三維X-CT 成像技術(shù)在巖石礦物中的應用

李伯平， 郭冬發(fā)， 李 黎

（核工業(yè)北京地質(zhì)研究院， 北京 100029）

20 世紀70 年代隨著計算機科學技術(shù)的發(fā)展， Hounsfield 等開發(fā)了一種稱為計算機橫向軸向斷層掃描的新技術(shù)（Computerized Transverse Axial Tomography 縮 寫 為 CAT 或CT）［1］。 即通過從不同角度獲取物體的投影圖像， 再使用專用計算機算法重建3D 模型， 該技術(shù)隨即被應用于臨床醫(yī)學， 實現(xiàn)了人體局部的可視化。

根據(jù)應用領(lǐng)域的不同， 三維X-CT 大致可以分成兩大類， 醫(yī)療CT 和工業(yè)CT， 其主要區(qū)別在于能量的不同和操作方式的不同。 醫(yī)療CT 針對活體， 為了考慮X 射線產(chǎn)生的輻射對活體生物的損傷， 射線能量通常較低； 工業(yè)CT 針對一般工業(yè)品， 射線能量通常較高。

隨著硬件設(shè)備及機算法的不斷提升和改進， X-CT 已逐漸可以對不同尺寸規(guī)格、 不同分辨率要求的不透明物體進行圖像處理， 并且在近20 年中， 極大地提升了地質(zhì)調(diào)查的能力［2］。 許多地球科學研究需要了解巖石成分的真實三維形態(tài)和紋理， 以便研究材料巖石的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。 礦物晶面之間的角度以及三維可視化等是礦物學研究的重要組成部分。 Fonteneau等將X-CT 技術(shù)用于鐵礦和銅礦的研究， 并將測試結(jié)果應用于鐵礦石和銅礦的水冶浸出，為浸出工藝提供相應的技術(shù)支持［3-4］。

X-CT 技術(shù)的另一個主要優(yōu)點在于它是一種非破壞性表征技術(shù)（NDA）， 可通過生成任意方向上的二維圖像（切片）顯示物體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)， 為地質(zhì)材料三維結(jié)構(gòu)的無損研究提供技術(shù) 手 段［5］。 此外， X-CT 與其他表征技術(shù)的聯(lián)用正逐漸受到關(guān)注［6-7］。

1 關(guān)于X-CT

1.1 基本原理

X-CT 是基于X 射線能夠不同程度的穿透材料這一特征實現(xiàn)的。 對于均勻材料， 穿透規(guī)律在一定程度上滿足朗伯比爾定律， 該定律表示通過物體的單色X 射線的透射強度I （公式1）：

式中： I0—入射光束強度； μ（s）—沿著射線路徑s 的局部線性衰減系數(shù)。 該公式僅表示在二維平面上的計算原理。

X 射線線性衰減系數(shù)μ 主要由三種效應確定， 即光電效應、 非相干（康普頓）散射和電子對效應。 電子對效應只能在能量超過1.022 MeV 時發(fā)生， 因此在大多數(shù)X-CT 中不納入計算范圍［8］。

X 射線的衰減系數(shù)（用 μ 表示）， 與上述三種效應的反應截面（發(fā)生作用的概率）成正比，可以用公式（2）表示。

式中： σ—反應截面； ph—光電效應； c—康普頓效應； p—電子對效應。

圖1 樣品的X 射線吸收示意圖以及用于創(chuàng)建三維重建的X 射線吸收基本理論［9］Fig. 1 Schematic of X-ray absorption of a sample and the basic mathematics of absorption used to create a tomographic reconstruction［9］.

圖1 顯示了X 射線束穿過球體（嵌入了立方體和較小球的球體）并在射線方向上（箭頭方向）強度衰減。 X-射線沿某角度（θ）穿透球體（大）時， X 射線的衰減信息由 I/I0表示； 通過旋轉(zhuǎn)樣品， 即可獲得X 射線在不同角度上的衰減， 因此X 射線的衰減強度為衰減系數(shù)（μ）與角度的積分函數(shù)。

如果掃描對象由多個不同的材料組成，則方程式應為（公式3）：

式中： I0和I—分別是X 射線束的初始強度和最終強度， μi—某種材料對X 射線在距離上的線性衰減系數(shù)（單位： l-1）， xi—X 射線穿過某種單一材料的路徑長度（單位： l）。

其中每一增量i 反映了在X 射線方向上所有不同衰減系數(shù)μi的材料與各自距離xi的積分。

圖2 X 射線在不同礦物中的衰減系數(shù)隨能量變化曲線［10］Fig. 2 Linear attenuation coefficients as a function of X-ray energy of common mineral assemblages［10］

考慮到衰減系數(shù)與X 射線能量（E）密切相關(guān)， 需要整體考慮在有效X 射線譜范圍內(nèi)求解方程（公式4）：

X-CT 在地質(zhì)材料中的應用同樣是基于上述基本原理。 地質(zhì)材料通常有復雜的組成結(jié)構(gòu)和成分。 對于巖石礦物， 通常光電效應占低能 X 射線（50～100 keV）下的主要衰減部分， 原子序數(shù)越高光電效應越強， 康普頓散射在5～10 MeV 的高能下占主導地位， 電子對效應次之。 因此， 除非使用極高能量源，否則只需考慮光電效應和康普頓散射。 光電效應與Z4-5成正比 （其中Z 是衰減材料中原子的原子數(shù)）， 而康普頓散射僅與Z 成正比。 因此， 低能量X 射線比高能X 射線對成分差異更敏感。 根據(jù)美國國家標準與技術(shù)研究所（NIST） 數(shù)據(jù)資料， 質(zhì)量由低到高繪制曲線（圖 2）。 由 NIST 管理的 XCOM 數(shù)據(jù)庫提供的質(zhì)量衰減系數(shù)乘以質(zhì)量密度可確定線性衰減系數(shù)。

