CT扫描技术对岩石孔隙结构的研究_马文国

《火山岩气藏微观孔隙结构及核磁共振特征实验研究》篇一一、引言火山岩气藏作为非常规天然气资源的重要组成部分，其开采与利用对于保障国家能源安全和促进经济发展具有重要意义。

火山岩气藏的储层特征复杂，其微观孔隙结构与储层物性直接决定了气藏的产能与开发效果。

近年来，随着科技的进步，核磁共振技术因其高灵敏度与无损检测的特性，在火山岩气藏的研究中得到了广泛应用。

本文将就火山岩气藏的微观孔隙结构及核磁共振特征进行实验研究，旨在揭示其储层特征与储集能力之间的关系。

二、火山岩气藏的微观孔隙结构研究（一）火山岩的成因与分类火山岩是由火山喷发形成的岩石，其结构与成分因火山喷发的方式、温度及压力等因素而异。

火山岩的孔隙结构主要由岩浆冷却后的结晶收缩、气体逃逸、以及后期的风化作用等因素形成。

火山岩按其成因可大致分为熔岩流型、火山碎屑型等。

（二）微观孔隙结构的观察方法微观孔隙结构的观察主要依靠显微镜、扫描电镜等技术手段。

其中，光学显微镜可用于观察岩样薄片中的孔隙形态；扫描电镜则可以更详细地揭示孔隙内部的结构和分布。

此外，图像处理技术也广泛应用于分析孔隙的大小、形状和连通性等特征。

（三）火山岩微观孔隙结构特征火山岩的微观孔隙结构具有多尺度、复杂性和非均质性的特点。

在扫描电镜下，我们可以观察到火山岩中存在着大量的微米级孔隙和纳米级孔洞。

这些孔隙的形成与岩浆的冷却结晶、气体逃逸等过程密切相关。

此外，火山岩中的裂缝和节理也是重要的储集空间。

三、核磁共振技术在火山岩气藏研究中的应用（一）核磁共振技术原理核磁共振技术是一种基于核自旋的物理现象进行测量的技术。

在岩石物理领域，核磁共振技术主要用于测量岩石中的含油/气饱和度和孔隙度等参数。

核磁共振仪通过测量岩石中氢核的共振信号来反映岩石内部的孔隙特征。

（二）核磁共振实验方法及数据处理在火山岩气藏研究中，核磁共振实验通常采用取芯样品或钻井液样品进行。

实验过程中，通过改变磁场强度和频率等参数来获取岩石的核磁共振信号。

基于CT的岩石三维裂隙定量表征及扩展演化细观研究一、本文概述随着科学技术的发展，尤其是计算机断层扫描（CT）技术的广泛应用，岩石内部细微结构的研究进入了全新的阶段。

岩石作为一种典型的非均质材料，其内部存在着大量复杂的裂隙结构，这些结构对岩石的物理力学性质具有重要的影响。

因此，对岩石裂隙进行定量表征及扩展演化的细观研究，对于理解岩石的力学行为、预测地质灾害、优化岩石工程设计等都具有重要的理论和实践意义。

本文旨在通过基于CT的岩石三维裂隙定量表征及扩展演化细观研究，深入探讨岩石内部裂隙的三维几何特征、分布规律以及在外界条件作用下的扩展演化过程。

研究内容包括但不限于：利用CT技术获取岩石内部裂隙的三维图像数据，通过图像处理和分析技术提取裂隙的几何参数，建立裂隙的三维模型；分析裂隙在不同尺度下的分布规律和统计特性，揭示裂隙网络的复杂性；研究在外部应力、温度、渗流等条件下，裂隙的扩展演化规律和机制，预测岩石的破坏行为。

本文的研究方法和技术手段包括CT扫描技术、图像处理技术、三维建模技术、统计分析方法以及数值模拟技术等。

通过这些方法的综合运用，期望能够实现对岩石裂隙的精确表征和深入理解，为岩石力学和相关领域的研究提供新的思路和方法。

本文的研究结果也将为岩石工程的实践提供有益的参考和指导。

二、岩石三维裂隙CT扫描技术与数据处理岩石的三维裂隙定量表征首先依赖于高精度的CT扫描技术。

CT 扫描技术，即计算机断层扫描技术，以其非破坏性、高分辨率和强大的三维重建能力，在岩石力学、地质工程和其他相关领域得到了广泛应用。

CT扫描通过获取物体内部不同角度的射线投影图像，再经过特定的算法重构出物体的内部三维结构，为岩石内部裂隙的精细观察提供了有力手段。

在岩石CT扫描过程中，首先需要对岩石样品进行预处理，如表面清洁、固定和标记等，以确保扫描结果的准确性和可对比性。

随后，将岩石样品置于CT扫描设备中，通过精确控制扫描参数，如射线能量、曝光时间、扫描角度等，获取高质量的投影图像数据。

压汞法研究岩心孔隙结构特征马文国;王影;海明月;夏惠芬;冯海潮;吴迪【摘要】The artificial cores are widely used in the various types of oil displacement experiments. According to the pore structure characteristics of the artificial cores and natural cores, the natural cores and artificial cores with different permeability are selected for conventional mercury penetration experiment. The pore structure characteristics parameters are studied and the pore volume and pore-throat ratio of different pore radius intervals are analyzed. The pore structure characteristics of the artificial cores and natural cores are givea The result shows that the pore structure of the high permeability artificial cores and the natural cores are close, the great mass of the pore volume distributes in the pore radii from 5 μm to 20μm. For the artificial cores with mid-lower permeability, the pore volume proportion is less than the natural cores in the small pore. So there are some differences for the pore structure between artificial cores and the natural cores with mid-lower permeability.%人造岩心广泛用于各类驱油实验,针对人造岩心与天然岩心的孔隙结构问题,选取不同渗透率的人造岩心及天然岩心进行常规压汞实验,研究了表征岩石孔隙结构特征的各项参数,分析了不同孔隙半径区间的孔隙体积及孔喉比等特点,给出了人造岩心和天然岩心的孔隙结构特征.研究结果表明,高渗透率的人造岩心与天然岩心的孔隙结构相近,孔隙体积大部分集中在半径区间为(5μm,20 μm]；而中低渗透层的人造岩心,在孔隙半径较小区间的孔隙体积所占比例小于天然岩心的,孔隙结构有一定差异.【期刊名称】《实验技术与管理》【年(卷),期】2013(030)001【总页数】4页(P66-69)【关键词】岩心孔隙结构;压汞实验;毛管压力曲线【作者】马文国;王影;海明月;夏惠芬;冯海潮;吴迪【作者单位】东北石油大学教育部提高油气采收率重点实验室,黑龙江大庆163318【正文语种】中文【中图分类】TE357.4近年来人们对岩石系的孔隙结构进行了大量研究，蒲秀刚等［1］，通过扫描电镜和常规压汞实验，研究了岩石孔渗参数和储层孔隙结构参数之间的定量关系。

