高分辨率X射線計算機斷層掃描研究不透明礦物流體包裹體

王 琪

(成都理工大學，四川 成都 610059)

晶體內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、變形與所涉及的流體的性質之間的關系的關鍵信息。然而，由于光學觀測經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據。高分辨率X射線計算機斷層掃描(HRXCT)是一種利用一系列不同視角的連續射線照片中X射線衰減的對比度來重建各種材料中不同密度區域的三維分布的無損檢測方法。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算機上，還可以識別和定量透明礦物(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，所以在地球科學研究中的應用呈上升趨勢。

1 基本原理及設備

Ketcham等給出了HRXCT的基本原理和方法。HRXCT是一種無損、無創的方法，它利用X射線對樣品一定厚度的層面進行掃描，測量透過該層面后的X射線，經計算機處理后形成三維圖像。其分辨率可達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二維射線照片，通過小步旋轉單個軸的樣本來實現。HRXCT圖像是基于物質間密度和原子數不同而引起X射線衰變差異(密度和原子序數的函數)。HRXCT設備主要有三部分：掃描系統、計算機系統、圖像顯示和存儲系統。該儀器采用超高分辨率子系統，可對直徑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部結構的三維體積圖像。三維體可以被看作是單獨的截面圖像(切片)或三維渲染，并用三維圖像處理技術進行定量分析。

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，對計算機配置要求高；(3)成本高，分析測試費用昂貴；(4)系統分辨率僅適合于對大流體包裹體(≥0.1 mm3)進行準確可靠的測定，測量時需包裹體足夠大(≥0.1 mm3)。

3 優點

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

4 結語

具體來說，在過去20年中，HRXCT對地球材料的測試分析越來越多。在各種實例中，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來測試分析和表征，這些巖石顯示出復雜的結構，如沉積巖、變質巖、巖漿巖、地幔巖、礦石和外星物質。普通地質流體與普通礦物的線性X射線衰減系數相差幾個數量級，表明HRXCT理論上適合于鑒定大多數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，但是紅外攝像機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價值。如果晶體的生長方向已知，HRXCT有助于重建夾雜物和它們的主晶體之間的空間關系以及它們在形成時間上的先后關系。最后，利用HRXCT對流體包裹體平面進行三維填圖對微構造特征和古應力分析有很大幫助。HRXCT的發展離不開繪制工作流程、運用算法的計算機軟件的發展，后者對前者有著至關重要的促進作用，HRXCT能夠為更加精確地量化地球材料的三維節理開辟新的領域。