1.2 X-CT 基本組成

1.2.1 整體構(gòu)成

一個完整的3D X-CT 應包含以下幾個主要部分： 射線源、 旋轉(zhuǎn)工件平臺（機械系統(tǒng)）、探測器、 數(shù)據(jù)采集和三維重構(gòu)、 圖像后處理軟件以及其他輔助系統(tǒng)（控制系統(tǒng)、 電源系統(tǒng)以及輻射安全控制系統(tǒng)）［11］。 工業(yè) X-CT 工作原理及主要組成部件， 見圖3。

圖3 典型X-CT 組成Fig. 3 Schematic set up and real picture of X-CT system

X-CT 系統(tǒng)的主要性能參數(shù)包括以下幾個方面： 樣品尺寸、 掃描時間和圖像質(zhì)量（包括密度分辨率、 空間分辨率和偽相）， 而圖像質(zhì)量是CT 系統(tǒng)的關(guān)鍵指標。

X-CT 有多種分類方法。 按掃描方式， 可以分為平移-旋轉(zhuǎn) （TR） 掃描方式、 只旋轉(zhuǎn)（RO） 掃描方式和螺旋掃描方式； 按圖像重建算法， 可以分為平行束重建、 扇形束重建和錐形重建， 不同的檢測器類型決定了不同掃描方式， 見圖4。

圖4 不同類型檢測器對應的X-CT 構(gòu)架［10］Fig. 4 Schematic illustration of high resolution detectors and X-CT facility［10］

1.2.2 X 射線源

可產(chǎn)生X 射線的源主要有電子輻射源、同步輻射源和同位素輻射源等。 此外， 中子源也被應用于三維可視化。 電子輻射源為X射線機和加速器， 都是利用高速電子轟擊陽極金屬靶的過程中， 電子突然減速而引起的軔致輻射， 其優(yōu)點是切斷電源后則不再產(chǎn)生射線。 同步輻射是連續(xù)能譜， 經(jīng)過單色器選擇后可以得到定向的接近單能的X 射線， 因此通常應用于高分辨率的納米CT 系統(tǒng)。 但是由于射線能量通常在10～30 keV， 因此實際只能用于檢測毫米級的小樣品。 在同步輻射源中， X 射線束幾乎是平行的， 因此無法直接進行幾何放大， 但是X 射線通量很高， 這種高通量可以通過一個薄的閃爍屏將X 射線轉(zhuǎn)換為可見光， 然后通過光學放大透鏡來實現(xiàn)高分辨率， 工作原理見圖 5［13-14］。

圖5 兩種類型的X 射線源及工作原理Fig. 5 Schematic diagram of typical lab-based and synchrotron-based micro-CT setup

射線源之間的主要劃分依據(jù)是 “定向”管和 “透射” 管。 “定向” 管具有較厚的靶，這些靶被電子束以一定角度擊中， 并在互補角產(chǎn)生最亮的 X 射線； “透射” 管， 其中靶是一個薄箔， 被電子束轟擊時直接在另一側(cè)產(chǎn)生X 射線。 透射點可以達到亞微米光斑大小， 因此分辨率非常高， 但與定向目標相比，光束強度的損失較高。

盡管射線源種類多種多樣， 且都能產(chǎn)生高質(zhì)量的圖像， 但是還沒有一種裝置可以適用于所有的樣品和研究需求， 而且通常必須在圖像分辨率、 掃描時間和樣品尺寸等方面找到折中方案來從樣品中提取最大的信息。

1.2.3 射線探測器

用于X-CT 的探測器主要有分立探測器和面探測器。 分立探測器常用的探測器有氣體探測器和閃爍探測器； 面探測器主要有三種類型： 高分辨半導體芯片（固態(tài)探測器， 集成CCD）、 平板探測器和圖像增強探測器。 大多數(shù)用于CT 掃描儀的探測器使用閃爍材料（碘化銫或硫氧化釓）［11］， 將輸入的 X 射線轉(zhuǎn)換成可見光并計數(shù)， 同時允許使用光學放大透鏡來實現(xiàn)高分辨率， Godard 等人實現(xiàn)了小于10 nm的體素尺［15-16］。 探測器元件的數(shù)量決定了可以同時收集多少數(shù)據(jù)單元， 其靈敏度用于衡量測量的 “位深度”， 或者轉(zhuǎn)換成可以報出的數(shù)值， 如灰度值。 例如， 檢測器具有16 位或32位對比度， 因此可以產(chǎn)生216或232離散值。

影響圖像質(zhì)量的因素有探測器的成像元件的大小和元件數(shù)量、 對X 射線的探測效率以及靈敏度范圍等以及竄擾和響應時間。 竄擾主要通過使檢測器元件包括來自相鄰元件的信號來降低分辨率， 并且較長的檢測器延遲導致信號隨時間或旋轉(zhuǎn)角度的平均化， 同樣會降低圖像的分辨率。

1.2.4 圖像處理軟件

圖像處理軟件通過特定算法反演特定區(qū)域X 射線線性衰減系數(shù)從而生成物體內(nèi)部三維分布， 為了便于快速調(diào)取并查看， 通常將數(shù)據(jù)存儲為一系列虛擬二維切片。 目前， 適合的專業(yè)渲染軟件主要有 Fiji、 Vgstudio、Avizo、 Mavi、 Blob3d、 Pore3d、 3dma Rock 和Morpho 等。 這些軟件不僅是很好的定性工具，同時還可以根據(jù)需要計算出定量結(jié)果， 如顆粒物粒徑大小， 空間體積大小等。 然而， 各軟件針對的領(lǐng)域有所差異， 其中Avizo 在地球科學領(lǐng)域應用較為廣泛［17-18］。 有學者在推動X-CT 測量及數(shù)據(jù)處理軟件的便捷化及智能化方面做了大量積極的工作［19-21］。

