基于鉆孔攝像技術的珊瑚礁完整性評價分析

汪進超，王川嬰，韓增強，胡勝

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

基于鉆孔攝像技術的珊瑚礁完整性評價分析

汪進超，王川嬰，韓增強，胡勝

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

在西沙琛航島地質調查中，應用數字鉆孔攝像技術，通過引入RMDI法開展對珊瑚礁完整性的分析研究，結合巖體分級標準，構建珊瑚礁完整性指數與珊瑚礁完整程度的對應關系，實現針對珊瑚礁完整性的工程評價。通過對CK1孔和CK2孔的攝像勘察和統計分析，按照基于RMDI法的珊瑚礁完整程度分級標準，對兩孔進行珊瑚礁完整性評價，與實體巖芯保持一致，并估算出兩孔之間珊瑚礁的巖體完整程度。研究結果表明：在珊瑚礁完整性評價中，按珊瑚礁完整性指數構建的分級標準是可行的；按RMDI法建立的珊瑚礁完整程度是準確的；針對珊瑚礁的鉆孔攝像勘察和統計分析具有重要意義。

鉆孔攝像；地質調查；珊瑚礁；巖體完整性

造礁石珊瑚屬能分泌碳酸鈣形成骨骼和外殼、行群體固著生活的腔腸動物的石珊瑚目 Scleractinia［1］。珊瑚礁是由造礁石珊瑚群體死后遺骸經過破壞、搬運、堆積及膠結等作用而形成的特殊巖土體［2］。珊瑚從古生代初期開始繁衍，一直延續至今。珊瑚屬種多，演化快，常成為劃分地層的依據。造礁珊瑚對環境要求嚴格，只生長于熱帶、亞熱帶淺海中，而且隨著緯度升高，其屬種減少，生長率變慢，因而又可作為判斷古氣候、古地理的重要標志。珊瑚礁與地殼運動有關。正常情況下，珊瑚礁形成于低潮線以下50 m以淺的海域，高出海面者無疑是地殼上升或海平面下降的反映；反之，50 m以深或覆蓋在平頂海山上的巨厚珊瑚礁灰巖，則標志該處地殼下沉［3］。珊瑚礁蘊藏著豐富的礦產資源。珊瑚礁及其瀉湖沉積層中，還有煤炭、鋁土礦、錳礦、磷礦。礁體粗碎屑中發現銅、鉛、鋅等多金屬層控礦床。我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，尤其在南海地區珊瑚礁分布范圍廣，且地理位置顯要。珊瑚礁是茫茫大海中的“綠洲”和極其寶貴的陸地資源，是海洋資源開發和海洋權益保護的基地。因此，對珊瑚礁的研究具有重要意義。珊瑚礁之所以是一種特殊的巖土類型，一是由于其組成物質的特殊性，二是由于其發育環境的特殊性。珊瑚礁砂礫土的礦物成分為文石和方解石，這就決定了其物理力學性質與石英砂土相比具有顯著的區別：疏松、多孔、性脆、易碎、硬度低，且具有一定的自行膠結能力。巖體的主要成分是碳酸鈣（CaCO3），它結構疏松、多孔、性脆、低硬度以及低強度。由于珊瑚礁巖土的脆性、易碎性，珊瑚礁地質調查中的鉆探會明顯地破壞巖土的膠結狀況和引起顆粒的破碎，取樣時也會引起附加的擾動，導致地質信息的獲取不夠完整和不準確，往往使傳統的測定方法失去了準確性。數字鉆孔攝像系統［4-9］集電子技術、視頻技術、數字技術和計算機應用技術于一體，擺脫了上述制約，能夠將光學探頭放入鉆孔內，對巖體進行近距離觀察，通過計算機信息的提取和存儲，形成鉆孔孔壁的數字柱狀圖像，解決了珊瑚礁鉆孔內地質信息采集的完整性和準確性問題。巖體基本質量是巖體所固有的，影響工程巖體穩定性的最基本屬性。而巖體基本質量的優劣取決于構成巖體結構特征的內在因素，而巖體完整性是起控制性作用的因素之一。鉆孔攝像系統能夠評價巖體的幾何（宏觀形態）完整性，在之前的珊瑚礁巖體完整性評價方法［10］的研究中，提出了一種針對珊瑚礁完整性評價的方法，并驗證了該方法的可行性和準確性，但是沒有具體的評價標準，因此，本文作者開展了將RMDI法［10］和實際工程進行詳細的對比分析工作，通過將西沙群島琛航島地質調查CK1孔的珊瑚礁完整性指數與其他方法獲得的地質信息進行詳細地對比分析，并結合巖體劃分標準確定RMDI值所對應的巖體完整程度。

