王錫勇，蘇 銳，陳 亮，田 霄

（核工業(yè)北京地質(zhì)研究院，中核高放廢物地質(zhì)處置評價技術(shù)重點實驗室，北京 100029）

高水平放射性廢物（簡稱高放廢物）的安全處置問題正受到公眾的廣泛關(guān)注［1-3］。在高放廢物地質(zhì)處置庫的選址過程中，深部巖體結(jié)構(gòu)面特征是重要考慮因素。傳統(tǒng)手段雖然可以直觀獲得深部巖體結(jié)構(gòu)面的數(shù)量、填充物類型等信息，但無法獲得結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀、深度等信息，因此不能全面評價深部巖體結(jié)構(gòu)面特征。

超聲波鉆孔電視（ATV）作為一種小口徑地球物理測井工具，采用了先進的聲波束聚焦技術(shù)、數(shù)字記錄技術(shù)和數(shù)字化數(shù)據(jù)處理等技術(shù)，其測量精度和測井速度大幅提高，其優(yōu)點是孔壁巖性特征和構(gòu)造特征通過超聲波振幅變化以電視圖像形式顯示在地面顯示屏上，可以非常直觀、清楚地“看見”孔壁；其最小探測距離（以結(jié)構(gòu)面隙寬衡量）為0.1 mm（與測井速度和數(shù)據(jù)傳輸速度有關(guān)）；適用于充水或泥漿的裸鉆孔；測量深度可達5300 m。因此，被廣泛應(yīng)用于地質(zhì)、水文和礦產(chǎn)勘探和開采設(shè)計以及工程勘察等領(lǐng)域［4-6］。以甘肅北山芨芨槽花崗巖體的BS15#、BS16#鉆孔為例，基于超聲波鉆孔電視獲得的高精度鉆孔孔壁圖像和巖心結(jié)構(gòu)面編錄結(jié)果，對深部巖體結(jié)構(gòu)面的特征進行研究并分析其存在的問題。

1 超聲波鉆孔電視成像原理

超聲波鉆孔電視是利用超聲波對鉆孔孔壁進行逐點掃描，然后將返回的聲能的強弱變化以光信號的形式顯示在屏幕上。其工作原理為：壓電陶瓷晶體產(chǎn)生并發(fā)射高頻超聲波束沿探管軸心傳播，被高速旋轉(zhuǎn)的特制凹面反射鏡垂直反射聚焦后，穿過低密度樹脂透聲窗和鉆井液到達孔壁，部分超聲波經(jīng)孔壁反射按原路徑返回，被壓電陶瓷晶體接收（圖1）。壓電陶瓷晶體記錄孔壁反射波的振幅和傳播時間并轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號通過絞車電纜傳送到地面主機。同時，三軸磁力儀記錄孔壁各掃描點的磁坐標并對孔壁圖像進行定向；測斜儀則記錄孔壁各掃描點的傾斜坐標并計算鉆孔的偏移值以及對所測得的結(jié)構(gòu)面進行角度校正，最終形成反映孔壁特征的孔壁二維展開圖像。

圖1 超聲波鉆孔電視探頭結(jié)構(gòu)及聲波運行路徑示意圖Fig.1 Structure of sonde and principle of ATV

所介紹的超聲波鉆孔電視由MGX-II 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、4WNA-1000絞車系統(tǒng)和顯示系統(tǒng)組成。探頭型號為ALT Fac40，可發(fā)射頻率為1.4 MHz、尺寸為3 mm×3 mm的超聲波束，具有很高的分辨率，能分辨隙寬為0.1 mm的結(jié)構(gòu)面；探頭內(nèi)置磁力計精度為5%；最大測量深度為1500 m；適用直徑為60～300 mm范圍的鉆孔。

2 研究區(qū)概況

甘肅北山芨芨槽花崗巖體以海西期二長花崗巖為主體，另外，還有一些細粒閃長巖脈、二長花崗巖脈、英云閃長巖脈、偉晶巖脈、長英巖脈、黑云母石英片巖捕擄體等。地表結(jié)構(gòu)面調(diào)查及巖心結(jié)構(gòu)面編錄結(jié)果顯示：巖體發(fā)育大量節(jié)理，結(jié)構(gòu)面充填物以褐鐵礦、綠泥石和方解石為主。

