岩心扫描技术方法发展现状与国家实物地质资料馆.doc

1、 1 内部参考 实物地质资料管理 动态与研究 2014 年第 9 期（总第 63 期） 国土资源实物地质资料中心主办 2014 年 12 月 20 日 编者按：本期实物地质资料管理动态与研究刊发的第一篇文章 “ 岩心扫描信息采集技术方法与应用分析” ，作者总结了已经成熟的岩心扫描技术方法，论述了各种技术方法的应用 原理 、适用范围 以及 对岩心的要求、扫描速度、扫描精度等，为实物地质资料馆藏机构购置岩心扫描设备，开展岩心扫描工作提供参考。刊发的第二篇文章“ 关于构建国家实物地质资料馆古生物馆藏体系的几点思考”，作者介绍 了 我国 古生物化石 资源及 保管现状，论述 了 古生物 化石 保管的可行

2、性及必要性 ； 从国家级实物地质资料馆藏机构的角度， 提出了 馆藏古生物 化石标本的 筛选原则、采集方案和古生物信息平台建设的初步设想 。另外刊发了几则实物地质资料管理工作动态。 2 岩心扫描 信息采集技术方法与应用分析 高鹏鑫 张慧军 邓晃 （国土资源实物地质资料中心） 内容摘要： 岩心扫描 信息采集 技术发展日新月异，从最初的表面图像扫描，发展到 多 种物理、化学数据的定量、半定量扫描。 实物地质资料馆藏机构 保管的岩心种类丰富，如固体矿产勘查岩心、科学钻探岩心、 工程地质勘 查 岩 心、 环境调查岩心、油气资源调查岩心等等 ， 不同种类的岩心，适用于不同的扫描技术方法。本文汇总目前已经应

3、用成熟的岩心扫描技术方法，总结每一种技术方法的应用原理、适用范围、对岩心的要求、扫描速度及扫描精度等，对不同种类岩心适用的扫描方法提出建议，为实物地质资料馆购置岩心扫描设备，开展岩心扫描提供参考。 关键词： 岩心扫描 ；信息采集；技术；应用 一、 前言 实物地质资料馆藏 机构是专门负责实物地质资料接收、保管与服务利用的公益性机构。我国实物地质资料 实 行三级保管，国家级实物地质资料馆藏机构、各省级实物地质资料馆藏机 构和地勘单位、工矿企业等基层实物地质资料保管单位，保管着海量的岩心，涵盖了矿产勘查、科学研究、海洋调查、工程地质勘查、水位地质调查、环境调查等各类岩心。对于国家和省级实物地质资料馆

4、藏机构而言，入库保管的岩心是 经过精心筛选的， 具有代表性、典型性和特殊性，这些岩心数量少、代表性强、利用价值大， 具有不可替代性 ，应尽可能的永久保管 。 馆藏 珍贵岩心的 永久保管与 取样测试服务 是 矛盾 的 ， 因为传统的取样测试需要破坏 岩心 ,而岩心 扫描 技术 最大的优点是不必取样、不破坏岩心，又能最大限度地挖掘、提取岩心中蕴含的各种信息，是同时实现岩 心长期保管和服务 利用 的最佳手段。此外，岩心扫描后，其内部蕴含的信息从岩石载体转变为电子载体，3 解决了岩心体积大、质量大、存储成本高、不便于移动等难题，获取的电子数据可以轻而易举地上网服务，能够极大地提高服务效率。 岩心扫描技

5、术方法的发展日新月异，目前能够通过岩心扫描技术获取的岩心数据种类多达 10 余种 ； 但是并不是所有种类的岩心都适用于各种扫描技术方法，对于实物地质资料馆藏机构而言，应综合考虑扫描目的 以及 不同扫描技术方法对岩心性状 的要求 和 工作成本等 多种因素，为不同种类的岩心，选择合适的扫描技术方法，达到既能降低工 作量与工作成本，又能提高工作成效的目的。本文汇总目前已经应用成熟的岩心扫描技术方法，总结每一种技术方法的应用原理、适用范围、对岩心的要求、扫描速度及扫描精度等，对不同种类岩心适用的扫描方法提出建议，为实物地质资料馆购置岩心扫描设备，开展岩心扫描提供参考。 二、 岩心扫描 信息采集 技术方

