陳輝

［安徽省自然資源信息中心(安徽省地質(zhì)資料館)，安徽合肥 230092］

0 引言

安徽省作為礦業(yè)大省，礦產(chǎn)資源比較豐富。國(guó)家投入了大量的財(cái)力和人力開展區(qū)域地質(zhì)調(diào)查、礦產(chǎn)勘查和開發(fā)等工作，形成了豐富的巖心等實(shí)物地質(zhì)資料，由于各種原因，這些巖心大部分分散保存在各個(gè)地勘單位。近年來，通過部實(shí)物中心和省館篩選出重要的巖心，保管在安徽省地質(zhì)資料館實(shí)物庫(kù)房中。這些巖心實(shí)物地質(zhì)資料具有原始性、唯一性和不可再生性等特征，潛在使用價(jià)值很大。傳統(tǒng)的巖心保存是暴露在空氣中，其表面會(huì)隨著時(shí)間推移逐漸被破壞或風(fēng)化，丟失原有的價(jià)值信息。同時(shí)，在進(jìn)行巖心取樣開展分析測(cè)試時(shí)，對(duì)原有完整巖心會(huì)造成一定的破壞，且傳統(tǒng)巖心分析測(cè)試時(shí)間周期長(zhǎng)、效率不高，這些問題制約了巖心的長(zhǎng)久保管和信息共享服務(wù)。隨著數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字巖心的提出為解決上述問題提供了途徑。數(shù)字巖心是指通過一系列方法和手段，將真實(shí)的巖心數(shù)字化，得到巖心表面及內(nèi)部結(jié)構(gòu)的二維、三維的圖像信息，結(jié)合圖像處理和數(shù)值模擬，對(duì)巖心進(jìn)行物理和化學(xué)等各方面研究，推算巖心及地層的各種性質(zhì)［1］。利用巖心數(shù)字化可以長(zhǎng)期保存巖心表面圖像和內(nèi)部的結(jié)構(gòu)構(gòu)造、化學(xué)成分等重要信息，有助于巖心信息的集成管理和數(shù)字化圖像服務(wù)，節(jié)約成本，提高巖心服務(wù)效率。

1 安徽省實(shí)物巖心管理情況

國(guó)家對(duì)實(shí)物巖心的管理可分為以下階段。原地質(zhì)礦產(chǎn)部早在1979年就出臺(tái)了《巖礦心管理規(guī)定》；1990年又發(fā)布了《關(guān)于印發(fā)巖礦心管理規(guī)定的通知》，對(duì)巖心的現(xiàn)場(chǎng)管理、庫(kù)房保管、巖礦心縮減和保管年限等作出了規(guī)定和要求；1992年制定了《地質(zhì)勘查鉆探巖礦心管理通則》（DZ/T 0032—92），該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了地質(zhì)勘查鉆探巖礦心的現(xiàn)場(chǎng)管理、縮減處理、巖心和庫(kù)房管理。2008年原國(guó)土資源部發(fā)布了《實(shí)物地質(zhì)資料管理辦法》，2016年修訂版是當(dāng)前實(shí)物地質(zhì)資料管理與服務(wù)工作主要依據(jù)；2019 年國(guó)家檔案局發(fā)布了《巖心檔案管理規(guī)范》（DA/T 72—2019），規(guī)定了建設(shè)項(xiàng)目巖心檔案從收集、整理到利用、銷毀全流程規(guī)范要求；2020年發(fā)布了《自然資源部辦公廳關(guān)于做好巖心數(shù)字化與信息共享工作的通知》（自然資辦函〔2020〕907號(hào)），要求加強(qiáng)巖心匯交管理，提高巖心數(shù)字化與信息共享工作水平，創(chuàng)新保管與服務(wù)機(jī)制，構(gòu)建全國(guó)統(tǒng)籌、有效匯集、高度共享的巖心大數(shù)據(jù)共享服務(wù)格局。