《火山岩气藏微观孔隙结构及核磁共振特征实验研究》篇一一、引言随着能源需求的日益增长，对火山岩气藏的开采与利用成为了能源勘探与开发的重要方向。

火山岩气藏因其特殊的成藏机理和复杂的物理结构，具有较高的储气和产能潜力。

而其微观孔隙结构和核磁共振特征作为描述其物理特性的重要参数，对于火山岩气藏的勘探、开发及生产具有重要指导意义。

本文旨在通过实验研究火山岩气藏的微观孔隙结构及核磁共振特征，以期为火山岩气藏的开采与利用提供理论依据。

二、实验材料与方法（一）实验材料本实验所需材料包括火山岩样品、核磁共振仪器等。

火山岩样品需来自不同的地区和层位，以获得具有代表性的样品。

（二）实验方法1. 样品处理：对火山岩样品进行切片、抛光等处理，以获得适用于实验的表面。

2. 微观孔隙结构观察：利用光学显微镜、扫描电镜等手段观察火山岩样品的微观孔隙结构。

3. 核磁共振实验：采用核磁共振仪器对火山岩样品进行测试，记录其核磁共振特征。

三、火山岩气藏微观孔隙结构分析（一）孔隙类型火山岩气藏的微观孔隙类型主要包括溶孔、裂缝、气孔等。

其中，溶孔是火山岩中常见的孔隙类型，其形成与火山岩的熔融、冷却、蚀变等过程密切相关；裂缝则是由于地壳运动、岩石变形等原因形成的；气孔则是由于火山喷发过程中气体逸出而形成的。

（二）孔隙结构特征火山岩气藏的孔隙结构具有复杂性和多尺度性。

在微观尺度上，孔隙大小分布不均，连通性较差。

此外，不同类型孔隙的空间分布和组合关系也各不相同，这决定了火山岩气藏的储气和产能潜力。

四、核磁共振特征分析（一）核磁共振原理核磁共振技术是一种无损检测技术，通过施加磁场和射频脉冲使岩石中的氢核发生共振，从而得到岩石的物理特性信息。

在火山岩气藏中，核磁共振技术可以用于分析岩石的孔隙结构和流体分布。

（二）核磁共振特征参数核磁共振特征参数包括T2谱、孔隙度、渗透率等。

T2谱反映了岩石中不同大小孔隙的分布情况；孔隙度则表示岩石中孔隙的体积占岩石总体积的比例；渗透率则表示流体在岩石中的流动能力。

基于CT扫描试验的砒砂岩孔隙分布特征研究作者：***来源：《人民黄河》2020年第05期摘要：巖石的孔隙分布特征是影响相关地质条件下岩质边坡稳定性的潜在因素。

为了研究分布于黄河中游地区砒砂岩的微观结构特点，开展X射线断层CT扫描，获取砒砂岩的孔隙模型，提取图像信息并进行孔隙尺寸分布和分形特征研究。

结果表明：砒砂岩试样的孔隙率达9.451%，连通孔隙占总孔隙的比例超过了60%，说明砒砂岩孔隙的连通性很强;砒砂岩孔隙的尺寸范围较大，将孔隙划分为大、中、小3类，其中大孔隙虽然数量只占1.50%，但其孔隙体积占比超过了52%，故大孔隙是决定砒砂岩孔隙发育程度的主要因素;试样不同高度处孔隙图像的分形维数在1.298～1.735之间波动，表明不同高度处的孔隙不规则度存在较大差异，反映了砒砂岩内部孔隙分布的不均匀性，这对力学指标的确定有较大影响，因而易导致砒砂岩边坡渗透和力学设计参数选取不准确。

关键词：砒砂岩;孔隙分布;X射线扫描试验;分形几何中图分类号：P585.2;S157.1 文献标志码：Adoi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.05.022Abstract：The pore distribution characteristics of rock are potential factors affecting the stability of rock slope under relevant geological conditions. In order to study the microstructure characteristics of siltstone， which are distributed in the Middle Yellow River， X-ray CT scanning tests were carried out to acquire its pore model. Meanwhile， the image information and pore size distribution curves and fractal characteristics were researched. The results show that the pore distribution of siltstone samples is well developed and the porosity is up to 9.451%. The connected pores account for more than 60% of the total pores， which indicates the strong connectivity of soft sandstone pores. Although the number of macropores accounts for only 1.50%， the pore volume accounts for more than 52%. Therefore， macropores are the main factors that determine the development degree of pores. The pore fractal dimension of images at different height ranges from 1.298 to 1.735， which reflects that a large difference between different heights of the pore， The phenomenon means the pore distribution characteristics of siltstones is inhomogeneity， with a great influence on the determination of the mechanics index. As a result， it is easy to cause inaccurate penetration and mechanical parameters to design the slopes.Key words： siltstone; pore distribution; X-ray scanning tests; fractal geometry在黄河流域晋、陕、蒙接壤区分布的砒砂岩是一种特殊的岩土体，其最被人熟知的工程特性是孔隙发育、颗粒松散、粒间胶结程度差和结构强度低，岩性为砾岩、砂岩及泥岩，其表观颜色混杂，成分不均匀[1-3]。

《火山岩气藏微观孔隙结构及核磁共振特征实验研究》篇一一、引言火山岩气藏是我国油气资源的重要组成部分，其开发利用对于保障国家能源安全和促进经济持续发展具有重要意义。

