花崗巖的反射式太赫茲光譜特性

李依岑，王 焱，詹洪磊，趙 昆，韋華周

（中國石油大學(xué)（北京）材料科學(xué)與工程系，北京102249；油氣光學(xué)探測技術(shù)北京市重點(diǎn)實驗室，北京102249）

花崗巖是組成大陸地殼的主要巖石之一，主要由富鈉的斜長石和石英組成，含有少量的角閃石、黑云母和鉀長石等礦物。由于油氣藏基巖大多為花崗巖類和變質(zhì)巖類，特別是近年來在基底花崗巖類中發(fā)現(xiàn)了重大油田，所以對花崗巖的研究越來越受重視［1］。目前，已經(jīng)有多種物理化學(xué)方法應(yīng)用于巖石的光譜學(xué)特征分析，如紅外光譜法、激光光聲光譜法、拉曼光譜法、X射線成像分析法等［2－5］。但是，花崗巖是多種礦物成分的混合物，化學(xué)組成較為復(fù)雜，因此，這些方法均存在一定的局限性。

太赫茲波是指頻率為0.1～10THz的電磁波。太赫茲光譜對分子間的弱相互作用和晶格低頻振動敏感。與紅外光相比，油氣物質(zhì)對太赫茲光具有更強(qiáng)的吸收活性，其太赫茲光譜具有更高的信噪比，這在油氣物質(zhì)的光學(xué)響應(yīng)測試中極其重要。反射式太赫茲光譜技術(shù)可對地層表面的巖石進(jìn)行成像，直接獲知地質(zhì)表面的巖石裂縫或斷層信息。太赫茲時域光譜（THz－TDS）技術(shù)是近年發(fā)展起來的一種非常有效的測試手段，是研究物質(zhì)特性的一種新方法。由于太赫茲時域光譜技術(shù)信噪比高、頻帶寬、入射波光子能量低，可以對大分子物質(zhì)進(jìn)行無損檢測，所以在安全檢測、軟件開發(fā)、藥品鑒定分析等方面得到了廣泛應(yīng)用［6－8］。本文利用反射式太赫茲光譜成像技術(shù)對花崗巖樣品進(jìn)行了分析，結(jié)果表明，該技術(shù)可為鑒別和分析花崗巖提供技術(shù)支持。

1 實驗儀器及樣品

采用反射式太赫茲光譜成像系統(tǒng)TAS7500IM對樣品進(jìn)行測試，樣品為湖南桂陽大義山的花崗巖，主要成分是石英。成像系統(tǒng)有效頻率為0.1～4THz，最小分辨率為0.3mm。樣本移動由機(jī)器人手臂完成。成像系統(tǒng)掃描半徑為10mm，步長為0.4mm。為了避免水汽對測量結(jié)果的影響并提高信噪比，實驗在干燥室溫環(huán)境中進(jìn)行。反射式太赫茲光譜成像系統(tǒng)可測得巖石不同測試點(diǎn)的太赫茲時域光譜，通過提取時域光譜的峰值，可進(jìn)行進(jìn)一步分析。

場發(fā)射掃描電子顯微鏡（下文簡稱掃描電鏡）用于對樣品表面進(jìn)行形貌和微區(qū)成分分析。

2 實驗方法

首先，利用巖心鉆取機(jī)獲得花崗巖樣品的巖心，巖心直徑為20mm，高度為50mm。為便于太赫茲光譜測試，利用自動巖石切片機(jī)對巖心進(jìn)行切片，得到若干個直徑為20mm、厚度為2mm的片狀巖石，隨機(jī)選取一片巖石進(jìn)行反射式太赫茲光譜測試。實驗中，利用太赫茲光譜成像系統(tǒng)獲得樣品某一測試點(diǎn)的時域信號；利用高精密位移平移臺實時改變巖心測試點(diǎn)，對樣品進(jìn)行環(huán)形向外逐點(diǎn)掃描，相鄰兩點(diǎn)掃描位移步徑為500um。基于樣品所有測試點(diǎn)處的太赫茲時域譜，選取太赫茲時域譜峰值和位置坐標(biāo)，得到花崗巖的太赫茲光譜成像圖。由于太赫茲光譜具有無損檢測的特點(diǎn)，測試結(jié)束后，樣品還可用作其他測試分析。

