基于CT扫描试验的珊瑚骨架灰岩孔隙结构特征研究*

张 标 雷学文 魏厚振 孟庆山 李肖肖 王新志

(①武汉科技大学城市建设学院， 武汉 430065， 中国) (②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， 武汉 430071， 中国)

0 引 言

珊瑚礁灰岩是一种广泛分布在我国的岩土体，是造礁石珊瑚大范围死亡后其残骸在长期地质演化作用下形成的岩体。珊瑚死后仍留在海底原地，丛生的珊瑚群体死后其遗骸构成的岩体，堆积在死前原生长地称为原生礁； 珊瑚被波浪破坏后其残肢和各种附礁生物贝类及藻类的遗骸堆积胶结在一起构成次生礁。原生礁和次生礁构成了水中珊瑚礁灰岩地质体(王新志等， 2008； 刘志伟等， 2012； 余克服， 2012； 赵焕庭等， 2016； 刘海峰等， 2018)。为研究礁体的稳定性，需了解作为珊瑚礁主体的礁灰岩的物理力学性质，其中孔隙便是至关重要的一项参数。肖向阳等(2018)研究表明，马尔代夫珊瑚礁灰岩因其成岩作用弱、胶结物质特殊及主要成分为生物骨架三因素叠加而具有较高的孔隙率。甘小泉等(2020)研究表明，珊瑚礁灰岩孔隙率大，可达13.95%～33.85%，单轴抗压强度为5.2～11.5MPa。田雨杭等(2020)研究表明，珊瑚礁灰岩弹性波速主要受孔隙度和孔隙结构类型的影响。段志刚等(2020)研究表明，礁灰岩结构中的溶洞和软弱面的强度具有随机性。

根据岩石结构构造的差异性，可以将珊瑚礁灰岩主要划分为4种类型：珊瑚骨架灰岩、珊瑚砾块灰岩、珊瑚砾屑灰岩和珊瑚砂屑灰岩(郑坤， 2019)。珊瑚骨架灰岩属于海相生物成因的碳酸盐岩，胶结类型主要为孔隙式胶结和接触式胶结，化学成分基本为碳酸钙。为了了解珊瑚骨架灰岩的内部结构，对其内部孔隙进行精细化定性定量分析，需要深入探究其微观孔隙的结构特点。目前常见的岩土体微观结构探测方法有CT扫描试验、SEM扫描电镜、MIP压汞、铸体薄片和声发射等(谭峰屹， 2007； 龚囱等， 2014； 韩伟歌等， 2017； Wang et al.， 2018a， 2018b； 赵日新等， 2019； 郑坤， 2019； 陈玉华等， 2020； 黄贤胜等， 2020)。其中CT扫描试验作为一种典型代表，能够在不损伤岩样的前提下对被测对象的微观结构进行探测，获得岩石内部微观结构的高分辨率图像，广泛应用于岩样的孔隙分布研究，为岩石微观结构的可视化、精细化表征提供了强大的技术支持(赵建鹏等， 2020)。近年来，一些学者尝试利用CT扫描试验结果来研究各种岩样的内部结构特征。向杰(2020)通过CT扫描试验研究表明，砒砂岩试样的孔隙率可以达到9.451%，连通孔隙占总孔隙的比例超过了60%； 大孔隙的数量虽只占1.5%，但其孔隙体积占比超过了52%。金智敏等(2020)运用Avizo三维可视化软件对某煤岩岩样的孔隙结构进行了研究，计算出岩样三维重构模型中的孔隙个数与体积，得出岩样的孔隙率为6.633%。Christe et al. (2010)通过CT扫描试验评价了某高构造化碳酸盐岩样内部孔洞与蚀变程度。叶万军等(2017)对同一黄土样进行CT扫描，研究表明初始土样具有不均匀性的微小孔隙与裂纹，即为土样的初始损伤。高红灵等(2019)基于CT扫描开发了一套对黄土大孔隙进行矢量化表征的软件，并对内部孔隙的填充球链数与孔径分布等进行了分析。郑博宁等(2019)通过CT扫描对砾石与土体的边界进行识别与三维重构，得到每个砾石的三维模型。总的来看，目前的相关研究工作还并未涉及对珊瑚骨架灰岩孔隙结构的定量化分析与孔隙结构特征的微细观描述，因此，珊瑚骨架灰岩孔隙结构的精细化定性定量研究存在较大的探索空间。

