实物地质资料重要岩心数字化技术探讨

陈辉

［安徽省自然资源信息中心(安徽省地质资料馆)，安徽合肥 230092］

0 引言

安徽省作为矿业大省，矿产资源比较丰富。国家投入了大量的财力和人力开展区域地质调查、矿产勘查和开发等工作，形成了丰富的岩心等实物地质资料，由于各种原因，这些岩心大部分分散保存在各个地勘单位。近年来，通过部实物中心和省馆筛选出重要的岩心，保管在安徽省地质资料馆实物库房中。这些岩心实物地质资料具有原始性、唯一性和不可再生性等特征，潜在使用价值很大。传统的岩心保存是暴露在空气中，其表面会随着时间推移逐渐被破坏或风化，丢失原有的价值信息。同时，在进行岩心取样开展分析测试时，对原有完整岩心会造成一定的破坏，且传统岩心分析测试时间周期长、效率不高，这些问题制约了岩心的长久保管和信息共享服务。随着数字化技术的发展，数字岩心的提出为解决上述问题提供了途径。数字岩心是指通过一系列方法和手段，将真实的岩心数字化，得到岩心表面及内部结构的二维、三维的图像信息，结合图像处理和数值模拟，对岩心进行物理和化学等各方面研究，推算岩心及地层的各种性质［1］。利用岩心数字化可以长期保存岩心表面图像和内部的结构构造、化学成分等重要信息，有助于岩心信息的集成管理和数字化图像服务，节约成本，提高岩心服务效率。

1 安徽省实物岩心管理情况

国家对实物岩心的管理可分为以下阶段。原地质矿产部早在1979年就出台了《岩矿心管理规定》；1990年又发布了《关于印发岩矿心管理规定的通知》，对岩心的现场管理、库房保管、岩矿心缩减和保管年限等作出了规定和要求；1992年制定了《地质勘查钻探岩矿心管理通则》（DZ/T 0032—92），该标准规定了地质勘查钻探岩矿心的现场管理、缩减处理、岩心和库房管理。2008年原国土资源部发布了《实物地质资料管理办法》，2016年修订版是当前实物地质资料管理与服务工作主要依据；2019 年国家档案局发布了《岩心档案管理规范》（DA/T 72—2019），规定了建设项目岩心档案从收集、整理到利用、销毁全流程规范要求；2020年发布了《自然资源部办公厅关于做好岩心数字化与信息共享工作的通知》（自然资办函〔2020〕907号），要求加强岩心汇交管理，提高岩心数字化与信息共享工作水平，创新保管与服务机制，构建全国统筹、有效汇集、高度共享的岩心大数据共享服务格局。

安徽省地质资料馆建成之前，早期各类实物地质资料由各地勘单位分散保管。然而，自20世纪80年代至21世纪初，我国大部分地勘单位由于经费严重短缺，岩心库破损坍塌，库房保管人员退休或者转岗，致使大量实物地质资料损毁散失。21世纪初，地勘行业开始逐渐走出低谷，而随着《地质资料管理条例》（国务院令第349号）、《地质资料管理条例实施办法》（国土资源部令第16号）和国土资源部关于印发《实物地质资料管理办法》的通知（国土资规〔2016〕11号）等相关法律法规以及规范性文件的出台，实物地质资料的保管和利用又被重新重视起来。2009年7月7日，原国土资源部办公厅发布了《关于开展全国实物地质资料管理情况摸底调查工作的通知》（国土资厅发〔2009〕60号文），安徽省通过摸底调查基本摸清了各地勘单位现有实物地质资料库房情况和全省分散保管的实物地质资料情况。2011年，原国土资源部要求各省国土资源部门开展地质钻孔基本信息清查工作，建立全国地质钻孔基本信息数据库。2013年，国土资源部在全国开展重要地质钻孔数据库建设，建成了全国重要地质钻孔数据库和服务平台并向社会公众提供服务。安徽省地质钻孔基本信息清查工作调查了安徽省内75家地勘单位从新中国成立以来至2010年12月底的地质钻孔基本信息，查清了地质钻孔类型、分布及数量等基本信息，初步建立了安徽省地质钻孔基本信息数据库。

