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(shí)驗(yàn)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(dòng)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(shí)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(shí)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(shí)驗(yàn)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(dòng)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(shí)驗(yàn)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(shí)域光譜，通過提取時(shí)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(shí)驗(yàn)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(dòng)巖石切片機(jī)對巖心進(jìn)行切片，得到若干個(gè)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(shí)驗(yàn)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(shí)域信號(hào)；利用高精密位移平移臺(tái)實(shí)時(shí)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?；跇悠匪袦y試點(diǎn)處的太赫茲時(shí)域譜，選取太赫茲時(shí)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(shí)驗(yàn)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(gè)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(shí)域光譜

在花崗巖樣品中隨機(jī)選取了5個(gè)測試點(diǎn)，得到了其太赫茲時(shí)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(shí)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(hào)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(hào)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(hào)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(hào)也大致相同。因此，可選取每個(gè)測試點(diǎn)的太赫茲時(shí)域譜峰值對測試位置作圖，實(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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?yàn)槭槿骄档难趸?，Si－O以原子鍵結(jié)合，各項(xiàng)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(shí)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(shí)域譜，通過提取時(shí)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?；◢弾r各區(qū)域成分不同，其太赫茲時(shí)域光譜信號(hào)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(shí)域光譜技術(shù)可望應(yīng)用于地球物理勘探領(lǐng)域。