高分辨率X射线计算机断层扫描研究不透明矿物流体包裹体

王 琪

(成都理工大学，四川 成都 610059)

晶体内流体包裹体的三维分布、形状及其不同相的体积比例是确定晶体生长、变形与所涉及的流体的性质之间的关系的关键信息。然而，由于光学观测经常受到透视和投影问题的阻碍，因此很难可靠地获得这些数据。高分辨率X射线计算机断层扫描(HRXCT)是一种利用一系列不同视角的连续射线照片中X射线衰减的对比度来重建各种材料中不同密度区域的三维分布的无损检测方法。HRXCT可以把分离的流体包裹体、流体包裹体簇和轨迹成像表征在计算机上，还可以识别和定量透明矿物(如石英、橄榄石)和不透明矿物(如黄铁矿、磁黄铁矿、闪锌矿)中的流体包裹体的不同相，所以在地球科学研究中的应用呈上升趋势。

1 基本原理及设备

Ketcham等给出了HRXCT的基本原理和方法。HRXCT是一种无损、无创的方法，它利用X射线对样品一定厚度的层面进行扫描，测量透过该层面后的X射线，经计算机处理后形成三维图像。其分辨率可达Q1μm/像素(px)或1 μm3/体素(vx)。三维重建是基于一系列以不同视角拍摄的连续二维射线照片，通过小步旋转单个轴的样本来实现。HRXCT图像是基于物质间密度和原子数不同而引起X射线衰变差异(密度和原子序数的函数)。HRXCT设备主要有三部分：扫描系统、计算机系统、图像显示和存储系统。该仪器采用超高分辨率子系统，可对直径3～70 mm、厚度仅10 μm，甚至1 μm的样品薄片成像。该扫描系统生成给定岩石的一系列灰度射线照片，然后将其重建成样本内部结构的三维体积图像。三维体可以被看作是单独的截面图像(切片)或三维渲染，并用三维图像处理技术进行定量分析。

2 存在问题

HRXCT用于不透明矿物的流体包裹体研究还处于起步阶段。目前，利用HRXCT扫描不透明矿物中流体包裹体存在下列问题：(1)分辨率限制样品的大小，不能识别较大的样品，而且样品的边界可能不能扫描出来；(2)可视化分析占用资源较多，对计算机配置要求高；(3)成本高，分析测试费用昂贵；(4)系统分辨率仅适合于对大流体包裹体(≥0.1 mm3)进行准确可靠的测定，测量时需包裹体足够大(≥0.1 mm3)。

3 优点

X射线计算机断层扫描(XCT)是一种无损技术，最初发展为医学成像技术，它允许探索固体材料的三维(3D)特性。与医用X射线计算机断层摄影术相比，HRXCT能对岩石等固体材料的内部进行精确成像，且由于被照射的材料是无生命的，所以能进行更长的曝光时间。一般研究中，光学显微镜、电子显微镜或微探针对岩石学薄片或抛光岩石表面的研究，它们都不能直接在三维(3D)中显示微观结构。最多情况下，岩石的空间几何形状可以通过来自多个(薄)剖面的二维数据的组合来近似，缺乏完整的三维控制通常会在微观结构解释中引入歧义，而HRXCT可测定包裹体(<0.000 1 mm3)分布特征、三维位置。除此之外，还可用来精确测定包裹体体积和气相体积，计算流体包裹体密度和均一温度(与传统均一测温结果一致)。该技术快捷、方便且是完全非破坏性三维成图，因此，HRXCT可观测且“保护”流体包裹体，而且制样所需量少。对于那些不适合做破损分析的样品，HRXCT作为无损分析法，可对其流体包裹体进行测定。由于流体包裹体拉伸，不稳定矿物在制样时加热或传统均一测温过程中可能造成分析结果不准确，而采用HRXCT则可以为其提供有效合理的分析结果。

4 结语

具体来说，在过去20年中，HRXCT对地球材料的测试分析越来越多。在各种实例中，各种岩石中矿物、孔隙度和裂缝的形状、方向和三维分布都可以用HRXCT来测试分析和表征，这些岩石显示出复杂的结构，如沉积岩、变质岩、岩浆岩、地幔岩、矿石和外星物质。普通地质流体与普通矿物的线性X射线衰减系数相差几个数量级，表明HRXCT理论上适合于鉴定大多数天然晶体和合成晶体中的流体包裹体。HRXCT是许多矿物中流体包裹体研究的无损分析方法，这些矿物包括：(1)不透明矿物，其中的包裹体的观察需要借助红外摄像机，但是红外摄像机不适用于某些不透明矿物；(2)易碎矿物(如c.c.碳酸盐、石膏)在样品制备过程中受到流体包裹体拉伸；(3)宝石，流体包裹体的存在影响它们的商业价值。如果晶体的生长方向已知，HRXCT有助于重建夹杂物和它们的主晶体之间的空间关系以及它们在形成时间上的先后关系。最后，利用HRXCT对流体包裹体平面进行三维填图对微构造特征和古应力分析有很大帮助。HRXCT的发展离不开绘制工作流程、运用算法的计算机软件的发展，后者对前者有着至关重要的促进作用，HRXCT能够为更加精确地量化地球材料的三维节理开辟新的领域。