一种奥陶系灰岩顶部相对隔水层的微观结构特征判别方法

摘要

本发明公开一种奥陶系灰岩顶部相对隔水层的微观结构特征判别方法，所述微观结构的定性判别及微观结构的定量判别：所述微观结构的定性判别依据扫描电镜下获取的不同放大级别的扫面图片，定性判别其类型，分别为颗粒间溶蚀孔洞、晶体间溶蚀孔洞和溶蚀空洞；所述的微观结构的定量判别依据先判断的微观结构类型，利用MATLAB软件自编程对选择的典型放大级别的电镜下图片进行一系列的图片预处理、图像分割和图像定量分析过程，得到反应微观空隙结构的定量值。本发明微观结构特征判别方法与现有技术相比，把奥灰顶部相对隔水段的空隙分析从定性分析进展到定量分析，为镜下鉴别该段提供了技术依据，该方法有很好的确定性和适用性。

说明书

技术领域

本发明涉及水文地质与工程地质镜下分析技术领域，具体是一种奥陶系灰岩相对隔水层的微观结构判别方法。

背景技术

与浅部开采相比，华北型煤田深部下组煤层开采所面临的首要水文地质问题就是奥陶系灰岩高水压问题。在水文地质学范畴，奥陶系灰岩一直以来当做含水层对待。21世纪之后，众多学者总结了部分煤田的奥陶系顶部灰岩岩溶段的出水规律，即部分钻孔钻遇奥灰顶部(奥陶系灰岩顶部)时可能无水或只有点滴淋水出现，认识到奥陶系顶部灰岩岩溶带可以作为相对隔水层利用，可以增加奥灰和深部煤层的间距，减小突水系数，工程地质意义显著。这是对相对隔水层的宏观认识。也是现场工作人员普遍接受的观点。

但是关于华北型煤田奥陶系顶部灰岩岩溶段为什么可以当做隔水层利用，需要从问题的本质出发，进行进一步的探讨。在水文地质与工程地质领域对奥陶系灰岩的结构鉴定多集中在薄片的研究上，主要研究该段的矿物成分、沉积结构等。限制于光学显微镜下薄片的放大倍数，只能观测到裂隙及大的空隙，观察尺度只能为中观尺度，且只能对薄片获取的图像进行定性的描述和分析，不能利用现代测试分析技术对空隙进行定量的分析。在石油领域对对奥灰的微观空隙结构分析较为广泛，主要集中在碳酸盐岩沉积(成岩)环境意义和演化研究、成因及溶蚀机理研究等两个方面。但对奥陶系顶部灰岩的微观空隙结构研究在水文地质与工程地质领域却鲜见报道。

发明内容

本发明的目的在于提供一种奥陶系灰岩顶部相对隔水层的微观结构特征判别方法，利用扫描电镜试验微观空隙结构分析手段，对在华北型煤田中广泛分布的具有隔水意义的奥灰顶部段的空隙类型、结构进行了定性分析。基于上述微观试验结果，并应用MATLAB自编程序对该段的微观孔隙结构进行了定量分析。解决了针对该段现有技术只有中观尺度和定性分析的问题。进一步发现该段的微观空隙特征和结构特征，为在镜下鉴别奥陶系顶部相对隔水层段提供了方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

一种奥陶系灰岩顶部相对隔水层的微观结构特征判别方法，所述微观结构的定性判别及微观结构的定量判别：

S1：所述微观结构的定性判别依据扫描电镜下获取的不同放大级别的扫面图片，定性判别其类型，分别为颗粒间溶蚀孔洞、晶体间溶蚀孔洞和溶蚀空洞；

S2：所述的微观结构的定量判别依据先判断的微观结构类型，利用MATLAB软件自编程对选择的典型放大级别的电镜下图片进行一系列的图片预处理、图像分割和图像定量分析过程，得到反应微观空隙结构的定量值，即孔隙度。

