王 琪

(成都理工大學(xué)，四川 成都 610059)

晶體內(nèi)流體包裹體的三維分布、形狀及其不同相的體積比例是確定晶體生長(zhǎng)、變形與所涉及的流體的性質(zhì)之間的關(guān)系的關(guān)鍵信息。然而，由于光學(xué)觀測(cè)經(jīng)常受到透視和投影問題的阻礙，因此很難可靠地獲得這些數(shù)據(jù)。高分辨率X射線計(jì)算機(jī)斷層掃描(HRXCT)是一種利用一系列不同視角的連續(xù)射線照片中X射線衰減的對(duì)比度來重建各種材料中不同密度區(qū)域的三維分布的無損檢測(cè)方法。HRXCT可以把分離的流體包裹體、流體包裹體簇和軌跡成像表征在計(jì)算機(jī)上，還可以識(shí)別和定量透明礦物(如石英、橄欖石)和不透明礦物(如黃鐵礦、磁黃鐵礦、閃鋅礦)中的流體包裹體的不同相，所以在地球科學(xué)研究中的應(yīng)用呈上升趨勢(shì)。

1 基本原理及設(shè)備

Ketcham等給出了HRXCT的基本原理和方法。HRXCT是一種無損、無創(chuàng)的方法，它利用X射線對(duì)樣品一定厚度的層面進(jìn)行掃描，測(cè)量透過該層面后的X射線，經(jīng)計(jì)算機(jī)處理后形成三維圖像。其分辨率可達(dá)Q1μm/像素(px)或1 μm3/體素(vx)。三維重建是基于一系列以不同視角拍攝的連續(xù)二維射線照片，通過小步旋轉(zhuǎn)單個(gè)軸的樣本來實(shí)現(xiàn)。HRXCT圖像是基于物質(zhì)間密度和原子數(shù)不同而引起X射線衰變差異(密度和原子序數(shù)的函數(shù))。HRXCT設(shè)備主要有三部分：掃描系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、圖像顯示和存儲(chǔ)系統(tǒng)。該儀器采用超高分辨率子系統(tǒng)，可對(duì)直徑3～70 mm、厚度僅10 μm，甚至1 μm的樣品薄片成像。該掃描系統(tǒng)生成給定巖石的一系列灰度射線照片，然后將其重建成樣本內(nèi)部結(jié)構(gòu)的三維體積圖像。三維體可以被看作是單獨(dú)的截面圖像(切片)或三維渲染，并用三維圖像處理技術(shù)進(jìn)行定量分析。

2 存在問題

HRXCT用于不透明礦物的流體包裹體研究還處于起步階段。目前，利用HRXCT掃描不透明礦物中流體包裹體存在下列問題：(1)分辨率限制樣品的大小，不能識(shí)別較大的樣品，而且樣品的邊界可能不能掃描出來；(2)可視化分析占用資源較多，對(duì)計(jì)算機(jī)配置要求高；(3)成本高，分析測(cè)試費(fèi)用昂貴；(4)系統(tǒng)分辨率僅適合于對(duì)大流體包裹體(≥0.1 mm3)進(jìn)行準(zhǔn)確可靠的測(cè)定，測(cè)量時(shí)需包裹體足夠大(≥0.1 mm3)。

3 優(yōu)點(diǎn)

X射線計(jì)算機(jī)斷層掃描(XCT)是一種無損技術(shù)，最初發(fā)展為醫(yī)學(xué)成像技術(shù)，它允許探索固體材料的三維(3D)特性。與醫(yī)用X射線計(jì)算機(jī)斷層攝影術(shù)相比，HRXCT能對(duì)巖石等固體材料的內(nèi)部進(jìn)行精確成像，且由于被照射的材料是無生命的，所以能進(jìn)行更長(zhǎng)的曝光時(shí)間。一般研究中，光學(xué)顯微鏡、電子顯微鏡或微探針對(duì)巖石學(xué)薄片或拋光巖石表面的研究，它們都不能直接在三維(3D)中顯示微觀結(jié)構(gòu)。最多情況下，巖石的空間幾何形狀可以通過來自多個(gè)(薄)剖面的二維數(shù)據(jù)的組合來近似，缺乏完整的三維控制通常會(huì)在微觀結(jié)構(gòu)解釋中引入歧義，而HRXCT可測(cè)定包裹體(<0.000 1 mm3)分布特征、三維位置。除此之外，還可用來精確測(cè)定包裹體體積和氣相體積，計(jì)算流體包裹體密度和均一溫度(與傳統(tǒng)均一測(cè)溫結(jié)果一致)。該技術(shù)快捷、方便且是完全非破壞性三維成圖，因此，HRXCT可觀測(cè)且“保護(hù)”流體包裹體，而且制樣所需量少。對(duì)于那些不適合做破損分析的樣品，HRXCT作為無損分析法，可對(duì)其流體包裹體進(jìn)行測(cè)定。由于流體包裹體拉伸，不穩(wěn)定礦物在制樣時(shí)加熱或傳統(tǒng)均一測(cè)溫過程中可能造成分析結(jié)果不準(zhǔn)確，而采用HRXCT則可以為其提供有效合理的分析結(jié)果。

4 結(jié)語(yǔ)

具體來說，在過去20年中，HRXCT對(duì)地球材料的測(cè)試分析越來越多。在各種實(shí)例中，各種巖石中礦物、孔隙度和裂縫的形狀、方向和三維分布都可以用HRXCT來測(cè)試分析和表征，這些巖石顯示出復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，如沉積巖、變質(zhì)巖、巖漿巖、地幔巖、礦石和外星物質(zhì)。普通地質(zhì)流體與普通礦物的線性X射線衰減系數(shù)相差幾個(gè)數(shù)量級(jí)，表明HRXCT理論上適合于鑒定大多數(shù)天然晶體和合成晶體中的流體包裹體。HRXCT是許多礦物中流體包裹體研究的無損分析方法，這些礦物包括：(1)不透明礦物，其中的包裹體的觀察需要借助紅外攝像機(jī)，但是紅外攝像機(jī)不適用于某些不透明礦物；(2)易碎礦物(如c.c.碳酸鹽、石膏)在樣品制備過程中受到流體包裹體拉伸；(3)寶石，流體包裹體的存在影響它們的商業(yè)價(jià)值。如果晶體的生長(zhǎng)方向已知，HRXCT有助于重建夾雜物和它們的主晶體之間的空間關(guān)系以及它們?cè)谛纬蓵r(shí)間上的先后關(guān)系。最后，利用HRXCT對(duì)流體包裹體平面進(jìn)行三維填圖對(duì)微構(gòu)造特征和古應(yīng)力分析有很大幫助。HRXCT的發(fā)展離不開繪制工作流程、運(yùn)用算法的計(jì)算機(jī)軟件的發(fā)展，后者對(duì)前者有著至關(guān)重要的促進(jìn)作用，HRXCT能夠?yàn)楦泳_地量化地球材料的三維節(jié)理開辟新的領(lǐng)域。