李伯平， 郭冬發(fā)， 李 黎

（核工業(yè)北京地質(zhì)研究院， 北京 100029）

20 世紀(jì)70 年代隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展， Hounsfield 等開(kāi)發(fā)了一種稱(chēng)為計(jì)算機(jī)橫向軸向斷層掃描的新技術(shù)（Computerized Transverse Axial Tomography 縮 寫(xiě) 為 CAT 或CT）［1］。 即通過(guò)從不同角度獲取物體的投影圖像， 再使用專(zhuān)用計(jì)算機(jī)算法重建3D 模型， 該技術(shù)隨即被應(yīng)用于臨床醫(yī)學(xué)， 實(shí)現(xiàn)了人體局部的可視化。

根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域的不同， 三維X-CT 大致可以分成兩大類(lèi)， 醫(yī)療CT 和工業(yè)CT， 其主要區(qū)別在于能量的不同和操作方式的不同。 醫(yī)療CT 針對(duì)活體， 為了考慮X 射線產(chǎn)生的輻射對(duì)活體生物的損傷， 射線能量通常較低； 工業(yè)CT 針對(duì)一般工業(yè)品， 射線能量通常較高。

隨著硬件設(shè)備及機(jī)算法的不斷提升和改進(jìn)， X-CT 已逐漸可以對(duì)不同尺寸規(guī)格、 不同分辨率要求的不透明物體進(jìn)行圖像處理， 并且在近20 年中， 極大地提升了地質(zhì)調(diào)查的能力［2］。 許多地球科學(xué)研究需要了解巖石成分的真實(shí)三維形態(tài)和紋理， 以便研究材料巖石的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。 礦物晶面之間的角度以及三維可視化等是礦物學(xué)研究的重要組成部分。 Fonteneau等將X-CT 技術(shù)用于鐵礦和銅礦的研究， 并將測(cè)試結(jié)果應(yīng)用于鐵礦石和銅礦的水冶浸出，為浸出工藝提供相應(yīng)的技術(shù)支持［3-4］。

X-CT 技術(shù)的另一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)在于它是一種非破壞性表征技術(shù)（NDA）， 可通過(guò)生成任意方向上的二維圖像（切片）顯示物體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)， 為地質(zhì)材料三維結(jié)構(gòu)的無(wú)損研究提供技術(shù) 手 段［5］。 此外， X-CT 與其他表征技術(shù)的聯(lián)用正逐漸受到關(guān)注［6-7］。

1 關(guān)于X-CT

1.1 基本原理

X-CT 是基于X 射線能夠不同程度的穿透材料這一特征實(shí)現(xiàn)的。 對(duì)于均勻材料， 穿透規(guī)律在一定程度上滿(mǎn)足朗伯比爾定律， 該定律表示通過(guò)物體的單色X 射線的透射強(qiáng)度I （公式1）：

式中： I0—入射光束強(qiáng)度； μ（s）—沿著射線路徑s 的局部線性衰減系數(shù)。 該公式僅表示在二維平面上的計(jì)算原理。

X 射線線性衰減系數(shù)μ 主要由三種效應(yīng)確定， 即光電效應(yīng)、 非相干（康普頓）散射和電子對(duì)效應(yīng)。 電子對(duì)效應(yīng)只能在能量超過(guò)1.022 MeV 時(shí)發(fā)生， 因此在大多數(shù)X-CT 中不納入計(jì)算范圍［8］。

X 射線的衰減系數(shù)（用 μ 表示）， 與上述三種效應(yīng)的反應(yīng)截面（發(fā)生作用的概率）成正比，可以用公式（2）表示。

式中： σ—反應(yīng)截面； ph—光電效應(yīng)； c—康普頓效應(yīng)； p—電子對(duì)效應(yīng)。

圖1 樣品的X 射線吸收示意圖以及用于創(chuàng)建三維重建的X 射線吸收基本理論［9］Fig. 1 Schematic of X-ray absorption of a sample and the basic mathematics of absorption used to create a tomographic reconstruction［9］.

圖1 顯示了X 射線束穿過(guò)球體（嵌入了立方體和較小球的球體）并在射線方向上（箭頭方向）強(qiáng)度衰減。 X-射線沿某角度（θ）穿透球體（大）時(shí)， X 射線的衰減信息由 I/I0表示； 通過(guò)旋轉(zhuǎn)樣品， 即可獲得X 射線在不同角度上的衰減， 因此X 射線的衰減強(qiáng)度為衰減系數(shù)（μ）與角度的積分函數(shù)。

如果掃描對(duì)象由多個(gè)不同的材料組成，則方程式應(yīng)為（公式3）：

式中： I0和I—分別是X 射線束的初始強(qiáng)度和最終強(qiáng)度， μi—某種材料對(duì)X 射線在距離上的線性衰減系數(shù)（單位： l-1）， xi—X 射線穿過(guò)某種單一材料的路徑長(zhǎng)度（單位： l）。

其中每一增量i 反映了在X 射線方向上所有不同衰減系數(shù)μi的材料與各自距離xi的積分。

圖2 X 射線在不同礦物中的衰減系數(shù)隨能量變化曲線［10］Fig. 2 Linear attenuation coefficients as a function of X-ray energy of common mineral assemblages［10］

考慮到衰減系數(shù)與X 射線能量（E）密切相關(guān)， 需要整體考慮在有效X 射線譜范圍內(nèi)求解方程（公式4）：

X-CT 在地質(zhì)材料中的應(yīng)用同樣是基于上述基本原理。 地質(zhì)材料通常有復(fù)雜的組成結(jié)構(gòu)和成分。 對(duì)于巖石礦物， 通常光電效應(yīng)占低能 X 射線（50～100 keV）下的主要衰減部分， 原子序數(shù)越高光電效應(yīng)越強(qiáng)， 康普頓散射在5～10 MeV 的高能下占主導(dǎo)地位， 電子對(duì)效應(yīng)次之。 因此， 除非使用極高能量源，否則只需考慮光電效應(yīng)和康普頓散射。 光電效應(yīng)與Z4-5成正比 （其中Z 是衰減材料中原子的原子數(shù)）， 而康普頓散射僅與Z 成正比。 因此， 低能量X 射線比高能X 射線對(duì)成分差異更敏感。 根據(jù)美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所（NIST） 數(shù)據(jù)資料， 質(zhì)量由低到高繪制曲線（圖 2）。 由 NIST 管理的 XCOM 數(shù)據(jù)庫(kù)提供的質(zhì)量衰減系數(shù)乘以質(zhì)量密度可確定線性衰減系數(shù)。