进一步的，所述S1中微观结构的定性判别采用以下方法获取的，具体包括：

S11：在奥陶系灰岩顶部露头出露的野外或钻遇奥陶系灰岩顶部相对隔水层段的地质钻孔进行自浅至深的取样；

S12：将所有获取的样品敲碎并按照自浅至深的顺序进行挑选，选取样品大小小于15mm×15mm的样品，用工业酒精洗净样品表面的浮土，以防粉尘对真空系统造成影响；随后用环氧树脂把样品固定在小胶片上，放置30分钟后，切去小胶片上溢出样品的多余的树脂；同时对样品表面喷金，同样静置30分钟，完成对电镜下扫描图像的前期准备工作；

S13：将所有样品放置在扫描电镜下，对每个样品分别低倍、中倍和高倍放大倍数下的观察，在80倍、300倍、600倍、1000倍四个级别的视野下进行观察，并对重点区域放大倍数进行观察观察其空隙类型及特征，包括溶孔溶蚀特征及溶隙的展布连通特征；根据所有镜下观察结果，把奥陶系顶部相对隔水层段的微观空隙分为三种，分别为颗粒间溶蚀孔洞、晶体间溶蚀孔洞和溶蚀空洞；

进一步的，所述奥陶系灰岩顶部岩每隔0.3-0.5m取样；取样范围包括顶部风化比较严重段至裂隙被泥质或方解石等充填的段。

进一步的，所述S13中重点区域放大倍数为2400倍/5000倍/10000倍。

进一步的，所述颗粒间溶蚀孔洞发育在奥陶系顶部相对隔水层段的上部，初步判断其微观空隙为颗粒间溶蚀孔洞；再根据样品镜下表现出来的溶蚀特征进一步判断，粒间溶孔边缘平滑；颗粒和颗粒之间点状接触，溶孔之间相互连通，进一步向溶蚀裂隙发展；溶蚀特征是由分子浓度差异形成的扩散传输所控制，体现的是静水环境；两者结合判断奥陶系顶部相对隔水层的微观空隙类型之一为颗粒间溶蚀孔洞。

进一步的，所述晶体间溶蚀孔洞发育在奥陶系顶部相对隔水层段的中部，初步判断其微观空隙为晶体间溶蚀孔洞；再根据样品镜下表现出来的溶蚀特征进一步判断，晶体间溶蚀孔洞的溶蚀特征为边缘深、尖、狭窄、陡峭，溶蚀特征体现的是表面反应，表面反应水流涡旋促使溶解，体现的是动水环境；两者结合判断奥陶系顶部相对隔水层的微观空隙类型之一为晶体间溶蚀孔洞。

进一步的，所述溶蚀空洞发育在奥陶系顶部相对隔水层段的下部，初步判断其微观空隙为溶蚀空洞；根据样品镜下表现出来的溶蚀特征进一步判断，溶蚀空洞的粒径范围一般较溶蚀孔洞大，并且多被化学沉积的方解石晶簇不完全或完全充填；两者结合最终判断奥陶系顶部相对隔水层的微观空隙类型之一为晶体间溶蚀孔洞；

进一步的，所述S2微观结构的定量判别包括以下步骤：

S21：图片预处理：选用了两种滤波方法降噪，分别为medfi lt2滤波和wiener2滤波降噪，SEM对比度指颗粒区域和孔隙区域的灰度差，该差值在预处理种应做强化处理，便于下一步对SEM图像二值化分割；增强对比度可以在信息的空间域和频率域来实现，经过两种处理方式的反复对比采用了空间域imadjust函数对灰度值进行了线性变换增强SEM对比度；SEM图像的信息栏也具有灰度值，在预处理阶段需要裁剪掉；应用imcrop函数裁去图片的信息栏；

S22：图像分割：选用阈值，处理图像为只包含0和1的二值图；以0标识颗粒区域，1标识孔隙区域；初步采用迭代算法计算阈值后处理；

S23：图像的定量分析：采用bwperim函数对分割后的图像进行孔隙边缘进行提取；并且采用regionprops函数对图像的微观孔隙度进行了计算，最终获取奥陶系灰岩顶部相对隔水层的微观空隙定量值，即孔隙度；再通过比较该段与传统意义上的奥灰含水层段的孔隙度。

