一种基于短波红外光谱技术的蚀变岩强度预测方法

摘要

本发明公开了一种基于短波红外光谱技术的蚀变岩强度预测方法，包括以下步骤：S1.建立蚀变岩的短波红外光谱曲线特性‑单轴抗压强度数据关系模型；S2.取待测蚀变岩样品，进行短波红外光谱测试，得到待测蚀变岩样品的短波红外光谱图，分析其曲线特征，根据蚀变岩的短波红外光谱曲线特性‑单轴抗压强度数据关系模型，得到待测蚀变岩样品的预测强度。本发明首先建立蚀变岩的短波红外光谱曲线特性‑单轴抗压强度数据关系模型，然后根据该模型可快速、准确、便捷的对待测蚀变岩样品的强度进行分级预测，可极大节约检测成本、节省建设周期，对蚀变岩地区大型工程建设具有重大的实用意义。

说明书

技术领域

本发明属于地质资源与地质工程研究领域，尤其是水利水电工程领域，具体涉及了一种基于短波红外光谱技术的蚀变岩强度预测方法。

背景技术

蚀变作用引起岩石的化学成分、矿物成分以及结构构造发生改变，所形成的岩石称为蚀变岩。蚀变岩常见于水利水电工程(如大岗山坝区、广州抽水蓄能电站、琅琊山抽水蓄能电站、青石岭水电站、天池抽水蓄能电站、小湾水电站、浙江磐安抽水蓄能电站)、交通工程(如洛湛铁路、滇藏铁路、灯火寨隧道、清水隧道)等各类岩体工程中。

蚀变作用改变了岩体矿物组成成分、降低了岩体质量、劣化了岩体物理力学性质，最终弱化了岩体的工程地质特性，对岩体工程的稳定性、耐久性造成不利影响。由于接触带附近的大部分花岗岩和凝灰岩产生了大规模的蚀变，灯火寨隧道在开挖过程中发生了几次大规模的突泥突水事件。蒋效忠的研究表明，岩体的蚀变是控制大跨度地下洞室稳定性的主要因素之一。清水隧道开挖过程中，地下水渗流和蚀变岩遇水软化是造成蚀变岩地区隧道变形最主要的因素。天池抽水蓄能电站地下洞室、大坝坝基以及库岸边坡围岩的稳定性受到岩体蚀变的直接影响，工程运营期间工程体、支护结构的耐久性受到岩体蚀变的长期影响。孙强的研究指出，蚀变岩体在地下水作用下结构变的更为松散，强度更低，会发生渗透变形。岩石蚀变强烈地段存在扩容现象、在开挖时容易出现塌方。蚀变岩体被开挖后，尽管进行了初期支护，但围岩变形仍然较大，对施工安全以及隧道结构稳定性有较大影响。杨根兰指出，蚀变岩的工程特性将影响坝基的稳定性，甚至影响大坝的安全。

抗压强度是岩石最重要的力学指标之一，现有方法技术手段获得蚀变岩石抗压强度多依靠现场原位试验和室内试验，其弊端是周期长、成本高、无法大规模开展。

因此，建立一种基于短波红外光谱技术的蚀变岩强度预测方法，对蚀变岩强度能够进行快速、准确预测，更好服务于工程勘察、规划、设计、施工以及后期运营维护，可极大节约检测成本、节省建设周期，对蚀变岩地区大型工程建设具有重大的实用意义。

发明内容

本发明的目的就在于为更好地服务于实际工程，为工程勘测、规划、设计、施工等建设过程的现场决策提供依据而提出的一种基于短波红外光谱技术的蚀变岩强度预测方法。

本发明的目的是以下述技术方案实现的:

一种基于短波红外光谱技术的蚀变岩强度预测方法，包括以下步骤：

S1.建立蚀变岩的短波红外光谱曲线特性-单轴抗压强度数据关系模型；

S2.取待测蚀变岩样品，进行短波红外光谱测试，得到所述待测蚀变岩样品的短波红外光谱图，分析其曲线特征，根据所述蚀变岩的短波红外光谱曲线特性-单轴抗压强度数据关系模型，得到所述待测蚀变岩样品的预测强度。

优选的，所述短波红外光谱测试所用仪器主要参数指标为：仪器探测范围为1300～2500nm。

优选的，所述短波红外光谱测试所用仪器其他参数指标为：光谱带宽：优于7nm；光谱扫描分辨率：2nm；波长准确度：优于±1nm；波长重复性：优于±0.2nm；信噪比：平均优于2500:1，RMS值优于10000:1。