6、法 的特点 岩心扫描 是指将地质工作中形成的岩矿心，通过仪器扫描、数码照相等方法，转化成计算机可存储、处理的文字、图像、数据等信息，对信息进行处理，以数据库的形式进行存储，利用输出设备和系统进行信息展示的过程。岩心扫描技术不需要对岩心 进行取样，可 连续、批量地提取、分析岩心 表面及 内部蕴含的物化信息，且不对岩心造成破坏，与传统的实验室测试分析相比，岩心扫描具有以下特点： 1.岩心扫描借助各种声、光、电 、射线等 信号，不必取样、不破坏岩心，可以反复重复测试，是一种无损的测试分析手段。 2.岩心扫描测试的数据往往是批量的、连续的，获取数据的种类丰富，数据量大。 3.测试的速度快，在扫描的过程

7、中即可获得数据。 4.大多数 岩心扫描 技术 获得的数据是基于对 岩心表面 测试点范围内的分析测试，测试的范围小，因此 容易受局部特征影响， 其测试精度一般不如实验室测试的 精度高。 三 、岩心扫描 信息采集 技术方法的种类 4 目前应用成熟的岩心扫描 信息采集 技术方法种类很多，大体可分为三类：一是获取实物表面图像信息；二是获取实物 表面 的各类化学参数信息，三是获取实物内部的物理参数信息，详细情况见表 1。 表 1. 岩心扫描技术方法汇总表 序号 扫描数据种类 扫描技术种类 1 表面图像扫描 白光扫描、荧光扫描。 2 化学参数扫描 光谱矿物组成扫描、 XRF 元素浓度扫描等。 3 物理参数

8、扫描 CT 三维结构构造扫描、 P 波速度扫描、伽马密度扫描、磁化率扫描、电阻率扫描等。 四 、岩心扫描 信息采集 的原理及用途 1.表面图像 采集 表面图像 采集 的技术方法包括白光扫描（或自然光扫描）和荧光扫描两种，扫描的目的是获取岩心的表面的自然光图像或荧光图像。扫描的方式为滚动扫描和平动扫描两种，滚动扫描 是 对岩心 360旋转扫描，岩心必须为圆柱状，扫描速度慢，主要针对关键层位；平动扫描为垂直岩心，顺岩心走向扫描，对岩心性状无要求，扫描速度快，适用于全孔扫描。 （ 1）白光扫描 原理 ：岩心外表面的光信号经传感器转换为电信号，用集成芯片进行采样和各种处理后传送给计算机，完成岩心表面图

9、像的采集，采用白平衡技术 、分色校正技术、高分辨率图像拼接融合等方法，保证岩心图像的高质量（刘凤民等2， 2010）。 用途： 岩心表面图像是岩心能够展示的最直接、最基础的信息，最早应用于石油勘查，目前该项技术已经广泛应用于固体矿产勘查、科学研究等领域。很多岩心在长期保管后，由于风化 作用 ，其表面颜色及含油特征等都发生了很大变化，很难反映原始的岩矿实际，给观察利用带来很大困难，因此在岩心取心初期即对岩心进行扫描，可保留其最原始的表面图像信息（刘凤民等， 2010）。 在固体矿产勘查领域 ，岩心扫描图像可以用于对比观察，通过综合观察 岩心扫描图像、岩性描述及其他测试分析数据等，可以对岩心有初步

10、的认识，甚至可以对一些矿5 物进行初步的鉴定（图 1） ；在油气勘查领域，利用表面图像 中颜色的差异， 可以对 岩心的粒度、孔隙度、裂隙度等进行半定量的计算。 图 1.岩心扫描图像对比观察图 （ 2）荧光扫描 原理： 荧光扫描通过特殊的紫外光源照射岩心，有机质在紫外光的激发下能发出荧光，通过荧光信号采集、处理，含油岩心以其所含烃类物质的荧光特性显示出明显的可识别性（图 2），在图像中对其面积进行定量计算，得到含油指数等综合数据（陆春峰等 3， 2011） 。 用途： 应用图像处理及模式识别理论和数学地质方法，进行层理分析、荧光评级、裂缝分析、孔洞分析和砂砾岩砾石定量分析计算，并自动生成图文报表