1.2 X-CT 基本組成

1.2.1 整體構(gòu)成

一個(gè)完整的3D X-CT 應(yīng)包含以下幾個(gè)主要部分： 射線源、 旋轉(zhuǎn)工件平臺(tái)（機(jī)械系統(tǒng)）、探測(cè)器、 數(shù)據(jù)采集和三維重構(gòu)、 圖像后處理軟件以及其他輔助系統(tǒng)（控制系統(tǒng)、 電源系統(tǒng)以及輻射安全控制系統(tǒng)）［11］。 工業(yè) X-CT 工作原理及主要組成部件， 見(jiàn)圖3。

圖3 典型X-CT 組成Fig. 3 Schematic set up and real picture of X-CT system

X-CT 系統(tǒng)的主要性能參數(shù)包括以下幾個(gè)方面： 樣品尺寸、 掃描時(shí)間和圖像質(zhì)量（包括密度分辨率、 空間分辨率和偽相）， 而圖像質(zhì)量是CT 系統(tǒng)的關(guān)鍵指標(biāo)。

X-CT 有多種分類(lèi)方法。 按掃描方式， 可以分為平移-旋轉(zhuǎn) （TR） 掃描方式、 只旋轉(zhuǎn)（RO） 掃描方式和螺旋掃描方式； 按圖像重建算法， 可以分為平行束重建、 扇形束重建和錐形重建， 不同的檢測(cè)器類(lèi)型決定了不同掃描方式， 見(jiàn)圖4。

圖4 不同類(lèi)型檢測(cè)器對(duì)應(yīng)的X-CT 構(gòu)架［10］Fig. 4 Schematic illustration of high resolution detectors and X-CT facility［10］

1.2.2 X 射線源

可產(chǎn)生X 射線的源主要有電子輻射源、同步輻射源和同位素輻射源等。 此外， 中子源也被應(yīng)用于三維可視化。 電子輻射源為X射線機(jī)和加速器， 都是利用高速電子轟擊陽(yáng)極金屬靶的過(guò)程中， 電子突然減速而引起的軔致輻射， 其優(yōu)點(diǎn)是切斷電源后則不再產(chǎn)生射線。 同步輻射是連續(xù)能譜， 經(jīng)過(guò)單色器選擇后可以得到定向的接近單能的X 射線， 因此通常應(yīng)用于高分辨率的納米CT 系統(tǒng)。 但是由于射線能量通常在10～30 keV， 因此實(shí)際只能用于檢測(cè)毫米級(jí)的小樣品。 在同步輻射源中， X 射線束幾乎是平行的， 因此無(wú)法直接進(jìn)行幾何放大， 但是X 射線通量很高， 這種高通量可以通過(guò)一個(gè)薄的閃爍屏將X 射線轉(zhuǎn)換為可見(jiàn)光， 然后通過(guò)光學(xué)放大透鏡來(lái)實(shí)現(xiàn)高分辨率， 工作原理見(jiàn)圖 5［13-14］。

圖5 兩種類(lèi)型的X 射線源及工作原理Fig. 5 Schematic diagram of typical lab-based and synchrotron-based micro-CT setup

射線源之間的主要?jiǎng)澐忠罁?jù)是 “定向”管和 “透射” 管。 “定向” 管具有較厚的靶，這些靶被電子束以一定角度擊中， 并在互補(bǔ)角產(chǎn)生最亮的 X 射線； “透射” 管， 其中靶是一個(gè)薄箔， 被電子束轟擊時(shí)直接在另一側(cè)產(chǎn)生X 射線。 透射點(diǎn)可以達(dá)到亞微米光斑大小， 因此分辨率非常高， 但與定向目標(biāo)相比，光束強(qiáng)度的損失較高。

盡管射線源種類(lèi)多種多樣， 且都能產(chǎn)生高質(zhì)量的圖像， 但是還沒(méi)有一種裝置可以適用于所有的樣品和研究需求， 而且通常必須在圖像分辨率、 掃描時(shí)間和樣品尺寸等方面找到折中方案來(lái)從樣品中提取最大的信息。

1.2.3 射線探測(cè)器

用于X-CT 的探測(cè)器主要有分立探測(cè)器和面探測(cè)器。 分立探測(cè)器常用的探測(cè)器有氣體探測(cè)器和閃爍探測(cè)器； 面探測(cè)器主要有三種類(lèi)型： 高分辨半導(dǎo)體芯片（固態(tài)探測(cè)器， 集成CCD）、 平板探測(cè)器和圖像增強(qiáng)探測(cè)器。 大多數(shù)用于CT 掃描儀的探測(cè)器使用閃爍材料（碘化銫或硫氧化釓）［11］， 將輸入的 X 射線轉(zhuǎn)換成可見(jiàn)光并計(jì)數(shù)， 同時(shí)允許使用光學(xué)放大透鏡來(lái)實(shí)現(xiàn)高分辨率， Godard 等人實(shí)現(xiàn)了小于10 nm的體素尺［15-16］。 探測(cè)器元件的數(shù)量決定了可以同時(shí)收集多少數(shù)據(jù)單元， 其靈敏度用于衡量測(cè)量的 “位深度”， 或者轉(zhuǎn)換成可以報(bào)出的數(shù)值， 如灰度值。 例如， 檢測(cè)器具有16 位或32位對(duì)比度， 因此可以產(chǎn)生216或232離散值。

影響圖像質(zhì)量的因素有探測(cè)器的成像元件的大小和元件數(shù)量、 對(duì)X 射線的探測(cè)效率以及靈敏度范圍等以及竄擾和響應(yīng)時(shí)間。 竄擾主要通過(guò)使檢測(cè)器元件包括來(lái)自相鄰元件的信號(hào)來(lái)降低分辨率， 并且較長(zhǎng)的檢測(cè)器延遲導(dǎo)致信號(hào)隨時(shí)間或旋轉(zhuǎn)角度的平均化， 同樣會(huì)降低圖像的分辨率。

1.2.4 圖像處理軟件

圖像處理軟件通過(guò)特定算法反演特定區(qū)域X 射線線性衰減系數(shù)從而生成物體內(nèi)部三維分布， 為了便于快速調(diào)取并查看， 通常將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)為一系列虛擬二維切片。 目前， 適合的專(zhuān)業(yè)渲染軟件主要有 Fiji、 Vgstudio、Avizo、 Mavi、 Blob3d、 Pore3d、 3dma Rock 和Morpho 等。 這些軟件不僅是很好的定性工具，同時(shí)還可以根據(jù)需要計(jì)算出定量結(jié)果， 如顆粒物粒徑大小， 空間體積大小等。 然而， 各軟件針對(duì)的領(lǐng)域有所差異， 其中Avizo 在地球科學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛［17-18］。 有學(xué)者在推動(dòng)X-CT 測(cè)量及數(shù)據(jù)處理軟件的便捷化及智能化方面做了大量積極的工作［19-21］。