火山岩的微观孔隙结构及核磁共振特征研究，对于认识火山岩储层特征、提高采收率、优化开发策略具有关键作用。

本文以火山岩气藏为研究对象，通过微观孔隙结构及核磁共振特征的实验研究，深入探讨其储层特征及开发潜力。

二、实验材料与方法1. 实验材料本实验所使用的火山岩样品来自不同地区、不同类型的火山岩气藏，具有较好的代表性。

实验中所需的其他材料包括核磁共振仪、扫描电镜等。

2. 实验方法（1）微观孔隙结构观察：利用扫描电镜对火山岩样品进行微观结构观察，分析孔隙类型、大小、连通性等特征。

（2）核磁共振实验：采用核磁共振仪对火山岩样品进行核磁共振实验，分析孔隙的尺寸分布、孔隙度、渗透率等参数。

三、实验结果与分析1. 微观孔隙结构特征通过扫描电镜观察，发现火山岩的微观孔隙类型主要包括溶蚀孔、裂缝孔和晶间孔等。

其中，溶蚀孔多呈圆形或椭圆形，大小不一，连通性较好；裂缝孔则多呈狭长状，连通性较差；晶间孔则主要分布在矿物晶粒之间，孔径较小。

此外，火山岩的孔隙结构还具有多尺度、非均质性的特点。

2. 核磁共振特征分析核磁共振实验结果表明，火山岩的孔隙尺寸分布范围较广，从小于1纳米的微小孔隙到数毫米的大孔隙均有分布。

此外，火山岩的孔隙度较高，渗透率也相对较好。

核磁共振技术可以有效地反映火山岩的孔隙特征，为储层评价和开发提供重要依据。

四、讨论与结论通过实验研究，我们发现火山岩的微观孔隙结构具有多尺度、非均质性的特点，不同类型的孔隙在储层中共同作用，影响着气藏的开发效果。

核磁共振技术可以有效地反映火山岩的孔隙特征，为储层评价和开发提供重要依据。

在开发过程中，应充分考虑火山岩的储层特征，采取合理的开发策略，以提高采收率。

首先，针对不同类型的孔隙，应采取不同的开发策略。

溶蚀孔和晶间孔是火山岩储层的主要储集空间，应作为开发重点。

第43卷第5期2023年10月水土保持通报B u l l e t i no f S o i l a n d W a t e rC o n s e r v a t i o nV o l .43,N o .5O c t .,2023收稿日期:2022-10-25 修回日期:2023-01-01资助项目:国家重点研发计划项目 陆路交通基础设施与生态环境协调机制研究及集成示范 (2021Y F B 2600105) 第一作者:张亭(1996 ),女(汉族),新疆维吾尔自治区石河子市人,硕士研究生,研究方向为植物生态学㊂E m a i l :z t c d u t 2022@163.c o m ㊂ 通信作者:曹龙熹(1982 ),男(汉族),河南省驻马店市人,博士,研究员,主要从事水土保持与生态修复等方面的研究㊂E m a i l :l o n g x i c a o @c d u t .e d u .c n㊂基于C T 扫描技术的土柱孔隙结构及其抗侵蚀能力研究以种植百喜草为例张亭1,施明明2,李鑫2,王新军3,曹龙熹1(1.成都理工大学生态环境学院,四川成都610059;2.成都理工大学地球科学学院,四川成都610059;3.交通运输部科学研究院,北京100029)摘 要:[目的]分析百喜草土柱孔隙结构与土壤抗侵蚀能力之间的联系,为水土保持植物措施的优化布设以及效益评估提供科学依据㊂[方法]依托植物土柱长期微区试验,通过C T 扫描技术研究种植百喜草的土柱孔隙指标(孔隙长度密度㊁体积密度㊁表面积密度和孔隙数密度),开展边坡水槽冲刷试验㊂设置3个坡度(10ʎ,20ʎ和30ʎ)和5个流量(0.8,1.6,2.4,3.2,4.0L /s )组合量化土壤抗侵蚀能力,分析孔隙指标与抗侵蚀能力因子之间的关系㊂[结果]百喜草土柱孔隙发育程度随生长时间不断增强,而随土层深度减弱;4个孔隙结构指标在0 5c m 土层的数值远大于5 10c m 土层,且表层0 5c m 的平均土壤细沟可蚀性(0.026s /m )和临界水流剪切力(7.0P a )分别是下层5 10c m 的0.33,1.54倍㊂[结论]植物根系发育的孔隙指标能够表征土壤抗侵蚀能力变化,C T 扫描获取的4个孔隙结构指标与细沟可蚀性等因子显著相关,其中孔隙表面积密度与土壤抗侵蚀能力指标关系最为密切㊂关键词:百喜草;C T 扫描;孔隙结构;土壤分离速率;细沟可蚀性文献标识码:B 文章编号:1000-288X (2023)05-0148-08 中图分类号:S 154.4,S 157文献参数:张亭,施明明,李鑫,等.基于C T 扫描技术的土柱孔隙结构及其抗侵蚀能力研究[J ].水土保持通报,2023,43(5):148-155.D O I :10.13961/j .c n k i .s t b c t b .2023.05.018;Z h a n g T i n g ,S h iM i n g m i n g,L iX i n ,e t a l .As t u d y o n p o r e s t r u c t u r e a n d s o i l e r o s i o n r e s i s t a n c e o f s o i l c o l u m nb a s e do nC Ts c a n n i n g t e c h n o l o g y [J ].B u l l e t i no f S o i l a n d W a t e rC o n s e r v a t i o n ,2023,43(5):148-155.AS t u d y onP o r e S t r u c t u r e a n dE r o s i o nR e s i s t a n c e o f S o i l C o l u m nB a s e do nC TS c a n n i n g T e c h n o l o g yT a k i n g B a h i a g r a s s P l a n t a t i o na s a nE x a m pl e Z h a n g T i n g 1,S h iM i n g m i n g 2,L iX i n 2,W a n g X i n j u n 3,C a oL o n gx i 1(1.C o l l e g e o f E c o l o g y a n dE n v i r o n m e n t ,C h e n g d uU n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ,C h e n g d u ,S i c h u a n 610059,C h i n a ;2.C o l l e g e o f E a r t hS c i e n c e s ,C h e n g d uU n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ,C h e n g d u ,S i c h u a n 610059,C h i n a ;3.C h i n aA c a d e m y o f T r a n s p o r t a t i o nS c i e n c e s ,B e i j i n g 100029,C h i n a )A b s t r a