本发明的有益效果：

本发明先利用扫描电镜对奥灰顶部相对隔水段的空隙进行不同放大级别的观察，使最大放大级别达到微观尺度。通过获得取样位置及观察溶蚀颗粒、空洞、晶体的溶蚀特征及接触关系结合古水动力学特征，综合定性判断该段的空隙结构。再利用MATLAB软件自编程对选择的典型放大级别的电镜下图片进行一系列的图片预处理、图像分割、图像定量分析等过程，最终得到能够典型反应微观空隙结构的定量值。与现有技术相比，把奥灰顶部相对隔水段的空隙观察级别从中观尺度放大到了微观尺度，进一步解释了该段能作为相对隔水段的本质信息。与现有技术相比，把奥灰顶部相对隔水段的空隙分析从定性分析进展到定量分析，为镜下鉴别该段提供了技术依据，该方法有很好的确定性和适用性。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

图1为本发明奥灰顶部相对隔水层微观结构的判别方法流程图；

图2为本发明颗粒间溶蚀孔洞图；

图3为本发明晶体间溶蚀孔洞图；

图4为本发明溶蚀空洞图；

图5为本发明基于MATLAB的图片前期处理过程图；

图6为本发明基于MATLAB的图像分割过程图；

图7为本发明基于MATLAB的空隙提取过程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

(一)所述的微观结构的定性判别主要依据扫描电镜下获取的不同放大级别的扫面图片，定性判别其类型，分别为颗粒间溶蚀孔洞、晶体间溶蚀孔洞、溶蚀空洞。

微观结构的定性判别是用如下方法获取的，如图1所示，具体说明如下：

(1)首先在奥灰顶部露头出露的野外或钻遇奥灰顶部相对隔水层段的地质钻孔进行自浅至深的取样，因奥灰顶部岩石较风化，应每隔0.3-0.5m即取样。取样范围包括顶部风化比较严重段至裂隙被泥质或方解石等充填的段。

(2)其次将所有获取的样品敲碎并按照自浅至深的顺序进行挑选，选取样品大小小于15mm×15mm之内的样品，并用工业酒精洗净样品表面的浮土，以防粉尘对真空系统造成影响。随后用环氧树脂把样品固定在小胶片上，放置30分钟后，切去小胶片上溢出样品的多余的树脂，以防止对镜下的观察图片有影响。并同时对样品表面喷金，同样静置30分钟，即完成了对电镜下扫描图像的前期准备工作。

(3)再次将所有样品放置在扫描电镜下，对每个样品分别低倍、中倍、高倍放大倍数下的观察，即在80倍、300倍、600倍、1000倍四个级别的视野下进行观察，并对重点区域适当放大倍数(2400倍、5000倍、10000倍)进行观察观察其空隙类型及特征，包括溶孔溶蚀特征及溶隙的展布连通特征。最后，根据所有镜下观察结果，把奥陶系顶部相对隔水层段的微观空隙分为三种，分别为颗粒间溶蚀孔洞、晶体间溶蚀孔洞、溶蚀空洞。其判别的依据说明如下：

(3-1)颗粒间溶蚀孔洞：是指粒间的胶结物或灰泥被溶解所形成的孔隙。一般依据其发育的位置，即时常发育在奥陶系顶部相对隔水层段的上部，初步判断其微观空隙可能为颗粒间溶蚀孔洞。再根据样品镜下表现出来的溶蚀特征进一步判断，总体来看，粒间溶孔边缘平滑。颗粒和颗粒之间点状接触，溶孔之间大部分相互连通，进一步向溶蚀裂隙发展。该溶蚀特征是由分子浓度差异形成的扩散传输所控制，体现的是一种静水环境。两者结合最终判断奥陶系顶部相对隔水层的微观空隙类型之一为颗粒间溶蚀孔洞。

(3-2)晶体间溶蚀孔洞：是晶体间的灰泥被溶解所形成的孔隙。一般依据其发育的位置，即时常发育在奥陶系顶部相对隔水层段的中部，初步判断其微观空隙可能为晶体间溶蚀孔洞。再根据样品镜下表现出来的溶蚀特征进一步判断，即晶体间溶蚀孔洞的溶蚀特征一般为边缘深、尖、狭窄、陡峭，这种溶蚀特征体现的是表面反应，也就是说表面反应水流涡旋促使溶解，体现的是一种动水环境。两者结合最终判断奥陶系顶部相对隔水层的微观空隙类型之一为晶体间溶蚀孔洞。

