三维X-CT 成像技术在岩石矿物中的应用

2020-03-02李伯平郭冬发

世界核地质科学 2020年4期

李伯平，郭冬发，李黎

（核工业北京地质研究院，北京 100029）

20 世纪70 年代随着计算机科学技术的发展， Hounsfield 等开发了一种称为计算机横向轴向断层扫描的新技术（Computerized Transverse Axial Tomography 缩写为 CAT 或CT）［1］。即通过从不同角度获取物体的投影图像，再使用专用计算机算法重建3D 模型，该技术随即被应用于临床医学，实现了人体局部的可视化。

根据应用领域的不同，三维X-CT 大致可以分成两大类，医疗CT 和工业CT，其主要区别在于能量的不同和操作方式的不同。医疗CT 针对活体，为了考虑X 射线产生的辐射对活体生物的损伤，射线能量通常较低；工业CT 针对一般工业品，射线能量通常较高。

随着硬件设备及机算法的不断提升和改进， X-CT 已逐渐可以对不同尺寸规格、不同分辨率要求的不透明物体进行图像处理，并且在近20 年中，极大地提升了地质调查的能力［2］。许多地球科学研究需要了解岩石成分的真实三维形态和纹理，以便研究材料岩石的内部结构。矿物晶面之间的角度以及三维可视化等是矿物学研究的重要组成部分。 Fonteneau等将X-CT 技术用于铁矿和铜矿的研究，并将测试结果应用于铁矿石和铜矿的水冶浸出，为浸出工艺提供相应的技术支持［3-4］。

X-CT 技术的另一个主要优点在于它是一种非破坏性表征技术（NDA），可通过生成任意方向上的二维图像（切片）显示物体的内部结构，为地质材料三维结构的无损研究提供技术手段［5］。此外， X-CT 与其他表征技术的联用正逐渐受到关注［6-7］。

1 关于X-CT

1.1 基本原理

X-CT 是基于X 射线能够不同程度的穿透材料这一特征实现的。对于均匀材料，穿透规律在一定程度上满足朗伯比尔定律，该定律表示通过物体的单色X 射线的透射强度I （公式1）：

式中： I0—入射光束强度； μ（s）—沿着射线路径s 的局部线性衰减系数。该公式仅表示在二维平面上的计算原理。

X 射线线性衰减系数μ 主要由三种效应确定，即光电效应、非相干（康普顿）散射和电子对效应。电子对效应只能在能量超过1.022 MeV 时发生，因此在大多数X-CT 中不纳入计算范围［8］。

X 射线的衰减系数（用 μ 表示），与上述三种效应的反应截面（发生作用的概率）成正比，可以用公式（2）表示。

式中： σ—反应截面； ph—光电效应； c—康普顿效应； p—电子对效应。

图1 样品的X 射线吸收示意图以及用于创建三维重建的X 射线吸收基本理论［9］Fig. 1 Schematic of X-ray absorption of a sample and the basic mathematics of absorption used to create a tomographic reconstruction［9］.

图1 显示了X 射线束穿过球体（嵌入了立方体和较小球的球体）并在射线方向上（箭头方向）强度衰减。 X-射线沿某角度（θ）穿透球体（大）时， X 射线的衰减信息由 I/I0表示；通过旋转样品，即可获得X 射线在不同角度上的衰减，因此X 射线的衰减强度为衰减系数（μ）与角度的积分函数。

如果扫描对象由多个不同的材料组成，则方程式应为（公式3）：

式中： I0和I—分别是X 射线束的初始强度和最终强度， μi—某种材料对X 射线在距离上的线性衰减系数（单位： l-1）， xi—X 射线穿过某种单一材料的路径长度（单位： l）。

其中每一增量i 反映了在X 射线方向上所有不同衰减系数μi的材料与各自距离xi的积分。

图2 X 射线在不同矿物中的衰减系数随能量变化曲线［10］Fig. 2 Linear attenuation coefficients as a function of X-ray energy of common mineral assemblages［10］

考虑到衰减系数与X 射线能量（E）密切相关，需要整体考虑在有效X 射线谱范围内求解方程（公式4）：

X-CT 在地质材料中的应用同样是基于上述基本原理。地质材料通常有复杂的组成结构和成分。对于岩石矿物，通常光电效应占低能 X 射线（50～100 keV）下的主要衰减部分，原子序数越高光电效应越强，康普顿散射在5～10 MeV 的高能下占主导地位，电子对效应次之。因此，除非使用极高能量源，否则只需考虑光电效应和康普顿散射。光电效应与Z4-5成正比（其中Z 是衰减材料中原子的原子数），而康普顿散射仅与Z 成正比。因此，低能量X 射线比高能X 射线对成分差异更敏感。根据美国国家标准与技术研究所（NIST）数据资料，质量由低到高绘制曲线（图 2）。由 NIST 管理的 XCOM 数据库提供的质量衰减系数乘以质量密度可确定线性衰减系数。