c t :[O b j e c t i v e ]T h e r e l a t i o n s h i p be t w e e n s o i l c o l u m n p o r e s t r u c t u r e a n d s o i l e r o s i o n r e s i s t a n c ef o r s o i l c o l u m n sw i t hB a h i ag r a s sw a sa n a l y z e d i no r d e r t o p r o v i d eas c i e n t i f i cb a s i s f o r th eo p ti m a l a r r a n g e m e n to f p l a n t s f o r s o i l a n dw a t e r c o n s e r v a t i o n a n d t o a s s e s s t h e b e n e f i t s o f p l a n t i n g B a h i a g r a s s .[M e t h o d s ]T h i s s t u d yw a s c o n d u c t e du s i n g l o n g -t e r me x p e r i m e n t s o f B a h i a g r a s s g r o w n i n s o i l c o l u m n s .F o u r p o r e i n d i c a t o r s (po r e l e n g t hd e n s i t y ,b u l kd e n s i t y ,s u r f a c e a r e a d e n s i t y ,a n d p o r e n u m b e r d e n s i t y )o f B a h i a g r a s s s o i l c o l u m n sw e r e q u a n t i f i e db y C Ts c a n n i n g t e c h n o l o g y .F l u s h i n g t e s t su s i n g a f l u m ew i t hv a r i a b l e s l o pe sw e r e c a r r i e do u t t o q u a n t if y s o i l e r o s i o n r e s i s t a n c e a t t h r e e s l o pe s (10ʎ,20ʎ,a n d 30ʎ)a n df i v e r u n o f f r a t e s (0.8,1.6,2.4,3.2,a n d 4.0L /s ).T h er e l a t i o n s h i psb e t w e e n p o r es t r u c t u r ec h a r a c t e r i s t i c sa n de r o s i o nr e s i s t a n c ef a c t o r sw e r e t h e nd e t e r m i n e d .[R e s u l t s ]B a h i a g r a s sr o o ts y s t e m d e v e l o p m e n t i n c r e a s e dd u r i n g t h e g r o w t h p e r i o d ,b u t d e c r e a s e dw i t hs o i l d e p t h .T h e v a l u e s o f f o u r p o r e s t r u c t u r e i n d i c a t o r s i n 0 5c ms o i l l a y e rw e r em u c hh i gh e rt h a n t h o s e i n5 10c ms o i l l a y e r,a n d t h ea v e r a g e s o i l r i l l e r o d i b i l i t y(0.026s/m)a n dc r i t i c a l s h e a r s t r e s s (7.0P a)i n0 5c ms u r f a c e l a y e rw e r e0.33a n d1.54t i m e s t h e v a l u e s o f t h o s e r e s p e c t i v e p a r a m e t e r s i n5 10c m l o w e r s o i l l a y e r.[C o n c l u s i o n]T h e p o r e c h a r a c t e r i s t i c s o f p l a n t r o o t d e v e l o p m e n t i n d i c a t e d s o i l e r o s i o n r e s i s t a n c e. T h e f o u r p o r e s t r u c t u r e i n d i c a t o r so b t a i n e db y C Ts c a n n i n g w e r e s i g n i f i c a n t l y r e l a t e d t o f a c t o r s s u c ha s r i l l e r o d i b i l i t y.T h e p o r e s u r f a c e a r e ad e n s i t y w a sm o s t c l o s e l y r e l a t e d t o t h e e r o s i o n r e s i s t a n c e f a c t o r s.K e y w o r d s:B a h i a g r a s s;C Ts c a n n i n g;p o r e s t r u c t u r e;s o i l d e t a c h m e n t r a t e;r i l l e r o d i b i l i t y植物是土壤发展过程中很活跃的因素之一,植物根系可以通过物质分解等途径改变土壤理化特性[1]㊂除此之外,植物根系还会对土壤力学性能产生深刻影响,根系在土壤中的穿插㊁缠绕以及嵌入等作用可以增强土壤胶结能力,促进土壤团聚体的形成和稳定,从而改善土壤结构并增强土壤抗侵蚀能力[2]㊂这一作用机制是植物水土保持效应的基础,研究植物孔隙与土壤抗侵蚀能力的关系对于水土保持效益评估具有重要意义㊂土壤抗侵蚀能力是指土壤抵制水力㊁风力㊁重力或冻融等破坏㊁离散㊁运输和沉积的能力[3],在科学研究和实际应用中可以表示为多种不同意义的指标,具体到土壤侵蚀过程研究中,可依据临界水流剪切力模型使用土壤分离速率㊁细沟可蚀性㊁临界水流剪切力等指标进行描述[4],这是W E P