(3-3)溶蚀空洞：是灰泥进一步溶解形成的空洞。一般依据其发育的位置，即时常发育在奥陶系顶部相对隔水层段的下部，初步判断其微观空隙可能为溶蚀空洞。再根据样品镜下表现出来的溶蚀特征进一步判断，即溶蚀空洞的粒径范围一般较溶蚀孔洞大，并且多被化学沉积的方解石晶簇不完全或完全充填。两者结合最终判断奥陶系顶部相对隔水层的微观空隙类型之一为晶体间溶蚀孔洞。

(二)所述的微观结构的定量判别主要依据先判断的微观结构类型，利用MATLAB软件自编程对选择的典型放大级别的电镜下图片进行一系列的图片预处理、图像分割、图像定量分析等过程，最终得到能够典型反应微观空隙结构的定量值，即孔隙度。

微观结构的定量判别是用如下方法获取的，具体说明如下：

(1)图片预处理：扫描电镜下获取的图片(SEM图像)有两个突出的缺点，严重影响下一步图像处理的准确性。其一，TIFF图像噪声多、对比度小。针对噪声多的缺点，本方法选用了两种滤波方法降噪，分别为medfi lt2滤波和wiener2滤波降噪，这两种滤波在保留主要信息方面有强大优势，避免了降噪引起的重要信息丢失。SEM对比度指颗粒区域和孔隙区域的灰度差，该差值在预处理种应做强化处理，便于下一步对SEM图像二值化分割。增强对比度可以在信息的空间域和频率域来实现，本方法经过两种处理方式的反复对比采用了空间域imadjust函数对灰度值进行了线性变换，增强了SEM对比度。其二，SEM图像的信息栏也具有一定灰度值，在预处理阶段需要裁剪掉，避免对SEM对比度产生影响。应用imcrop函数裁去图片的信息栏。

(2)图像分割：为便于孔隙度定量化，需要把图像进行分割，即选用一定阈值，处理图像为只包含0和1的二值图。以0标识颗粒区域，1标识孔隙区域。本方法初步采用迭代算法计算阈值后处理，但该图像效果不佳，含多种麻点等，随后进行了去麻点处理，为定量分析孔隙结构提供基础。

(3)图像的定量分析：本方法采用bwperim函数对分割后的图像进行孔隙边缘进行提取。并且采用regionprops函数对图像的微观孔隙度进行了计算，最终获取奥灰顶部相对隔水层的微观空隙定量值，即孔隙度。

下面通过图、表及实施例对本发明进一步说明

实施例1：所述的微观结构定性判别具体步骤如下：

S1：取样20个，其中露头岩样为4个(编号为D1至D4),取自邹城石墙镇奥灰露头，岩性为风化灰岩。钻孔岩样为16个(编号为Z1至Z16)，取自兖州煤田兴隆庄煤矿O2-26孔奥灰揭露段，岩性分别为泥岩、泥灰岩、灰岩。其中Z1-Z7号样品特征多被泥质或方解石充填，Z8-Z16号样品特征为裂隙充填物较少。

S2：其次将所有获取的样品敲碎并按照自浅至深的顺序进行挑选，选取样品大小小于15mm×15mm之内的样品，并用工业酒精洗净样品表面的浮土，以防粉尘对真空系统造成影响。随后用环氧树脂把样品固定在小胶片上，放置30分钟后，切去小胶片上溢出样品的多余的树脂，以防止对镜下的观察图片有影响。并同时对样品表面喷金，同样静置30分钟，即完成了对电镜下扫描图像的前期准备工作。

S3：再次将所有样品放置在扫描电镜下，对每个样品分别低倍、中倍、高倍放大倍数下的观察，即在80倍、300倍、600倍、1000倍四个级别的视野下进行观察，并对重点区域适当放大倍数(2400倍、5000倍、10000倍)进行观察观察其空隙类型及特征，包括溶孔溶蚀特征及溶隙的展布连通特征。最后，根据所有镜下观察结果，把奥陶系顶部相对隔水层段的微观空隙分为三种，分别为颗粒间溶蚀孔洞、晶体间溶蚀孔洞、溶蚀空洞。其判别的依据说明如下：