3D 分析軟件定量處理結(jié)果可包括材料的總體紋理、 成分體積分數(shù)、 孔和粒度參數(shù)以及形態(tài)（形狀、 球形、 圓度等）、 表面紋理等數(shù)據(jù)。 但是在實際操作中， 這種定量的三維分析通常并不容易， 并且可能會由于偽影的影響而導致一些系統(tǒng)性誤差。 因此， 在處理或分析X-CT 數(shù)據(jù)時必須對其局限性和缺陷有充分的認識和考慮。

1.3 性能參數(shù)與干擾因素

1.3.1 密度分辨率

密度分辨率又稱對比度分辨率。 CT 系統(tǒng)對不同物相間的區(qū)分， 也就是通常所說的密度的區(qū)分。 實際的物相分辨率除了受體積密度影響， 還受所構(gòu)成物相中元素原子序數(shù)的大小影響， 通常原子序數(shù)越高， 如鋯、 鈾、釷、 稀土等， 對X 射線的衰減能力則越強。而最終的密度差（即密度檢出限）取決于檢測器對獲得的信號與噪聲的區(qū)分能力， 即廣義上的系統(tǒng)信噪比。 在醫(yī)學界通常定義為物相與相鄰均質(zhì)環(huán)境的X 射線衰減系數(shù)的相對值小于1%時（也有采用0.5%或更低）對應CT 系統(tǒng)能分辨該物相的能力［11］。

1.3.2 三維空間分辨率

三維空間分辨率（也叫空間分辨力）也就是系統(tǒng)在一定的置信區(qū)間上 （如大于95%的置信區(qū)間）可以剝離出的最小體單元。

在相同的焦點尺寸、 放大比下， 探測器總尺寸相同時， 探測器探元尺寸越小， 探元數(shù)量也越多， 樣品被切得更細， 分辨率越高，也受到機械系統(tǒng)精度、 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和重建算法的影響。 前者決定CT 系統(tǒng)的理論極限分辨率， 與后者共同作用決定CT 系統(tǒng)實際能夠達到的空間分辨率［11］。 目前， X-CT 的空間分辨率已基本達到其理論分辨率極限， 工件（測量物體）的尺寸通過影響射線源距工件以及射線源距檢測器的距離， 從而影響系統(tǒng)最終分辨率， 其 原 理 如 圖6 所示［22］， 相 互 關(guān) 系 見公式（5）。 相對于空間分辨率， 密度分辨率在實際使用中更常用。 在CT 技術(shù)中， 圖像的分辨率與樣品尺寸直接相關(guān)， 為了獲得亞微米級別的高分辨率CT 圖像， 需要將樣品盡可能靠近射線源， 這就對樣品的尺寸有所限制， 通常制備直徑小于1 mm 的鉆孔巖石樣品。

圖6 由射線焦點大小引起的空間分辨率變化示意圖Fig. 6 Schematic diagram of spatial resolution change caused by ray focus size

式中： R—分辨率； M—射線源到探測器的距離與射線源到樣品距離的比值 （即放大比）；d—探測器單元的尺寸； a—射線源焦斑的尺寸。

1.3.3 偽影

X-CT 掃描中最常遇到的問題是射線硬化造成的偽影。 因為X 射線是一定能量范圍的連續(xù)譜（在實際應用中不可能獲得絕對單色的X 射線譜）， 當射線穿透物體后射線中高能量部分的射線占比變大， 從而導致材料的CT 數(shù)據(jù)與其在原體積中的真實位置發(fā)生變化［23］，也就是在CT 圖像上出現(xiàn)了與物體真實結(jié)構(gòu)不相符的圖像特征。

因為較低能量的X 射線比較高能量的X射線更容易衰減， 所以穿過物體的多色光束優(yōu)先失去其光譜的低能量部分。 最終結(jié)果是光束雖然總強度減小， 但具有比入射光束更高的平均能量。 另外， 能量衰減強度與光的路徑長度相關(guān)， 即當光束穿過物體時， 大多數(shù)材料的有效衰減系數(shù)減小， 從而使得短光線路徑比長光線路徑成比例地衰減更多。 該過程通常表現(xiàn)為在長射線路徑的中心處變暗，以及在邊緣附近的相應增亮。 在具有大致圓形橫截面的物體中， 該過程使得邊緣看起來比內(nèi)部更亮， 但是在不規(guī)則物體中， 則難以對光束硬化偽影和實際材料變化進行鑒別。光束硬化偽影也可以通過礦石中含高原子序數(shù)（Z）礦物顆粒產(chǎn)生， 并且可以延伸到周圍基質(zhì)中產(chǎn)生明暗相間的條紋（圖7A）。

為了最大限度地減少偽影對CT 結(jié)果的影響， 通常從測量端和數(shù)據(jù)處理端實現(xiàn)。 一種方法是在X 射線束通過掃描物體之前或之后通過衰減濾光片對其進行預硬化或后硬化。過濾器通常是特定厚度的扁平金屬片或玻璃片。 但是光束過濾的缺點是造成能量下降，因此在實際操作中需要使用更長的采集時間或更高強度的X 射線源， 否則會導致更大的圖像噪聲。 其特點是僅部分有效。 另一種方法是使用與物體衰減特性相似的材料進行楔形校準。 在CT 重建過程中， 解決光束硬化問題已經(jīng)有了大量的研究。 最常見的技術(shù)是線性化， 也就是將每個衰減讀數(shù)從多色源轉(zhuǎn)換為單能量當量。 這種方法在大多數(shù)商用掃描儀和重建軟件包中都可用， 但大多數(shù)都是通過提供一組有限的線性化曲線手動選擇來簡化該過程［24-25］。

偽影的一個表現(xiàn)特征就是環(huán)偽影， 環(huán)偽影顯示為以旋轉(zhuǎn)軸為中心的完整或部分圓（圖7）。 它們是由單個探測器元件或元件集的輸出偏移引起的， 這會導致每個視圖中對應的一條或多條光線與其相鄰視圖相比具有異常值； 環(huán)的位置對應于重建期間這些光線重疊最大的區(qū)域。