BS15#孔孔深為538.26 m，孔內(nèi)靜止水位約90.0 m左右。由于513 m左右存在破碎帶將鉆孔底部堵塞，鉆孔電視實際測量范圍為512.18～91.0 m。

BS16#孔孔深為600.22 m，孔內(nèi)靜止水位約66.7 m左右。鉆孔電視實際測量范圍為595.68～66.85 m。

3 數(shù)據(jù)采集及圖像處理

超聲波鉆孔電視的數(shù)據(jù)采集由MSlog軟件自動控制，操作簡便易行。數(shù)據(jù)采集模式和頻率根據(jù)現(xiàn)場情況而定，測量速度保持在0.6～1.0 m·min-1，以保證采集數(shù)據(jù)的正確率和圖像的精度。

圖像的處理和解譯主要依靠Well CAD軟件，該軟件可實現(xiàn)：①將超聲波振幅值轉(zhuǎn)換成鉆孔孔壁二維圖像；②利用測得的磁方位值對鉆取的巖心定位；③自動插值修補部分缺失的數(shù)據(jù)；④將二維孔壁圖像還原成三維孔壁柱狀圖；⑤自動計算結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀，繪制結(jié)構(gòu)面走向玫瑰花圖和傾向極點圖；⑥實現(xiàn)結(jié)構(gòu)面視傾角和真傾角轉(zhuǎn)換；⑦進行公式運算，生成新的圖柄；⑧實現(xiàn)多種圖像格式進行相互轉(zhuǎn)換。

圖2 幾種典型的超聲波鉆孔電視實測孔壁圖像及其含義Fig.2 Interpretations of typical ATV images

鉆孔孔壁二維圖像是由傳感器從地磁北極開始以順時針方向?qū)︺@孔孔壁進行掃描所形成的孔壁二維平剖圖。由于不同物質(zhì)對超聲波的反射能力存在差異，因而孔壁二維圖像的顏色深淺變化反映了超聲波反射信號的強弱，即反映了巖性和強度的差異性。根據(jù)對BS15#、BS16#鉆孔圖像解譯結(jié)果與巖心的對照分析，總結(jié)出幾種常見的典型圖像特征及其代表的含義（圖2）。①完整、光滑的孔壁：圖像色度均勻、明亮；②典型的傾斜結(jié)構(gòu)面：以正弦或余弦曲線的形式出現(xiàn)，圖像色度均勻，顏色較深，與其周圍完整孔壁的圖像形成鮮明反差。傾角較小的結(jié)構(gòu)面，表現(xiàn)為一條近水平的直線；大角度甚至近垂直的結(jié)構(gòu)面則表現(xiàn)為兩條近乎平行的垂直線；③結(jié)構(gòu)面密集帶：圖像上表現(xiàn)為密集交錯的正、余弦曲線或者較寬的暗色條帶；④孔壁坍塌、掉塊以及破碎帶：圖像顏色很暗；⑤機械擾動導(dǎo)致孔壁破損或噪聲干擾：表現(xiàn)為粗細不均勻、形態(tài)不規(guī)則的深色曲線。

根據(jù)上述典型鉆孔孔壁圖像及其所對應(yīng)的含義，對鉆孔孔壁圖像進行解譯，其方法是：在孔壁二維圖像上建立與其同樣大小的新圖層，將孔壁二維圖像上的正弦/余弦曲線精確描繪在新圖層上，形成一張結(jié)構(gòu)面隨鉆孔深度分布的圖像。Well CAD軟件可自動計算每個結(jié)構(gòu)面的深度、傾向和傾角值，這些數(shù)值可以數(shù)字的方式輸出，或者以“蝌蚪”符表示，其中“蝌蚪”所在的區(qū)間代表結(jié)構(gòu)面傾角，“蝌蚪尾巴”的指向代表結(jié)構(gòu)面傾向，與傾向垂直的方向為結(jié)構(gòu)面走向（圖3）。

圖3 結(jié)構(gòu)面隨深度分布的超聲波電視圖像Fig.3 ATV image of structural planes distribution with depth