1 鉆孔攝像技術

數字全景鉆孔攝像系統的關鍵是全景技術（截頭的錐面反射鏡）和數字技術（數字視頻和數字圖像）的突破。全景技術實現了 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；數字技術實現了視頻圖像的數字化，通過全景圖像的逆變換算法，還原真實的鉆孔孔壁，形成鉆孔孔壁的數字柱狀圖像。鉆孔攝像圖像能夠直觀地反映出鉆孔內孔壁的孔洞以及其他地質信息，通過對全孔地質信息的提取和存儲，形成完整的信息數據庫，將信息數據庫進行計算機處理，能夠統計出圖像中可視的孔洞尺寸及數量，圖1 所示為數字鉆孔攝像技術的成像原理示意圖。

圖1 數字全景鉆孔成像原理示意圖Fig.1 Sketch of imaging principle of borehole camera system

2 RMDI法概述

珊瑚礁完整性指數（簡稱RMDI），是指在給定范圍內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巖體塊度的尺寸效應影響外，還受孔洞的尺寸效應影響，珊瑚礁完整性指數反映了珊瑚礁巖體所受塊度尺寸效應和孔洞尺寸效應的綜合影響。若給定的深度范圍為［h1， h2］，則珊瑚礁完整性指數的計算式為

3 RMDI值與巖體完整度的對照關系

3.1 巖體完整性的劃分

巖體完整性是指巖體內以裂隙為主的各類地質界面的發育程度，是巖體結構的綜合反映，取決于結構面切割程度、結構體大小以及塊體間結合狀態等因素，裂隙少即巖體完整性好，裂隙多則巖體完整性差。它是巖體質量好壞最重要的標志之一，是巖體工程中采用的概述性指標。因此，如何既科學又方便地評價工程巖體的完整性對巖石工程建設意義十分重大。

在各種巖體的分類中，無論是以定性為主的分類，還是以定量判據為主的分類，都要涉及到巖體的完整性問題，巖體的完整性，是表征巖體強度，巖體變形性的重要標志之一。長期以來，國內工程地質界都以直接影響巖體完整性的節理裂隙的特性來描述巖體的工程性質，其中尤其是采用節理裂隙的間距來進行描述，表 1［11-14］列出巖體工程勘察規范、鐵路工程地質規范、工程地質調查規范、水利水電工程地質勘測規范和國際巖石力學學會推薦的巖體節理間距分級標準，表 2［15］所示為工程巖體分級標準中的巖體完整程度的定性劃分結果。

巖體完整性的規范在不同領域的劃分存在差異，特別是對珊瑚礁這種特殊的巖體進行完整性的劃分尚無先例，正確劃分珊瑚礁巖體的完整程度比較困難，鉆孔攝像系統能夠準確地獲得完整的地質信息，嘗試通過基于鉆孔攝像技術的RMDI法進行珊瑚礁的巖體完整性評價，積極探索 KRMDI與巖體完整程度的對應關系。

表1 巖體節理間距分級標準Table 1 Classification based on rock mass joint spacing m

表2 巖體完整程度的定性劃分結果Table 2 Qualitative classification of rock mass intactness

3.2 KRMDI與巖體完整程度的對應關系

在琛航島地質調查中，數字全景鉆孔攝像系統完成了琛航島所有鉆孔的勘測，勘測累計深度接近

5）構建特征矩陣T65=［I，Rx1，Rx2，…，Rx65，Ry1，Ry2，…，Ry65］，其中I為類別標識，定義為文字的類別。

2 000 m，通過對鉆孔孔壁巖體的地質信息提取和存儲，形成信息數據庫，將信息數據庫進行計算機處理，繪制出鉆孔攝像圖像，統計出鉆孔攝像圖像中可視孔洞的尺寸和數量，為了便于統計，選擇1 m作為單位深度，10 m作為統計深度，根據式（1）計算出CK1孔的部分珊瑚礁KRMDI，其中孔深91～220 m段孔徑R為114 mm，孔深220～351 m段孔徑R為92 mm，計算結果如圖2所示。圖3所示為CK1孔部分巖芯圖。