圖7 地質(zhì)樣品X-CT 掃描的偽影以及消除Fig. 7 X-ray images with artifact and images after artifact removal

如果掃描的樣品中包含密度較高的組分，則會在高密度組分外圍形成一個 “星暴” 偽影， 其中明亮的條紋從物體向附近的材料發(fā)出很短的距離， 從而造成樣品形狀的扭曲。對于較高密度的金屬礦物相， 例如天然金或鉑族元素礦物等， 這些偽影則更嚴重。 圖8虛線框的礦物和圓圈內(nèi)礦物具有較高的密度，因此形成了顯著的星爆偽影。

圖8 不同密度礦物對應的灰度及高密度礦物引起的偽影Fig. 8 Gray level image of different density minerals and the artifact image caused by high density minerals

作者使用nanoVoxel 4000 系列高分辨率工業(yè)CT 對制備的標準礦物樹脂靶進行掃描成像， 每 0.25°采集一幀圖像， 圖像尺寸為1 920×1 536， 共采集 1 440 幀圖像， 其他實驗參數(shù)為電壓 190 kV， 電流 130 μA、 曝光時間 0.50 s、 掃描時間 45 min、 分辨率 19.78 μm，測試結(jié)果見圖8。

圖8 中對應的高亮度區(qū)域（圓形框和虛線方框）為含較高原子序數(shù)的地質(zhì)材料（分別為瀝青鈾礦和氧化鋯顆粒）， 在其周圍形成顯著的偽影； 相比之下， 實線方框內(nèi)樣品顆粒（主成分為硅酸鹽）的外側(cè)輪廓清晰， 三維重建的效果較好。

2 三維X-CT 在巖石礦物中的應用

2.1 礦物顆粒表征分析

礦物晶體大小、 形狀和空間分布記錄了大量的結(jié)晶歷史信息， 尤其是火成巖中， 例如溫度、 壓力等， 根據(jù)這些信息可推測其演化史， 因為礦物晶體的成核和歷史生長條件主要是過飽和度（或過冷度）的函數(shù)［26-28］。

區(qū)分礦物首先要求各相組成和密度存在較大差異， 才能產(chǎn)生足夠的X 射線衰減對比度［29］。 例如， 磁鐵礦的線性衰減系數(shù)遠大于石英， 因此鎂鐵質(zhì)礦物在CT 圖上很容易與石英礦物區(qū)分開（圖 9a）。 而石英和鈉長石的線性衰減系數(shù)在2～400 keV 的能量范圍內(nèi)相差不超過 6%（圖 9b）， 因此， 顯微 CT 區(qū)分效果不佳。 然而， 顯微CT 更適合于掃描分析相對獨立的晶體相。 礦物三維體積的成像受到X射線可達到的最大穿透深度的限制， 通常將X射線透射率降低到入射強度的1/e（～37%）的深度稱為穿透深度， 隨著能量的增加而平滑地增加， 為了研究毫米至厘米尺度上的巖石樣品， 通常需要入射能量＞5 keV（圖 9c）。 雖然當能量超過30～50 keV 時增加了穿透能力，但是衰減對比度會迅速衰減（圖 9b）， 這就使得大尺寸樣本（＞10 cm）缺乏足夠?qū)Ρ榷取?同時， 雖然分析體積隨線性尺寸快速增加， 但分辨率通常隨樣本尺寸的增加而降低［29-30］。 質(zhì)量衰減度（μ/ρ）是材料平均原子序數(shù)和密度的函數(shù)， 隨入射X 射線能量的增加而減?。贿@種衰減大部分是平滑的， 而且各種材料的曲線是近平行的（圖 9a）。 不同礦物的質(zhì)量衰減系數(shù)相對于石英的質(zhì)量衰減系數(shù)的變化表明， 各相之間的最大變化出現(xiàn)在1～100 keV范圍內(nèi)， 最大值約為 20～30 keV； 因此， 這是用X 射線層析成像研究晶體結(jié)構(gòu)的最佳能量范圍（圖 9b）［31-32］。

圖9 X 射線能量對衰減和穿透深度的影響［29］Fig. 9 Effect of X-ray energy on attenuation and penetration depth［29］

巖石樣品中有些礦物的密度范圍差異較大， 用CT 掃描得到的灰度值來區(qū)分它們則相對簡單， 例如組成相對單一的石英礦物（SiO2）與鋯石礦物（ZrO2）等。 然而， 有些礦物的成分相對復雜， 例如一些共伴生礦物， 使得采用灰度單一條件對它們進行區(qū)分的難度增加。

中子也是一種穿透能力極強的射線， 表1列出了不同礦物在100 keV X 射線以及具有同等能量中子射線下的衰減系數(shù)。 X 射線衰減在含金屬礦物中較高， 而在含氫礦物中中子衰減更高， 因此更適合于含氫的流體。

Polacci 等人將X-CT 應用于浮石和火山渣碎屑以及陣發(fā)性活動的火山渣和浮石樣品［34-35］。 Gualda 等研究了 Bishop Tuff （加利福尼亞） 浮石碎屑的晶體顆粒體積分布。 由于輔助礦物保存了巖漿系統(tǒng)演化的重要記錄， X射線顯微CT 可以用來繪制某些元素的三維圖， 例如鋯石和稀土元素等， 使得原位定性和定量地記錄這些礦物的三維結(jié)構(gòu)成為可能［29］。

Cnudde 等基于二維重建切片對不同的晶粒進行了區(qū)分， 并確定每個晶粒的體積、 表面、 球度、 等效直徑等結(jié)構(gòu)參數(shù)。 對含海綠石的砂巖進行了數(shù)字分析， 成功區(qū)分了三種不同的礦物： 石英、 海綠石和長石 （圖 10），不同顏色表示不同礦物。 圖10A 為含有海綠石的砂石的重建切片； 圖10B 為根據(jù)數(shù)字圖像分析后顆粒的最大開口對顆粒進行顏色編碼的相應切片。 海綠石顆粒（表示為綠色的；小的（暗的）到更大的（較輕的）最大開口）可以從石英顆粒中分離出來（黃色到紅色物體代表?。S色）到較大（紅色）最大開口）， 因為這兩種類型的顆粒之間有足夠的對比度。 此外，可以識別具有中間衰減系數(shù)的第三礦物相（在彩色圖形上顯示為灰色）， 利用偏振顯微鏡將其識別為長石［36-37］。