P等土壤侵蚀过程模型用于细沟侵蚀过程模拟的理论基础,也是描述土壤抵抗细沟水流冲刷侵蚀能力的重要依据㊂由于植物根系在稳定土壤结构和防治土壤侵蚀方面的重要作用,学者们通过试验研究探讨了根系特征对土壤抗侵蚀能力的影响㊂研究表明,根系能够通过固结土壤颗粒来增加侵蚀阻力,从而降低土壤分离速率,土壤分离速率随根系质量或长度密度的增加呈不同的函数趋势下降[5]㊂植物根系对细沟可蚀性和临界水流剪切力也具有显著影响,许多研究都表明细沟可蚀性随着根长密度的增加而降低,而临界水流剪切力则随根系质量密度增加而增加[6]㊂学者们通过以上研究建立了根系指标与抗侵蚀能力指标之间的量化方程,而获取根系结构信息是构建根系抗侵蚀能力关系方程的基本前提㊂由于土壤的不透明性,现有研究大多采用挖掘法和土钻法等传统方法测量根系指标,此类方法不仅耗时费力,同时还会对根系产生破坏并影响分析结果㊂近年来,具备非侵入㊁便捷性等优点的X射线C T扫描技术被逐渐应用到土壤学研究领域[7],其基本原理是利用X射线对不同物质的穿透率差异,使用探测器在不同角度接受透射信号,从而构建样品断层的空间结构㊂C T扫描技术提供了一种原位三维可视化孔隙和土壤结构表达方法,可用于量化土壤孔隙形状㊁大小和分布状况等特征信息[8],研究土壤水力特性㊁饱和导水率㊁水分特征曲线等指标[9],分析植物根系生长演变趋势以及土壤团聚体微结构特征响应[10]等㊂基于C T扫描技术研究土壤大孔隙和植物根系特征是当前的学术热点与前沿方向㊂大量研究表明土壤大孔隙的形成与根系发育密切相关,C T扫描获取的大孔隙指标与植物根系形态之间具有较高相似性[11-12],通过C T扫描技术提取根系发育形成的孔隙指标,可以在一定程度上定量表征植物根系的原位结构信息,在此基础上探究孔隙指标与土壤抗侵蚀能力之间的关系有助于深入揭示根系的固土作用机制,同时也便于建立抗侵蚀能力指标与土壤C T扫描领域前沿研究成果之间的联系,从而为土壤抗侵蚀能力研究提供新的视角㊂而目前与土壤孔隙C T扫描相关的研究主要侧重于土壤结构和溶质运动等方面,针对土壤抗侵蚀能力的研究尚不多见㊂基于此,本研究选取百喜草这一常见的水土保持植物类型,通过C T扫描技术研究其根系的孔隙结构特征和根 土复合物土壤分离速率特征,对比不同生长时期百喜草植物孔隙指标及其固土效果的差异,尝试建立孔隙指标与土壤抗侵蚀能力指标之间的关系,从而为水土保持植物措施的优化布设以及效益评估提供科学依据㊂1材料与方法1.1试验设计方案采用P V C管填充土柱试验研究根系形成的孔隙结构及其对土壤抗侵蚀能力的影响㊂本研究选择的百喜草为禾本科草类植物,其栽种方式简易㊁生长周期短㊁适应能力强㊁根系发达,具有优良的水土保持性能[13]㊂试验于2021年5月初在成都理工大学生态环境学院香樟试验基地进行㊂试验用土来自成都市郊农田区,土壤类型为潮土,土壤质地为壤土,有机质含量为10.4g/k g;将土壤过筛去除石块等杂质之后填入50c m深的土槽,其中下层35c m的土壤过10mm筛,表层15c m土壤过5mm筛,采用逐层压实的方法进行填土,根据实际条件将土壤容重控制在1.2g/c m3左右㊂完成填土后将P V C管垂直嵌入表941第5期张亭等:基于C T扫描技术的土柱孔隙结构及其抗侵蚀能力研究层土壤,用于试验的P V C管直径为11c m,由5c m 高的上下两层合并组成10c m高的柱体,用胶带将其中间固定㊂完成P V C土柱布设后播种百喜草种子,播种密度为15g/m2,种植之后定期进行浇水㊁除草㊂试验共设置了150个百喜草P V C管土柱,为了对比研究植物孔隙的作用,本研究在0 5c m土层设置了100个不种植百喜草的对照土柱,共计250个P V C 土柱用于开展C T扫描和水槽冲刷试验㊂1.2C T扫描和孔隙指标提取分别于2021年7月㊁9月和11月进行3次土柱扫描,每次采集5个百喜草土柱样品,剪去茎秆只保留其根系,使用保鲜膜密封土柱样品以免土体破坏,将样品送至四川省友谊医院采用医学C T(L i g h t-S p e e d V C T)系统进行扫描,此C T系统能量为120k V,100m A,扫描图片D F O V为120mm,扫描间隔为0.63mm㊂每个10c m高的P V C土柱可以得到165张像素大小为512ˑ512的8位图,每体素对应0.63mmˑ0.212mmˑ0.212mm的样品㊂本研究3个时段共扫描15个百喜草根系P V C土柱样品,扫描流程如下所示㊂使用S n a t eD i c o m V i e w e r软件将C T扫描的原始图片转为t i f f格式,然后利用I m a g e J软件按以下流程进行图像处理:首先将图像堆栈裁剪到长宽均为85.05mm的感兴趣区域(R O I)以避免P V C管壁带来的边际影响,然后先将切割后的图像转换为8-b i t 图像并重建灰度图像堆栈进而进行3D中值滤波和噪点消除[14],结合实际土壤孔隙情况设置分割阈值得到二值化图像,利用M e a s u r eS t a c k插件可计算土柱不同深度的孔隙面积密度等指标㊂通过I m a g e-A d j u s t进行亮度调节并设定阈值提取主要孔隙要素,植物孔隙与背景的分割阈值是通过将二值化的孔隙与实际根系进行对比直至差值ɤ1%得到,这能保证与根系较高的实际符合率,删除小于1mm2的小孔隙,计算孔隙长度(L)与孔隙等效半径(r)的比值,将比值(L/r)<20的视为非生物孔隙并通过目视判读予以去除,保留的孔隙与根系形态较为一致[15]㊂通过插件A n a l y z eP a r t i c l e s进行图像孔隙的分析,分析得到的特征参数有植物孔隙的数目㊁面积㊁大孔隙度㊁成圆率和当量直径㊂基于孔隙数量㊁孔隙体积和表面积等参数,利用3D-O b j e c tC o u n t e r和b o n e J插件计算孔隙骨架量化结果㊂为了研究百喜草土柱孔隙的动态发育特征,本文使用以下指标描述3个不同时期的百喜草土柱孔隙结构:①孔隙长度密度,定义为单位体积内孔隙的实际长度,可以在一定程度上反映根系的穿插和缠绕能力[16];②孔隙表面积密度,定义为单位体积内孔隙的面积,可以反映根系的粗细程度;③孔隙体积密度,定义为单位体积内孔隙的体积,表征了土柱内的根系粗细㊁长短等综合信息;④孔隙数密度,定义为单位体积内孔隙的数量,体现了植物根系形成孔隙的多少,侧面反映植物根系的健康生长情况㊂以上指标可通过S k e l e t o n i z e3D插件生成孔隙网络骨架,据此计算孔隙长度㊁体积㊁表面积和孔隙数与目标土柱体积进行比值运算获取[17]㊂研究表明C T扫描获取的孔隙指标与植物根系之间具有较高相似性[11]㊂在本研究微区土柱试验条件下土壤生物孔隙主要由百喜草根系发育而形成,因此以上孔隙结构指标可用于描述根系结构特征,从而与土壤抗侵蚀能力指标建立联系㊂1.3土壤分离能力测定通过边坡水槽冲刷试验测定土壤分离速率㊂该水槽主体由有机玻璃制成,长4m,宽0.3m,深0.2m,在水槽底部使用清漆粘一层粒径3m m左右的沙子模拟粗糙地表,借助框架结构和定滑轮装置调节水槽坡度,可调坡度范围为0ʎ~30ʎ㊂在水槽距下端0.6m设置直径11c m的土样室,将P V C土柱放入土样室进行冲刷试验㊂为了研究不同深度土壤抗侵蚀能力,使用薄刀片将P V C土柱从中间切开分为5c m高的上下2层(0 5c m和5 