地质界都以直接影响岩体完整性的节理裂隙的特性来描述岩体的工程性质，其中尤其是采用节理裂隙的间距来进行描述，表1^[11-14]列出岩体工程勘察规范、铁路工程地质规范、工程地质调查规范、水利水电工程地质勘测规范和国际岩石力学学会推荐的岩体节理间距分级标准，表2^[15]所示为工程岩体分级标准中的岩体完整程度的定性划分结果。

岩体完整性的规范在不同领域的划分存在差异，特别是对珊瑚礁这种特殊的岩体进行完整性的划分尚无先例，正确划分珊瑚礁岩体的完整程度比较困难，钻孔摄像系统能够准确地获得完整的地质信息，尝试通过基于钻孔摄像技术的RMDI法进行珊瑚礁的岩体完整性评价，积极探索K_RMDI与岩体完整程度的对应关系。

表1  岩体节理间距分级标准

                            Table 1  Classification based on rock mass joint spacing                           m

表2  岩体完整程度的定性划分结果

Table 2  Qualitative classification of rock mass intactness

3.2  K_RMDI与岩体完整程度的对应关系

在琛航岛地质调查中，数字全景钻孔摄像系统完成了琛航岛所有钻孔的勘测，勘测累计深度接近2 000 m，通过对钻孔孔壁岩体的地质信息提取和存储，形成信息数据库，将信息数据库进行计算机处理，绘制出钻孔摄像图像，统计出钻孔摄像图像中可视孔洞的尺寸和数量，为了便于统计，选择1 m作为单位深度，10 m作为统计深度，根据式(1)计算出CK1孔的部分珊瑚礁K_RMDI，其中孔深91~220 m段孔径R为114 mm，孔深220~351 m段孔径R为92 mm，计算结果如图2所示。图3所示为CK1孔部分岩芯图。

图2  CK1部分深度对应的K_RMDI

Fig. 2  Part of K_RMDI

从图2可以看出：在孔深161~221 m段内，K_RMDI均较高，且大于85%，通过查阅钻探记录和对照现场岩芯照片(图3(a)~(c))，岩芯呈整体状，且取出来的完整岩芯高度均大于1 m，通过完整岩芯的高度来判断岩体节理或结构面的间距，认为完整岩芯的高度即为节理或者结构面的间距，参照表2, 该段珊瑚礁岩体对应定性划分岩体完整程度中的完整类型，因此，认为该段珊瑚礁岩体的完整程度好。

在孔深101~131 m段，K_RMDI较小，均小于40%，通过查阅钻探记录和对照现场岩芯照片(图3(d)~(f))，发现该段取上来的岩芯大部分呈散体碎块结构，完整岩芯的高度均不足0.2 m，胶结很差，对应定性划分岩体完整程度中的极破碎类型，因此，认为该段珊瑚礁岩体的完整程度差。

在孔深91~111 m段，K_RMDI介于55%与75%之间，通过查阅钻探记录和对照现场岩芯照片(图3(g)~(i))，发现完整岩芯高度平均在0.5 m左右，岩芯呈中厚层状，胶结程度一般，对应定性划分岩体完整程度中的较破碎，因此，认为该段的珊瑚礁岩体完整度一般。

在之前的关于珊瑚礁岩体完整性评价方法的研究中，已经验证了RMDI法的可行性和准确性，对于珊瑚礁这种特殊的岩体，通过以上将K_RMDI与其他资料进行的对比分析，并结合岩体节理分级标准(表1)和岩体完整程度的定性划分(表2)，构建珊瑚礁岩体完整性指数(K_RMDI)与珊瑚礁岩体完整程度的对应关系(表3)。

表3  K_RMDI与珊瑚礁岩体完整程度对应关系

Table 3  Correlation between K_RMDI and coral reef rock mass intactness

3.3  CK1孔和CK2孔的对比评价

参照表3中K_RMDI与珊瑚礁岩体完整程度的对应关系，对CK1孔中91~351 m段珊瑚礁进行岩体完整性评价，评价结果如表4所示。

图3  CK1孔部分岩芯图

Fig. 3  Picture of rock cores

表4  CK1孔深与珊瑚礁完整程度对应关系

Table 4  Correlation between dept and rock mass intactness

从表4可以看出：将采用RMDI法进行珊瑚礁岩体完整性评价的结果与实体岩芯进行对比，RMDI法的评价结果基本与实体岩芯保持一致，可见按RMDI法构建的分级标准具有可行性和准确性。

CK2孔与CK1孔的水平间距为10 m，CK2位于CK1的东南方向，且更靠近外海岸，根据式(1)计算出与CK1孔对应深度91~351 m的K_RMDI，其中钻孔孔径R为114 mm，其K_RMDI如图4所示。

图4 CK2部分深度对应的RMDI值

Fig. 4  Part of RMDI values

根据K_RMDI与珊瑚礁完整性程度对应关系，对CK2孔进行完整性评价，然后与CK1孔同等深度进行对比，结果如图5所示。

图5  CK1孔与CK2孔之间的岩体完整性程度划分

Fig. 5  Evaluation results between CK1 and CK2

通过对CK1孔和CK2孔的评价，可以推断出两孔之间珊瑚礁岩体的完整程度，如图5所示。从图5可以看出：珊瑚礁地层较复杂，且在一定范围外，部分深度珊瑚礁岩体的完整程度存在明显差异，通过对珊瑚礁完整程度的评价，可以为珊瑚礁发育地层结构的建立提供重要依据，也对划分地层、判断古气候、古地理具有重要的意义。

4  结论

1) 在珊瑚礁完整性评价中，按RMDI值构建的分级标准是可行的。

2) 按RMDI法建立的珊瑚礁完整程度是准确的。

3) 针对珊瑚礁的钻孔摄像勘察和统计分析具有重要意义。

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(编辑  陈爱华)

收稿日期：2015-07-30；修回日期：2015-10-08

基金项目(Foundation item)：国家重点基础研究发展计划(973计划)项目(2013CB956104)；国家科技基础工作专项(2012FY112400) (Project (2013CB956104) supported by the Major State Basic Research Development Program (973 Program) of China; Project(2012FY112400) supported by National Science and Technology Basic Work)

通信作者：王川婴，博士生导师，研究员，从事钻孔摄像和岩体测试方面的研究；E-mail: chywang@whrsm.ac.cn