1.2 X-CT 基本组成

1.2.1 整体构成

一个完整的3D X-CT 应包含以下几个主要部分：射线源、旋转工件平台（机械系统）、探测器、数据采集和三维重构、图像后处理软件以及其他辅助系统（控制系统、电源系统以及辐射安全控制系统）［11］。工业 X-CT 工作原理及主要组成部件，见图3。

图3 典型X-CT 组成Fig. 3 Schematic set up and real picture of X-CT system

X-CT 系统的主要性能参数包括以下几个方面：样品尺寸、扫描时间和图像质量（包括密度分辨率、空间分辨率和伪相），而图像质量是CT 系统的关键指标。

X-CT 有多种分类方法。按扫描方式，可以分为平移-旋转（TR）扫描方式、只旋转（RO）扫描方式和螺旋扫描方式；按图像重建算法，可以分为平行束重建、扇形束重建和锥形重建，不同的检测器类型决定了不同扫描方式，见图4。

图4 不同类型检测器对应的X-CT 构架［10］Fig. 4 Schematic illustration of high resolution detectors and X-CT facility［10］

1.2.2 X 射线源

可产生X 射线的源主要有电子辐射源、同步辐射源和同位素辐射源等。此外，中子源也被应用于三维可视化。电子辐射源为X射线机和加速器，都是利用高速电子轰击阳极金属靶的过程中，电子突然减速而引起的轫致辐射，其优点是切断电源后则不再产生射线。同步辐射是连续能谱，经过单色器选择后可以得到定向的接近单能的X 射线，因此通常应用于高分辨率的纳米CT 系统。但是由于射线能量通常在10～30 keV，因此实际只能用于检测毫米级的小样品。在同步辐射源中， X 射线束几乎是平行的，因此无法直接进行几何放大，但是X 射线通量很高，这种高通量可以通过一个薄的闪烁屏将X 射线转换为可见光，然后通过光学放大透镜来实现高分辨率，工作原理见图 5［13-14］。

图5 两种类型的X 射线源及工作原理Fig. 5 Schematic diagram of typical lab-based and synchrotron-based micro-CT setup

射线源之间的主要划分依据是 “定向”管和 “透射” 管。 “定向” 管具有较厚的靶，这些靶被电子束以一定角度击中，并在互补角产生最亮的 X 射线； “透射” 管，其中靶是一个薄箔，被电子束轰击时直接在另一侧产生X 射线。透射点可以达到亚微米光斑大小，因此分辨率非常高，但与定向目标相比，光束强度的损失较高。

尽管射线源种类多种多样，且都能产生高质量的图像，但是还没有一种装置可以适用于所有的样品和研究需求，而且通常必须在图像分辨率、扫描时间和样品尺寸等方面找到折中方案来从样品中提取最大的信息。

1.2.3 射线探测器

用于X-CT 的探测器主要有分立探测器和面探测器。分立探测器常用的探测器有气体探测器和闪烁探测器；面探测器主要有三种类型：高分辨半导体芯片（固态探测器，集成CCD）、平板探测器和图像增强探测器。大多数用于CT 扫描仪的探测器使用闪烁材料（碘化铯或硫氧化钆）［11］，将输入的 X 射线转换成可见光并计数，同时允许使用光学放大透镜来实现高分辨率， Godard 等人实现了小于10 nm的体素尺［15-16］。探测器元件的数量决定了可以同时收集多少数据单元，其灵敏度用于衡量测量的 “位深度”，或者转换成可以报出的数值，如灰度值。例如，检测器具有16 位或32位对比度，因此可以产生216或232离散值。

影响图像质量的因素有探测器的成像元件的大小和元件数量、对X 射线的探测效率以及灵敏度范围等以及窜扰和响应时间。窜扰主要通过使检测器元件包括来自相邻元件的信号来降低分辨率，并且较长的检测器延迟导致信号随时间或旋转角度的平均化，同样会降低图像的分辨率。

1.2.4 图像处理软件

图像处理软件通过特定算法反演特定区域X 射线线性衰减系数从而生成物体内部三维分布，为了便于快速调取并查看，通常将数据存储为一系列虚拟二维切片。目前，适合的专业渲染软件主要有 Fiji、 Vgstudio、Avizo、 Mavi、 Blob3d、 Pore3d、 3dma Rock 和Morpho 等。这些软件不仅是很好的定性工具，同时还可以根据需要计算出定量结果，如颗粒物粒径大小，空间体积大小等。然而，各软件针对的领域有所差异，其中Avizo 在地球科学领域应用较为广泛［17-18］。有学者在推动X-CT 测量及数据处理软件的便捷化及智能化方面做了大量积极的工作［19-21］。