10c m)分别进行冲刷㊂本研究借鉴N e a r i n g等[18]的试验方法,在冲刷前用微型雾状喷水壶喷洒土样至接近饱和,每个土样的喷洒水量约为0.15L,再静置约12h之后将土柱放入水槽的土样室中,使土样表面与水槽底部保持同一平面㊂根据西南山区生态退化坡面的坡度范围[19],将试验坡度设定为10ʎ,20ʎ和30ʎ,同时依据区域典型侵蚀性降雨的地表产流能力[20],将流量设定为0.8, 1.6,2.4,3.2,4.0L/s,每个试验组合条件下进行3次重复,则3组坡度和5组流量组合共设计45次冲刷试验㊂分别于7,9,11月采集45个百喜草土柱并将其分开成为上下两层进行冲刷,3个时段共完成270次冲刷试验㊂同时于7月和11月进行了两组共90次对照冲刷试验,将两组冲刷试验的结果取平均作为对照数据㊂为了减小土样边界效应影响并保证冲刷试验结束条件的一致性,每个土样冲刷至表层土壤被剥离2c m为止[21],用秒表记录放水冲刷时间,在105ħ条件下用烘箱烘干24h测定干物质,根据土样冲刷前后的干土质量差来计算土壤分离速率,计算公式为:D c=(W b-W a)/(1000㊃t㊃A)(1)式中:D c为土壤分离速率 k g/(m2㊃s) ;W b为试验前土样干质量(g);W a为试验后土样干质量(g);051水土保持通报第43卷t为冲刷时间(s);A为土样P V C管横截面积,取值0.0095m2㊂试验过程中采用染色法测定水流表面流速,将表面流速乘以0.8得到平均流速,据此计算水力半径和水流剪切力等水动力学参数㊂水流剪切力在W E P P (w a t e r e r o s i o n p r e d i c t i o n p r o j e c t)等侵蚀模型中应用,常被用来建立土壤分离速率关系并描述土壤抗侵蚀能力[18,22],其计算公式为:τ=ρg h S(2)式中:τ为水流剪切力(P a);ρ为水流密度(k g/m3); g为重力加速度;h为水力半径(m);S为水流坡降(%)㊂1.4数理统计方法采用回归分析建立土壤抗侵蚀能力指标与植物孔隙指标之间的量化关系,通过确定性系数R2评估回归方程拟合精度㊂主要包括:①为了量化土壤抗侵蚀能力指标,根据临界水流剪切力模型建立土壤分离速率与水流剪切力之间的线性回归关系,在此基础上计算细沟可蚀性和临界水流剪切力等因子;②为了进一步探究百喜草植物孔隙结构对土壤抗侵蚀能力的影响,将孔隙长度密度㊁表面积密度㊁体积密度和孔隙数密度4个孔隙指标与土壤分离速率及抗侵蚀能力指标建立回归关系;③采用单因素方差(A N O-V A)和邓肯(D u n c a n)法进行多重比较,对比不同层次和不同时段根系以及土壤抗侵蚀能力指标的差异程度,统计分析的显著性水平为p<0.05㊂所有分析和制图均使用O r i g i n2018软件和I B M S P S SS t a t i s-t i c s26软件㊂2结果与讨论2.1百喜草土柱孔隙特征图1所示为7,9,11月典型土柱孔隙数量密度随土层深度的分布特征㊂从不同时段来看,百喜草孔隙数密度整体上从7月到11月递增,体现了植物根系不断生长发育的趋势,说明百喜草根系对孔隙数密度的影响较大㊂从垂直分布上来看,各时段的孔隙数都表现出由表层随深度下降,这一结果与K a t u w a l等[23]和于师等[24]报道的孔隙垂直分布趋势一致㊂本研究在约4c m深度则存在一处峰值,尤其是在9月和11月表现较为显著,这可能是由于百喜草侧根发育的影响[25]㊂整体上来看,7 9月百喜草根系的发育主要集中在6c m以上部位,而6c m以下部位的根系发育则主要体现在9 11月时段㊂图17,9,11月样品的孔隙数密度沿土层深度(0 100m m)的分布F i g.1D i s t r i b u t i o no f p o r e n u m b e r d e n s i t y o f s a m p l e s i nJ u l y,S e p t e m b e r a n dN o v e m b e r a l o n g s o i l d e p t h(0 100m m)由图2可以看出,除7月的孔隙数密度和11月的孔隙长度密度指标之外,在同一生长时期下0 5c m土层的孔隙指标均明显大于5 10c m土层,这与图1所示的孔隙数密度的垂直分布趋势基本一致,说明0 5c m层土壤中根系相对较为密集,这主要是由于上层百喜草根系可吸收更多的营养,使得根系变粗并生出更多的侧根所致[26]㊂从时间变化上来看,各孔隙指标从7 11月整体上呈增加趋势,3个时段孔隙指标整体均值差异具有统计学显著性(p<0.05),尽管7 9月时段的0 5c m层土壤孔隙表面积密度及孔隙数密度等指标差异未达到统计学显著性(p> 0.05),但9 11月之间的孔隙结构指标均具有显著性差异㊂与7月相比,11月0 5c m土层的孔隙长度密度㊁表面积密度㊁体积密度和孔隙数密度指标增幅分别达到183.36%,122.92%,144.19%和730.27%,而5 10c m土层上述4个指标的增幅则分别为916.50%,988.48%,1221%和694.74%,以上指标的动态演变特征体现了百喜草根系对土壤逐渐增强的固结能力㊂2.2土壤抗侵蚀能力的动态变化特征基于边坡水槽冲刷试验的结果,统计不同时间㊁不同土层的平均土壤分离速率(见图3)㊂从不同土层来看0 5c m土层土壤分离速率显著低于5 10c m(p=0.001),其中上层土壤分离速率均值为0.29k g/(m2㊃s),下层均值为0.9k g/(m2㊃s),在同一时段的下层土壤分离速率变化范围明显大于上层土壤,对应的箱型图上下限也偏高㊂从3个时段对比来看,7 11月土壤分离速率呈逐渐减小趋势,9月不同土层的平均土壤分离速率均显著低于7月(上层p=0.003,下层p=0.01),而9月和11月的上层土壤分离速率则不存在显著性差异(p=0.06),这可能151第5期张亭等:基于C T扫描技术的土柱孔隙结构及其抗侵蚀能力研究与表层土壤结皮发育和土体沉降等因素导致9月土壤分离速率降低有关[27]㊂从整体上来看,土柱的土壤分离速率显著低于对照土柱(p<0.001),但7月下层的百喜草土柱与对照组分离速率无显著性差异(p=0.42),这是由于7月百喜草根系发育较弱,且下层根系比上层根系稀疏所致,这与郁耀闯等[5]在黄土丘陵区须根系作物地得到的土壤分离速率变化趋势相似㊂注:不同字母代表上下层整体间的差异性㊂图27,9,11月0 5c m及5 10c m深度下土柱孔隙的长度密度㊁表面积密度㊁体积密度和数量密度对比F i g.2C o m p a r i s o no f l e n g t hd e n s i t y,s u r f a c e a r e ad e n s i t y,v o l u m e d e n s i t y a n d q u a n t i t y d e n s i t y o f s o i l c o l u m n sp o r e s a t d e p t h s o f0 5c ma n d5 10c mi nJ u l y,S e p t e m b e r a n dN o v e m b e r注:不同字母代表不同时期不同土层间的差异性㊂图3不同时期及土层的土壤分离速率统计结果对比F