三維微觀孔隙結(jié)構(gòu)與巖石變形機(jī)制及輸運(yùn)特性

汲云濤

（中國地震局地質(zhì)研究所，北京100029）

三維微觀孔隙結(jié)構(gòu)與巖石變形機(jī)制及輸運(yùn)特性

汲云濤

（中國地震局地質(zhì)研究所，北京100029）

巖石是一種有著復(fù)雜內(nèi)部結(jié)構(gòu)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(jié)物、孔隙和微裂紋等微觀特征?？紫妒菐r石微觀結(jié)構(gòu)的重要組分之一，是巖石微觀非均勻性的重要體現(xiàn)。孔隙對巖石的力學(xué)性質(zhì)、輸運(yùn)性質(zhì)和其他巖石物理性質(zhì)有重要的影響。

因此：應(yīng)該在巖石力學(xué)和巖石物理學(xué)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(jié)構(gòu)與連通性；定量地討論孔隙結(jié)構(gòu)如何從微觀的尺度控制了巖石的宏觀力學(xué)行為，將提高對巖石物理性質(zhì)的認(rèn)識。

微CT作為一種新的三維成像技術(shù)為研究巖石孔隙結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性提供了新的視角，這對理解巖石的孔隙結(jié)構(gòu)及其對巖石的物理性質(zhì)的影響，巖石破壞的演化及其與破裂微觀力學(xué)的關(guān)系有極大的幫助。將新技術(shù)與傳統(tǒng)經(jīng)典的巖石實(shí)驗(yàn)力學(xué)方法相結(jié)合，我們開展了以下幾方面的工作：

（1）傳統(tǒng)的巖石微觀構(gòu)造的研究是基于二維薄片的，通過利用光學(xué)顯微鏡和SEM，可以對巖石樣品的二維薄片進(jìn)行不同尺度的綜合觀察；目前絕大多數(shù)微CT巖石研究的對象是兩相砂巖，對于微觀結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜的灰?guī)r，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?guī)r完整樣品和變形樣品中的孔隙結(jié)構(gòu)；并創(chuàng)新性地將三維CT圖像分為三個(gè)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(chǔ)上，給出了每一個(gè)獨(dú)立宏孔隙的三維形態(tài)，得到了球形度和等效直徑2個(gè)幾何參數(shù)的統(tǒng)計(jì)分布，并定量比較了變形對孔隙結(jié)構(gòu)的影響。

我們的研究指出了2個(gè)與灰?guī)r力學(xué)和輸運(yùn)特性有關(guān)的重要問題：與完整樣品相比，在變形樣品中，宏孔隙的數(shù)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(dǎo)致微孔隙骨架的體積減少，也導(dǎo)致微孔隙骨架厚度的減少；對于印第安納灰?guī)r，宏孔隙并不是內(nèi)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(jīng)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?guī)r完整樣品的三維微觀結(jié)構(gòu)，給出了Majella灰?guī)r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?guī)r樣品在變形前后的三維X光成像，通過三維數(shù)字圖像相關(guān)分析，首次獲得了灰?guī)r樣品的不可逆變形位移場和三維應(yīng)變張量場；進(jìn)一步，我們運(yùn)用數(shù)字圖像處理和形態(tài)學(xué)分析對樣品的三維應(yīng)變場進(jìn)行了詳細(xì)的分析，分析了不同圍壓條件下多孔灰?guī)r的破壞機(jī)制，以及Majella灰?guī)r中的脆韌性轉(zhuǎn)換的破裂形態(tài)。

我們的研究指出，對于Majella灰?guī)r樣品，在低圍壓條件下樣品很快達(dá)到了差應(yīng)力峰值，并進(jìn)入應(yīng)變軟化階段，具有典型的脆性破壞特征，高應(yīng)變區(qū)在三維空間中體現(xiàn)為較窄的應(yīng)變局部化帶；對于高圍壓樣品，在進(jìn)入非彈性變形階段后，樣品一直處于應(yīng)變硬化的狀態(tài)，高應(yīng)變區(qū)在三維空間中的分布更為分散，有典型的碎屑流特征。當(dāng)圍壓介于兩者之間時(shí)，變形曲線比較平直、斜率接近0，沒有顯著的應(yīng)變硬化或者應(yīng)變軟化的趨勢；即使在較大軸向應(yīng)變的情況下，也沒有出現(xiàn)差應(yīng)力峰值；高應(yīng)力區(qū)不是單條窄剪切帶，而是由多個(gè)不同角度的層狀結(jié)構(gòu)疊加而成剪切區(qū)域，寬度約為9 mm；即使在同一層狀結(jié)構(gòu)內(nèi)部，應(yīng)變的分布也是不均勻的；同時(shí)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(jié)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(jié)構(gòu)壓縮帶，垂直于平面方向的縮短導(dǎo)致了平面內(nèi)的碎裂壓縮，伴隨著非常少量的剪切。這種壓縮帶的首次報(bào)道見于野外研究中，后來在實(shí)驗(yàn)室得到了系統(tǒng)的研究。其變形機(jī)制尚無定論。Fortin等人發(fā)現(xiàn)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(yīng)力擾動，應(yīng)力擾動最終導(dǎo)致了壓縮帶的成核聚集。此假設(shè)有一定影響力，并已經(jīng)被用于實(shí)際研究中。

我們對Bleuswiller砂巖變形后的樣品進(jìn)行X光CT掃描，并在此基礎(chǔ)上給出了孔隙塊體的數(shù)學(xué)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(jìn)一步我們利用COV算法抽象出樣品的應(yīng)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(jìn)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(qū)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(jī)的。通過比較孔隙塊與應(yīng)變局部化帶的空間位置，我們認(rèn)為：應(yīng)變局部化帶在三維空間里的位置與孔隙塊并沒有直接關(guān)系，也就是說Fortin等人關(guān)于孔隙塊導(dǎo)致了離散壓縮帶的假設(shè)可能是不成立的。

（4）數(shù)據(jù)分類是所有巖石CT研究工作的基礎(chǔ)。為了能夠更準(zhǔn)確地對巖石樣品的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行定量分析，我們需要一種穩(wěn)定的、不依賴個(gè)人經(jīng)驗(yàn)的、能獲得全局最優(yōu)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(dāng)將其推廣至高灰度分辨率CT圖像的多層分類問題時(shí)，計(jì)算效率非常低，而且占用了過量的內(nèi)存，導(dǎo)致計(jì)算無法進(jìn)行。

為此我們提出了一個(gè)改進(jìn)的基于查找表的大津算法。在內(nèi)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(nèi)存占用。在運(yùn)算速度方面，通過逐級搜索，將低層數(shù)分類的最優(yōu)閾值的結(jié)果用作高維分類閾值的限制條件，從而實(shí)現(xiàn)了在大幅降低運(yùn)算量的同時(shí)，保證得到全局最優(yōu)的閾值。這種改進(jìn)方案可以將計(jì)算時(shí)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(jié)構(gòu)；微CT；應(yīng)變局部化；脆韌性轉(zhuǎn)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