3D 分析软件定量处理结果可包括材料的总体纹理、成分体积分数、孔和粒度参数以及形态（形状、球形、圆度等）、表面纹理等数据。但是在实际操作中，这种定量的三维分析通常并不容易，并且可能会由于伪影的影响而导致一些系统性误差。因此，在处理或分析X-CT 数据时必须对其局限性和缺陷有充分的认识和考虑。

1.3 性能参数与干扰因素

1.3.1 密度分辨率

密度分辨率又称对比度分辨率。 CT 系统对不同物相间的区分，也就是通常所说的密度的区分。实际的物相分辨率除了受体积密度影响，还受所构成物相中元素原子序数的大小影响，通常原子序数越高，如锆、铀、钍、稀土等，对X 射线的衰减能力则越强。而最终的密度差（即密度检出限）取决于检测器对获得的信号与噪声的区分能力，即广义上的系统信噪比。在医学界通常定义为物相与相邻均质环境的X 射线衰减系数的相对值小于1%时（也有采用0.5%或更低）对应CT 系统能分辨该物相的能力［11］。

1.3.2 三维空间分辨率

三维空间分辨率（也叫空间分辨力）也就是系统在一定的置信区间上（如大于95%的置信区间）可以剥离出的最小体单元。

在相同的焦点尺寸、放大比下，探测器总尺寸相同时，探测器探元尺寸越小，探元数量也越多，样品被切得更细，分辨率越高，也受到机械系统精度、数据采集系统和重建算法的影响。前者决定CT 系统的理论极限分辨率，与后者共同作用决定CT 系统实际能够达到的空间分辨率［11］。目前， X-CT 的空间分辨率已基本达到其理论分辨率极限，工件（测量物体）的尺寸通过影响射线源距工件以及射线源距检测器的距离，从而影响系统最终分辨率，其原理如图6 所示［22］，相互关系见公式（5）。相对于空间分辨率，密度分辨率在实际使用中更常用。在CT 技术中，图像的分辨率与样品尺寸直接相关，为了获得亚微米级别的高分辨率CT 图像，需要将样品尽可能靠近射线源，这就对样品的尺寸有所限制，通常制备直径小于1 mm 的钻孔岩石样品。

图6 由射线焦点大小引起的空间分辨率变化示意图Fig. 6 Schematic diagram of spatial resolution change caused by ray focus size

式中： R—分辨率； M—射线源到探测器的距离与射线源到样品距离的比值（即放大比）；d—探测器单元的尺寸； a—射线源焦斑的尺寸。

1.3.3 伪影

X-CT 扫描中最常遇到的问题是射线硬化造成的伪影。因为X 射线是一定能量范围的连续谱（在实际应用中不可能获得绝对单色的X 射线谱），当射线穿透物体后射线中高能量部分的射线占比变大，从而导致材料的CT 数据与其在原体积中的真实位置发生变化［23］，也就是在CT 图像上出现了与物体真实结构不相符的图像特征。

因为较低能量的X 射线比较高能量的X射线更容易衰减，所以穿过物体的多色光束优先失去其光谱的低能量部分。最终结果是光束虽然总强度减小，但具有比入射光束更高的平均能量。另外，能量衰减强度与光的路径长度相关，即当光束穿过物体时，大多数材料的有效衰减系数减小，从而使得短光线路径比长光线路径成比例地衰减更多。该过程通常表现为在长射线路径的中心处变暗，以及在边缘附近的相应增亮。在具有大致圆形横截面的物体中，该过程使得边缘看起来比内部更亮，但是在不规则物体中，则难以对光束硬化伪影和实际材料变化进行鉴别。光束硬化伪影也可以通过矿石中含高原子序数（Z）矿物颗粒产生，并且可以延伸到周围基质中产生明暗相间的条纹（图7A）。

为了最大限度地减少伪影对CT 结果的影响，通常从测量端和数据处理端实现。一种方法是在X 射线束通过扫描物体之前或之后通过衰减滤光片对其进行预硬化或后硬化。过滤器通常是特定厚度的扁平金属片或玻璃片。但是光束过滤的缺点是造成能量下降，因此在实际操作中需要使用更长的采集时间或更高强度的X 射线源，否则会导致更大的图像噪声。其特点是仅部分有效。另一种方法是使用与物体衰减特性相似的材料进行楔形校准。在CT 重建过程中，解决光束硬化问题已经有了大量的研究。最常见的技术是线性化，也就是将每个衰减读数从多色源转换为单能量当量。这种方法在大多数商用扫描仪和重建软件包中都可用，但大多数都是通过提供一组有限的线性化曲线手动选择来简化该过程［24-25］。