表1 鉆孔結(jié)構(gòu)面及結(jié)構(gòu)面密集帶/破碎帶統(tǒng)計表Table 1 Amount of fractures and intensive fractured zones in borehole

需要說明的是：在結(jié)構(gòu)面密集帶/破碎帶等孔段，孔壁二維圖像上無法有效逐一辨別結(jié)構(gòu)面（圖2D、E）。前人在處理類似圖像時，采用的方法是盡可能多地繪制結(jié)構(gòu)面，但極易造成結(jié)構(gòu)面數(shù)量增加以及產(chǎn)狀錯誤等后果，與實際情況嚴重不符，影響分析結(jié)果。考慮到結(jié)構(gòu)面密集帶/破碎帶是影響深部巖體工程質(zhì)量評價、巖體滲透性以及三維地質(zhì)建模的重要因素，將結(jié)構(gòu)面密集帶/破碎帶作為獨立片段劃分并進行統(tǒng)計。在將圖像解譯的結(jié)構(gòu)面數(shù)量和巖心編錄的結(jié)構(gòu)面數(shù)量進行對比時，必須先去掉這部分巖心段，以保證對比結(jié)果的精確性。

4 結(jié)構(gòu)面特征分析

4.1 結(jié)構(gòu)面數(shù)量及密度分析

根據(jù)孔壁二維圖像的解譯結(jié)果，獲得BS15#、BS16#孔深部巖體結(jié)構(gòu)面和結(jié)構(gòu)面密集帶/破碎帶的數(shù)量及分布范圍（表1）。由表1可見，BS15#孔的結(jié)構(gòu)面以及結(jié)構(gòu)面密集帶/破碎帶的數(shù)量相對BS16#孔較大，尤其是結(jié)構(gòu)面密集帶/破碎帶的分布范圍很廣，說明其巖體完整性要差一些。

以雙栓塞鉆孔水文試驗段為間距統(tǒng)計結(jié)構(gòu)面密度（圖4），結(jié)果顯示：超聲波鉆孔電視解譯獲得的結(jié)構(gòu)面密度與巖心編錄獲得的結(jié)構(gòu)面密度基本一致，總體表現(xiàn)為巖心編錄獲得的結(jié)構(gòu)面密度大于圖像解譯獲得的結(jié)構(gòu)面密度。分析原因主要有：①深部巖體的一些結(jié)構(gòu)面呈閉合狀態(tài)，鉆探取心后結(jié)構(gòu)面張開，而在鉆孔內(nèi)結(jié)構(gòu)面未受到擾動，超聲波鉆孔電視不能有效識別這些閉合結(jié)構(gòu)面，這種現(xiàn)象在兩個鉆孔中表現(xiàn)都很明顯；②一些脈體與圍巖的膠結(jié)程度較差，其接觸面較為薄弱，經(jīng)過鉆探或者搬運等機械擾動沿接觸面破裂形成新的結(jié)構(gòu)面；③巖體本身的薄弱結(jié)構(gòu)面，如片狀結(jié)構(gòu)，很容易破裂形成新的結(jié)構(gòu)面，BS16#孔下部的片麻巖中比較明顯。

圖4 超聲波鉆孔電視圖像解譯與巖心編錄的結(jié)構(gòu)面密度對比Fig.4 Comparison of density of fractures between the results from ATV and geological documentation of drill core

對于個別試驗段超聲波鉆孔電視解譯獲得的結(jié)構(gòu)面密度大于巖心編錄獲得的結(jié)構(gòu)面密度的現(xiàn)象，經(jīng)過對比分析后發(fā)現(xiàn)：這些試驗段基本位于結(jié)構(gòu)面密集帶或破碎帶附近。由于鉆探開挖使巖體應(yīng)力發(fā)生改變，結(jié)構(gòu)面密集帶或破碎帶附近的巖石會隨之發(fā)生破裂形成新的結(jié)構(gòu)面，從而使結(jié)構(gòu)面密度變大。