3D 分析軟件定量處理結(jié)果可包括材料的總體紋理、 成分體積分?jǐn)?shù)、 孔和粒度參數(shù)以及形態(tài)（形狀、 球形、 圓度等）、 表面紋理等數(shù)據(jù)。 但是在實(shí)際操作中， 這種定量的三維分析通常并不容易， 并且可能會(huì)由于偽影的影響而導(dǎo)致一些系統(tǒng)性誤差。 因此， 在處理或分析X-CT 數(shù)據(jù)時(shí)必須對(duì)其局限性和缺陷有充分的認(rèn)識(shí)和考慮。

1.3 性能參數(shù)與干擾因素

1.3.1 密度分辨率

密度分辨率又稱(chēng)對(duì)比度分辨率。 CT 系統(tǒng)對(duì)不同物相間的區(qū)分， 也就是通常所說(shuō)的密度的區(qū)分。 實(shí)際的物相分辨率除了受體積密度影響， 還受所構(gòu)成物相中元素原子序數(shù)的大小影響， 通常原子序數(shù)越高， 如鋯、 鈾、釷、 稀土等， 對(duì)X 射線的衰減能力則越強(qiáng)。而最終的密度差（即密度檢出限）取決于檢測(cè)器對(duì)獲得的信號(hào)與噪聲的區(qū)分能力， 即廣義上的系統(tǒng)信噪比。 在醫(yī)學(xué)界通常定義為物相與相鄰均質(zhì)環(huán)境的X 射線衰減系數(shù)的相對(duì)值小于1%時(shí)（也有采用0.5%或更低）對(duì)應(yīng)CT 系統(tǒng)能分辨該物相的能力［11］。

1.3.2 三維空間分辨率

三維空間分辨率（也叫空間分辨力）也就是系統(tǒng)在一定的置信區(qū)間上 （如大于95%的置信區(qū)間）可以剝離出的最小體單元。

在相同的焦點(diǎn)尺寸、 放大比下， 探測(cè)器總尺寸相同時(shí)， 探測(cè)器探元尺寸越小， 探元數(shù)量也越多， 樣品被切得更細(xì)， 分辨率越高，也受到機(jī)械系統(tǒng)精度、 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和重建算法的影響。 前者決定CT 系統(tǒng)的理論極限分辨率， 與后者共同作用決定CT 系統(tǒng)實(shí)際能夠達(dá)到的空間分辨率［11］。 目前， X-CT 的空間分辨率已基本達(dá)到其理論分辨率極限， 工件（測(cè)量物體）的尺寸通過(guò)影響射線源距工件以及射線源距檢測(cè)器的距離， 從而影響系統(tǒng)最終分辨率， 其 原 理 如 圖6 所示［22］， 相 互 關(guān) 系 見(jiàn)公式（5）。 相對(duì)于空間分辨率， 密度分辨率在實(shí)際使用中更常用。 在CT 技術(shù)中， 圖像的分辨率與樣品尺寸直接相關(guān)， 為了獲得亞微米級(jí)別的高分辨率CT 圖像， 需要將樣品盡可能靠近射線源， 這就對(duì)樣品的尺寸有所限制， 通常制備直徑小于1 mm 的鉆孔巖石樣品。

圖6 由射線焦點(diǎn)大小引起的空間分辨率變化示意圖Fig. 6 Schematic diagram of spatial resolution change caused by ray focus size

式中： R—分辨率； M—射線源到探測(cè)器的距離與射線源到樣品距離的比值 （即放大比）；d—探測(cè)器單元的尺寸； a—射線源焦斑的尺寸。

1.3.3 偽影

X-CT 掃描中最常遇到的問(wèn)題是射線硬化造成的偽影。 因?yàn)閄 射線是一定能量范圍的連續(xù)譜（在實(shí)際應(yīng)用中不可能獲得絕對(duì)單色的X 射線譜）， 當(dāng)射線穿透物體后射線中高能量部分的射線占比變大， 從而導(dǎo)致材料的CT 數(shù)據(jù)與其在原體積中的真實(shí)位置發(fā)生變化［23］，也就是在CT 圖像上出現(xiàn)了與物體真實(shí)結(jié)構(gòu)不相符的圖像特征。

因?yàn)檩^低能量的X 射線比較高能量的X射線更容易衰減， 所以穿過(guò)物體的多色光束優(yōu)先失去其光譜的低能量部分。 最終結(jié)果是光束雖然總強(qiáng)度減小， 但具有比入射光束更高的平均能量。 另外， 能量衰減強(qiáng)度與光的路徑長(zhǎng)度相關(guān)， 即當(dāng)光束穿過(guò)物體時(shí)， 大多數(shù)材料的有效衰減系數(shù)減小， 從而使得短光線路徑比長(zhǎng)光線路徑成比例地衰減更多。 該過(guò)程通常表現(xiàn)為在長(zhǎng)射線路徑的中心處變暗，以及在邊緣附近的相應(yīng)增亮。 在具有大致圓形橫截面的物體中， 該過(guò)程使得邊緣看起來(lái)比內(nèi)部更亮， 但是在不規(guī)則物體中， 則難以對(duì)光束硬化偽影和實(shí)際材料變化進(jìn)行鑒別。光束硬化偽影也可以通過(guò)礦石中含高原子序數(shù)（Z）礦物顆粒產(chǎn)生， 并且可以延伸到周?chē)|(zhì)中產(chǎn)生明暗相間的條紋（圖7A）。

為了最大限度地減少偽影對(duì)CT 結(jié)果的影響， 通常從測(cè)量端和數(shù)據(jù)處理端實(shí)現(xiàn)。 一種方法是在X 射線束通過(guò)掃描物體之前或之后通過(guò)衰減濾光片對(duì)其進(jìn)行預(yù)硬化或后硬化。過(guò)濾器通常是特定厚度的扁平金屬片或玻璃片。 但是光束過(guò)濾的缺點(diǎn)是造成能量下降，因此在實(shí)際操作中需要使用更長(zhǎng)的采集時(shí)間或更高強(qiáng)度的X 射線源， 否則會(huì)導(dǎo)致更大的圖像噪聲。 其特點(diǎn)是僅部分有效。 另一種方法是使用與物體衰減特性相似的材料進(jìn)行楔形校準(zhǔn)。 在CT 重建過(guò)程中， 解決光束硬化問(wèn)題已經(jīng)有了大量的研究。 最常見(jiàn)的技術(shù)是線性化， 也就是將每個(gè)衰減讀數(shù)從多色源轉(zhuǎn)換為單能量當(dāng)量。 這種方法在大多數(shù)商用掃描儀和重建軟件包中都可用， 但大多數(shù)都是通過(guò)提供一組有限的線性化曲線手動(dòng)選擇來(lái)簡(jiǎn)化該過(guò)程［24-25］。

偽影的一個(gè)表現(xiàn)特征就是環(huán)偽影， 環(huán)偽影顯示為以旋轉(zhuǎn)軸為中心的完整或部分圓（圖7）。 它們是由單個(gè)探測(cè)器元件或元件集的輸出偏移引起的， 這會(huì)導(dǎo)致每個(gè)視圖中對(duì)應(yīng)的一條或多條光線與其相鄰視圖相比具有異常值； 環(huán)的位置對(duì)應(yīng)于重建期間這些光線重疊最大的區(qū)域。