安徽省地質(zhì)資料館建成之前，早期各類實(shí)物地質(zhì)資料由各地勘單位分散保管。然而，自20世紀(jì)80年代至21世紀(jì)初，我國(guó)大部分地勘單位由于經(jīng)費(fèi)嚴(yán)重短缺，巖心庫(kù)破損坍塌，庫(kù)房保管人員退休或者轉(zhuǎn)崗，致使大量實(shí)物地質(zhì)資料損毀散失。21世紀(jì)初，地勘行業(yè)開始逐漸走出低谷，而隨著《地質(zhì)資料管理?xiàng)l例》（國(guó)務(wù)院令第349號(hào)）、《地質(zhì)資料管理?xiàng)l例實(shí)施辦法》（國(guó)土資源部令第16號(hào)）和國(guó)土資源部關(guān)于印發(fā)《實(shí)物地質(zhì)資料管理辦法》的通知（國(guó)土資規(guī)〔2016〕11號(hào)）等相關(guān)法律法規(guī)以及規(guī)范性文件的出臺(tái)，實(shí)物地質(zhì)資料的保管和利用又被重新重視起來。2009年7月7日，原國(guó)土資源部辦公廳發(fā)布了《關(guān)于開展全國(guó)實(shí)物地質(zhì)資料管理情況摸底調(diào)查工作的通知》（國(guó)土資廳發(fā)〔2009〕60號(hào)文），安徽省通過摸底調(diào)查基本摸清了各地勘單位現(xiàn)有實(shí)物地質(zhì)資料庫(kù)房情況和全省分散保管的實(shí)物地質(zhì)資料情況。2011年，原國(guó)土資源部要求各省國(guó)土資源部門開展地質(zhì)鉆孔基本信息清查工作，建立全國(guó)地質(zhì)鉆孔基本信息數(shù)據(jù)庫(kù)。2013年，國(guó)土資源部在全國(guó)開展重要地質(zhì)鉆孔數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)，建成了全國(guó)重要地質(zhì)鉆孔數(shù)據(jù)庫(kù)和服務(wù)平臺(tái)并向社會(huì)公眾提供服務(wù)。安徽省地質(zhì)鉆孔基本信息清查工作調(diào)查了安徽省內(nèi)75家地勘單位從新中國(guó)成立以來至2010年12月底的地質(zhì)鉆孔基本信息，查清了地質(zhì)鉆孔類型、分布及數(shù)量等基本信息，初步建立了安徽省地質(zhì)鉆孔基本信息數(shù)據(jù)庫(kù)。

2014年，安徽省實(shí)物地質(zhì)資料庫(kù)建成并投入使用，基本建立起了實(shí)物地質(zhì)資料匯交、篩選、整理、入庫(kù)和服務(wù)工作制度、業(yè)務(wù)流程和技術(shù)方法，開展實(shí)物巖心的整理建檔掃描數(shù)字化工作。2013—2016年開展了安徽省重要地質(zhì)鉆孔數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)工作，根據(jù)前期清查工作，對(duì)成果資料中“三圖一表”信息相對(duì)完整的鉆孔進(jìn)行了建庫(kù)工作。從2017年開始，安徽省地質(zhì)資料館積極爭(zhēng)取省級(jí)財(cái)政資金陸續(xù)開展了安徽省實(shí)物地質(zhì)資料篩選整理保管，安徽省重要地質(zhì)鉆孔數(shù)據(jù)庫(kù)更新維護(hù)以及巖心箱等裝具采購(gòu)項(xiàng)目。截至2022年底，共采集實(shí)物巖心近56.57萬m，光薄片2 218件，化探副樣49.18萬瓶（袋）；完成10 117個(gè)鉆孔共計(jì)約346.94萬m鉆孔屬性數(shù)據(jù)的采集，9 633個(gè)鉆孔“三圖一表”入庫(kù)工作。安徽省實(shí)物巖心管理工作雖取得了一定的成績(jī)，但是依然存在一些問題：一是各地勘單位缺乏固定的實(shí)物巖心管理人員，未開展巖心建檔和服務(wù)研究；二是各地勘單位實(shí)物巖心保存設(shè)施落后，大多數(shù)巖心庫(kù)房建在地勘單位早期野外基地或租用民房，許多庫(kù)房嚴(yán)重破損，甚至瀕臨倒塌，且很多簡(jiǎn)易木質(zhì)巖心箱已腐爛損壞。全省普遍存在巖心管理人員缺乏、保管設(shè)施環(huán)境差、服務(wù)利用率低等現(xiàn)象。