2014年，安徽省实物地质资料库建成并投入使用，基本建立起了实物地质资料汇交、筛选、整理、入库和服务工作制度、业务流程和技术方法，开展实物岩心的整理建档扫描数字化工作。2013—2016年开展了安徽省重要地质钻孔数据库建设工作，根据前期清查工作，对成果资料中“三图一表”信息相对完整的钻孔进行了建库工作。从2017年开始，安徽省地质资料馆积极争取省级财政资金陆续开展了安徽省实物地质资料筛选整理保管，安徽省重要地质钻孔数据库更新维护以及岩心箱等装具采购项目。截至2022年底，共采集实物岩心近56.57万m，光薄片2 218件，化探副样49.18万瓶（袋）；完成10 117个钻孔共计约346.94万m钻孔属性数据的采集，9 633个钻孔“三图一表”入库工作。安徽省实物岩心管理工作虽取得了一定的成绩，但是依然存在一些问题：一是各地勘单位缺乏固定的实物岩心管理人员，未开展岩心建档和服务研究；二是各地勘单位实物岩心保存设施落后，大多数岩心库房建在地勘单位早期野外基地或租用民房，许多库房严重破损，甚至濒临倒塌，且很多简易木质岩心箱已腐烂损坏。全省普遍存在岩心管理人员缺乏、保管设施环境差、服务利用率低等现象。

2 岩心数字化技术方法研究

目前国内岩心数字化技术方法种类较多，其技术原理和数字化成果也不尽相同，通过系统总结可以将岩心数字化技术分为三大类：一是获取实物表面图像信息；二是获取实物表面各类化学参数信息；三是获取实物内部物理参数信息［2］。

2.1 实物岩心表面图像信息获取方法

实物岩心表面图像信息的获取方法有两种：一是在野外岩心现场或实物岩心库使用照相机对岩心进行表面图像的采集，同时在岩心图像采集管理系统中导入岩心相关信息，目前使用常见的是数码单反相机；二是利用专业岩心扫描仪器，获取岩心表面图像信息，对岩心图像进行处理、信息录入、数据导入，然后形成岩心综合柱状图。岩心扫描方法根据扫描的光源不同可分为白光扫描和荧光扫描。白光扫描主要原理是将光信号通过传感器转变为电信号再经过处理后传输到计算机中，适用于固体矿产勘查和油气勘查形成的岩心，使用该方法应在钻孔岩心未完全风化前开展扫描，以保证表面图像信息的真实性。通过对岩心图像和岩心描述的分析，可以获取对该地层层位初步的认识；在油气勘查方面，通过对岩心图像颜色的变化可以计算相关粒度、孔隙度等数据。荧光扫描的原理是利用有机质烃类受到紫外线的照射下激发荧光，再对荧光进行收集处理转换后可以得到有机质烃类的含量等相关信息，可以对该层段含油性质进行评价。滚动扫描较适用于油气能源勘查形成的岩心。

另外，按照扫描方式不同，岩心扫描还可以分为平动扫描和滚动扫描。平动扫描在扫描过程中光源镜头在岩心轴向上匀速进行移动，扫描速度较快，可以获取岩心上半部分表面图像信息；滚动扫描是指在扫描过程中岩心进行360°的旋转，可以获取整个圆形柱表面图像信息，获取的信息比较完整。该方法适用于保存完整无破碎的岩心，但是扫描速度较慢。

2.2 实物岩心表面化学参数信息获取方法

实物岩心表面化学参数信息主要包括矿物组成成分与化学元素浓度。当前通过岩心数字化获取矿物组成成分比较成熟的方法有高光谱矿物扫描成像技术。该方法利用颜色光谱技术，对岩心400～2 500 nm波长范围的矿物反射波谱进行计算和分析，测算出岩心所含矿物组成成分。在目前市场中，该方法被应用于识别含水硅酸盐矿物。