优选的，所述短波红外光谱测试系统为矿物光谱分析专家系统MSA。

优选的，步骤S1所述曲线特征包括短波红外光谱图中特征吸收峰的数量特征及峰位特征。

优选的，所述蚀变岩的短波红外光谱曲线特性-单轴抗压强度数据关系模型如表1所示，

表1蚀变岩的短波红外光谱曲线特性-单轴抗压强度数据关系模型对照表

在1350～1550nm、1880～2040nm、2160～2220nm、2306～2365nm四个特征吸收峰位区间内，有2个特征吸收峰的蚀变岩强度为I级，>150MPa；有4个特征吸收峰的为II级，强度为100～150MPa；有3个特征吸收峰的为III级，强度<100MPa。

本发明首先建立蚀变岩的短波红外光谱曲线特性-单轴抗压强度数据关系模型，然后根据该模型可快速(可即时进行强度分级/预测)、准确(测试结果表明本方法准确率达到85％)、便捷(SWIR对环境要求不高，可在工程现场进行)的对待测蚀变岩样品的强度进行分级预测，可更好服务于工程勘察、规划、设计、施工以及后期运营维护，可极大节约检测成本、节省建设周期，对蚀变岩地区大型工程建设具有重大的实用意义。

附图说明

图1为蚀变岩样品SWIR光谱测试分析设备图；

图2为岩样SK24-10-1短波红外光谱曲线(3个特征吸收峰)；

图3为岩样YK10-22-1短波红外光谱曲线(4个特征吸收峰)；

图4为岩样YK10-11-2短波红外光谱曲线(2个特征吸收峰)；

图5为岩样YK10-4-1短波红外光谱曲线(3个特征吸收峰)；

图6为岩样XK6-9-1短波红外光谱曲线(4个特征吸收峰)；

图7为岩样XK6-8-1短波红外光谱曲线(2个特征吸收峰)；

图8为岩样YK7-3-1短波红外光谱曲线(3个特征吸收峰)；

图9为岩样XK31-17-1短波红外光谱曲线(3个特征吸收峰)；

图10为岩样YK10-27-1短波红外光谱曲线(4个特征吸收峰)；

图11为岩样SK31-1-15-1-2短波红外光谱曲线(4个特征吸收峰)；

图12为岩样SK31-1-1-1-1短波红外光谱曲线(2个特征吸收峰)；

图13为岩样SK31-1-2-1短波红外光谱曲线(2个特征吸收峰)。

附图中，1-计算机，2-BJKF-II型便携式近红外矿物分析仪，3-光源测试窗口，4-试样，5-标准白板，6-矿物快速测定与分析系统MSA。

具体实施方式

本发明提供的基于短波红外光谱技术的蚀变岩强度预测方法，包括以下步骤：

S1.建立蚀变岩的短波红外光谱曲线特性-单轴抗压强度数据关系模型；

S2.取待测蚀变岩样品，进行短波红外光谱测试，得到待测蚀变岩样品的短波红外光谱图，分析其曲线特征，根据蚀变岩的短波红外光谱曲线特性-单轴抗压强度数据关系模型，得到待测蚀变岩样品的预测强度。

短波红外光谱技术已广泛应用于蚀变岩石矿物成分分析中，技术也比较成熟，然而目前还没有将其和强度相结合的研究报道，本发明首先建立蚀变岩的短波红外光谱曲线特性-单轴抗压强度数据关系模型，根据该模型和待测蚀变岩石样品的短波红外光谱测试光谱图，可快速(可即时进行强度分级/预测)准确(测试结果表明本方法准确率达到85％以上)便捷(SWIR对环境要求不高，可在工程现场进行)的对待测蚀变岩样品的强度进行分级预测，具有良好的工程应用价值。

蚀变岩的短波红外光谱曲线特性-单轴抗压强度数据关系模型，可在对多个典型蚀变岩样品进行短波红外光谱测试和室内单轴抗压强度测试的基础上，然后分析得到的短波红外光谱图的曲线特性与对应的单轴抗压强度之间的关系，建立得到。

典型蚀变岩样品取自中国东南某水电站工程区的多组来自不同地点、不同岩石类型、不同蚀变4程度的通过钻机钻取的蚀变岩石的岩芯样品，原则上样品数量和种类越多越好，但是要求岩石结构较为完整、能够成样，可以进行室内单轴抗压强度试验。

优选的，短波红外光谱测试仪器主要参数指标为：仪器探测范围为1300～2500nm。

短波红外光谱测试仪器其他参数指标为：光谱带宽：优于7nm；光谱扫描分辨率：2nm；波长准确度：优于±1nm；波长重复性：优于±0.2nm；信噪比：平均优于2500:1，RMS值优于10000:1。

优选的，本发明短波红外光谱测试器为BJKF-II型便携式近红外矿物分析仪(南京中地仪器有限公司)，测试系统为仪器自带的矿物光谱分析专家系统MSA(MineralSpectral Analyses)，如图1所示。

