灰岩微观孔隙的三维定量描述及其对变形的影响

汲云涛 黄庭芳

1）中国地震局地质研究所，北京100029

2）纽约州立大学石溪分校，美国 11794-2100

岩石的力学行为是由其微观的岩石物理性质和微观结构所最终决定的。因此在岩石物理学中描述孔隙结构及其几何性质如孔隙大小、形状、弯曲度和连通性有着极其重要的意义。研究孔隙结构的传统方法是光学显微镜和扫描电镜。微米CT（microCT）作为一种新的三维成像技术为研究岩石孔隙结构的复杂性提供了新的视角，这对理解岩石的孔隙结构及其对岩石的物理性质的影响，以及岩石破坏的演化及其与破裂微观力学的关系有极大的帮助。

一般而言，岩石里的孔隙有两部分组成：拉伸的微裂纹和球形孔隙。在碎屑岩中，岩石孔隙主要为由喉状结构链接的相对偏心的球形孔隙，这些孔隙足够大，可以被微米CT观测到和进行直接成像。很多数据（主要是砂岩数据）为深入理解岩石孔隙三维几何复杂性提供帮助。相比而言，碳酸盐孔隙结构的三维成像并没有这么直接。一般的来说，碳酸盐的孔隙结构比硅质岩石更加复杂。造成这种几何复杂性的原因之一是沉积环境和成岩作用在碳酸盐的纹理和纤维演化的过程中对其有重要的影响。这种影响能相对快速和剧烈的改变孔隙结构的尺寸和连通性。碳酸盐中的孔隙尺寸分布较广，这种分布常常是双峰值的，其中的很大一部分由微孔隙构成，这种微孔隙目前只能被扫描电镜观测到。

近期研究表明，宏观孔隙和微观孔隙各自对弹性变形和非弹性变形有着影响。与之对应的，微观力学建模也需要一个双孔隙度模型。尽管大多数微观孔隙能被扫描电镜观测到，对统计意义上的表征样品的细微特征进行定量分析可能会很繁琐。进一步，三维特征只能从样品的二维截面上推测。受微观结构观测的指导，客观研究的第一步是搞清楚微米CT在描述宏观孔隙和时接推测微观孔隙的几何结构和空时分布上能走多远。我们没有按照传统的方法把CT图像分割为两个类别空和固体，而是把它分为三类：空、固体和中时区域，这中时区域是由处于微孔隙的像素组成的。

利用微米CT成像研究在灰岩完整样品和塑性压缩的样品中的孔隙结构。在已经获得了几组空时分辨率为4微米的三维CT数据的基础上，在光学显微观测的辅助下，利用Otsu方法的原则，自行设计了多级的Otsu分类算法。三维CT数据被分为三个组分：固体颗粒，宏观孔隙和中时区域，此处的中时区域是由微观孔隙主导的。利用数字图像处理和形态学方法，每一个独立的宏观孔隙被分别识别出来，并用球形度和等效直径对它们的形状进行定量化。结果数据可以揭示出，在围压压缩和三轴压缩的样品中，相对于完整样品，宏观孔隙的数据有着显著的减少，这与微观结构分析的结果是一致的。中时区域（微观孔隙）保持内部的互相连接。数据指出，灰岩中的非弹性压缩有两方面的表现：

（1）微观孔隙骨架的体积百分比的减少。

（2）与之对应的微观孔隙结构的厚度的减少。