伪影的一个表现特征就是环伪影，环伪影显示为以旋转轴为中心的完整或部分圆（图7）。它们是由单个探测器元件或元件集的输出偏移引起的，这会导致每个视图中对应的一条或多条光线与其相邻视图相比具有异常值；环的位置对应于重建期间这些光线重叠最大的区域。

图7 地质样品X-CT 扫描的伪影以及消除Fig. 7 X-ray images with artifact and images after artifact removal

如果扫描的样品中包含密度较高的组分，则会在高密度组分外围形成一个 “星暴” 伪影，其中明亮的条纹从物体向附近的材料发出很短的距离，从而造成样品形状的扭曲。对于较高密度的金属矿物相，例如天然金或铂族元素矿物等，这些伪影则更严重。图8虚线框的矿物和圆圈内矿物具有较高的密度，因此形成了显著的星爆伪影。

图8 不同密度矿物对应的灰度及高密度矿物引起的伪影Fig. 8 Gray level image of different density minerals and the artifact image caused by high density minerals

作者使用nanoVoxel 4000 系列高分辨率工业CT 对制备的标准矿物树脂靶进行扫描成像，每 0.25°采集一帧图像，图像尺寸为1 920×1 536，共采集 1 440 帧图像，其他实验参数为电压 190 kV，电流 130 μA、曝光时间 0.50 s、扫描时间 45 min、分辨率 19.78 μm，测试结果见图8。

图8 中对应的高亮度区域（圆形框和虚线方框）为含较高原子序数的地质材料（分别为沥青铀矿和氧化锆颗粒），在其周围形成显著的伪影；相比之下，实线方框内样品颗粒（主成分为硅酸盐）的外侧轮廓清晰，三维重建的效果较好。

2 三维X-CT 在岩石矿物中的应用

2.1 矿物颗粒表征分析

矿物晶体大小、形状和空间分布记录了大量的结晶历史信息，尤其是火成岩中，例如温度、压力等，根据这些信息可推测其演化史，因为矿物晶体的成核和历史生长条件主要是过饱和度（或过冷度）的函数［26-28］。

区分矿物首先要求各相组成和密度存在较大差异，才能产生足够的X 射线衰减对比度［29］。例如，磁铁矿的线性衰减系数远大于石英，因此镁铁质矿物在CT 图上很容易与石英矿物区分开（图 9a）。而石英和钠长石的线性衰减系数在2～400 keV 的能量范围内相差不超过 6%（图 9b），因此，显微 CT 区分效果不佳。然而，显微CT 更适合于扫描分析相对独立的晶体相。矿物三维体积的成像受到X射线可达到的最大穿透深度的限制，通常将X射线透射率降低到入射强度的1/e（～37%）的深度称为穿透深度，随着能量的增加而平滑地增加，为了研究毫米至厘米尺度上的岩石样品，通常需要入射能量＞5 keV（图 9c）。虽然当能量超过30～50 keV 时增加了穿透能力，但是衰减对比度会迅速衰减（图 9b），这就使得大尺寸样本（＞10 cm）缺乏足够对比度。同时，虽然分析体积随线性尺寸快速增加，但分辨率通常随样本尺寸的增加而降低［29-30］。质量衰减度（μ/ρ）是材料平均原子序数和密度的函数，随入射X 射线能量的增加而减小；这种衰减大部分是平滑的，而且各种材料的曲线是近平行的（图 9a）。不同矿物的质量衰减系数相对于石英的质量衰减系数的变化表明，各相之间的最大变化出现在1～100 keV范围内，最大值约为 20～30 keV；因此，这是用X 射线层析成像研究晶体结构的最佳能量范围（图 9b）［31-32］。

图9 X 射线能量对衰减和穿透深度的影响［29］Fig. 9 Effect of X-ray energy on attenuation and penetration depth［29］

岩石样品中有些矿物的密度范围差异较大，用CT 扫描得到的灰度值来区分它们则相对简单，例如组成相对单一的石英矿物（SiO2）与锆石矿物（ZrO2）等。然而，有些矿物的成分相对复杂，例如一些共伴生矿物，使得采用灰度单一条件对它们进行区分的难度增加。

中子也是一种穿透能力极强的射线，表1列出了不同矿物在100 keV X 射线以及具有同等能量中子射线下的衰减系数。 X 射线衰减在含金属矿物中较高，而在含氢矿物中中子衰减更高，因此更适合于含氢的流体。