岩心数字化获取元素浓度的方法有X射线荧光光谱分析技术，原理是利用X 射线照射岩心产生二次X射线（或X 射线荧光），根据不同元素产生的二次X 射线（或X 射线荧光）的波长（或能量）和强度不同，通过定性和定量分析，可以获得岩心元素组成与含量信息。该方法主要应用于各类沉积环境和古气候的研究，还可以通过元素浓度的变化为划分地层提供数据依据。

2.3 实物岩心内部物理参数信息获取方法

实物岩心内部物理参数信息主要包括岩心的内部结构构造（裂缝、孔洞）、磁化率和电阻率等。

CT 扫描是利用X射线穿透不同密度的物质时穿透能力不同，形成不同的信息，获取岩心内部结构构造。计算机根据接收的信息合成二维或者三维图像。根据合成的图像可以计算裂缝和孔洞的尺寸，计算裂缝的孔隙度参数和孔洞连通性的好坏，为评价研究油气储层和油气运移机理提供数据依据。

岩心的磁化率主要取决于其中某些具有磁性的矿物，主要影响因素有岩石的矿物成分、岩石结构、矿物颗粒大小和形状等。通过扫描测量磁化率的大小和分布规律可以建立磁性矿物元素含量与磁化率的关系，为寻找磁铁矿类型的矿床提供依据。

通过岩心电阻率扫描测量岩心电阻率的变化可以建立电阻率与含油层位变化的关系，根据相关理论，地层含油与电阻率成正比关系，含油层具有高电阻的特性，依据岩心电阻率的变化，为油气勘查中寻找含油层位提供依据。

3 安徽省重要岩心数字化技术探讨

安徽省地质资料馆自2014 年启动实物地质资料筛选采集工作以来，截至2022 年底，共收储重要岩心56.57 万m，涵盖铁、铜、铅、锌、钼等省内重要矿产勘查形成的岩心。2019 年12 月，自然资源实物地质资料区域中心（安徽）挂牌成立，其中重要一项职责是开展岩心图像、光谱、XRF、磁化率等多参数数字化工作和技术研究。当前，国外欧美发达国家已深入开展了岩心多参数数字化研究和应用，国内自然资源实物地质资料中心及各大油田也开展了多参数数字化工作，安徽省受制于岩心扫描设备条件，仅开展了岩心图像数字化工作，完成近12万m岩心的图像扫描采集。

2021年，安徽省地质资料馆受自然资源实物地质资料中心委托，承担“实物地质资料区域中心重要岩心整理数字化”课题，其中一项任务是开展重要的Ⅰ类岩心的扫描数字化，现就本项目工作实际探讨安徽省岩心图像扫描数字化技术和工作流程。根据安徽省区域中心重要Ⅰ类岩心保管情况，选取了四川盆地下古生界海相页岩气基础地质调查、南方重点地区1∶50 000页岩气地质调查等5个项目的钻孔岩心作为本次课题的岩心数字化目录清单。现以四川盆地下古生界海相页岩气基础地质调查项目华地1井的岩心为例，系统介绍一下岩心数字化（扫描）技术和操作流程（图1）。

图1 实物岩心数字化工作流程Figure 1.Digitization workflow of physical cores

3.1 实物岩心数字化基本原则

（1）真实性原则。扫描形成的图像在长度、色度和面貌方面尽可能与实际岩心保持一致。

（2）清晰性原则。在与原始岩心相同比例显示状态下，扫描图像反映的岩石主要矿物、结构构造等地质特征要清晰。

（3）完整性原则。钻孔岩心扫描形成的图像信息、相关的记录信息［项目信息、钻孔名称、扫描（照相）的方式、存在的问题及处理方式等信息］。

3.2 准备工作

（1）准备材料。制定扫描计划，以钻孔为单位，一个钻孔为一个扫描批次。在扫描岩心前，首先对岩心进行必要的整理，包括清点、清洁、干燥、丈量长度，填写岩心整理登记表等，其次准备必要的材料和资料，包括完成整理的岩心、岩心整理表、钻孔原始地质编录表、钻孔柱状图等。