圖7 地質(zhì)樣品X-CT 掃描的偽影以及消除Fig. 7 X-ray images with artifact and images after artifact removal

如果掃描的樣品中包含密度較高的組分，則會(huì)在高密度組分外圍形成一個(gè) “星暴” 偽影， 其中明亮的條紋從物體向附近的材料發(fā)出很短的距離， 從而造成樣品形狀的扭曲。對(duì)于較高密度的金屬礦物相， 例如天然金或鉑族元素礦物等， 這些偽影則更嚴(yán)重。 圖8虛線框的礦物和圓圈內(nèi)礦物具有較高的密度，因此形成了顯著的星爆偽影。

圖8 不同密度礦物對(duì)應(yīng)的灰度及高密度礦物引起的偽影Fig. 8 Gray level image of different density minerals and the artifact image caused by high density minerals

作者使用nanoVoxel 4000 系列高分辨率工業(yè)CT 對(duì)制備的標(biāo)準(zhǔn)礦物樹(shù)脂靶進(jìn)行掃描成像， 每 0.25°采集一幀圖像， 圖像尺寸為1 920×1 536， 共采集 1 440 幀圖像， 其他實(shí)驗(yàn)參數(shù)為電壓 190 kV， 電流 130 μA、 曝光時(shí)間 0.50 s、 掃描時(shí)間 45 min、 分辨率 19.78 μm，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖8。

圖8 中對(duì)應(yīng)的高亮度區(qū)域（圓形框和虛線方框）為含較高原子序數(shù)的地質(zhì)材料（分別為瀝青鈾礦和氧化鋯顆粒）， 在其周?chē)纬娠@著的偽影； 相比之下， 實(shí)線方框內(nèi)樣品顆粒（主成分為硅酸鹽）的外側(cè)輪廓清晰， 三維重建的效果較好。

2 三維X-CT 在巖石礦物中的應(yīng)用

2.1 礦物顆粒表征分析

礦物晶體大小、 形狀和空間分布記錄了大量的結(jié)晶歷史信息， 尤其是火成巖中， 例如溫度、 壓力等， 根據(jù)這些信息可推測(cè)其演化史， 因?yàn)榈V物晶體的成核和歷史生長(zhǎng)條件主要是過(guò)飽和度（或過(guò)冷度）的函數(shù)［26-28］。

區(qū)分礦物首先要求各相組成和密度存在較大差異， 才能產(chǎn)生足夠的X 射線衰減對(duì)比度［29］。 例如， 磁鐵礦的線性衰減系數(shù)遠(yuǎn)大于石英， 因此鎂鐵質(zhì)礦物在CT 圖上很容易與石英礦物區(qū)分開(kāi)（圖 9a）。 而石英和鈉長(zhǎng)石的線性衰減系數(shù)在2～400 keV 的能量范圍內(nèi)相差不超過(guò) 6%（圖 9b）， 因此， 顯微 CT 區(qū)分效果不佳。 然而， 顯微CT 更適合于掃描分析相對(duì)獨(dú)立的晶體相。 礦物三維體積的成像受到X射線可達(dá)到的最大穿透深度的限制， 通常將X射線透射率降低到入射強(qiáng)度的1/e（～37%）的深度稱(chēng)為穿透深度， 隨著能量的增加而平滑地增加， 為了研究毫米至厘米尺度上的巖石樣品， 通常需要入射能量＞5 keV（圖 9c）。 雖然當(dāng)能量超過(guò)30～50 keV 時(shí)增加了穿透能力，但是衰減對(duì)比度會(huì)迅速衰減（圖 9b）， 這就使得大尺寸樣本（＞10 cm）缺乏足夠?qū)Ρ榷取?同時(shí)， 雖然分析體積隨線性尺寸快速增加， 但分辨率通常隨樣本尺寸的增加而降低［29-30］。 質(zhì)量衰減度（μ/ρ）是材料平均原子序數(shù)和密度的函數(shù)， 隨入射X 射線能量的增加而減?。贿@種衰減大部分是平滑的， 而且各種材料的曲線是近平行的（圖 9a）。 不同礦物的質(zhì)量衰減系數(shù)相對(duì)于石英的質(zhì)量衰減系數(shù)的變化表明， 各相之間的最大變化出現(xiàn)在1～100 keV范圍內(nèi)， 最大值約為 20～30 keV； 因此， 這是用X 射線層析成像研究晶體結(jié)構(gòu)的最佳能量范圍（圖 9b）［31-32］。

圖9 X 射線能量對(duì)衰減和穿透深度的影響［29］Fig. 9 Effect of X-ray energy on attenuation and penetration depth［29］

巖石樣品中有些礦物的密度范圍差異較大， 用CT 掃描得到的灰度值來(lái)區(qū)分它們則相對(duì)簡(jiǎn)單， 例如組成相對(duì)單一的石英礦物（SiO2）與鋯石礦物（ZrO2）等。 然而， 有些礦物的成分相對(duì)復(fù)雜， 例如一些共伴生礦物， 使得采用灰度單一條件對(duì)它們進(jìn)行區(qū)分的難度增加。

中子也是一種穿透能力極強(qiáng)的射線， 表1列出了不同礦物在100 keV X 射線以及具有同等能量中子射線下的衰減系數(shù)。 X 射線衰減在含金屬礦物中較高， 而在含氫礦物中中子衰減更高， 因此更適合于含氫的流體。

Polacci 等人將X-CT 應(yīng)用于浮石和火山渣碎屑以及陣發(fā)性活動(dòng)的火山渣和浮石樣品［34-35］。 Gualda 等研究了 Bishop Tuff （加利福尼亞） 浮石碎屑的晶體顆粒體積分布。 由于輔助礦物保存了巖漿系統(tǒng)演化的重要記錄， X射線顯微CT 可以用來(lái)繪制某些元素的三維圖， 例如鋯石和稀土元素等， 使得原位定性和定量地記錄這些礦物的三維結(jié)構(gòu)成為可能［29］。

Cnudde 等基于二維重建切片對(duì)不同的晶粒進(jìn)行了區(qū)分， 并確定每個(gè)晶粒的體積、 表面、 球度、 等效直徑等結(jié)構(gòu)參數(shù)。 對(duì)含海綠石的砂巖進(jìn)行了數(shù)字分析， 成功區(qū)分了三種不同的礦物： 石英、 海綠石和長(zhǎng)石 （圖 10），不同顏色表示不同礦物。 圖10A 為含有海綠石的砂石的重建切片； 圖10B 為根據(jù)數(shù)字圖像分析后顆粒的最大開(kāi)口對(duì)顆粒進(jìn)行顏色編碼的相應(yīng)切片。 海綠石顆粒（表示為綠色的；小的（暗的）到更大的（較輕的）最大開(kāi)口）可以從石英顆粒中分離出來(lái)（黃色到紅色物體代表?。S色）到較大（紅色）最大開(kāi)口）， 因?yàn)檫@兩種類(lèi)型的顆粒之間有足夠的對(duì)比度。 此外，可以識(shí)別具有中間衰減系數(shù)的第三礦物相（在彩色圖形上顯示為灰色）， 利用偏振顯微鏡將其識(shí)別為長(zhǎng)石［36-37］。