Polacci 等人将X-CT 应用于浮石和火山渣碎屑以及阵发性活动的火山渣和浮石样品［34-35］。 Gualda 等研究了 Bishop Tuff （加利福尼亚）浮石碎屑的晶体颗粒体积分布。由于辅助矿物保存了岩浆系统演化的重要记录， X射线显微CT 可以用来绘制某些元素的三维图，例如锆石和稀土元素等，使得原位定性和定量地记录这些矿物的三维结构成为可能［29］。

Cnudde 等基于二维重建切片对不同的晶粒进行了区分，并确定每个晶粒的体积、表面、球度、等效直径等结构参数。对含海绿石的砂岩进行了数字分析，成功区分了三种不同的矿物：石英、海绿石和长石（图 10），不同颜色表示不同矿物。图10A 为含有海绿石的砂石的重建切片；图10B 为根据数字图像分析后颗粒的最大开口对颗粒进行颜色编码的相应切片。海绿石颗粒（表示为绿色的；小的（暗的）到更大的（较轻的）最大开口）可以从石英颗粒中分离出来（黄色到红色物体代表小（黄色）到较大（红色）最大开口），因为这两种类型的颗粒之间有足够的对比度。此外，可以识别具有中间衰减系数的第三矿物相（在彩色图形上显示为灰色），利用偏振显微镜将其识别为长石［36-37］。

表1 X 射线及中子在不同矿物中的线性衰减系数［33］Table 1 Linear attenuation coefficients of neutrons and x-ray［33］ of minerals

图10 不同矿物对应的灰度图像及不同颜色标记的效果Fig. 10 Reconstructed gray level X-CT image of minerals and their colour-slice image

天然钻石的密度约为3.1～3.5 g/cm3，由于碳的原子序数较低，可通过低能X 射线成像并采取措施避免射束硬化伪影，从而有效地将天然钻石与高密度镁铁矿物质进行区分。最早由 Taylor 等［38］采用 X-CT 对产自俄罗斯西伯利亚Udachnaya 金伯利岩的榴辉岩主岩中的钻石进行了分析。通过样品的分析并未发现有被石榴石完全包围的钻石，且所有钻石都与斜方辉石裂缝的变化有关。基于这项研究的成果，南非和加拿大在内的许多其他地方在榴辉岩和橄榄岩中发现了钻石［39-40］。Ketcham 等人用高分辨率X-CT 对23 克拉卡博纳多钻石中的包裹体和孔隙度图案进行三维纹理观察，揭示了与其起源相关的新信息［41］； Eckley 等结合 X-CT 研究了一种产于巴西和中非共和国的多晶金刚石（Carbonado），研究发现其中的多孔暗结核具有一个较窄的碳同位素分布（δ13C 31‰～24‰），包裹体富含REEs 和锕系元素，结构较松散，年龄在3.8～2.6 Ga［42］。

由于贵金属对X 射线通常具有较强的衰减作用，其相对于基体岩石具有较高的X 射线衰减对比度。因此， X-CT 是研究矿石中贵金属分布的有效技术之一［43］。

Leys 等利用 X-CT 技术研究了 Ertsberg-Grasberg 矿区的矿石（Cu-Au 矿床），获得了具有地质意义的独特信息，通过CT 扫描提供了有关金颗粒与其他矿石矿物的矿物学和结构关联的信息。这些研究结果证实了整个Grasberg 矿床中金和硫化铜的关系密切，并且大多数金颗粒出现在黄铜矿块的边缘或与黄铜矿块内的空隙相邻［44］。另外， Fraley 和Franks 对Ertsberg-Grasberg 区夕卡岩型矿石的CT 研究结果也表明了钙质硅酸盐和硬石膏基质中金颗粒与硫化铜类似的关系，同时作者还对斑岩型Cu-Au 成因问题进行了探讨，研究表明斑岩系统中高温Cu-S 化物中Au 的溶出对 Cu-Au 矿成因具有重要性［45］。 Egan 等采用双能量X-CT 研究了岩心中不同矿物的三维分布（图 11）。

图11 岩心三维可视化显示多种矿物的分布［46］Fig. 11 3D visualization of mineral distribution in the sample［46］

Mote 等人通过 CT 研究了 Cripple Creek 矿床（火山岩）中含碲和金的矿物岩心样，使用Blob3D 图形处理软件评估了代表三种高品位矿石样品中金颗粒与周围矿物的空间关系，获得了岩脉内金颗粒的大小、形状、分布等信息。结果表明金颗粒与断层条纹在空间上存在统计学上的显著相关性［47］。

Godel 等概述了CT 研究在PGE 矿石的性质和来源中的应用，以及为这些研究开发的基于 Matlab 的软件［48］。与金矿石类似，典型的铂族元素（PGE）矿石由高密度金属矿物组成，同样适合采用 CT 技术进行研究［48-49］。Godel 等最早采用医疗CT 仪器对PGE 矿石进行了初步研究［50］； Barnes 等采用工业 CT 扫描设备研究了布什维尔德复杂岩体（Bushveld Complex）和斯蒂尔瓦特杂岩（Stillwater Complex）以及科马提岩（Komatiite hosted）镍-硫矿石中（Ni-sulfides）的 PGE 矿物［50-51］。