（2）扫描参数设置。本次工作选用的岩心扫描仪型号为CSGE-Ⅵ型，功能包括岩心高分辨率图像采集、编辑、处理等内容。启动计算机进入扫描系统，打开扫描仪及白光扫描照明灯，预热5 min以上达到最佳工作状态。根据制定的工作计划选择扫描方式，本次选择平动扫描方式。设置长度（每格最大长度为100 cm）、宽度（3～18 cm）、亮度（默认值）、对比度（默认值）及扫描仪分辨率，本次分辨率设置为400 dpi，重要层段的岩心采用600 dpi，特殊层段的岩心采用600 dpi以上。

3.3 岩心白光平动扫描

首先调整扫描仪的白光灯架，确保与镜头的行进方向垂直。将岩心盒放置到扫描平台并与镜头的行进方向平行。对格子里的岩心进行整理使其断面对接整齐并保持在一条直线上，将岩心标识较少或无标识的一面朝上。调试扫描升降控制按钮和标配的定焦尺将扫描镜头对焦岩心表面，并保持对焦距离为42 cm。启动平动扫描程序，开始的时候反复调试并对比所采集图像，直到清晰完整才可以进入下一个环节。

3.4 图像处理

扫描完成后，要将以单格岩心为单位存储命名的图片裁剪、拼接为以单个回次为单位存储、命名的图片。裁剪原则是按回次进行裁剪，使同一回次多个岩心段的图像在入库时能够连续拼接，形成一个回次完整的岩心图像，并使每一回次的岩心图像独立保存。对图像进行纠斜及亮度、对比度、饱和度的调整等操作。裁剪后图像按回次号进行文件命名。

3.5 图像入库

图像入库是指将处理后的图像存储到岩心图像管理库中。入库前应先确保已登录数据库，登录数据库后，根据扫描的图像属性填写参数，最后确定入库操作。

3.6 相关地质信息的录入

通过查看钻孔野外记录表或钻孔柱状图等原始文档信息，录入岩性分层信息生成钻孔柱状图，录入岩性描述信息（主要包括分层深度、岩石名称和岩性描述）。如果岩性花纹在系统中没有的话，可以利用系统中自带的岩性花纹编辑功能，手动录入。

3.7 绘制综合柱状图

当信息录入完成后，系统可自动生成钻孔综合柱状图，可显示岩心图像、岩性花纹、岩石名称、岩性描述等综合图像效果，同时该系统软件可根据需要进行人工设置。绘制完成后填写钻孔信息、扫描小结。

3.8 岩心扫描信息归档

每一档岩心扫描完成后都要进行归档。归档的资料包括岩心扫描的原始JPG 图像、裁剪后的JPG 图像、压缩后的JPG 图像以及《岩心扫描登记表》《岩心扫描小结》等资料。

4 岩心数字化的重要应用意义

岩心取出后立即开展图像扫描工作，可以记录最原始的岩心表面图像信息，真实反映岩心地质信息。岩心数字化形成的成果可以存储在电子光盘、移动硬盘等介质中，便于长期保存。当前，安徽省实物岩心是在运输到省地质资料馆整理后才开展图像扫描工作的，地质资料汇交人可以在现场岩心取出时利用便携式数字化设备开展图像扫描和测试，相关数据与岩心实物同时汇交。

岩心扫描图像通过地质资料信息管理服务系统、全国数字岩心平台和安徽省地质资料管理服务门户网站，开展非涉密岩心数据的网络共享服务，提高岩心图像信息的共享水平，实现岩心信息服务向数字化和网络化服务模式转变。下一步，通过对重要岩心段开展高光谱矿物扫描、CT 扫描等多参数数字化工作，获取矿物成分、元素含量和结构构造等基础信息，开展数据的综合分析和应用，可以进一步提高岩心的二次开发利用，在矿山深部和外围找矿中提供技术手段［3-5］；可以围绕安徽省重点地区重要构造单元开发系列数据产品，建立矿物、元素、磁化率、电阻率、孔隙、裂缝等三维模型，为资源能源安全保障、地质科学研究和地质灾害防治等提供数据支撑和服务。