2 巖心數(shù)字化技術(shù)方法研究

目前國(guó)內(nèi)巖心數(shù)字化技術(shù)方法種類較多，其技術(shù)原理和數(shù)字化成果也不盡相同，通過系統(tǒng)總結(jié)可以將巖心數(shù)字化技術(shù)分為三大類：一是獲取實(shí)物表面圖像信息；二是獲取實(shí)物表面各類化學(xué)參數(shù)信息；三是獲取實(shí)物內(nèi)部物理參數(shù)信息［2］。

2.1 實(shí)物巖心表面圖像信息獲取方法

實(shí)物巖心表面圖像信息的獲取方法有兩種：一是在野外巖心現(xiàn)場(chǎng)或?qū)嵨飵r心庫(kù)使用照相機(jī)對(duì)巖心進(jìn)行表面圖像的采集，同時(shí)在巖心圖像采集管理系統(tǒng)中導(dǎo)入巖心相關(guān)信息，目前使用常見的是數(shù)碼單反相機(jī)；二是利用專業(yè)巖心掃描儀器，獲取巖心表面圖像信息，對(duì)巖心圖像進(jìn)行處理、信息錄入、數(shù)據(jù)導(dǎo)入，然后形成巖心綜合柱狀圖。巖心掃描方法根據(jù)掃描的光源不同可分為白光掃描和熒光掃描。白光掃描主要原理是將光信號(hào)通過傳感器轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)再經(jīng)過處理后傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中，適用于固體礦產(chǎn)勘查和油氣勘查形成的巖心，使用該方法應(yīng)在鉆孔巖心未完全風(fēng)化前開展掃描，以保證表面圖像信息的真實(shí)性。通過對(duì)巖心圖像和巖心描述的分析，可以獲取對(duì)該地層層位初步的認(rèn)識(shí)；在油氣勘查方面，通過對(duì)巖心圖像顏色的變化可以計(jì)算相關(guān)粒度、孔隙度等數(shù)據(jù)。熒光掃描的原理是利用有機(jī)質(zhì)烴類受到紫外線的照射下激發(fā)熒光，再對(duì)熒光進(jìn)行收集處理轉(zhuǎn)換后可以得到有機(jī)質(zhì)烴類的含量等相關(guān)信息，可以對(duì)該層段含油性質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià)。滾動(dòng)掃描較適用于油氣能源勘查形成的巖心。

另外，按照掃描方式不同，巖心掃描還可以分為平動(dòng)掃描和滾動(dòng)掃描。平動(dòng)掃描在掃描過程中光源鏡頭在巖心軸向上勻速進(jìn)行移動(dòng)，掃描速度較快，可以獲取巖心上半部分表面圖像信息；滾動(dòng)掃描是指在掃描過程中巖心進(jìn)行360°的旋轉(zhuǎn)，可以獲取整個(gè)圓形柱表面圖像信息，獲取的信息比較完整。該方法適用于保存完整無破碎的巖心，但是掃描速度較慢。

2.2 實(shí)物巖心表面化學(xué)參數(shù)信息獲取方法

實(shí)物巖心表面化學(xué)參數(shù)信息主要包括礦物組成成分與化學(xué)元素濃度。當(dāng)前通過巖心數(shù)字化獲取礦物組成成分比較成熟的方法有高光譜礦物掃描成像技術(shù)。該方法利用顏色光譜技術(shù)，對(duì)巖心400～2 500 nm波長(zhǎng)范圍的礦物反射波譜進(jìn)行計(jì)算和分析，測(cè)算出巖心所含礦物組成成分。在目前市場(chǎng)中，該方法被應(yīng)用于識(shí)別含水硅酸鹽礦物。