Ricard 等采用CT 技术研究了硫化物（如磁铁矿，镍黄铁矿和黄铜矿等）的三维大小、形态和分布，同时利用Avizo Fire 和CSIRO 开发的代码对这些数据评估，得到了不同Ni-Cu-PGE 矿石类型中硫化物相互连接程度［52］。

X-CT 技术还在金矿浸出工艺中得到应用。 Leichliter 和Larson 等通过岩相分析研究了基于柱浸工艺下较低品位金矿石中金的浸出机理［53］。

2.2 包裹体分析

2.2.1 概况

岩石中流体包裹体和固体/熔融包裹体是指被封闭在天然矿物中的流体和熔融体。表征矿物内部流体包裹体和熔融包裹体的三维分布、形态和不同相的体积分数，对于确定晶体生长和古应力分析的条件至关重要［54-55］。然而，它们相对较小的尺寸（通常为5～100 μm）、复杂的形状、组成不均匀性、部分寄主矿物的不透明性和投影偏差常常影响传统显微技术的精确成像和体积重建。高分辨X 射线计算机断层扫描（HR-XCT）是一种分辨率达到亚微米的X-CT 技术，可以弥补常规光学显微镜的不足，是研究矿物包裹体无损表征的理想手段［56］。

最早由Nakashima 等人在1997 年报道了将X-CT 应用于流体包裹体的研究［57］。随后，HR-XCT 成功地应用于各种岩石中的矿物的形状、取向和三维分布、孔隙度和裂缝的展示研究［58-60］，如沉积岩、变质岩、岩浆岩、地幔岩，矿石和陨石等。

Hanna 和 Ketcham 的研究表明当分辨率达到 1 μm3/体素时， HR-XCT 可识别 5 μm 流体包裹体，并对相对较大（＞25 μm）的夹杂物进行识别和体积重构。通过HR-XCT 可实现以下一些功能： 1）表征晶体矿物中含水和含烃流体包裹体以及熔融包裹体的三维分布；2）表征流体和熔融包裹体的形状； 3）重建流体和熔融包裹体的总体积和不同相（液体、玻璃、晶体和气体）的体积分配，但油水两种液相不能相互区分［61］。

当密度对比足够高时可以有效识别： 1）橄榄岩晶体中的硅酸盐熔体包裹体及其不同相（玻璃体、蒸汽和晶体，如单斜辉石和尖晶石）； 2）透明和不透明的单相（液体）和两相（液体＋蒸汽）流体包裹体矿物（石英、石榴石、祖母绿、黑钨矿）［61］。

Kyle 和 Ketcham 等［62］使用 225 keV X 射线源和图像增强器探测器（1024×1024 CCD），对 3～70 mm 的样本进行成像，切片厚度的低至 10 或 1 μm。由于所使用的 CT 系统分辨率受到限制，仅允许在相对较大的流体包裹体（≥0.1 mm3）中测量多个相。

Bhuiyan 等人利用不同阈值将X 射线显微层析成像数据进行二值化，并与扫描电镜结果进行比较，发现X 射线显微层析成像可以在对扫描电镜数据进行适当校正后用于测量气泡腔的总孔隙度，由于他们研究获得的分辨率有限，因此只能提供粗略估计结果［63］。

2.2.2 流体包裹体

由于固体矿物相和流体相之间的X 射线衰减差异较大，通常有几个数量级，因此流体包裹体在矿物中的 CT 成像中效果较好［47，64-65］。此外，还可以将低密度气相与相关的液相进行对比成像。由于CT 方法是非破坏性的，因此它可以对珍贵的岩石/矿物样品进行流体包裹体检测。

法国南锡大学实验室Jacquemet 等人在天然石英中合成了两相液体＋水汽流体包裹体［65］。在流体包裹体合成后，将石英薄片抛光至厚度0.4 mm，用于光学显微镜和HR-XCT分析。在光学显微镜下观察发现存在大量的两相（液＋蒸气）流体包裹体（1～100 μm）。Balitsky 等［64，66-67］采用水热温度梯度法，利用高压釜合成得到了捕集有烃的流体包裹体石英晶体，并对石英-流体包裹体合成和X-CT表征的实验步骤进行了详细描述。

图12 为某油田岩心样品中发现的细长的（25 μm）含油的原生流体包裹体。采用紫外-荧光测试表明液相组成为油相。作者用HRXCT 对其组成和结构进行了三维重建［68］。