i g.3C o m p a r i s o no f s t a t i s t i c a l r e s u l t s o f s o i l d e t a c h m e n tr a t e i nd i f f e r e n t p e r i o d s a n d s o i l l a y e r s表1所示的回归分析的结果表明,土壤分离速率与各个时间段水流剪切力的线性方程确定性系数均呈现显著水平,说明水流剪切力线性方程可以用来预测土壤分离速率㊂根据细沟侵蚀的临界水流剪切力模型,表1中拟合方程斜率为细沟可蚀性参数,反映细沟侵蚀强度随水流能量变化的速度;方程在X轴上的截距为临界水流剪切力参数,反映细沟侵蚀发生的难易程度[28]㊂表1不同土层不同时期土壤分离速率与水流剪切力的关系T a b l e1R e l a t i o n s h i p b e t w e e n s o i l d e t a c h m e n t r a t e a n d s h e a r s t r e s s i nd i f f e r e n t s o i l l a y e r s a n dd i f f e r e n t p e r i o d s 土层/c m时期水流剪切力决定系数7月D c=0.047(τ-6.17)R2=0.65,p<0.050 59月D c=0.019(τ-6.36)R2=0.79,p<0.0511月D c=0.013(τ-8.46)R2=0.66,p<0.05对照D c=0.130(τ-2.77)R2=0.84,p<0.057月D c=0.122(τ-2.92)R2=0.86,p<0.05 5 109月D c=0.069(τ-4.49)R2=0.84,p<0.0511月D c=0.050(τ-6.20)R2=0.88,p<0.05注:式中D c为土壤分离速率 k g/(m2㊃s) ;τ为水流剪切力(P a)㊂由表1中的回归方程可以看出,在同一时段上层土壤的细沟可蚀性因子显著低于下层土壤(p=0.045 <0.05)㊂上层土壤在3个时段的平均细沟可蚀性因子为0.026(s/m),是下层土壤平均细沟可蚀性因子251水土保持通报第43卷(0.08s/m)的0.33倍;而上层土壤的临界水流剪切力指标则显著高于下层(p=0.027<0.05),3个时段的上层平均值(7.0P a)是下层土壤(4.54P a)的1.54倍,说明上层土壤抵抗细沟侵蚀的能力较强,发生细沟侵蚀的风险相对较低㊂从7 11月的不同时段来看,上下层土壤的细沟可蚀性均表现为递减的趋势,而临界水流剪切力则呈递增趋势,这与Z h a n g G.H.等[29]和郁耀闯等[5]报道的不同土地利用土壤抗侵蚀能力指标演变趋势相同㊂以上细沟可蚀性和临界水流剪切力因子的分层差异及变化特征与图1 2中的孔隙指标结果相一致,说明百喜草根系形成的生物孔隙和土壤抗侵蚀能力之间存在密切关系㊂与对照土壤相比,除7月下层土壤较为接近之外,其余时段的土壤的细沟可蚀性因子均明显偏低,而临界水流剪切力则偏高,说明本试验条件下根系土壤的抗侵蚀能力强于对照土壤㊂需要指出,K n a p e n等[30]研究表明细沟可蚀性和临界水流剪切力相互独立,且两个因子之间不一定存在协同变化关系㊂而本研究结果显示,细沟可蚀性和临界水流剪切力分别从两个不同角度指示了百喜草根系发育对抗侵蚀能力的增强效应,两者之间表现出一致的协同变化趋势,这说明在本试验条件下植物根系兼具提高细沟侵蚀起始条件和降低侵蚀强度的作用㊂2.3百喜草土柱孔隙指标与土壤抗侵蚀能力的关系由图4的回归分析结果可以看出,平均土壤分离速率和细沟可蚀性都随各孔隙指标值的增加而减少,说明在植物根系的作用下,土壤分离速率和细沟侵蚀发育强度减小,而临界水流剪切力随各孔隙指标值的增加而增加,说明植物根系作用提高了土壤发生分离所需条件,使得细沟侵蚀不易发生㊂以上结果进一步细化了细沟可蚀性和临界水流剪切力协同变化关系,同时也说明依托植物根系发育的孔隙指标能够表征土壤抗侵蚀能力指标的变化㊂4个孔隙指标与3个抗侵蚀能力指标之间的关系可以用线性方程和幂函数方程描述,且不同指标的拟合方程精度存在差异,在描述土壤分离速率和细沟可蚀性指标方面,孔隙长度密度的幂函数方程效果最优,回归方程的确定性系数在0.9左右;由于孔隙长度密度指标主要表征了植物根系的穿插及缠绕能力,该指标越大说明百喜草根系网络与土柱中土壤的接触面积越大[31],对土壤颗粒的串联黏结作用也越强,使土壤抵抗外力破坏的能力增强,在径流冲刷过程中能够降低土体发生崩解分离的速率[32],因而孔隙长度密度的增大可有效减小土壤分离速率与细沟可蚀性㊂图4中所示的长度密度函数曲线与散点的分布趋势较为吻合,尤其是在分离速率和细沟可蚀性较大的上半段拟合度明显优于其他指标,说明孔隙长度密度指标用于量化土壤分离速率和细沟可蚀性因子的精度最优㊂而对于临界水流剪切力因子来说,孔隙体积密度和表面积密度的回归方程确定性系数均在0.95以上,在所有孔隙指标中的效果最好;孔隙体积密度和表面积密度指标主要表征了土柱内根系的粗细程度,指标数值越大说明形成孔隙的植物根系越粗,粗根对土壤的机械加固作用提高了细沟侵蚀发生的临界水流剪切力条件[33],因而这两个指标用于量化临界水流剪切力的精度最高㊂以上结果与Z h a n g B a o j u n等[34]在黄土高原陡坡沟壑区开展的水槽试验整体趋势一致,但方程形式有所不同㊂Z h a n g B a o j u n等[34]报道的细沟可蚀性随根质量密度呈指数下降,临界剪切力随根系质量密度增加呈对数函数增加,这可能是由于土壤和植物类型不同导致的差异㊂从整体上来看,在本研究试验条件下的4个孔隙指标中,孔隙长度密度㊁体积密度和表面积密度指标在土壤抗侵蚀能力指标预测中各有优势,体现了百喜草根系在土壤中的穿插㊁缠绕和固土作用,3个指标的总体预测效果较为接近,其中孔隙表面积密度略优于另外两个指标㊂而孔隙数密度在4个指标中的预测效果较差,不推荐用于描述根系土抗侵蚀能力㊂3结论本文通过C T扫描技术和变坡水槽冲刷试验,量化了3个时段种植百喜草的土柱孔隙结构指标和抗侵蚀能力因子,分析了土柱孔隙结构和抗侵蚀能力的关系,得出主要结论如下㊂(1)揭示了种植百喜草的土柱孔隙结构指标(根孔隙长度密度㊁体积密度㊁表面积密度和数量密度)在3个时段(5 7,7 9,9 11月)的增长发育趋势,发现其增长幅度主要体现在9月到11月之间,且表层0 5c m土层的孔隙指标显著大于5 10c m土层㊂(2)土壤抗侵蚀能力与土柱孔隙结构的变化趋势一致,其中细沟可蚀性因子随百喜草生长时间的增加逐渐减小,而临界水流剪切力指标则增大,表层土壤的平均细沟可蚀性因子(0.026s/m)是下层的0.33倍,平均临界水流剪切力(7.0P a)则是下层土壤的1.54倍㊂(3)依托植物根系发育的孔隙指标构建了用于表征土壤抗侵蚀能力指标的拟合方程,结果表明孔隙长度密度与土壤分离速率和细沟可蚀性的关系最密切,而孔隙体积密度和表面积密度用于量化临界水流剪切力的精度最高,综合整体拟合效果来看,孔隙表面积密度在4个孔隙结构指标中表现最优㊂351第5期张亭等:基于C T扫描技术的土柱孔隙结构及其抗侵蚀能力研究。