表1 X 射線及中子在不同礦物中的線性衰減系數(shù)［33］Table 1 Linear attenuation coefficients of neutrons and x-ray［33］ of minerals

圖10 不同礦物對(duì)應(yīng)的灰度圖像及不同顏色標(biāo)記的效果Fig. 10 Reconstructed gray level X-CT image of minerals and their colour-slice image

天然鉆石的密度約為3.1～3.5 g/cm3， 由于碳的原子序數(shù)較低， 可通過(guò)低能X 射線成像并采取措施避免射束硬化偽影， 從而有效地將天然鉆石與高密度鎂鐵礦物質(zhì)進(jìn)行區(qū)分。最早由 Taylor 等［38］采用 X-CT 對(duì)產(chǎn)自俄羅斯西伯利亞Udachnaya 金伯利巖的榴輝巖主巖中的鉆石進(jìn)行了分析。 通過(guò)樣品的分析并未發(fā)現(xiàn)有被石榴石完全包圍的鉆石， 且所有鉆石都與斜方輝石裂縫的變化有關(guān)。 基于這項(xiàng)研究的成果， 南非和加拿大在內(nèi)的許多其他地方在榴輝巖和橄欖巖中發(fā)現(xiàn)了鉆石［39-40］。Ketcham 等人用高分辨率X-CT 對(duì)23 克拉卡博納多鉆石中的包裹體和孔隙度圖案進(jìn)行三維紋理觀察， 揭示了與其起源相關(guān)的新信息［41］； Eckley 等結(jié)合 X-CT 研究了一種產(chǎn)于巴西和中非共和國(guó)的多晶金剛石（Carbonado），研究發(fā)現(xiàn)其中的多孔暗結(jié)核具有一個(gè)較窄的碳同位素分布（δ13C 31‰～24‰）， 包裹體富含REEs 和錒系元素， 結(jié)構(gòu)較松散， 年齡在3.8～2.6 Ga［42］。

由于貴金屬對(duì)X 射線通常具有較強(qiáng)的衰減作用， 其相對(duì)于基體巖石具有較高的X 射線衰減對(duì)比度。 因此， X-CT 是研究礦石中貴金屬分布的有效技術(shù)之一［43］。

Leys 等利用 X-CT 技術(shù)研究了 Ertsberg-Grasberg 礦區(qū)的礦石（Cu-Au 礦床）， 獲得了具有地質(zhì)意義的獨(dú)特信息， 通過(guò)CT 掃描提供了有關(guān)金顆粒與其他礦石礦物的礦物學(xué)和結(jié)構(gòu)關(guān)聯(lián)的信息。 這些研究結(jié)果證實(shí)了整個(gè)Grasberg 礦床中金和硫化銅的關(guān)系密切， 并且大多數(shù)金顆粒出現(xiàn)在黃銅礦塊的邊緣或與黃 銅 礦 塊 內(nèi)的 空 隙 相 鄰［44］。 另外， Fraley 和Franks 對(duì)Ertsberg-Grasberg 區(qū)夕卡巖型礦石的CT 研究結(jié)果也表明了鈣質(zhì)硅酸鹽和硬石膏基質(zhì)中金顆粒與硫化銅類(lèi)似的關(guān)系， 同時(shí)作者還對(duì)斑巖型Cu-Au 成因問(wèn)題進(jìn)行了探討， 研究表明斑巖系統(tǒng)中高溫Cu-S 化物中Au 的溶出對(duì) Cu-Au 礦成因具有重要性［45］。 Egan 等采用雙能量X-CT 研究了巖心中不同礦物的三維分布（圖 11）。

圖11 巖心三維可視化顯示多種礦物的分布［46］Fig. 11 3D visualization of mineral distribution in the sample［46］

Mote 等人通過(guò) CT 研究了 Cripple Creek 礦床（火山巖）中含碲和金的礦物巖心樣， 使用Blob3D 圖形處理軟件評(píng)估了代表三種高品位礦石樣品中金顆粒與周?chē)V物的空間關(guān)系，獲得了巖脈內(nèi)金顆粒的大小、 形狀、 分布等信息。 結(jié)果表明金顆粒與斷層條紋在空間上存在統(tǒng)計(jì)學(xué)上的顯著相關(guān)性［47］。

Godel 等概述了CT 研究在PGE 礦石的性質(zhì)和來(lái)源中的應(yīng)用， 以及為這些研究開(kāi)發(fā)的基于 Matlab 的 軟 件［48］。 與金礦石類(lèi)似， 典型的鉑族元素（PGE）礦石由高密度金屬礦物組成， 同樣適合采用 CT 技術(shù)進(jìn) 行 研 究［48-49］。Godel 等最早采用醫(yī)療CT 儀器對(duì)PGE 礦石進(jìn)行了初步研究［50］； Barnes 等采用工業(yè) CT 掃描設(shè)備研究了布什維爾德復(fù)雜巖體（Bushveld Complex） 和 斯 蒂 爾 瓦 特 雜 巖 （Stillwater Complex）以及科馬提巖（Komatiite hosted）鎳-硫礦石中（Ni-sulfides）的 PGE 礦物［50-51］。

Ricard 等采用CT 技術(shù)研究了硫化物（如磁鐵礦， 鎳黃鐵礦和黃銅礦等） 的三維大小、形態(tài)和分布， 同時(shí)利用Avizo Fire 和CSIRO 開(kāi)發(fā)的代碼對(duì)這些數(shù)據(jù)評(píng)估， 得到了不同Ni-Cu-PGE 礦石類(lèi)型中硫化物相互連接程度［52］。

X-CT 技術(shù)還在金礦浸出工藝中得到應(yīng)用。 Leichliter 和Larson 等通過(guò)巖相分析研究了基于柱浸工藝下較低品位金礦石中金的浸出機(jī)理［53］。