2.2.3 固体矿物包裹体

图12 不同探测方法显示的含烃流体包裹体Fig. 12 Hydrocarbon fluid inclusions of image by different detecting method

X-CT 对固相包裹体的研究原理同样是利用X 射线在包裹体及其寄主矿物中的衰减差异实现的。反之，通过研究固相包裹体的体积、组成等信息可对起始反应物的纯度等信息进行评估［69-70］。刘等人通过 X-CT 研究了岩浆 Fe-Ti 氧化物矿化的成因［71］； Gómez Tuena等（火山物质样品）从位于墨西哥洛斯赫梅罗斯火山岩（斑岩熔岩）中采集一些具有代表性样品做研究。该地区的火山岩中橄榄石斑晶的直径约为0.5～2.0 mm，含有直径为230 μm的孤立的圆形硅酸盐熔体包裹体（图13），在硅酸盐熔体包裹体内观察到尖晶石等，这些晶体在硅酸盐熔融包裹体俘获后成核。样品中含有斜长石、橄榄石、斜方辉石和单斜辉石斑晶，以及大的囊泡和玻璃基质［72-73］。

Benedix 等对mm～cm 大小的金属硫化物囊泡组合进行了矿物学和层析研究，并对硅酸盐宿主进行了年代研究［74］。

2.3 孔隙三维形态表征

三维X-CT 在岩石矿物中应用较早且较广泛的应是三维孔隙的构建和测量。近年来，人们越来越关注储层岩石孔隙形态的特征，以及孔隙特征的空间组织如何影响岩石流体系统的宏观行为［75］。在 X-CT 之前，通常是通过从二维薄片图像重建三维多孔介质的统计模型［76］或基于过程模型［77］对三维孔隙进行表征，再发展为计算机模型重建［78］。统计模型和基于过程的模型都有各自的优缺点，而XCT 技术与图像分析算法相结合，使得复杂的3D 孔隙特征描述得以有效解决，并且成像分辨率可达亚微米尺度。

图13 显微镜和3D XCT 下橄榄石中硅酸盐熔融包裹体Fig. 13 Silicate melt inclusion （SMI） in olivine of thin section and 3D XCT

天然岩石的多孔性、孔径分布和孔隙几何结构直接关系到其透水和透气性。Dewanckele 等通过显微CT 对岩石的三维孔隙结构和内部动力学进行分析，研究了岩石潜在的风化行为［79］。 Dewanckele 等［80］还在强酸试验下人工模拟风化实验，将岩石结构的变化可视化（图14），并且这一研究结果在水冶浸出工艺研究中得到了充分应用。

图14 钙质砂岩（左）在风化过程中孔隙度（右）变化Fig. 14 3D rendered volumes of a calcareous sandstone （left） and the porasity change by colourcoded equivalent diameter （ED）（right）

图14 分别展示了一种钙质砂岩在风化前、实验第10 天和实验第21 天后（使用强酸试验）的孔隙结构变化。图左列显示了不同步骤的整体渲染；图右列显示了三维渲染的孔结构。红色代表最大的毛孔（根据其体积），而蓝色代表最小的毛孔。

Mayka 等研究了如何根据二值三维图像（灰度图）对不规则岩石颗粒（孔隙）的形状进行分类和量化。该方法需要测量基本的三维粒子描述参数（长度、宽度和厚度），同时人为定义一些相似的形状分类以便归类分析。作者通过分析识别出两种主要的孔隙成分：孔隙网络和残余孔隙神经节。在对主孔隙网络进行分离后，采用分水岭算法对孔隙形态进行了保存。该方法通过对3 种砂岩进行测试，其结果与其他方法相一致［75］。

Freiregormaly 等人首次利用孔隙网络模拟和侵入渗流模拟的显微CT 数据对印第安纳石灰岩和粉色白云石模型碳酸盐岩进行了详细的孔隙尺度特征描述，其主要目的是预测与二氧化碳封存有关的碳酸盐岩的相对储存量［81］。

Li 等人采用聚焦离子束扫描电子显微镜（FIB-SEM）和 X-μCT 相结合的方法，在不同的尺度上研究了烟煤和无烟煤的三维孔隙破裂特征，并通过加合的方式获得了样品的总孔隙率（BC 为 1.108%， AC 为 6.082%）。该研究为评价煤储层物性提供了一种准确的方法，有助于理解煤层气的储运机理［82］。

火山灰表面的特征对于理解火山羽的物理、界面过程、火山灰的运输和沉积建模以及火山喷发类型的特征至关重要。火山灰颗粒是爆炸性喷发的重要组成部分。由于显微CT 可以测量表面积和单个灰烬颗粒的体积，因此Ersoy 等［83］采用该技术和扫描电镜立体成像作为火山灰颗粒宏观孔隙区域纹理特征的表征技术。 Polacci 等［84］利用同步辐射 X 射线显微CT 在微米分辨率的水平上分析了火山产物中的气泡几何结构，提高了对火山作用过程的理解。