《火山岩气藏微观孔隙结构及核磁共振特征实验研究》篇一一、引言火山岩气藏是当今非常规油气资源勘探与开发的重要领域之一。

由于火山岩的独特性质，如多孔性、非均质性和复杂结构等，导致其微观孔隙结构和物性特征复杂多样。

近年来，随着核磁共振技术的不断发展，其在研究火山岩气藏微观孔隙结构及核磁共振特征方面取得了显著的进展。

本文通过实验手段，对火山岩气藏的微观孔隙结构及核磁共振特征进行了深入的研究，旨在为相关领域的研究和开发提供有益的参考。

二、实验方法本实验主要采用高精度核磁共振技术和先进的微观成像技术，对火山岩气藏的微观孔隙结构进行详细分析。

首先，对火山岩样品进行前期处理，包括样品切割、磨光、抛光等步骤，以获得平滑的表面和均匀的厚度。

然后，利用核磁共振技术对样品进行扫描，获取孔隙大小、形状、分布等微观结构信息。

最后，结合微观成像技术，对核磁共振结果进行验证和补充。

三、火山岩气藏微观孔隙结构特征1. 孔隙类型与分布火山岩气藏的微观孔隙主要包括溶蚀孔、晶间孔、裂缝等类型。

通过核磁共振和微观成像技术，我们发现这些孔隙在火山岩中呈现出复杂的分布特征。

其中，溶蚀孔主要分布在火山岩的熔岩流中，晶间孔则主要分布在火山岩的矿物晶体之间，裂缝则贯穿整个岩石。

这些不同类型的孔隙相互连通，构成了火山岩复杂的孔隙网络。

2. 孔隙大小与形状火山岩的孔隙大小和形状因岩石类型、成因和后期地质作用等因素而异。

通过核磁共振扫描，我们发现火山岩的孔隙大小分布范围较广，从小至纳米级到大至微米级均有分布。

此外，孔隙形状也较为复杂，包括圆形、椭圆形、长条形等。

这些复杂的孔隙结构对气藏的储集性能和渗流特性具有重要影响。

四、核磁共振特征研究1. 核磁共振信号与孔隙结构关系核磁共振技术可以通过测量岩石样品的磁化率来反映其微观孔隙结构特征。

我们发现核磁共振信号与孔隙大小、形状、分布等密切相关。

较大、较规则的孔隙在核磁共振扫描中表现出较高的信号强度，而较小、不规则的孔隙则表现出较低的信号强度。