表1 X 射線及中子在不同礦物中的線性衰減系數(shù)［33］Table 1 Linear attenuation coefficients of neutrons and x-ray［33］ of minerals

圖10 不同礦物對應的灰度圖像及不同顏色標記的效果Fig. 10 Reconstructed gray level X-CT image of minerals and their colour-slice image

天然鉆石的密度約為3.1～3.5 g/cm3， 由于碳的原子序數(shù)較低， 可通過低能X 射線成像并采取措施避免射束硬化偽影， 從而有效地將天然鉆石與高密度鎂鐵礦物質(zhì)進行區(qū)分。最早由 Taylor 等［38］采用 X-CT 對產(chǎn)自俄羅斯西伯利亞Udachnaya 金伯利巖的榴輝巖主巖中的鉆石進行了分析。 通過樣品的分析并未發(fā)現(xiàn)有被石榴石完全包圍的鉆石， 且所有鉆石都與斜方輝石裂縫的變化有關(guān)。 基于這項研究的成果， 南非和加拿大在內(nèi)的許多其他地方在榴輝巖和橄欖巖中發(fā)現(xiàn)了鉆石［39-40］。Ketcham 等人用高分辨率X-CT 對23 克拉卡博納多鉆石中的包裹體和孔隙度圖案進行三維紋理觀察， 揭示了與其起源相關(guān)的新信息［41］； Eckley 等結(jié)合 X-CT 研究了一種產(chǎn)于巴西和中非共和國的多晶金剛石（Carbonado），研究發(fā)現(xiàn)其中的多孔暗結(jié)核具有一個較窄的碳同位素分布（δ13C 31‰～24‰）， 包裹體富含REEs 和錒系元素， 結(jié)構(gòu)較松散， 年齡在3.8～2.6 Ga［42］。

由于貴金屬對X 射線通常具有較強的衰減作用， 其相對于基體巖石具有較高的X 射線衰減對比度。 因此， X-CT 是研究礦石中貴金屬分布的有效技術(shù)之一［43］。

Leys 等利用 X-CT 技術(shù)研究了 Ertsberg-Grasberg 礦區(qū)的礦石（Cu-Au 礦床）， 獲得了具有地質(zhì)意義的獨特信息， 通過CT 掃描提供了有關(guān)金顆粒與其他礦石礦物的礦物學和結(jié)構(gòu)關(guān)聯(lián)的信息。 這些研究結(jié)果證實了整個Grasberg 礦床中金和硫化銅的關(guān)系密切， 并且大多數(shù)金顆粒出現(xiàn)在黃銅礦塊的邊緣或與黃 銅 礦 塊 內(nèi)的 空 隙 相 鄰［44］。 另外， Fraley 和Franks 對Ertsberg-Grasberg 區(qū)夕卡巖型礦石的CT 研究結(jié)果也表明了鈣質(zhì)硅酸鹽和硬石膏基質(zhì)中金顆粒與硫化銅類似的關(guān)系， 同時作者還對斑巖型Cu-Au 成因問題進行了探討， 研究表明斑巖系統(tǒng)中高溫Cu-S 化物中Au 的溶出對 Cu-Au 礦成因具有重要性［45］。 Egan 等采用雙能量X-CT 研究了巖心中不同礦物的三維分布（圖 11）。

圖11 巖心三維可視化顯示多種礦物的分布［46］Fig. 11 3D visualization of mineral distribution in the sample［46］

Mote 等人通過 CT 研究了 Cripple Creek 礦床（火山巖）中含碲和金的礦物巖心樣， 使用Blob3D 圖形處理軟件評估了代表三種高品位礦石樣品中金顆粒與周圍礦物的空間關(guān)系，獲得了巖脈內(nèi)金顆粒的大小、 形狀、 分布等信息。 結(jié)果表明金顆粒與斷層條紋在空間上存在統(tǒng)計學上的顯著相關(guān)性［47］。

Godel 等概述了CT 研究在PGE 礦石的性質(zhì)和來源中的應用， 以及為這些研究開發(fā)的基于 Matlab 的 軟 件［48］。 與金礦石類似， 典型的鉑族元素（PGE）礦石由高密度金屬礦物組成， 同樣適合采用 CT 技術(shù)進 行 研 究［48-49］。Godel 等最早采用醫(yī)療CT 儀器對PGE 礦石進行了初步研究［50］； Barnes 等采用工業(yè) CT 掃描設(shè)備研究了布什維爾德復雜巖體（Bushveld Complex） 和 斯 蒂 爾 瓦 特 雜 巖 （Stillwater Complex）以及科馬提巖（Komatiite hosted）鎳-硫礦石中（Ni-sulfides）的 PGE 礦物［50-51］。

Ricard 等采用CT 技術(shù)研究了硫化物（如磁鐵礦， 鎳黃鐵礦和黃銅礦等） 的三維大小、形態(tài)和分布， 同時利用Avizo Fire 和CSIRO 開發(fā)的代碼對這些數(shù)據(jù)評估， 得到了不同Ni-Cu-PGE 礦石類型中硫化物相互連接程度［52］。

X-CT 技術(shù)還在金礦浸出工藝中得到應用。 Leichliter 和Larson 等通過巖相分析研究了基于柱浸工藝下較低品位金礦石中金的浸出機理［53］。