3 實驗結(jié)果與分析

3.1 掃描電鏡測試結(jié)果分析

圖1（a）為掃描電鏡測試結(jié)果，對其中3個具有代表性的點(diǎn)進(jìn)行能譜分析，結(jié)果如圖1（a）至圖1（c）所示。

圖1 花崗巖的形貌分析和能譜分析圖Fig.1SEM and EDS analysis of granite

圖1（b）是a點(diǎn)的能譜分析結(jié)果。a點(diǎn)的化學(xué)元素有Si，O，Al，K，C，并有少量 Na?？梢耘袛嘣擖c(diǎn)主要成分為鉀長石（KAlSi2O3），并含有微量的鈉長石（NaAlSi2O3）及碳酸鹽。圖1（c）是b點(diǎn)的能譜分析結(jié)果。b點(diǎn)呈黑色，主要元素有C，Si，O，Al，K，Mg，F(xiàn)e，可以推斷該處的巖石成分為黑云母，化學(xué)式為K（Mg，F(xiàn)e）3AlSi3O10（F，OH）2，但由于類質(zhì)同象代替廣泛，所以不同巖石中產(chǎn)出的黑云母，其化學(xué)組成成分差距很大。圖1（d）是c點(diǎn)的能譜分析結(jié)果。c點(diǎn)呈灰白色，含有Si和O兩種元素，可以斷定該處的巖石為石英石。所以，基本可以確定組成樣品的主要物質(zhì)分別為鉀長石、黑云母以及石英石。

3.2 花崗巖的太赫茲時域光譜

在花崗巖樣品中隨機(jī)選取了5個測試點(diǎn)，得到了其太赫茲時域光譜，如圖2所示。

圖2 花崗巖中不同測試點(diǎn)的太赫茲時域譜圖Fig.2Terahertz time domain spectra of granite at 5points

由于花崗巖的成分不同，所以不同測試點(diǎn)的太赫茲反射信號亦有所區(qū)別。圖2中，掃測試2和測試點(diǎn)5的太赫茲反射信號強(qiáng)度較為接近，表明這兩點(diǎn)的礦物組成相似；同理，測試點(diǎn)3和掃測試4的太赫茲反射信號強(qiáng)度較為接近，表明這兩點(diǎn)礦物組成相似。

花崗巖是一種密度大、孔隙率極低的巖石，樣品表面光滑平整，因此可以忽略表面形貌引起的太赫茲波能量損失。主要的能量損失來自花崗巖對太赫茲波的吸收，其能量損耗隨測試點(diǎn)巖性的不同而不同，如果測試點(diǎn)不同而巖性相同，太赫茲信號也大致相同。因此，可選取每個測試點(diǎn)的太赫茲時域譜峰值對測試位置作圖，實現(xiàn)對巖心表面不同成分的分布檢測。

3.3 反射式太赫茲光譜成像

圖3（a）為選取所有花崗巖掃描點(diǎn)處的太赫茲時域譜極大值Vp，max得到的成像圖，圖3（b）為選取所有花崗巖掃描點(diǎn)處太赫茲時域譜極小值Vp，min得到的成像圖。從圖中可以看到，巖石成分不同，太赫茲光譜圖的顏色也不同。圖3（a）中，鉀長石和石英石對應(yīng)圖中的紅色部分，黑云母對應(yīng)橙色與黃色部分，其太赫茲時域譜極大值小于鉀長石和石英石的相應(yīng)值，這說明黑云母對太赫茲波的吸收大于鉀長石與石英石，這種差異在圖3（b）更加明顯。圖3（b）中，綠色部分代表黑云母，藍(lán)色部分代表鉀長石和石英石。

圖3 花崗巖樣品圖及反射式太赫茲光譜成像圖Fig.3Granite sample and reflective terahertz spectral imaging

圖3 顯示鉀長石和石英石的差別不大，這是因為石英為三方晶系的氧化物，Si－O以原子鍵結(jié)合，各項鍵力均等。鉀長石屬架狀硅酸鹽礦物，鉀長石晶體結(jié)構(gòu)與石英基本相同，只是鋁氧四面體取代了1／4硅氧四面體，晶體結(jié)構(gòu)有細(xì)微差異，但這種差異在成像圖中不容易體現(xiàn)出來。此外，通過圖1的能譜分析可知，黑云母中含有Fe元素，這使其在低頻太赫茲波段有較高的吸收性，相應(yīng)地，其太赫茲時域譜峰值較小。

4 結(jié)論

根據(jù)花崗巖的不同成分對太赫茲波的吸收不同這一特點(diǎn)，本文利用反射式太赫茲光譜成像技術(shù)獲取了樣品的時域譜，通過提取時域譜中極值的方法得到了不同成分花崗巖的太赫茲光譜成像圖。花崗巖各區(qū)域成分不同，其太赫茲時域光譜信號存在差異，在反射式太赫茲光譜成像圖上顏色不同。隨著技術(shù)本身的不斷完善，太赫茲時域光譜技術(shù)可望應(yīng)用于地球物理勘探領(lǐng)域。