三維微觀孔隙結構與巖石變形機制及輸運特性

汲云濤

（中國地震局地質研究所，北京100029）

三維微觀孔隙結構與巖石變形機制及輸運特性

汲云濤

（中國地震局地質研究所，北京100029）

巖石是一種有著復雜內部結構的非均勻材料。在較小的尺度上，巖石含有各種不同的礦物顆粒、膠結物、孔隙和微裂紋等微觀特征。孔隙是巖石微觀結構的重要組分之一，是巖石微觀非均勻性的重要體現。孔隙對巖石的力學性質、輸運性質和其他巖石物理性質有重要的影響。

因此：應該在巖石力學和巖石物理學中描述孔隙的幾何特性，如孔隙大小、形狀、彎曲度以及孔隙空間結構與連通性；定量地討論孔隙結構如何從微觀的尺度控制了巖石的宏觀力學行為，將提高對巖石物理性質的認識。

微CT作為一種新的三維成像技術為研究巖石孔隙結構的復雜性提供了新的視角，這對理解巖石的孔隙結構及其對巖石的物理性質的影響，巖石破壞的演化及其與破裂微觀力學的關系有極大的幫助。將新技術與傳統經典的巖石實驗力學方法相結合，我們開展了以下幾方面的工作：

（1）傳統的巖石微觀構造的研究是基于二維薄片的，通過利用光學顯微鏡和SEM，可以對巖石樣品的二維薄片進行不同尺度的綜合觀察；目前絕大多數微CT巖石研究的對象是兩相砂巖，對于微觀結構更為復雜的灰巖，尚沒有開展任何工作。我們首次利用三維微CT成像研究了印第安納灰巖完整樣品和變形樣品中的孔隙結構；并創新性地將三維CT圖像分為三個組分：固體顆粒、宏孔隙和以微孔隙為主要成分的中間域。在此基礎上，給出了每一個獨立宏孔隙的三維形態，得到了球形度和等效直徑2個幾何參數的統計分布，并定量比較了變形對孔隙結構的影響。

我們的研究指出了2個與灰巖力學和輸運特性有關的重要問題：與完整樣品相比，在變形樣品中，宏孔隙的數目顯著減少；中間域（微孔隙）保持了整體骨架的連通性，非彈性壓縮不僅導致微孔隙骨架的體積減少，也導致微孔隙骨架厚度的減少；對于印第安納灰巖，宏孔隙并不是內部連通的，僅僅依靠宏孔隙并不能組成流體通道。因此，為了穿過樣品，流體必須流經部分滲透率較低的微孔隙。

（2）我們用類似的方法分析了Majella灰巖完整樣品的三維微觀結構，給出了Majella灰巖宏孔隙與微孔隙的定量描述。然后，我們獲得了不同圍壓條件下的Majella灰巖樣品在變形前后的三維X光成像，通過三維數字圖像相關分析，首次獲得了灰巖樣品的不可逆變形位移場和三維應變張量場；進一步，我們運用數字圖像處理和形態學分析對樣品的三維應變場進行了詳細的分析，分析了不同圍壓條件下多孔灰巖的破壞機制，以及Majella灰巖中的脆韌性轉換的破裂形態。

我們的研究指出，對于Majella灰巖樣品，在低圍壓條件下樣品很快達到了差應力峰值，并進入應變軟化階段，具有典型的脆性破壞特征，高應變區在三維空間中體現為較窄的應變局部化帶；對于高圍壓樣品，在進入非彈性變形階段后，樣品一直處于應變硬化的狀態，高應變區在三維空間中的分布更為分散，有典型的碎屑流特征。當圍壓介于兩者之間時，變形曲線比較平直、斜率接近0，沒有顯著的應變硬化或者應變軟化的趨勢；即使在較大軸向應變的情況下，也沒有出現差應力峰值；高應力區不是單條窄剪切帶，而是由多個不同角度的層狀結構疊加而成剪切區域，寬度約為9 mm；即使在同一層狀結構內部，應變的分布也是不均勻的；同時具備分散式和局部化的特征，其破壞過程是脆性破裂和碎屑流共同作用的結果。

（3）局部化離散壓縮帶是一種介于脆性和韌性之間的特殊破壞模式。這是一種平面結構壓縮帶，垂直于平面方向的縮短導致了平面內的碎裂壓縮，伴隨著非常少量的剪切。這種壓縮帶的首次報道見于野外研究中，后來在實驗室得到了系統的研究。其變形機制尚無定論。Fortin等人發現在Bleuswiller砂巖中有局部的孔隙塊存在。并推測，這些孔隙塊體的塌縮造成了某種程度上的應力擾動，應力擾動最終導致了壓縮帶的成核聚集。此假設有一定影響力，并已經被用于實際研究中。

我們對Bleuswiller砂巖變形后的樣品進行X光CT掃描，并在此基礎上給出了孔隙塊體的數學定義，從而能夠分析孔隙塊體的特征及其在三維空間里的幾何分布；進一步我們利用COV算法抽象出樣品的應變局部化帶在三維空間里的分布；最后我們將這兩者在空間里的位置進行比較，并直觀地觀察到：孔隙塊是一系列尺度在毫米量級、局部孔隙度相對較低的空間區域；其形狀近似為橢球形（長軸約為3～5 mm），在三維空間中的位置是相對隨機的。通過比較孔隙塊與應變局部化帶的空間位置，我們認為：應變局部化帶在三維空間里的位置與孔隙塊并沒有直接關系，也就是說Fortin等人關于孔隙塊導致了離散壓縮帶的假設可能是不成立的。

（4）數據分類是所有巖石CT研究工作的基礎。為了能夠更準確地對巖石樣品的微觀結構進行定量分析，我們需要一種穩定的、不依賴個人經驗的、能獲得全局最優解的多層分類算法。雖然大津算法可以基本滿足要求，但是當將其推廣至高灰度分辨率CT圖像的多層分類問題時，計算效率非常低，而且占用了過量的內存，導致計算無法進行。

為此我們提出了一個改進的基于查找表的大津算法。在內存控制方面，通過對灰度分布的裁剪，和分步輸出H查找表，有效地控制了內存占用。在運算速度方面，通過逐級搜索，將低層數分類的最優閾值的結果用作高維分類閾值的限制條件，從而實現了在大幅降低運算量的同時，保證得到全局最優的閾值。這種改進方案可以將計算時間減少為之前的約1／50。之后利用遞歸的思想，我們的算法可以很自然地升級到多層分類。

多孔巖石；孔隙結構；微CT；應變局部化；脆韌性轉換；破壞模式；離散壓縮帶

（作者電子信箱，汲云濤：yuntaoji＠163．com）

P313；

A；

10．3969／j．issn．0235-4975．2014．09．013