2.2 包裹體分析

2.2.1 概況

巖石中流體包裹體和固體/熔融包裹體是指被封閉在天然礦物中的流體和熔融體。 表征礦物內(nèi)部流體包裹體和熔融包裹體的三維分布、 形態(tài)和不同相的體積分數(shù)， 對于確定晶體生長和古應力分析的條件至關(guān)重要［54-55］。然而， 它們相對較小的尺寸（通常為5～100 μm）、復雜的形狀、 組成不均勻性、 部分寄主礦物的不透明性和投影偏差常常影響傳統(tǒng)顯微技術(shù)的精確成像和體積重建。 高分辨X 射線計算機斷層掃描（HR-XCT）是一種分辨率達到亞微米的X-CT 技術(shù)， 可以彌補常規(guī)光學顯微鏡的不足， 是研究礦物包裹體無損表征的理想手段［56］。

最早由Nakashima 等人在1997 年報道了將X-CT 應用于流體包裹體的研究［57］。 隨后，HR-XCT 成功地應用于各種巖石中的礦物的形狀、 取向和三維分布、 孔隙度和裂縫的展示 研 究［58-60］， 如沉積巖、 變質(zhì)巖、 巖漿巖、地幔巖， 礦石和隕石等。

Hanna 和 Ketcham 的研究表明當分辨率達到 1 μm3/體素時， HR-XCT 可識別 5 μm 流體包裹體， 并對相對較大（＞25 μm）的夾雜物進行識別和體積重構(gòu)。 通過HR-XCT 可實現(xiàn)以下一些功能： 1） 表征晶體礦物中含水和含烴流體包裹體以及熔融包裹體的三維分布；2） 表征流體和熔融包裹體的形狀； 3） 重建流體和熔融包裹體的總體積和不同相 （液體、玻璃、 晶體和氣體）的體積分配， 但油水兩種液相不能相互區(qū)分［61］。

當密度對比足夠高時可以有效識別： 1） 橄欖巖晶體中的硅酸鹽熔體包裹體及其不同相（玻璃體、 蒸汽和晶體， 如單斜輝石和尖晶石）； 2） 透明和不透明的單相（液體）和兩相（液體＋蒸汽）流體包裹體礦物（石英、 石榴石、 祖母綠、 黑鎢礦）［61］。

Kyle 和 Ketcham 等［62］使 用 225 keV X 射線源和圖像增強器探測器 （1024×1024 CCD）， 對 3～70 mm 的樣本進行成像， 切片厚度的低至 10 或 1 μm。 由于所使用的 CT 系統(tǒng)分辨率受到限制， 僅允許在相對較大的流體包裹體（≥0.1 mm3）中測量多個相。

Bhuiyan 等人利用不同閾值將X 射線顯微層析成像數(shù)據(jù)進行二值化， 并與掃描電鏡結(jié)果進行比較， 發(fā)現(xiàn)X 射線顯微層析成像可以在對掃描電鏡數(shù)據(jù)進行適當校正后用于測量氣泡腔的總孔隙度， 由于他們研究獲得的分辨率有限， 因此只能提供粗略估計結(jié)果［63］。

2.2.2 流體包裹體

由于固體礦物相和流體相之間的X 射線衰減差異較大， 通常有幾個數(shù)量級， 因此流體包裹體在礦物中的 CT 成像中效果較好［47，64-65］。此外， 還可以將低密度氣相與相關(guān)的液相進行對比成像。 由于CT 方法是非破壞性的， 因此它可以對珍貴的巖石/礦物樣品進行流體包裹體檢測。

法國南錫大學實驗室Jacquemet 等人在天然石英中合成了兩相液體＋水汽流體包裹體［65］。 在流體包裹體合成后， 將石英薄片拋光至厚度0.4 mm， 用于光學顯微鏡和HR-XCT分析。 在光學顯微鏡下觀察發(fā)現(xiàn)存在大量的兩相 （液＋蒸氣） 流體包裹體 （1～100 μm）。Balitsky 等［64，66-67］采用水熱溫度梯度法， 利用高壓釜合成得到了捕集有烴的流體包裹體石英晶體， 并對石英-流體包裹體合成和X-CT表征的實驗步驟進行了詳細描述。

圖12 為某油田巖心樣品中發(fā)現(xiàn)的細長的（25 μm）含油的原生流體包裹體。 采用紫外-熒光測試表明液相組成為油相。 作者用HRXCT 對其組成和結(jié)構(gòu)進行了三維重建［68］。

2.2.3 固體礦物包裹體

圖12 不同探測方法顯示的含烴流體包裹體Fig. 12 Hydrocarbon fluid inclusions of image by different detecting method

X-CT 對固相包裹體的研究原理同樣是利用X 射線在包裹體及其寄主礦物中的衰減差異實現(xiàn)的。 反之， 通過研究固相包裹體的體積、 組成等信息可對起始反應物的純度等信息進行評估［69-70］。 劉等人通過 X-CT 研究了巖漿 Fe-Ti 氧化物礦化的 成 因［71］； Gómez Tuena等（火山物質(zhì)樣品）從位于墨西哥洛斯赫梅羅斯火山巖（斑巖熔巖）中采集一些具有代表性樣品做研究。 該地區(qū)的火山巖中橄欖石斑晶的直徑約為0.5～2.0 mm， 含有直徑為230 μm的孤立的圓形硅酸鹽熔體包裹體（圖13）， 在硅酸鹽熔體包裹體內(nèi)觀察到尖晶石等， 這些晶體在硅酸鹽熔融包裹體俘獲后成核。 樣品中含有斜長石、 橄欖石、 斜方輝石和單斜輝石斑晶， 以及大的囊泡和玻璃基質(zhì)［72-73］。