2.2 包裹體分析

2.2.1 概況

巖石中流體包裹體和固體/熔融包裹體是指被封閉在天然礦物中的流體和熔融體。 表征礦物內(nèi)部流體包裹體和熔融包裹體的三維分布、 形態(tài)和不同相的體積分?jǐn)?shù)， 對(duì)于確定晶體生長(zhǎng)和古應(yīng)力分析的條件至關(guān)重要［54-55］。然而， 它們相對(duì)較小的尺寸（通常為5～100 μm）、復(fù)雜的形狀、 組成不均勻性、 部分寄主礦物的不透明性和投影偏差常常影響傳統(tǒng)顯微技術(shù)的精確成像和體積重建。 高分辨X 射線計(jì)算機(jī)斷層掃描（HR-XCT）是一種分辨率達(dá)到亞微米的X-CT 技術(shù)， 可以彌補(bǔ)常規(guī)光學(xué)顯微鏡的不足， 是研究礦物包裹體無(wú)損表征的理想手段［56］。

最早由Nakashima 等人在1997 年報(bào)道了將X-CT 應(yīng)用于流體包裹體的研究［57］。 隨后，HR-XCT 成功地應(yīng)用于各種巖石中的礦物的形狀、 取向和三維分布、 孔隙度和裂縫的展示 研 究［58-60］， 如沉積巖、 變質(zhì)巖、 巖漿巖、地幔巖， 礦石和隕石等。

Hanna 和 Ketcham 的研究表明當(dāng)分辨率達(dá)到 1 μm3/體素時(shí)， HR-XCT 可識(shí)別 5 μm 流體包裹體， 并對(duì)相對(duì)較大（＞25 μm）的夾雜物進(jìn)行識(shí)別和體積重構(gòu)。 通過(guò)HR-XCT 可實(shí)現(xiàn)以下一些功能： 1） 表征晶體礦物中含水和含烴流體包裹體以及熔融包裹體的三維分布；2） 表征流體和熔融包裹體的形狀； 3） 重建流體和熔融包裹體的總體積和不同相 （液體、玻璃、 晶體和氣體）的體積分配， 但油水兩種液相不能相互區(qū)分［61］。

當(dāng)密度對(duì)比足夠高時(shí)可以有效識(shí)別： 1） 橄欖巖晶體中的硅酸鹽熔體包裹體及其不同相（玻璃體、 蒸汽和晶體， 如單斜輝石和尖晶石）； 2） 透明和不透明的單相（液體）和兩相（液體＋蒸汽）流體包裹體礦物（石英、 石榴石、 祖母綠、 黑鎢礦）［61］。

Kyle 和 Ketcham 等［62］使 用 225 keV X 射線源和圖像增強(qiáng)器探測(cè)器 （1024×1024 CCD）， 對(duì) 3～70 mm 的樣本進(jìn)行成像， 切片厚度的低至 10 或 1 μm。 由于所使用的 CT 系統(tǒng)分辨率受到限制， 僅允許在相對(duì)較大的流體包裹體（≥0.1 mm3）中測(cè)量多個(gè)相。

Bhuiyan 等人利用不同閾值將X 射線顯微層析成像數(shù)據(jù)進(jìn)行二值化， 并與掃描電鏡結(jié)果進(jìn)行比較， 發(fā)現(xiàn)X 射線顯微層析成像可以在對(duì)掃描電鏡數(shù)據(jù)進(jìn)行適當(dāng)校正后用于測(cè)量氣泡腔的總孔隙度， 由于他們研究獲得的分辨率有限， 因此只能提供粗略估計(jì)結(jié)果［63］。

2.2.2 流體包裹體

由于固體礦物相和流體相之間的X 射線衰減差異較大， 通常有幾個(gè)數(shù)量級(jí)， 因此流體包裹體在礦物中的 CT 成像中效果較好［47，64-65］。此外， 還可以將低密度氣相與相關(guān)的液相進(jìn)行對(duì)比成像。 由于CT 方法是非破壞性的， 因此它可以對(duì)珍貴的巖石/礦物樣品進(jìn)行流體包裹體檢測(cè)。

法國(guó)南錫大學(xué)實(shí)驗(yàn)室Jacquemet 等人在天然石英中合成了兩相液體＋水汽流體包裹體［65］。 在流體包裹體合成后， 將石英薄片拋光至厚度0.4 mm， 用于光學(xué)顯微鏡和HR-XCT分析。 在光學(xué)顯微鏡下觀察發(fā)現(xiàn)存在大量的兩相 （液＋蒸氣） 流體包裹體 （1～100 μm）。Balitsky 等［64，66-67］采用水熱溫度梯度法， 利用高壓釜合成得到了捕集有烴的流體包裹體石英晶體， 并對(duì)石英-流體包裹體合成和X-CT表征的實(shí)驗(yàn)步驟進(jìn)行了詳細(xì)描述。

圖12 為某油田巖心樣品中發(fā)現(xiàn)的細(xì)長(zhǎng)的（25 μm）含油的原生流體包裹體。 采用紫外-熒光測(cè)試表明液相組成為油相。 作者用HRXCT 對(duì)其組成和結(jié)構(gòu)進(jìn)行了三維重建［68］。

2.2.3 固體礦物包裹體

圖12 不同探測(cè)方法顯示的含烴流體包裹體Fig. 12 Hydrocarbon fluid inclusions of image by different detecting method

X-CT 對(duì)固相包裹體的研究原理同樣是利用X 射線在包裹體及其寄主礦物中的衰減差異實(shí)現(xiàn)的。 反之， 通過(guò)研究固相包裹體的體積、 組成等信息可對(duì)起始反應(yīng)物的純度等信息進(jìn)行評(píng)估［69-70］。 劉等人通過(guò) X-CT 研究了巖漿 Fe-Ti 氧化物礦化的 成 因［71］； Gómez Tuena等（火山物質(zhì)樣品）從位于墨西哥洛斯赫梅羅斯火山巖（斑巖熔巖）中采集一些具有代表性樣品做研究。 該地區(qū)的火山巖中橄欖石斑晶的直徑約為0.5～2.0 mm， 含有直徑為230 μm的孤立的圓形硅酸鹽熔體包裹體（圖13）， 在硅酸鹽熔體包裹體內(nèi)觀察到尖晶石等， 這些晶體在硅酸鹽熔融包裹體俘獲后成核。 樣品中含有斜長(zhǎng)石、 橄欖石、 斜方輝石和單斜輝石斑晶， 以及大的囊泡和玻璃基質(zhì)［72-73］。

Benedix 等對(duì)mm～cm 大小的金屬硫化物囊泡組合進(jìn)行了礦物學(xué)和層析研究， 并對(duì)硅酸鹽宿主進(jìn)行了年代研究［74］。

2.3 孔隙三維形態(tài)表征

三維X-CT 在巖石礦物中應(yīng)用較早且較廣泛的應(yīng)是三維孔隙的構(gòu)建和測(cè)量。 近年來(lái)，人們?cè)絹?lái)越關(guān)注儲(chǔ)層巖石孔隙形態(tài)的特征，以及孔隙特征的空間組織如何影響巖石流體系統(tǒng)的宏觀行為［75］。 在 X-CT 之前， 通常是通過(guò)從二維薄片圖像重建三維多孔介質(zhì)的統(tǒng)計(jì)模型［76］或 基 于 過(guò) 程 模 型［77］對(duì) 三 維孔隙 進(jìn) 行 表征， 再發(fā)展為計(jì)算機(jī)模 型 重 建［78］。 統(tǒng)計(jì)模型和基于過(guò)程的模型都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)， 而XCT 技術(shù)與圖像分析算法相結(jié)合， 使得復(fù)雜的3D 孔隙特征描述得以有效解決， 并且成像分辨率可達(dá)亞微米尺度。