4.2 結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀分析

以10°傾角為間距分別統(tǒng)計超聲波鉆孔電視圖像解譯和巖心編錄的結(jié)構(gòu)面傾角分布（圖5），結(jié)果顯示：兩種方法的統(tǒng)計結(jié)果基本一致。結(jié)構(gòu)面以40°～70°的陡傾角為主。需要說明的是：①圖像解譯獲得的是結(jié)構(gòu)面的真傾角，其精確度遠大于巖心編錄測量的結(jié)構(gòu)面角度。尤其是傾斜鉆孔或者鉆孔偏移量很大時，巖心編錄的結(jié)構(gòu)面傾角只代表結(jié)構(gòu)面的視傾角；②對于近乎垂直或者斷面不平整的結(jié)構(gòu)面而言，圖像解譯的結(jié)構(gòu)面傾角其精確度會降低。因此，超聲波鉆孔電視測量系統(tǒng)對緩傾角結(jié)構(gòu)面的統(tǒng)計更具優(yōu)勢。

圖5 超聲波鉆孔電視圖像解譯與巖心編錄的結(jié)構(gòu)面傾角對比Fig.5 Comparison of dip angle of fractures between the results from ATV and geological documentation of drill core

4.3 優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面組分析

結(jié)構(gòu)面的特征可以有效反映區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場的特點，但是地表結(jié)構(gòu)面統(tǒng)計分析結(jié)果具有局限性，只代表淺部巖體的結(jié)構(gòu)面特征，因此需要結(jié)合深部巖體的結(jié)構(gòu)面特征綜合分析。綜合現(xiàn)今區(qū)域應(yīng)力場和結(jié)構(gòu)面的特征，可以分析判斷區(qū)域應(yīng)力場對結(jié)構(gòu)面的影響，為后續(xù)巖體穩(wěn)定性分析和工程開挖設(shè)計等工作提供參考依據(jù)。

根據(jù)超聲波鉆孔電視圖像解譯結(jié)果繪制的結(jié)構(gòu)面走向玫瑰花圖和傾向極密點圖（圖6）顯示：BS15#鉆孔內(nèi)的優(yōu)勢走向結(jié)構(gòu)面主要有NW290°～310°和 NE20°～30°兩組，結(jié)構(gòu)面主要傾向為NE和NW向；BS16#鉆孔內(nèi)的優(yōu)勢走向結(jié)構(gòu)面主要有NW270°～300°一組，其他方向的結(jié)構(gòu)面組并不明顯，傾向則主要為近EW和NW向兩組。

4.4 結(jié)構(gòu)面隙寬統(tǒng)計

結(jié)構(gòu)面隙寬是結(jié)構(gòu)面的重要特征之一。傳統(tǒng)方法可以通過巖心直接測量結(jié)構(gòu)面隙寬，但工作量巨大且精度較低。超聲波鉆孔電視可以有效解決這些問題，其測量方法是：將超聲波鉆孔電視孔壁二維圖像放大到最大比例尺，將結(jié)構(gòu)面的頂?shù)走厹蚀_描繪下來并將其所對應(yīng)的深度值相減，即可得到結(jié)構(gòu)面的視隙寬（圖7中AC），利用結(jié)構(gòu)面的傾角θ即可計算結(jié)構(gòu)面的真隙寬，即，隙寬AB＝AC·cosθ。

圖6 結(jié)構(gòu)面走向玫瑰花圖和傾向極密點圖（吳氏網(wǎng)下半球投影）Fig.6 Rose diagram and polar projection of fractures （Wulf net，lower hemisphere projection）