Benedix 等對mm～cm 大小的金屬硫化物囊泡組合進行了礦物學和層析研究， 并對硅酸鹽宿主進行了年代研究［74］。

2.3 孔隙三維形態(tài)表征

三維X-CT 在巖石礦物中應用較早且較廣泛的應是三維孔隙的構(gòu)建和測量。 近年來，人們越來越關(guān)注儲層巖石孔隙形態(tài)的特征，以及孔隙特征的空間組織如何影響巖石流體系統(tǒng)的宏觀行為［75］。 在 X-CT 之前， 通常是通過從二維薄片圖像重建三維多孔介質(zhì)的統(tǒng)計模型［76］或 基 于 過 程 模 型［77］對 三 維孔隙 進 行 表征， 再發(fā)展為計算機模 型 重 建［78］。 統(tǒng)計模型和基于過程的模型都有各自的優(yōu)缺點， 而XCT 技術(shù)與圖像分析算法相結(jié)合， 使得復雜的3D 孔隙特征描述得以有效解決， 并且成像分辨率可達亞微米尺度。

圖13 顯微鏡和3D XCT 下橄欖石中硅酸鹽熔融包裹體Fig. 13 Silicate melt inclusion （SMI） in olivine of thin section and 3D XCT

天然巖石的多孔性、 孔徑分布和孔隙幾何結(jié)構(gòu)直接關(guān)系到其透水和透氣性。Dewanckele 等通過顯微CT 對巖石的三維孔隙結(jié)構(gòu)和內(nèi)部動力學進行分析， 研究了巖石潛在的風化行為［79］。 Dewanckele 等［80］還 在 強 酸試驗下人工模擬風化實驗， 將巖石結(jié)構(gòu)的變化可視化（圖14）， 并且這一研究結(jié)果在水冶浸出工藝研究中得到了充分應用。

圖14 鈣質(zhì)砂巖（左）在風化過程中孔隙度（右）變化Fig. 14 3D rendered volumes of a calcareous sandstone （left） and the porasity change by colourcoded equivalent diameter （ED）（right）

圖14 分別展示了一種鈣質(zhì)砂巖在風化前、 實驗第10 天和實驗第21 天后（使用強酸試驗）的孔隙結(jié)構(gòu)變化。 圖左列顯示了不同步驟的整體渲染； 圖右列顯示了三維渲染的孔結(jié)構(gòu)。 紅色代表最大的毛孔（根據(jù)其體積），而藍色代表最小的毛孔。

Mayka 等研究了如何根據(jù)二值三維圖像（灰度圖）對不規(guī)則巖石顆粒（孔隙）的形狀進行分類和量化。 該方法需要測量基本的三維粒子描述參數(shù)（長度、 寬度和厚度）， 同時人為定義一些相似的形狀分類以便歸類分析。作者通過分析識別出兩種主要的孔隙成分：孔隙網(wǎng)絡(luò)和殘余孔隙神經(jīng)節(jié)。 在對主孔隙網(wǎng)絡(luò)進行分離后， 采用分水嶺算法對孔隙形態(tài)進行了保存。 該方法通過對3 種砂巖進行測試， 其結(jié)果與其他方法相一致［75］。

Freiregormaly 等人首次利用孔隙網(wǎng)絡(luò)模擬和侵入滲流模擬的顯微CT 數(shù)據(jù)對印第安納石灰?guī)r和粉色白云石模型碳酸鹽巖進行了詳細的孔隙尺度特征描述， 其主要目的是預測與二氧化碳封存有關(guān)的碳酸鹽巖的相對儲存量［81］。

Li 等人采用聚焦離子束掃描電子顯微鏡（FIB-SEM） 和 X-μCT 相結(jié)合的方法， 在不同的尺度上研究了煙煤和無煙煤的三維孔隙破裂特征， 并通過加合的方式獲得了樣品的總孔隙率（BC 為 1.108%， AC 為 6.082%）。 該研究為評價煤儲層物性提供了一種準確的方法，有助于理解煤層氣的儲運機理［82］。

火山灰表面的特征對于理解火山羽的物理、 界面過程、 火山灰的運輸和沉積建模以及火山噴發(fā)類型的特征至關(guān)重要。 火山灰顆粒是爆炸性噴發(fā)的重要組成部分。 由于顯微CT 可以測量表面積和單個灰燼顆粒的體積，因此Ersoy 等［83］采用該技術(shù)和掃描電鏡立體成像作為火山灰顆粒宏觀孔隙區(qū)域紋理特征的表征技術(shù)。 Polacci 等［84］利用同步輻射 X 射線顯微CT 在微米分辨率的水平上分析了火山產(chǎn)物中的氣泡幾何結(jié)構(gòu)， 提高了對火山作用過程的理解。

Hector 等提出了一種改進后的總有效孔隙度計算方法， 并模擬了巖石樣品的絕對滲透率。 這種方法將X-μCT 的分析以及基于灰度方差的強大閾值數(shù)據(jù)處理方法結(jié)合， 將三維體分割為三個區(qū)域： 實體、 分辨率以上的孔和一個中間區(qū)域［43］。

2.4 元素空間分布及量化分析

通常情況下， 通過分析X-CT 圖像推斷出的唯一定量信息主要是來自局部區(qū)域?qū)€性衰減系數(shù)的區(qū)分， 而且一些常見礦物的密度十分接近， 無法進行詳細的分析。 某些礦物的X 射線衰減隨能量變化出現(xiàn)大突躍的現(xiàn)象，源自對應于其內(nèi)部主要元素的K-邊或L-邊吸收［85-86］。 利用不同元素 X 射線邊界吸收能量的不同， 研究人員開發(fā)了一類雙能3D X-CT（DECAT）［87-88］， 這 種 CT 技術(shù)在元素空間分布、 定量測定方面有特殊的意義。 使用雙能X-CT 的優(yōu)勢在于可顯著克服單能量的不足，通過使用兩種不同能量的X 射線穿過被測樣品測量同一截面， 可以確定所選截面密度和有效原子數(shù)分布函數(shù)， 通過計算吸收邊正上方和正下方層析圖之間的灰度差異即可對礦物相的分布進行量化推演。