Hector 等提出了一种改进后的总有效孔隙度计算方法，并模拟了岩石样品的绝对渗透率。这种方法将X-μCT 的分析以及基于灰度方差的强大阈值数据处理方法结合，将三维体分割为三个区域：实体、分辨率以上的孔和一个中间区域［43］。

2.4 元素空间分布及量化分析

通常情况下，通过分析X-CT 图像推断出的唯一定量信息主要是来自局部区域对线性衰减系数的区分，而且一些常见矿物的密度十分接近，无法进行详细的分析。某些矿物的X 射线衰减随能量变化出现大突跃的现象，源自对应于其内部主要元素的K-边或L-边吸收［85-86］。利用不同元素 X 射线边界吸收能量的不同，研究人员开发了一类双能3D X-CT（DECAT）［87-88］，这种 CT 技术在元素空间分布、定量测定方面有特殊的意义。使用双能X-CT 的优势在于可显著克服单能量的不足，通过使用两种不同能量的X 射线穿过被测样品测量同一截面，可以确定所选截面密度和有效原子数分布函数，通过计算吸收边正上方和正下方层析图之间的灰度差异即可对矿物相的分布进行量化推演。

由于材料的X 射线衰减是其密度、原子序数Z 和X 射线能量的复合函数，在双能量射线穿透下可以对相同材料密度和有效（平均）Z 进行估计［22，89］。但是，该方法需要已知成分和密度的材料才能进行仔细校准，而且X射线的多色性和射线硬化的并发症会限制其使用［90］。

Baker 等采用双能量成像（相位对比）研究了凝灰岩浮石中锆和铯的分布情况，实验结果见图 15［9］。

Grande 等采用真空单晶衍射仪和流量比例计数器能量从0.84～6.0 keV 以及更高的能量下，连续测量了铀的总衰减系数，统计波动在 0.5%～2%之间，总准确率为3%。在3.552 和 3.728 keV 边缘的 20 eV 内测量出显著的突变边缘（图 16， NIST 数据库）［91］。因此，我们可以利用该参数，通过双能量X-CT 技术获得含铀矿石中铀矿物的空间分布图，目前作者正在尝试相关的工作。

图15 双能CT 成像在凝灰岩浮石研究中的应用［9］Fig. 15 Application of dual energy CT to the study of pumice from the peach spring tuff ［9］

Egan 等［46］报道了基于实验室的高光谱 X射线计算机断层成像技术的发展，它可以在三维空间重建和可视化物体的内部元素化学。该方法使用具有足够能量分辨率的光谱X 射线成像检测器来区分单个元素吸收边缘。通过K 边相减可以获得元素分布，或者通过体素光谱拟合得到原子相对浓度。图17 为采用双能量法获得的元素钯在多孔材料中的分布。实验采用标准X 射线源，其测量时间与常规计算机断层扫描所需的测量时间接近。

图16 铀的X 射线衰减曲线Fig. 16 X-ray attenuation curve of uranium

图17 金属钯在多孔氧化铝催化剂体上的分布Fig. 17 Pd metal distribution on a porous alumina catalyst body

Geet 等将2D 薄层岩石学与微焦点双能X-CT 岩石物理测量进行了联用，研究了元素在岩石样品内部分布的情况，同时作者还发现该技术存在一些局限性［22］。

Ikeda 等人利用同步辐射X-CT 对部分熔融花岗岩中的铯元素浓度分布进行了研究。元素的浓度可以根据X-CT 图像灰度的差异，并结合标准物质进行校正计算。利用该技术获得了部分熔融花岗岩的三维Cs 浓度图，并与电子探针（EPMA）的二维元素图进行了空间和成分分辨率的比较。利用线性衰减系数进行校准，获得了±2.5 %的成分分辨率。其校准方法为： 1）基于理论线性衰减系数和测得的CT 值之间的经验关系的校准； 2）由 X 射线引起的观测质量衰减系数（MAC）的空间变化的校准使用标准材料（CS 轴承溶液）进行能量转移［92］。

丁洁、赵宇亮等［93］采用创新分析方法，系统地表征了雾霾单颗粒的铁元素定量信息、空间分布、元素化学形态。采用多种分析技术如X 射线荧光、同步辐射技术等，解析雾霾单颗粒的定量化学信息，包括多种元素组成、关键元素空间分布、元素化学形态及其分布见图18，为揭示大气颗粒物铁元素状态、含量及其空间分布导致自由基产生及其诱导健康效应构效关系提供了重要科学依据。