圖13 顯微鏡和3D XCT 下橄欖石中硅酸鹽熔融包裹體Fig. 13 Silicate melt inclusion （SMI） in olivine of thin section and 3D XCT

天然巖石的多孔性、 孔徑分布和孔隙幾何結(jié)構(gòu)直接關(guān)系到其透水和透氣性。Dewanckele 等通過(guò)顯微CT 對(duì)巖石的三維孔隙結(jié)構(gòu)和內(nèi)部動(dòng)力學(xué)進(jìn)行分析， 研究了巖石潛在的風(fēng)化行為［79］。 Dewanckele 等［80］還 在 強(qiáng) 酸試驗(yàn)下人工模擬風(fēng)化實(shí)驗(yàn)， 將巖石結(jié)構(gòu)的變化可視化（圖14）， 并且這一研究結(jié)果在水冶浸出工藝研究中得到了充分應(yīng)用。

圖14 鈣質(zhì)砂巖（左）在風(fēng)化過(guò)程中孔隙度（右）變化Fig. 14 3D rendered volumes of a calcareous sandstone （left） and the porasity change by colourcoded equivalent diameter （ED）（right）

圖14 分別展示了一種鈣質(zhì)砂巖在風(fēng)化前、 實(shí)驗(yàn)第10 天和實(shí)驗(yàn)第21 天后（使用強(qiáng)酸試驗(yàn)）的孔隙結(jié)構(gòu)變化。 圖左列顯示了不同步驟的整體渲染； 圖右列顯示了三維渲染的孔結(jié)構(gòu)。 紅色代表最大的毛孔（根據(jù)其體積），而藍(lán)色代表最小的毛孔。

Mayka 等研究了如何根據(jù)二值三維圖像（灰度圖）對(duì)不規(guī)則巖石顆粒（孔隙）的形狀進(jìn)行分類(lèi)和量化。 該方法需要測(cè)量基本的三維粒子描述參數(shù)（長(zhǎng)度、 寬度和厚度）， 同時(shí)人為定義一些相似的形狀分類(lèi)以便歸類(lèi)分析。作者通過(guò)分析識(shí)別出兩種主要的孔隙成分：孔隙網(wǎng)絡(luò)和殘余孔隙神經(jīng)節(jié)。 在對(duì)主孔隙網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分離后， 采用分水嶺算法對(duì)孔隙形態(tài)進(jìn)行了保存。 該方法通過(guò)對(duì)3 種砂巖進(jìn)行測(cè)試， 其結(jié)果與其他方法相一致［75］。

Freiregormaly 等人首次利用孔隙網(wǎng)絡(luò)模擬和侵入滲流模擬的顯微CT 數(shù)據(jù)對(duì)印第安納石灰?guī)r和粉色白云石模型碳酸鹽巖進(jìn)行了詳細(xì)的孔隙尺度特征描述， 其主要目的是預(yù)測(cè)與二氧化碳封存有關(guān)的碳酸鹽巖的相對(duì)儲(chǔ)存量［81］。

Li 等人采用聚焦離子束掃描電子顯微鏡（FIB-SEM） 和 X-μCT 相結(jié)合的方法， 在不同的尺度上研究了煙煤和無(wú)煙煤的三維孔隙破裂特征， 并通過(guò)加合的方式獲得了樣品的總孔隙率（BC 為 1.108%， AC 為 6.082%）。 該研究為評(píng)價(jià)煤儲(chǔ)層物性提供了一種準(zhǔn)確的方法，有助于理解煤層氣的儲(chǔ)運(yùn)機(jī)理［82］。

火山灰表面的特征對(duì)于理解火山羽的物理、 界面過(guò)程、 火山灰的運(yùn)輸和沉積建模以及火山噴發(fā)類(lèi)型的特征至關(guān)重要。 火山灰顆粒是爆炸性噴發(fā)的重要組成部分。 由于顯微CT 可以測(cè)量表面積和單個(gè)灰燼顆粒的體積，因此Ersoy 等［83］采用該技術(shù)和掃描電鏡立體成像作為火山灰顆粒宏觀孔隙區(qū)域紋理特征的表征技術(shù)。 Polacci 等［84］利用同步輻射 X 射線顯微CT 在微米分辨率的水平上分析了火山產(chǎn)物中的氣泡幾何結(jié)構(gòu)， 提高了對(duì)火山作用過(guò)程的理解。

Hector 等提出了一種改進(jìn)后的總有效孔隙度計(jì)算方法， 并模擬了巖石樣品的絕對(duì)滲透率。 這種方法將X-μCT 的分析以及基于灰度方差的強(qiáng)大閾值數(shù)據(jù)處理方法結(jié)合， 將三維體分割為三個(gè)區(qū)域： 實(shí)體、 分辨率以上的孔和一個(gè)中間區(qū)域［43］。

2.4 元素空間分布及量化分析

通常情況下， 通過(guò)分析X-CT 圖像推斷出的唯一定量信息主要是來(lái)自局部區(qū)域?qū)€性衰減系數(shù)的區(qū)分， 而且一些常見(jiàn)礦物的密度十分接近， 無(wú)法進(jìn)行詳細(xì)的分析。 某些礦物的X 射線衰減隨能量變化出現(xiàn)大突躍的現(xiàn)象，源自對(duì)應(yīng)于其內(nèi)部主要元素的K-邊或L-邊吸收［85-86］。 利用不同元素 X 射線邊界吸收能量的不同， 研究人員開(kāi)發(fā)了一類(lèi)雙能3D X-CT（DECAT）［87-88］， 這 種 CT 技術(shù)在元素空間分布、 定量測(cè)定方面有特殊的意義。 使用雙能X-CT 的優(yōu)勢(shì)在于可顯著克服單能量的不足，通過(guò)使用兩種不同能量的X 射線穿過(guò)被測(cè)樣品測(cè)量同一截面， 可以確定所選截面密度和有效原子數(shù)分布函數(shù)， 通過(guò)計(jì)算吸收邊正上方和正下方層析圖之間的灰度差異即可對(duì)礦物相的分布進(jìn)行量化推演。

由于材料的X 射線衰減是其密度、 原子序數(shù)Z 和X 射線能量的復(fù)合函數(shù)， 在雙能量射線穿透下可以對(duì)相同材料密度和有效（平均）Z 進(jìn) 行 估 計(jì)［22，89］。 但是， 該方法需要已知成分和密度的材料才能進(jìn)行仔細(xì)校準(zhǔn)， 而且X射線的多色性和射線硬化的并發(fā)癥會(huì)限制其使用［90］。