11、，为研究部门迅速准确地提供各种相应的研究数据，为油气田的储层精细评价、油藏精细描述及成像测井定量分析等相关技术的发展起到很大的推动作用（刘凤民等 2， 2010）。 因此可以通过荧光扫描确定油气勘查岩心或岩屑的含油性质、含油级别及含油饱满程度等。 6 图 2.荧光扫描效果图 2.化学参数信息 采集 岩心的化学参数主要是矿物构成和元素浓度。在矿物 构成 扫描方面，主要应用颜色光谱技 术，该技术起源于遥感领域应用的“地物光谱”；在元素浓度扫描方面， X 射线荧光 光谱 （简称 XRF） 分析 技术是一种新的分析技术，但经过多年的探索以后，现在已经完全应用成熟， 广泛应用于冶金、地质、有色、建材、商

12、检、环保、卫生等各个领域。 （ 1）高光谱矿物扫描分析 原理： 基于反射光谱分析技术，利用光谱仪采集和测量岩心在 400-2500nm波长范围内的反射波谱，依据其光谱诊断性特征来计算和识别不同的矿物，最终形成矿物学信息。 测试矿物种类： 目前市场应用成熟的技术为中低温蚀变矿物（一般为含水硅酸盐矿物）的识别。如在可见 光近红外区域（ 400-1000nm）可识别矿物：铁氧化物矿物、含铁矿物、稀土矿物等；在短波红外区域（ 1000-2500nm）可识别矿物： 烃类物质、含羟基类矿物、磷酸盐类矿物、硫酸盐类矿物、碳酸盐类矿物 等，具体见表 2。 此外据调研，高温蚀变矿物（无水硅酸盐矿物，如石英，长石

13、，辉石，石榴子石，橄榄石等）的光谱扫描技术在实验室也已经成熟，但尚未做市场应用。 7 表 2.高光谱技术识别矿物种类一览表 序号 可识别矿物种类 矿物 1 Al-OH 钠云母、白云母、伊利石、叶蜡石、蒙脱石、高岭石等。 2 Fe-OH 绿脱 石、铁蒙脱石等。 3 Mg-OH 绿泥石、滑石、绿帘石、金云母、叶蛇纹石、透闪石、角闪石等。 4 Si-OH 乳白石英石、异极矿等。 5 碳酸盐类 方解石、白云石、铁白云石、菱镁矿、菱铁矿等。 6 硫酸盐类 明矾石、黄钾铁钒、石膏。 用途： 在固体矿产勘查领域，矿体往往与蚀变作用在空间上具有某种特定的关系，如斑岩型铜、钼矿的矿体往往与钾化带（特征矿物为钾长

14、石、黑云母、石英）和石英 -绢云母化带（特征矿物为石英、绢云母、黄铁矿）关系紧密，可作为寻找斑岩型铜矿标志；而 钨、锡、钼、铋 等高温矿物，也常与云 英岩化（特征矿物为 石英和白云母 ）等高温蚀变作用关系紧密。蚀变作用的发育范围大于矿体的范围或与矿体有固定的上下关系，因此通过对矿山岩心进行高光谱扫描，掌握重要蚀变作用的发育特征，从而可以在空间上预测矿体的产出位置。 此外，高岭石、蒙脱石等含水硅酸盐矿物一般为采矿过程中的有害矿物，利用高光谱扫描技术对这类矿物的识别度很好，通过对地质勘探钻孔进行高光谱扫描，对高岭石、蒙脱石等矿物进行三维建模（图 3），能够很好地指导采矿工作，降低采矿成本。 8 图

15、 3.矿山光谱扫描三维模式图 （ 2） XRF 岩心扫描 原理： X 射线荧光 光谱（ XRF）分析技术根据分辨 X 射线的方式，分为波长色散 X 射线荧光光谱仪（ WDXRF）和能量色散 X 射线荧光光谱仪（ EDXRF）。 X射线是一种波长较短的电磁辐射，通常是指能量范围在 0.1 100KeV 的光子。当用高能电子照射试样时，入射电子被试样中的电子减速，会产生波长连续 X 射线谱。如果入射光束为 X 射线，试样中的元素内层电子受其激发，可产生特征 X射线，称为二次 X 射线，或称为 X 射线荧光。通过分析试样中不同元素产生的荧光 X 射线波长（或能量）和强度，可以获得试样中的元素组成与含