短波红外光谱测试主要步骤为：

1)连接BJKF-II型便携式近红外矿物分析仪和计算机，打开计算机中矿物光谱分析专家系统MSA；2)初始化(进行波长初始化)；3)本底扫描；4)参比扫描(先把参比板放在窗口上，然后点击进行参比扫描)；5：样品扫描(将试样待测试点对准测试窗口进行扫描)。样品的短波红外光谱图的曲线特性分析可采用“近红外矿物快速测定与分析系统MSAV7.0825”。

优选的，步骤S1曲线特征包括短波红外光谱图中特征吸收峰的数量特征及峰位特征。特征吸收峰数量和峰位可表征蚀变岩石中的矿物成分种类，进而可一定程度上表征蚀变岩强度。

曲线特征分析主要步骤为：

1)打开近红外矿物快速测定与分析系统MSAV7.0825；2)打开测试得到的蚀变岩样品的光谱文件，如样品SK24-10-1.xlc，该光谱文件打开后为试样SK24-10-1的SWIR光谱曲线，如图2；3)设置寻峰波长区间，优选为1350～1550nm(下称“区间1”)、1880～2040nm(下称“区间2”)、2160～2220nm(下称“区间3”)、2306～2365nm(下称“区间4”)；4)点击“寻峰”功能，得到曲线上4个波长区间内的吸收峰(以下称为“特征吸收峰”)波长，试样SK24-10-1的SWIR光谱曲线的特征吸收峰数量有3个，分别位于1414nm(区间1内)、1912nm(区间2内)、2204nm(区间3内)，区间4内无特征吸收峰，如图2所示。

经分析研究建立的蚀变岩的短波红外光谱曲线特性-单轴抗压强度数据关系模型如表1所示，

表1蚀变岩的短波红外光谱曲线特性-单轴抗压强度数据关系模型对照表

从表1可知，根据蚀变岩体SWIR曲线特征吸收峰数量特征，可将蚀变岩强度分为3个等级：

I级，强度高于150MPa。其岩体短波红外光谱有以下特征：在4个特征吸收峰位区间中，有2个明显的特征吸收峰；

II级，强度介于100MPa～150MPa。其岩体短波红外光谱有以下特征：在4个特征吸收峰位区间中，有4个明显的特征吸收峰；

III级，强度低于100MPa。其岩体短波红外光谱有以下特征：在4个特征吸收峰位区间中，有3个明显的特征吸收峰。

研究还发现有极个别样品在上述区间内的特征吸收峰小于2个，其强度没有明显的规律。

方法的准确性验证

取60组待测蚀变岩样品进行短波红外光谱SWIR测试分析，和室内单轴压缩试验，获得了各试样的在峰位区间的特征吸收峰数量、以及各试样的单轴抗压强度，验证本发明方法的准确性和实用性。具体步骤如下：

测试使用的仪器为：BJKF-II型便携式近红外矿物分析仪(南京中地仪器有限公司)，其主要参数指标为：仪器探测范围：1300～2500nm；光谱带宽：优于7nm；光谱扫描分辨率：2nm；波长准确度：优于±1nm；波长重复性：优于±0.2nm；信噪比：平均优于2500:1，RMS值优于10000:1。

对待测蚀变岩样品开展短波红外光谱SWIR测试的主要测试步骤为：1)连接BJKF-II型便携式近红外矿物分析仪和计算机，打开计算机中矿物光谱分析专家系统MSA(Mineral Spectral Analyses)，并打开光源；2)初始化(进行波长初始化)；3)本底扫描；4)参比扫描(先把参比板放在窗口上，然后点击进行参比扫描)；5)：样品扫描(将试样待测试点对准光源进行扫描)。测试过程中需要注意的是：1)测试前，先将样品清洗干净，晾干；2)为避免发生异常情况，每块样品一般测试3个点，用记号笔依次画出圆形、三角形和正方形把测试的点位标记出来(或用不同颜色的笔标记出来)；3)测试过程中，为保证测试数据的质量，每隔20分钟对仪器进行初始化操作以及参比扫描操作各一次。

对短波红外SWIR测试成果进行分析，分析步骤为：

1)打开近红外矿物快速测定与分析系统MSAV7.0825；2)打开测试得到的蚀变岩样品的光谱文件，如样品SK24-10-1.xlc，该光谱文件打开后为试样SK24-10-1的SWIR光谱曲线，如图2；3)设置寻峰波长区间为1350～1550nm(下称“区间1”)、1880～2040nm(下称“区间2”)、2160～2220nm(下称“区间3”)、2306～2365nm(下称“区间4”)；4)点击“寻峰”功能，得到曲线上4个波长区间内的吸收峰(以下称为“特征吸收峰”)波长，试样SK24-10-1的SWIR光谱曲线的特征吸收峰数量有3个，分别位于1414nm(区间1内)、1912nm(区间2内)、2204nm(区间3内)，区间4内无特征吸收峰，如图2所示。