巖心數(shù)字化獲取元素濃度的方法有X射線熒光光譜分析技術(shù)，原理是利用X 射線照射巖心產(chǎn)生二次X射線（或X 射線熒光），根據(jù)不同元素產(chǎn)生的二次X 射線（或X 射線熒光）的波長(zhǎng)（或能量）和強(qiáng)度不同，通過定性和定量分析，可以獲得巖心元素組成與含量信息。該方法主要應(yīng)用于各類沉積環(huán)境和古氣候的研究，還可以通過元素濃度的變化為劃分地層提供數(shù)據(jù)依據(jù)。

2.3 實(shí)物巖心內(nèi)部物理參數(shù)信息獲取方法

實(shí)物巖心內(nèi)部物理參數(shù)信息主要包括巖心的內(nèi)部結(jié)構(gòu)構(gòu)造（裂縫、孔洞）、磁化率和電阻率等。

CT 掃描是利用X射線穿透不同密度的物質(zhì)時(shí)穿透能力不同，形成不同的信息，獲取巖心內(nèi)部結(jié)構(gòu)構(gòu)造。計(jì)算機(jī)根據(jù)接收的信息合成二維或者三維圖像。根據(jù)合成的圖像可以計(jì)算裂縫和孔洞的尺寸，計(jì)算裂縫的孔隙度參數(shù)和孔洞連通性的好壞，為評(píng)價(jià)研究油氣儲(chǔ)層和油氣運(yùn)移機(jī)理提供數(shù)據(jù)依據(jù)。

巖心的磁化率主要取決于其中某些具有磁性的礦物，主要影響因素有巖石的礦物成分、巖石結(jié)構(gòu)、礦物顆粒大小和形狀等。通過掃描測(cè)量磁化率的大小和分布規(guī)律可以建立磁性礦物元素含量與磁化率的關(guān)系，為尋找磁鐵礦類型的礦床提供依據(jù)。

通過巖心電阻率掃描測(cè)量巖心電阻率的變化可以建立電阻率與含油層位變化的關(guān)系，根據(jù)相關(guān)理論，地層含油與電阻率成正比關(guān)系，含油層具有高電阻的特性，依據(jù)巖心電阻率的變化，為油氣勘查中尋找含油層位提供依據(jù)。

3 安徽省重要巖心數(shù)字化技術(shù)探討

安徽省地質(zhì)資料館自2014 年啟動(dòng)實(shí)物地質(zhì)資料篩選采集工作以來，截至2022 年底，共收儲(chǔ)重要巖心56.57 萬m，涵蓋鐵、銅、鉛、鋅、鉬等省內(nèi)重要礦產(chǎn)勘查形成的巖心。2019 年12 月，自然資源實(shí)物地質(zhì)資料區(qū)域中心（安徽）掛牌成立，其中重要一項(xiàng)職責(zé)是開展巖心圖像、光譜、XRF、磁化率等多參數(shù)數(shù)字化工作和技術(shù)研究。當(dāng)前，國(guó)外歐美發(fā)達(dá)國(guó)家已深入開展了巖心多參數(shù)數(shù)字化研究和應(yīng)用，國(guó)內(nèi)自然資源實(shí)物地質(zhì)資料中心及各大油田也開展了多參數(shù)數(shù)字化工作，安徽省受制于巖心掃描設(shè)備條件，僅開展了巖心圖像數(shù)字化工作，完成近12萬m巖心的圖像掃描采集。

2021年，安徽省地質(zhì)資料館受自然資源實(shí)物地質(zhì)資料中心委托，承擔(dān)“實(shí)物地質(zhì)資料區(qū)域中心重要巖心整理數(shù)字化”課題，其中一項(xiàng)任務(wù)是開展重要的Ⅰ類巖心的掃描數(shù)字化，現(xiàn)就本項(xiàng)目工作實(shí)際探討安徽省巖心圖像掃描數(shù)字化技術(shù)和工作流程。根據(jù)安徽省區(qū)域中心重要Ⅰ類巖心保管情況，選取了四川盆地下古生界海相頁巖氣基礎(chǔ)地質(zhì)調(diào)查、南方重點(diǎn)地區(qū)1∶50 000頁巖氣地質(zhì)調(diào)查等5個(gè)項(xiàng)目的鉆孔巖心作為本次課題的巖心數(shù)字化目錄清單?，F(xiàn)以四川盆地下古生界海相頁巖氣基礎(chǔ)地質(zhì)調(diào)查項(xiàng)目華地1井的巖心為例，系統(tǒng)介紹一下巖心數(shù)字化（掃描）技術(shù)和操作流程（圖1）。