本文通过对某岛礁珊瑚骨架灰岩进行加工制样，采用CT扫描技术对试样内部微观结构进行扫描，并用图像处理技术构建了试样的三维孔隙模型。在此基础上，对提取的孔隙采用数字岩芯分析技术，从整体孔隙率、逐层面孔隙率、孔隙等效直径筛分与孔隙连通性等4个方面对珊瑚骨架灰岩代表岩样的孔隙微细观结构特征进行了深入探讨。

1 测试原理与方法

1.1 试样准备

珊瑚骨架灰岩岩样取自某珊瑚礁体，根据《工程岩体试验方法标准》(GB/T50266-2013)相关规定，为满足扫描测试的基本要求，将岩样制备成直径为50mm、高为100mm的标准圆柱体岩样进行全方位的CT扫描试验。典型试样如图 1所示，为了方便分析与整理，将6块岩样分别编号为A-F，其两端面不平整度误差均不大于0.05mm，沿岩样高度，直径误差不大于0.3mm，端面垂直于岩样轴线，最大偏差不大于0.25°，岩样精度满足规范要求。

图 1 珊瑚骨架灰岩代表试样Fig. 1 Typical sample of coral skeleton limestone

1.2 CT测试原理

CT扫描划分不同材料的理论基础是材料的密度越小，扫描得到的二维图像灰度值越大。珊瑚骨架灰岩是一种由高密度岩石骨架和低密度孔隙组成的二元材料。在此基础上，可将样品划分为岩石骨架模型和孔隙模型。CT扫描技术是目前应用最广泛的三维无损成像技术，这项技术的成像原理是计算试样中每个微元的射线吸收系数(受密度这一参数的影响较大)，而后根据这一系数来区分不同组分。CT前端试验系统主要包括射线源、探测器与机械系统等，如图 2所示。

图 2 CT试验系统组成Fig. 2 CT test system composition

1.3 CT测试方法

试验采用的是nanoVoxel-3000系列X射线高精度三维显微镜，最高扫描精度为0.5μm，扫描后可得到珊瑚骨架灰岩代表岩样的三维立体图像。

根据试验需求，样品扫描高度为100mm，底座速度为1 (°)·min-1，每个样品共得到3000余张切片，切片图如图 3所示。扫描时将珊瑚骨架灰岩试样静置在旋转底座上，采用螺旋上升的方法慢速旋转提升，然后开启X射线源开关，使得X射线穿透珊瑚骨架灰岩岩样得到扫描图像。对岩样进行CT扫描后，得到样品内部三维结构数据体，并采用岩芯CT图像滤波技术消除扫描过程中产生的噪声，选择中值滤波的方法对CT图像进行去噪处理。

图 3 岩样切片展示Fig. 3 Sample slice presentation

为了更清晰便捷地观察岩样孔隙的分布情况，通常采用阈值分割法来进行岩样微观结构的定量表征。阈值分割法是数字岩芯图像处理中常用的方法之一，该方法利用图像的灰度差异，用某一固定阈值将CT图像的灰度直方图分割成两部分，并分别进行表达。

利用三维立体图像处理软件可对得到的三维结构数据体进行区域提取，并在XY、YZ、XZ3个方向进行切片处理，如图 4所示，可以清晰地看出样品内部结构，根据不同组分的密度差异，在三维显微成像时呈现出不同的亮度，亮度越高代表密度越大。

图 4 XY方向切片图Fig. 4 XY slice diagram

对目标区域进行标记放大，如图 5所示，其中较亮部分为基质，黑色部分为孔隙，灰色物质密度略低于基质。

图 5 XY方向放大图Fig. 5 XY enlarged diagram

2 试验结果分析

2.1 整体孔隙率分析

运用Avizo三维可视化软件对岩样三维结构数据体进行阈值选取与处理，利用图像显示软件生成珊瑚骨架灰岩岩样整体孔隙的三维立体结构。为方便观察，选取三维珊瑚骨架灰岩岩样模型的不同角度进行展示，如图 6所示，其中蓝色(见电子版文章)表示岩样整体孔隙。