16、量信息，达到定性和定量分析的目的 （ 尹明 等 7， 2011） 。 测试元素种类： 利用 XRF 分析 技术可以同时测量样品中从铝 AI（或 Mg）到铀 U 的绝大部分元素的浓度分布图，从微量到高浓度均能 反映出来 。 用途： 提供岩心样本的化学数据，一般用于陆地、海洋、湖泊、河口、冰河的沉积岩心分析，研究沉积环境和古气候。如通过对 Fe、 Ca、 K、 Si、 Al、 Ti、Zr、 Sr 等元素含量的变化（图 4），转化为沉积物中 Fe2O3、 CaO、 K2O、 SiO2、 Al2O3、TiO2等化合物含量的变化，综合其磁化率、孢粉、硅藻、矿物、色素等多种指标，对环境指标和古环境演化进行

17、重建 （成艾颖等 1,2010）。 9 图 4.沉积物岩心 Fe、 Ca、 K、 Si、 Al（自上而下）元素浓度变化曲线 此外，也可作为固体矿产岩心有用元素浓度的变化趋势、划分地层的重要数据。例如在加拿大马塔加米 Zn-Cu 矿床，运用便携式 X 荧光检测方法获取元素浓度数据，利用 Ti/Zr 对 Al/Zr 图可以迅速的区分矿区内两个视觉上相似但是变质程度不同的流纹岩岩心（图 5），而其中一种流纹岩为钻探的标志层 (Ross et al.5, 2014)。在钻探领域，识别标志层至关重要，可以帮助钻探者准确地确定目的层，做出一些类似于 “ 是否到达了目标地层层位，还是应该向更深处钻探 ” 等

18、一些重要决定。 图 5.利用元素浓度相图区分地层并识别标志层（据 Ross et al., 2014） 但是，目前 XRF 定量分析仍以硅酸盐类岩石矿物 为主，在其他类型的矿石矿物中的应用有限（主要问题在于对标样和待测试样的基体匹配要求比较苛刻，而固态制样技术实现难度较大），目前铁矿、铝土矿等的 XRF 测定已有国家标准方法，其他类型的矿物 XRF 分析方法的应用不是很广泛。有些硫化矿的分析方法正开发研制中 （ 尹明等 7， 2011） 。 3.物理参数信息 采集 如前所 述 ，物理参数包括 CT 内部结构构造扫描，该技术源自于医学领域，目前在油气资源勘查领域应用广泛；磁化率扫描，该技术在固体

19、矿产勘查领域应10 用较为广泛；同时还有一些原本应用于油田测井、录井的技术，目前也已经被应用于岩 心扫描领域，如 P 波速度扫描、伽马密度扫描、电阻率扫描等。 （ 1） CT 三维扫描 原理： CT 扫描利用 X 射线的穿透性，对不同密度的物质有不同的穿透能力，密度越高，穿透能力越低，当 X 光束围绕物体旋转扫描时，从数百个角度进行扫描，计算机负责收集所有信息，并将这些信息合成为三维图像。 用途： 利用 CT 扫描技术，可以定量计算岩心内部裂缝宽度、长度、面积、面孔隙度及裂缝孔隙度等参数，计算岩心中孔洞的大小，观察孔洞的联通状态（图6）。 该技术主要应用于油气资源勘查领域，对油气资源可采储量计

20、算、驱油机理研究等方面有重要参考价值 ，可以更直观更精确地认识剩余油在油藏中的微观分布。 三维重建岩心样品 三维重建孔洞 三维重建裂缝 图 6.CT 扫描三维岩心及内部孔洞、裂缝重建示意图 （ 2）磁化率 原理： 岩石、矿石均具有一定程度的磁化率，其磁化率的大小主要取决于岩石的矿物成分、岩石结构、矿物颗粒大小和形状等因素。通过岩心对磁化率的测定及其变化规律的研究，建立磁化率与成矿元素含量、环境变化等的关系，从而作为找矿和环境研究的辅助性数据。 用途： 磁化率测定应用广泛资源勘查和环境研究。在资源勘查领域，研究磁化率与成矿元素含量的关系，可以 对找矿勘查进行指导。如王磊等 (2012)在智利月亮山铁氧化物铜金型矿床勘查中，利用磁化率对铁磁性矿物及蚀变岩的现场识别能力和 XRF快速分析元素含量功能，结合矿床地质划分岩相，确定磁化率和铁、铜含量对应关系 :高磁化率高铁含量磁铁矿型、低磁化率高铁含量 赤铁矿型、低磁化率低铁含量蚀变岩型，对月亮山矿区进行深部找矿预测。