圖1 實(shí)物巖心數(shù)字化工作流程Figure 1.Digitization workflow of physical cores

3.1 實(shí)物巖心數(shù)字化基本原則

（1）真實(shí)性原則。掃描形成的圖像在長(zhǎng)度、色度和面貌方面盡可能與實(shí)際巖心保持一致。

（2）清晰性原則。在與原始巖心相同比例顯示狀態(tài)下，掃描圖像反映的巖石主要礦物、結(jié)構(gòu)構(gòu)造等地質(zhì)特征要清晰。

（3）完整性原則。鉆孔巖心掃描形成的圖像信息、相關(guān)的記錄信息［項(xiàng)目信息、鉆孔名稱、掃描（照相）的方式、存在的問題及處理方式等信息］。

3.2 準(zhǔn)備工作

（1）準(zhǔn)備材料。制定掃描計(jì)劃，以鉆孔為單位，一個(gè)鉆孔為一個(gè)掃描批次。在掃描巖心前，首先對(duì)巖心進(jìn)行必要的整理，包括清點(diǎn)、清潔、干燥、丈量長(zhǎng)度，填寫巖心整理登記表等，其次準(zhǔn)備必要的材料和資料，包括完成整理的巖心、巖心整理表、鉆孔原始地質(zhì)編錄表、鉆孔柱狀圖等。

（2）掃描參數(shù)設(shè)置。本次工作選用的巖心掃描儀型號(hào)為CSGE-Ⅵ型，功能包括巖心高分辨率圖像采集、編輯、處理等內(nèi)容。啟動(dòng)計(jì)算機(jī)進(jìn)入掃描系統(tǒng)，打開掃描儀及白光掃描照明燈，預(yù)熱5 min以上達(dá)到最佳工作狀態(tài)。根據(jù)制定的工作計(jì)劃選擇掃描方式，本次選擇平動(dòng)掃描方式。設(shè)置長(zhǎng)度（每格最大長(zhǎng)度為100 cm）、寬度（3～18 cm）、亮度（默認(rèn)值）、對(duì)比度（默認(rèn)值）及掃描儀分辨率，本次分辨率設(shè)置為400 dpi，重要層段的巖心采用600 dpi，特殊層段的巖心采用600 dpi以上。

3.3 巖心白光平動(dòng)掃描

首先調(diào)整掃描儀的白光燈架，確保與鏡頭的行進(jìn)方向垂直。將巖心盒放置到掃描平臺(tái)并與鏡頭的行進(jìn)方向平行。對(duì)格子里的巖心進(jìn)行整理使其斷面對(duì)接整齊并保持在一條直線上，將巖心標(biāo)識(shí)較少或無標(biāo)識(shí)的一面朝上。調(diào)試掃描升降控制按鈕和標(biāo)配的定焦尺將掃描鏡頭對(duì)焦巖心表面，并保持對(duì)焦距離為42 cm。啟動(dòng)平動(dòng)掃描程序，開始的時(shí)候反復(fù)調(diào)試并對(duì)比所采集圖像，直到清晰完整才可以進(jìn)入下一個(gè)環(huán)節(jié)。

3.4 圖像處理

掃描完成后，要將以單格巖心為單位存儲(chǔ)命名的圖片裁剪、拼接為以單個(gè)回次為單位存儲(chǔ)、命名的圖片。裁剪原則是按回次進(jìn)行裁剪，使同一回次多個(gè)巖心段的圖像在入庫(kù)時(shí)能夠連續(xù)拼接，形成一個(gè)回次完整的巖心圖像，并使每一回次的巖心圖像獨(dú)立保存。對(duì)圖像進(jìn)行糾斜及亮度、對(duì)比度、飽和度的調(diào)整等操作。裁剪后圖像按回次號(hào)進(jìn)行文件命名。