圖7 結(jié)構(gòu)面隙寬測量原理圖Fig.7 Measurement principle of structural plane aperture

根據(jù)這一原理，統(tǒng)計了BS15#、BS16#孔的結(jié)構(gòu)面隙寬（圖8）。由圖8可知：BS15#、BS16#孔的結(jié)構(gòu)面隙寬主要集中在1～4 mm范圍內(nèi)；BS15#孔大于5 mm的結(jié)構(gòu)面數(shù)量較多，而BS16#孔則相對很少。另外，超聲波鉆孔電視統(tǒng)計的結(jié)構(gòu)面隙寬要比巖心實際的結(jié)構(gòu)面隙寬大很多，其原因主要有：①這里的“結(jié)構(gòu)面”嚴格應(yīng)稱為超聲波鉆孔電視解譯“結(jié)構(gòu)面”，區(qū)別于地質(zhì)學(xué)中的“結(jié)構(gòu)面”的概念，其意義更加寬泛，包括節(jié)理、巖性界面等，相對應(yīng)的“結(jié)構(gòu)面隙寬”也出現(xiàn)不同的數(shù)量級，這就不難理解統(tǒng)計數(shù)據(jù)中會出現(xiàn)幾十毫米隙寬的現(xiàn)象；②正如前面所述及的隙寬計算方法，在進行描繪隙寬時，通常將圖像放大到最大比例尺，這無疑會擴大結(jié)構(gòu)面隙寬；③受到機械擾動的影響，結(jié)構(gòu)面上的充填物丟失后，沿結(jié)構(gòu)面兩側(cè)會出現(xiàn)小的破碎，尤其是在靠近孔壁內(nèi)的一側(cè)，這種現(xiàn)象會比較普遍，且破碎程度也嚴重一些，從而會造成隙寬擴大，這種現(xiàn)象在BS15#孔和BS16#孔的400 m左右的軟弱層比較普遍；④一些規(guī)模較大的近垂直結(jié)構(gòu)面，其結(jié)構(gòu)面與鉆孔相交角度很小，這類結(jié)構(gòu)面很容易被機械擾動。在實踐中也證實，規(guī)模較大的近垂直結(jié)構(gòu)面，鉆孔電視測得的隙寬遠大于實際巖心測得的隙寬，而傾角較小的結(jié)構(gòu)面這種情況相對不明顯。

圖8 BS15#、BS16#結(jié)構(gòu)面隙寬分布圖Fig.8 Variation frequency histogram of fracture aperture in BS15#，BS16#

5 結(jié)論與討論

通過在甘肅北山BS15#、BS16#孔中的實踐應(yīng)用表明：超聲波鉆孔電視可以提供大量的深部巖體結(jié)構(gòu)面特征的定量數(shù)據(jù)，如結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀、分布和隙寬等。利用這些數(shù)據(jù)可對鉆孔所揭露巖體的完整性、巖體區(qū)域穩(wěn)定性分析、巖體質(zhì)量分級和處置庫開挖設(shè)計等方面進行初步定量化分析。超聲波鉆孔電視可以有效地彌補鉆探巖心的部分地質(zhì)信息缺失，其結(jié)果更接近于客觀目標的特征。

作為一種地球物理方法，超聲波鉆孔電視及解譯結(jié)果具有不確定性和多解性，主要存在的問題有：

（1）超聲波可在清水、濃度不大的泥漿以及飽和鹽水中正常工作，但在干孔或金屬套管內(nèi)無法工作，其使用范圍具有一定限制。

（2）超聲波鉆孔電視可以有效分辨反射率差異較大的兩種介質(zhì)的接觸面，但對于閉合結(jié)構(gòu)面、反射率相近的脈體與圍巖以及巖性界面則無法識別，因此超聲波鉆孔電視圖像解譯的結(jié)構(gòu)面數(shù)量要比巖心編錄的結(jié)構(gòu)面數(shù)量少。

（3）圖像解譯具有多解性，尤其在結(jié)構(gòu)面密集帶或受機械擾動的區(qū)域?？梢岳脦r心進行對比分析去除錯誤的解譯結(jié)果。

（4）超聲波鉆孔電視測量的結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀和斷裂帶的分布范圍只是結(jié)構(gòu)面或斷裂帶在鉆孔范圍內(nèi)的特征參數(shù)，并不代表整條結(jié)構(gòu)面或斷裂帶的特點。對于規(guī)模較大的結(jié)構(gòu)面和斷裂帶，超聲波鉆孔電視無法獲得其在橫向范圍內(nèi)的延展長度和寬度。

超聲波鉆孔電視在地學(xué)和其他工程領(lǐng)域研究中取得了良好效果，結(jié)合巖心編錄和其他相關(guān)資料，使巖體質(zhì)量評價研究真正實現(xiàn)了由地表到地下，由定性到定量的過程，也為地球物理勘探工作提供了可靠的數(shù)據(jù)資料。

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