根据如表1所示的蚀变岩的短波红外光谱曲线特性-单轴抗压强度数据关系模型对照表，预测得到该样品强度。

然后取待测蚀变岩样品经切割、打磨、制样，进行室内单轴抗压强度测试，得到待测蚀变岩样品的强度，与经SWIR测试得到的预测强度进行对比，验证本发明方法准确性，下面举例说明几个典型样品：

1.强度等级为III级的

图2为岩样SK24-10-1的SWIR光谱曲线，由图可见，该岩样的SWIR光谱曲线有3个特征吸收峰，分别位于1414nm(区间1内)、1912nm(区间2内)、2204nm(区间3内)。根据表1，该岩样的强度应划分为III级，即强度低于100MPa。该岩样室内实测单轴抗压强度为75.7MPa。因此，通过本发明方法预测的结果与室内实测试验结果相符合。

2.强度等级为II级的

图3为岩样YK10-22-1的SWIR光谱曲线，由图可见，该岩样的短波红外光谱曲线有4个特征吸收峰，分别位于1416nm(区间1内)、1914nm(区间2内)、2220nm(区间3内)、2354nm(区间4内)。根据表1，该岩样的强度应划分为II级，强度介于100MPa～150MPa。该岩样室内实测单轴抗压强度为137.3MPa。因此，通过本发明方法预测的结果与室内实测试验结果相符合。

3.强度等级为I级的

图4为岩样YK10-11-2的SWIR光谱曲线，由图可见，该岩样的SWIR光谱曲线有2个特征吸收峰，分别位于1920nm(区间2内)、2206nm(区间3内)，根据表1，该岩样的强度应划分为I级，强度高于150MPa。该岩样室内实测单轴抗压强度为183.6MPa。因此，通过本发明方法预测的结果与室内实测试验结果相符合。

4.误差较小可忽略，可视为符合的

图5为岩样YK10-4-1的SWIR光谱曲线，由图可见，该岩样的SWIR光谱曲线有3个特征吸收峰，分别位于1416nm(区间1内)、1912nm(区间2内)、2216nm(区间3内)。

根据表1，其强度应属于III级，即强度低于100MPa。该岩样室内实测单轴抗压强度为102.1MPa，略高于100MPa，差值为2.1MPa，误差较小可忽略。因此，通过本发明方法预测的结果可视为符合室内实测试验结果。

图6为岩样XK6-9-1的SWIR光谱曲线，由图可见，该岩样的SWIR光谱曲线有4个特征吸收峰，分别位于1412nm(区间1内)、1910nm(区间2内)、2204nm(区间3内)、2346nm(区间4内)。

根据表1，其强度应属于II级，即强度介于100MPa～150MPa，该岩样室内实测单轴抗压强度为152.7MPa，略高于150MPa，差值为2.7MPa，误差较小可忽略。因此，通过本发明方法预测的结果可视为符合室内实测试验结果。

图7为岩样XK6-8-1的SWIR光谱曲线，由图可见，该岩样的SWIR光谱曲线有2个特征吸收峰，分别位于1920nm(区间2内)、2208nm(区间3内)。

根据表1，其强度应属于I级，即强度高于150MPa，该岩样室内实测单轴抗压强度为147.4MPa，略低于150MPa，差值为2.6MPa，误差较小可忽略。因此，通过本发明方法预测的结果可视为符合室内实测试验结果。

图8～13为其他几个典型样品的SWIR光谱曲线图。

统计60个蚀变岩石试样的SWIR曲线中4个波长区间(1350～1550nm、1880～2040nm、2160～2220nm、2306～2365nm)的特征吸收峰数量及室内单轴抗压强度，统计结果见表2。

表2

由表2可知，60组试样中，通过本发明方法预测的结果符合室内实测试验结果的试样有51组(其中包括5组可视为符合的)，准确率达到85.0％。说明采用此方法对蚀变岩强度进行快速分级及强度预测可靠性高、效果良好。

现有技术室内单轴抗压强度实验需将岩样从现场运回室内进行试样制备(钻机所取的试样不可直接测试，还需进一步制备)、测试，仍需耗费大量的人力、财力、物力和时间，本发明只需在现场对蚀变岩样品进行快速SWIR测试(钻机所取的试样可直接测试)，然后根据如表1所示的短波红外光谱曲线特性-单轴抗压强度数据关系模型快速准确的对蚀变岩强度进行快速分级及强度预测。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。