图 6 岩样整体孔隙三维模型Fig. 6 3D model of integral porosity of sample

在原始图像中对不同灰度值所对应的材料进行阈值选取与划分。通过对孔隙三维模型信息进行分析计算，获取孔隙与岩石骨架的体积分别为Vp和Vr，利用式(1)和式(2)来计算整体孔隙与岩石骨架占总体积的比例：

(1)

(2)

式中：ωp为整体孔隙体积占比，即整体孔隙率；ωr为岩体骨架体积占比。

经计算，珊瑚骨架灰岩岩样A-F的整体孔隙率ωp分别为3.22%、2.33%、3.16%、5.71%、1.98%和3.40%。其中岩样D的整体孔隙率最大，达到5.71%，岩样E的整体孔隙率最小，仅为1.98%， 6块岩样整体孔隙率均值仅为3.30%。

将整体孔隙率进行对比分析如表 1所示，可以看出，本次试验的珊瑚骨架灰岩与马尔代夫部分礁灰岩(肖向阳等， 2018)相比，孔隙发育程度较小，孔隙对于强度和工程渗透特性有着极其重要的影响。

表 1 整体孔隙率对比分析Table 1 Comparative analysis of overall porosity

2.2 非均质程度与逐层面孔隙率分析

运用Avizo三维可视化软件对珊瑚骨架灰岩逐层面孔隙进行处理与阈值提取如图 7所示，其中蓝色(见电子版文章)表示岩样逐层孔隙。提取孔隙并进行阈值分割的目的在于选取进行分析的孔隙部分，将孔隙部分与基质部分分割开来，之后便可进行后续的处理。

图 7 阈值分割提取孔隙Fig. 7 Threshold segmentation to extract pores

图像二值化分割后可将岩样三维数据体划分为岩体骨架和孔隙两部分。面孔隙率的分布在一定程度上能够反映出孔隙的宏观情况，其中横坐标0的位置为岩样下侧，如图 8所示。由图 8可以看出，岩样在轴向上面孔隙率分布离散性较大，在相邻较近界面频繁出现最大最小值，这种情况在流体流动中极易产生降压过大的现象。

图 8 切片孔隙率随切片位置的变化关系Fig. 8 The relationship of slice porosity and slice location

将岩样A-F的最大孔隙剖切面、最大面孔隙率、最小孔隙剖切面和最小面孔隙率进行提取，结果如表 2所示。通过对6块珊瑚骨架灰岩岩样18000余张连续二维切片的孔隙率沿Z轴的变化规律观察可以看出， 6块岩样逐层面孔隙率均有较大程度的波动，体现了岩样的非均质性(图 8)。

表 2 孔隙剖切面位置与面孔隙率Table 2 Position and porosity of pore section surface

为反映切片孔隙率的离散程度，分别计算了6块岩样的切片孔隙率标准差、方差、众数与中位数，如表 3所示。参考某些陆源砂岩(赵建鹏等， 2020)的切片孔隙率分析，细砂岩的切片孔隙率主要的分布范围为5%～18%，比珊瑚骨架灰岩的孔隙率大，但其切片孔隙率标准差仅为0.015左右。可以看出，珊瑚骨架灰岩的切片孔隙率存在较大波动，通过对比进一步体现了珊瑚骨架灰岩较强的非均质性。

表 3 切片孔隙率离散程度分析Table 3 Analysis of slices porosity dispersion degree

2.3 等效直径筛分分析

等效直径是指与不规则外形物体其体积相同的球体的直径，通常用球形颗粒的直径去代表该实际颗粒的直径。由于岩土体的分布与孔隙形状复杂，在分析其尺寸特征时，通常按等效法将孔隙归一化为三维球体，从而获得等效球体直径，即等效直径d。按照d值大小将所有孔隙由大到小分为6组，即：d>5000μm、1000μm