圖2 CK1部分深度對應的KRMDIFig.2 Part of KRMDI

從圖2可以看出：在孔深161～221 m段內，KRMDI均較高，且大于85%，通過查閱鉆探記錄和對照現場巖芯照片（圖3（a）～（c）），巖芯呈整體狀，且取出來的完整巖芯高度均大于1 m，通過完整巖芯的高度來判斷巖體節理或結構面的間距，認為完整巖芯的高度即為節理或者結構面的間距，參照表2， 該段珊瑚礁巖體對應定性劃分巖體完整程度中的完整類型，因此，認為該段珊瑚礁巖體的完整程度好。

在孔深101～131 m段，KRMDI較小，均小于40%，通過查閱鉆探記錄和對照現場巖芯照片（圖3（d）～（f）），發現該段取上來的巖芯大部分呈散體碎塊結構，完整巖芯的高度均不足0.2 m，膠結很差，對應定性劃分巖體完整程度中的極破碎類型，因此，認為該段珊瑚礁巖體的完整程度差。

在孔深91～111 m段，KRMDI介于55%與75%之間，通過查閱鉆探記錄和對照現場巖芯照片（圖3（g）～（i）），發現完整巖芯高度平均在0.5 m左右，巖芯呈中厚層狀，膠結程度一般，對應定性劃分巖體完整程度中的較破碎，因此，認為該段的珊瑚礁巖體完整度一般。

在之前的關于珊瑚礁巖體完整性評價方法的研究中，已經驗證了RMDI法的可行性和準確性，對于珊瑚礁這種特殊的巖體，通過以上將 KRMDI與其他資料進行的對比分析，并結合巖體節理分級標準（表1）和巖體完整程度的定性劃分（表2），構建珊瑚礁巖體完整性指數（KRMDI）與珊瑚礁巖體完整程度的對應關系（表3）。

表3 KRMDI與珊瑚礁巖體完整程度對應關系Table 3 Correlation between KRMDIand coral reef rock mass intactness

3.3 CK1孔和CK2孔的對比評價

圖3 CK1孔部分巖芯圖Fig.3 Picture of rock cores

表4 CK1孔深與珊瑚礁完整程度對應關系Table 4 Correlation between dept and rock mass intactness

從表4可以看出：將采用RMDI法進行珊瑚礁巖體完整性評價的結果與實體巖芯進行對比，RMDI法的評價結果基本與實體巖芯保持一致，可見按RMDI法構建的分級標準具有可行性和準確性。

CK2孔與CK1孔的水平間距為10 m，CK2位于CK1的東南方向，且更靠近外海岸，根據式（1）計算出與CK1孔對應深度91～351 m的KRMDI，其中鉆孔孔徑R為114 mm，其KRMDI如圖4所示。

圖4 CK2部分深度對應的RMDI值Fig.4 Part of RMDI values

根據 KRMDI與珊瑚礁完整性程度對應關系，對CK2孔進行完整性評價，然后與CK1孔同等深度進行對比，結果如圖5所示。

圖5 CK1孔與CK2孔之間的巖體完整性程度劃分Fig.5 Evaluation results between CK1 and CK2

通過對CK1孔和CK2孔的評價，可以推斷出兩孔之間珊瑚礁巖體的完整程度，如圖5所示。從圖5可以看出：珊瑚礁地層較復雜，且在一定范圍外，部分深度珊瑚礁巖體的完整程度存在明顯差異，通過對珊瑚礁完整程度的評價，可以為珊瑚礁發育地層結構的建立提供重要依據，也對劃分地層、判斷古氣候、古地理具有重要的意義。

4 結論

1） 在珊瑚礁完整性評價中，按RMDI值構建的分級標準是可行的。

2） 按RMDI法建立的珊瑚礁完整程度是準確的。

3） 針對珊瑚礁的鉆孔攝像勘察和統計分析具有重要意義。

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（編輯 陳愛華）

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）

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.

borehole camera； geological survey； coral reefs； rock mass integrity

TU45

A

1672-7207（2016）05-1619-06

10.11817/j.issn.1672-7207.2016.05.023

2015-07-30；

2015-10-08

國家重點基礎研究發展計劃（973計劃）項目（2013CB956104）；國家科技基礎工作專項（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）

王川嬰，博士生導師，研究員，從事鉆孔攝像和巖體測試方面的研究；E-mail： chywang@whrsm.ac.cn