S31：颗粒间溶蚀孔洞：是指粒间的胶结物或灰泥被溶解所形成的孔隙。本次取样中颗粒间溶蚀孔洞特征比较明显的是Z1号样品，同时该样品也是发育在奥灰顶部相对隔水层的上部。该样品镜下表现出来的溶蚀特征是粒间溶孔边缘平滑。颗粒和颗粒之间点状接触，溶孔之间大部分相互连通，进一步向溶蚀裂隙发展。如图2所示。故综合判断Z1号样品的微观结构类型为颗粒间溶蚀孔洞。

S32：晶体间溶蚀孔洞：是晶体间的灰泥被溶解所形成的孔隙。本次取样中晶体间溶蚀孔洞特征比较明显的是Z4号样品，同时该样品也是发育在奥灰顶部相对隔水层的中部。该样品镜下表现出来的溶蚀特是为边缘深、尖、狭窄、陡峭，这种溶蚀特征体现的是表面反应，也就是说表面反应水流涡旋促使溶解，体现的是一种动水环境，如图3所示。故综合判断Z4号样品的微观结构类型为晶体间溶蚀孔洞。

S33：溶蚀空洞：是灰泥进一步溶解形成的空洞。本次取样中溶蚀空洞特征比较明显的是Z6号样品，同时该样品也是发育在奥灰顶部相对隔水层的下部。该样品溶蚀空洞的粒径范围一般较溶蚀孔洞大，空洞内部间方解石充填。如图4所示。故综合判断Z6号样品的微观结构类型为溶蚀空洞。

所述的微观结构量判别，包括图像预处理、图像分割和图像定量分析。具体步骤如下：

因三种类型的定量判别处理步骤相同，只选取比较典型的颗粒间溶蚀孔洞类型的定量判别进详细叙述，对应的样品编号为Z1。

S4：图片预处理：扫描电镜下获取的图片(SEM图像)有两个突出的缺点，严重影响下一步图像处理的准确性。其一，TIFF图像噪声多、对比度小。针对噪声多的缺点，本次选用了两种滤波方法降噪，分别为medfi lt2滤波和wiener2滤波降噪，这两种滤波在保留主要信息方面有强大优势，避免了降噪引起的重要信息丢失，处理前后对比如图5(a)及图5(b)所示。SEM对比度指颗粒区域和孔隙区域的灰度差，该差值在预处理种应做强化处理，便于下一步对SEM图像二值化分割。增强对比度可以在信息的空间域和频率域来实现，经过两种处理方式的反复对比采用了空间域imadjust函数对灰度值进行了线性变换，增强了SEM对比度，处理结果如图5(c)所示。其二，SEM图像的信息栏也具有一定灰度值，在预处理阶段需要裁剪掉，避免对SEM对比度产生影响。应用imcrop函数裁去图片的信息栏，处理结果如图5(c)所示。

S5：图像分割：为便于孔隙度定量化，需要把图像进行分割，即选用一定阈值，处理图像为只包含0和1的二值图。以0标识颗粒区域，1标识孔隙区域。初步采用迭代算法计算阈值后处理，如图6(a)所示，但该图像效果不佳，含多种麻点等，随后进行了去麻点处理，处理结果如图6(b)如图，为定量分析孔隙结构提供基础。

S6；图像定量分析：图像的定量分析需要对孔隙边缘进行提取，本次采用bwperim函数进行上述处理，提取结果如图7所示。本次孔隙结构的定量分析主要关注孔隙的微观孔隙度，其中微观孔隙度是孔隙几何参数的一种参数。采用regionprops函数进行了20个试样典型扫描图像的微观孔隙度的识别，由试验结果可知，D1-D4样品的微观孔隙度为0.25-0.27之间，这是由于中风化灰岩由于取自充填带露头未被泥质充填段，孔隙度比较大。而Z1-Z7样品中灰岩段的孔隙度为0.12-0.25之间，这是由于奥灰顶部相对隔水层段空隙被泥质或方解石充填的原因。Z8-Z16样品种灰岩段的孔隙度为0.21-0.28之间，这是由于该段孔隙发育无充填与传统意义上的奥灰含水层无本质区别，不具有隔水性质。进一步说明了奥灰顶部相对隔水层能够隔水的本质原因。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。