图 9 孔隙标记与筛分Fig. 9 Pore marking and screening

通过计算不同等效直径出现的概率得出6块珊瑚骨架灰岩岩样孔隙直径分布规律的柱状图如图 10所示，其中蓝色部分表示相应孔隙数量的分布概率，红色部分表示相应孔隙体积的分布概率。由图 10可知岩样的孔隙直径主要分布在35～50μm之间，孔隙数量占比分别为51.96%、12.74%、44.92%、37.67%、43.40%和53.19%，但其孔隙体积占比却很小。可以观察到，除岩样B以外，其余5个岩样中较大孔隙数量分布概率很小，但其孔隙体积的分布概率很大，这说明珊瑚骨架灰岩中存在极个别超大孔隙，这是决定孔隙整体发育程度的关键因素。

图 10 孔隙直径分布规律Fig. 10 Pore diameter distribution law

2.4 孔喉结构与孔隙连通性分析

对二值化分割后的三维数字岩芯图像采用最大球算法提取规则化的孔隙和喉道模型来表征孔隙空间，“最大球”算法是在孔隙数据体中任选一点并以其为球心向四周延伸，直到碰到最近的骨架结构，形成的区域中所有像素的集合称为最大球。

经过最大球算法处理后的数字岩芯孔隙空间被分成了孔隙部分和喉道部分，对提取的三维孔隙网络模型，统计孔隙网络尺寸分布，分析孔隙网络连通特性。利用数字岩芯分析技术对总孔隙进行计算，通过对喉道半径、孔隙半径、孔喉比、配位数、喉道长度统计分析，可实现岩石微观孔隙结构的定量表征。

由岩样孔喉结构分布参数的计算结果表 4可知，相比于其他5块岩样，岩样E的孔隙半径偏小，主要分布在50～100μm，其平均值为128.66μm。同样，岩样喉道半径分布也存在差异，较其他5块岩样，岩样E的喉道半径偏小，喉道半径主要分布在0～50μm，其平均值为54.39μm。由岩样的主要配位数区间和平均配位数可以看出，配位数主要分布区间为0～2，说明珊瑚骨架灰岩的孔隙连通性较差，主要以独立孔隙和单连通孔隙为主。

表 4 孔喉结构分布参数表Table 4 Parameters of pore throat structure distribution

通过对6块岩样进行孔隙连通性模型分析发现，孔隙在x/y/z方向均无连通性，不存在3个方向贯穿的孔隙，不存在潜在的流体运移通道，其对于珊瑚骨架灰岩工程渗透性评价与研究具有重要意义。

3 结 论

针对珊瑚骨架灰岩孔隙结构特征，利用CT扫描试验以及数字岩芯技术对某岛礁珊瑚骨架灰岩试样开展研究，建立了三维重构模型，并对孔隙结构进行了定性与定量分析，所得的主要结论如下：

(1)珊瑚骨架灰岩岩样A-F的整体孔隙率分别为3.22%、2.33%、3.16%、5.71%、1.98%和3.40%，均值仅为3.30%，孔隙发展程度较小。

(2)通过珊瑚骨架灰岩岩样连续二维切片的孔隙率沿Z轴的变化规律以及切片孔隙率离散程度分析可以看出，珊瑚骨架灰岩逐层面孔隙率均有较大程度波动，表明了岩样较强的非均质性。

(3)通过珊瑚骨架灰岩孔隙直径分布规律柱状图可以看出，岩样的孔隙直径主要分布在35～50μm之间，其孔隙体积占比却很小，但岩样中存在极个别超大孔隙，这是决定孔隙整体发育程度的关键因素。

(4)由岩样孔喉结构分布参数的计算结果可知，岩样E的孔隙半径与喉道半径均小于其他岩样。配位数主要分布区间为0～2，说明珊瑚骨架灰岩的孔隙连通性较差，主要以独立孔隙和单连通孔隙为主。孔隙在x/y/z方向均无连通性，不存在潜在的流体运移通道，这对于珊瑚骨架灰岩工程渗透性评价与研究具有重要意义。