Baker 等采用雙能量成像（相位對(duì)比）研究了凝灰?guī)r浮石中鋯和銫的分布情況， 實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖 15［9］。

Grande 等采用真空單晶衍射儀和流量比例計(jì)數(shù)器能量從0.84～6.0 keV 以及更高的能量下， 連續(xù)測(cè)量了鈾的總衰減系數(shù)， 統(tǒng)計(jì)波動(dòng)在 0.5%～2%之間， 總準(zhǔn)確率為3%。 在3.552 和 3.728 keV 邊緣的 20 eV 內(nèi)測(cè)量出顯著的突變邊緣（圖 16， NIST 數(shù)據(jù)庫(kù)）［91］。 因此，我們可以利用該參數(shù)， 通過(guò)雙能量X-CT 技術(shù)獲得含鈾礦石中鈾礦物的空間分布圖， 目前作者正在嘗試相關(guān)的工作。

圖15 雙能CT 成像在凝灰?guī)r浮石研究中的應(yīng)用［9］Fig. 15 Application of dual energy CT to the study of pumice from the peach spring tuff ［9］

Egan 等［46］報(bào)道了基于實(shí)驗(yàn)室的高光譜 X射線計(jì)算機(jī)斷層成像技術(shù)的發(fā)展， 它可以在三維空間重建和可視化物體的內(nèi)部元素化學(xué)。該方法使用具有足夠能量分辨率的光譜X 射線成像檢測(cè)器來(lái)區(qū)分單個(gè)元素吸收邊緣。 通過(guò)K 邊相減可以獲得元素分布， 或者通過(guò)體素光譜擬合得到原子相對(duì)濃度。 圖17 為采用雙能量法獲得的元素鈀在多孔材料中的分布。實(shí)驗(yàn)采用標(biāo)準(zhǔn)X 射線源， 其測(cè)量時(shí)間與常規(guī)計(jì)算機(jī)斷層掃描所需的測(cè)量時(shí)間接近。

圖16 鈾的X 射線衰減曲線Fig. 16 X-ray attenuation curve of uranium

圖17 金屬鈀在多孔氧化鋁催化劑體上的分布Fig. 17 Pd metal distribution on a porous alumina catalyst body

Geet 等將2D 薄層巖石學(xué)與微焦點(diǎn)雙能X-CT 巖石物理測(cè)量進(jìn)行了聯(lián)用， 研究了元素在巖石樣品內(nèi)部分布的情況， 同時(shí)作者還發(fā)現(xiàn)該技術(shù)存在一些局限性［22］。

Ikeda 等人利用同步輻射X-CT 對(duì)部分熔融花崗巖中的銫元素濃度分布進(jìn)行了研究。元素的濃度可以根據(jù)X-CT 圖像灰度的差異，并結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)進(jìn)行校正計(jì)算。 利用該技術(shù)獲得了部分熔融花崗巖的三維Cs 濃度圖， 并與電子探針（EPMA）的二維元素圖進(jìn)行了空間和成分分辨率的比較。 利用線性衰減系數(shù)進(jìn)行校準(zhǔn)， 獲得了±2.5 %的成分分辨率。 其校準(zhǔn)方法為： 1） 基于理論線性衰減系數(shù)和測(cè)得的CT 值之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系的校準(zhǔn)； 2） 由 X 射線引起的觀測(cè)質(zhì)量衰減系數(shù)（MAC）的空間變化的校準(zhǔn)使用標(biāo)準(zhǔn)材料（CS 軸承溶液）進(jìn)行能量轉(zhuǎn)移［92］。

丁潔、 趙宇亮等［93］采用創(chuàng)新分析方法，系統(tǒng)地表征了霧霾單顆粒的鐵元素定量信息、空間分布、 元素化學(xué)形態(tài)。 采用多種分析技術(shù)如X 射線熒光、 同步輻射技術(shù)等， 解析霧霾單顆粒的定量化學(xué)信息， 包括多種元素組成、 關(guān)鍵元素空間分布、 元素化學(xué)形態(tài)及其分布見(jiàn)圖18， 為揭示大氣顆粒物鐵元素狀態(tài)、 含量及其空間分布導(dǎo)致自由基產(chǎn)生及其誘導(dǎo)健康效應(yīng)構(gòu)效關(guān)系提供了重要科學(xué)依據(jù)。

圖18 霧霾單顆粒的鐵元素空間分布成像Fig. 18 Single-particle analysis for structure and iron chemistry of atmospheric particulate matter

3 結(jié)語(yǔ)

在計(jì)算機(jī)技術(shù)和軟件算法進(jìn)步的推動(dòng)下，X-CT 技術(shù)作為地球科學(xué)中的一種測(cè)量與分析工具得到不斷發(fā)展和應(yīng)用， 尤其是在研究巖石中礦物及元素分布三維可視化方面， 正在逐步趨于成熟， 成為一種標(biāo)準(zhǔn)的表征技術(shù)手段。 然而， 該技術(shù)也存在一定的物理局限性，還需要不斷進(jìn)行研究， 在發(fā)揮優(yōu)勢(shì)的同時(shí)加以改進(jìn)。

1） 提高X 射線源、 單色器以及檢測(cè)器性能， 以?xún)?yōu)化X-CT 分辨率， 特別是加快雙能X-CT 發(fā)展和應(yīng)用空間， 例如地質(zhì)樣品中較低含量元素空間賦存狀態(tài)研究。

2） 進(jìn)一步擴(kuò)大X-CT 技術(shù)與其他微區(qū)表征技術(shù)的 （如激光燒蝕質(zhì)譜、 掃描電子顯微鏡和X 射線熒光成像等） 的聯(lián)用。

3） 提高X-CT 三維處理軟件的人工智能化程度， 降低技術(shù)應(yīng)用門(mén)檻， 推動(dòng)X-CT 在地球科學(xué)及其他相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用范圍和應(yīng)用深度。

4） 拓展 4DC-CT 監(jiān)測(cè)的應(yīng)用研究， 同時(shí)滿(mǎn)足分辨率優(yōu)于幾百納米。

5） 在提高掃描和分析速度的同時(shí)， 降低測(cè)試成本， X-CT 技術(shù)在數(shù)字化巖心研究方面將大有作為。

通過(guò)不斷的技術(shù)優(yōu)化和改進(jìn)， 筆者相信X-CT 將成為地球科學(xué)和巖石礦物研究中不可或缺的技術(shù)手段。

致謝：感謝天津三英精密儀器有限公司在樣品測(cè)試和數(shù)據(jù)處理方面給予的幫助， 同時(shí)感謝核工業(yè)北京地質(zhì)研究院范光正高級(jí)工程師為本項(xiàng)目提供部分單礦物標(biāo)本。