3.5 圖像入庫(kù)

圖像入庫(kù)是指將處理后的圖像存儲(chǔ)到巖心圖像管理庫(kù)中。入庫(kù)前應(yīng)先確保已登錄數(shù)據(jù)庫(kù)，登錄數(shù)據(jù)庫(kù)后，根據(jù)掃描的圖像屬性填寫參數(shù)，最后確定入庫(kù)操作。

3.6 相關(guān)地質(zhì)信息的錄入

通過查看鉆孔野外記錄表或鉆孔柱狀圖等原始文檔信息，錄入巖性分層信息生成鉆孔柱狀圖，錄入巖性描述信息（主要包括分層深度、巖石名稱和巖性描述）。如果巖性花紋在系統(tǒng)中沒有的話，可以利用系統(tǒng)中自帶的巖性花紋編輯功能，手動(dòng)錄入。

3.7 繪制綜合柱狀圖

當(dāng)信息錄入完成后，系統(tǒng)可自動(dòng)生成鉆孔綜合柱狀圖，可顯示巖心圖像、巖性花紋、巖石名稱、巖性描述等綜合圖像效果，同時(shí)該系統(tǒng)軟件可根據(jù)需要進(jìn)行人工設(shè)置。繪制完成后填寫鉆孔信息、掃描小結(jié)。

3.8 巖心掃描信息歸檔

每一檔巖心掃描完成后都要進(jìn)行歸檔。歸檔的資料包括巖心掃描的原始JPG 圖像、裁剪后的JPG 圖像、壓縮后的JPG 圖像以及《巖心掃描登記表》《巖心掃描小結(jié)》等資料。

4 巖心數(shù)字化的重要應(yīng)用意義

巖心取出后立即開展圖像掃描工作，可以記錄最原始的巖心表面圖像信息，真實(shí)反映巖心地質(zhì)信息。巖心數(shù)字化形成的成果可以存儲(chǔ)在電子光盤、移動(dòng)硬盤等介質(zhì)中，便于長(zhǎng)期保存。當(dāng)前，安徽省實(shí)物巖心是在運(yùn)輸?shù)绞〉刭|(zhì)資料館整理后才開展圖像掃描工作的，地質(zhì)資料匯交人可以在現(xiàn)場(chǎng)巖心取出時(shí)利用便攜式數(shù)字化設(shè)備開展圖像掃描和測(cè)試，相關(guān)數(shù)據(jù)與巖心實(shí)物同時(shí)匯交。

巖心掃描圖像通過地質(zhì)資料信息管理服務(wù)系統(tǒng)、全國(guó)數(shù)字巖心平臺(tái)和安徽省地質(zhì)資料管理服務(wù)門戶網(wǎng)站，開展非涉密巖心數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)共享服務(wù)，提高巖心圖像信息的共享水平，實(shí)現(xiàn)巖心信息服務(wù)向數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化服務(wù)模式轉(zhuǎn)變。下一步，通過對(duì)重要巖心段開展高光譜礦物掃描、CT 掃描等多參數(shù)數(shù)字化工作，獲取礦物成分、元素含量和結(jié)構(gòu)構(gòu)造等基礎(chǔ)信息，開展數(shù)據(jù)的綜合分析和應(yīng)用，可以進(jìn)一步提高巖心的二次開發(fā)利用，在礦山深部和外圍找礦中提供技術(shù)手段［3-5］；可以圍繞安徽省重點(diǎn)地區(qū)重要構(gòu)造單元開發(fā)系列數(shù)據(jù)產(chǎn)品，建立礦物、元素、磁化率、電阻率、孔隙、裂縫等三維模型，為資源能源安全保障、地質(zhì)科學(xué)研究和地質(zhì)災(zāi)害防治等提供數(shù)據(jù)支撐和服務(wù)。