由于材料的X 射線衰減是其密度、 原子序數(shù)Z 和X 射線能量的復合函數(shù)， 在雙能量射線穿透下可以對相同材料密度和有效（平均）Z 進 行 估 計［22，89］。 但是， 該方法需要已知成分和密度的材料才能進行仔細校準， 而且X射線的多色性和射線硬化的并發(fā)癥會限制其使用［90］。

Baker 等采用雙能量成像（相位對比）研究了凝灰?guī)r浮石中鋯和銫的分布情況， 實驗結(jié)果見圖 15［9］。

Grande 等采用真空單晶衍射儀和流量比例計數(shù)器能量從0.84～6.0 keV 以及更高的能量下， 連續(xù)測量了鈾的總衰減系數(shù)， 統(tǒng)計波動在 0.5%～2%之間， 總準確率為3%。 在3.552 和 3.728 keV 邊緣的 20 eV 內(nèi)測量出顯著的突變邊緣（圖 16， NIST 數(shù)據(jù)庫）［91］。 因此，我們可以利用該參數(shù)， 通過雙能量X-CT 技術(shù)獲得含鈾礦石中鈾礦物的空間分布圖， 目前作者正在嘗試相關(guān)的工作。

圖15 雙能CT 成像在凝灰?guī)r浮石研究中的應用［9］Fig. 15 Application of dual energy CT to the study of pumice from the peach spring tuff ［9］

Egan 等［46］報道了基于實驗室的高光譜 X射線計算機斷層成像技術(shù)的發(fā)展， 它可以在三維空間重建和可視化物體的內(nèi)部元素化學。該方法使用具有足夠能量分辨率的光譜X 射線成像檢測器來區(qū)分單個元素吸收邊緣。 通過K 邊相減可以獲得元素分布， 或者通過體素光譜擬合得到原子相對濃度。 圖17 為采用雙能量法獲得的元素鈀在多孔材料中的分布。實驗采用標準X 射線源， 其測量時間與常規(guī)計算機斷層掃描所需的測量時間接近。

圖16 鈾的X 射線衰減曲線Fig. 16 X-ray attenuation curve of uranium

圖17 金屬鈀在多孔氧化鋁催化劑體上的分布Fig. 17 Pd metal distribution on a porous alumina catalyst body

Geet 等將2D 薄層巖石學與微焦點雙能X-CT 巖石物理測量進行了聯(lián)用， 研究了元素在巖石樣品內(nèi)部分布的情況， 同時作者還發(fā)現(xiàn)該技術(shù)存在一些局限性［22］。

Ikeda 等人利用同步輻射X-CT 對部分熔融花崗巖中的銫元素濃度分布進行了研究。元素的濃度可以根據(jù)X-CT 圖像灰度的差異，并結(jié)合標準物質(zhì)進行校正計算。 利用該技術(shù)獲得了部分熔融花崗巖的三維Cs 濃度圖， 并與電子探針（EPMA）的二維元素圖進行了空間和成分分辨率的比較。 利用線性衰減系數(shù)進行校準， 獲得了±2.5 %的成分分辨率。 其校準方法為： 1） 基于理論線性衰減系數(shù)和測得的CT 值之間的經(jīng)驗關(guān)系的校準； 2） 由 X 射線引起的觀測質(zhì)量衰減系數(shù)（MAC）的空間變化的校準使用標準材料（CS 軸承溶液）進行能量轉(zhuǎn)移［92］。

丁潔、 趙宇亮等［93］采用創(chuàng)新分析方法，系統(tǒng)地表征了霧霾單顆粒的鐵元素定量信息、空間分布、 元素化學形態(tài)。 采用多種分析技術(shù)如X 射線熒光、 同步輻射技術(shù)等， 解析霧霾單顆粒的定量化學信息， 包括多種元素組成、 關(guān)鍵元素空間分布、 元素化學形態(tài)及其分布見圖18， 為揭示大氣顆粒物鐵元素狀態(tài)、 含量及其空間分布導致自由基產(chǎn)生及其誘導健康效應構(gòu)效關(guān)系提供了重要科學依據(jù)。

圖18 霧霾單顆粒的鐵元素空間分布成像Fig. 18 Single-particle analysis for structure and iron chemistry of atmospheric particulate matter

3 結(jié)語

在計算機技術(shù)和軟件算法進步的推動下，X-CT 技術(shù)作為地球科學中的一種測量與分析工具得到不斷發(fā)展和應用， 尤其是在研究巖石中礦物及元素分布三維可視化方面， 正在逐步趨于成熟， 成為一種標準的表征技術(shù)手段。 然而， 該技術(shù)也存在一定的物理局限性，還需要不斷進行研究， 在發(fā)揮優(yōu)勢的同時加以改進。

1） 提高X 射線源、 單色器以及檢測器性能， 以優(yōu)化X-CT 分辨率， 特別是加快雙能X-CT 發(fā)展和應用空間， 例如地質(zhì)樣品中較低含量元素空間賦存狀態(tài)研究。

2） 進一步擴大X-CT 技術(shù)與其他微區(qū)表征技術(shù)的 （如激光燒蝕質(zhì)譜、 掃描電子顯微鏡和X 射線熒光成像等） 的聯(lián)用。

3） 提高X-CT 三維處理軟件的人工智能化程度， 降低技術(shù)應用門檻， 推動X-CT 在地球科學及其他相關(guān)領(lǐng)域的應用范圍和應用深度。

4） 拓展 4DC-CT 監(jiān)測的應用研究， 同時滿足分辨率優(yōu)于幾百納米。

5） 在提高掃描和分析速度的同時， 降低測試成本， X-CT 技術(shù)在數(shù)字化巖心研究方面將大有作為。

通過不斷的技術(shù)優(yōu)化和改進， 筆者相信X-CT 將成為地球科學和巖石礦物研究中不可或缺的技術(shù)手段。

致謝：感謝天津三英精密儀器有限公司在樣品測試和數(shù)據(jù)處理方面給予的幫助， 同時感謝核工業(yè)北京地質(zhì)研究院范光正高級工程師為本項目提供部分單礦物標本。