大学地球科学课程报告论坛论文集2018-PDF、封面、目录高校地球科学教学改革研讨会PPT主会场2019论文集043

216 岩石三维结构可视化教材建设 刘洁 1，2 张珂1，2 彭卓伦1，2 （1. 中山大学地球科学与工程学院，广州 510275； 2. 广东省地球动力作用与地质灾害重点实验室，广州 510275） 摘 要：岩石学是地质学的核心基础课。 岩石的矿物组成与结构构造包含着极为丰富的成因和演化信息。 但传统岩石学教材偏向于平面观察。随着科学技术的发展，有必要探索全新的教学方法并编写相应辅助教材。 本文提出建设岩石学三维可视化图册教材。该教材除了三大岩类典型图片及文字描述外，重点引入微观层 析成像新技术，提供岩石内部三维动态图像，直观地展示岩石微观结构和各种矿物分布，为岩石学课程学习提 供更生动、更具有时代感的辅助教材。 关键词：岩石学 三维结构 可视化教材 一、引言 岩石是认识地球形成和演化的基础介质。岩石学是地质学专业核心基础课程，也是其他地 学相关类专业的必修或选修课程。 岩石一般分为火成岩、变质岩和沉积岩三大类。三大岩类具有不同的矿物和结构特征，同 时三大岩类在地质历史过程中可以相互转化。在三大类岩石基础上，还可以将构造运动对岩石 的改造所造成的具有特定结构的岩石称为构造岩。岩石中矿物组合、结构特征不仅反映其形成 时期物理、化学环境的差异，也是进一步分析岩石形成、构造活动与地壳演化的基础信息。 岩石学描述和记忆内容较多，除理论教学外，还需要通过大量的实习实验，才能巩固和加 深理论教学的效果。 比如， 就岩石的观察尺度而言， 大到野外宏观， 小到手标本、 光学显微镜、 电子显微镜，由此相对应的传统教材也应运而生。如野外岩石鉴定法 岩石手册 结晶矿 物学实验 光性矿物学实验 岩石学实验 显微岩石图册 。但是，上述资料仅提供岩石手 标本照片或显微镜下观测的二维结构，无法对岩石内部三维结构进行观测和展示。基于此，我 们提出建设岩石学三维可视化图册 ，利用微观层析成像技术对各类岩石进行扫描，通过动 态图像展示不同岩石中各不同矿物组分的结构、形态及相互关系，结合手标本照片和镜下二维 照片，提供更直观、更生动、更丰富多彩的岩石内部三维成分和结构图像，为岩石学教学提供 新手段。 岩石三维结构可视化教材建设 217 二、岩石微观层析成像技术 微观层析成像（microtomography）或微观 CT（micro-computed tomography）技术是近二 三十年发展起来的新技术，可以无损伤地探测样品内部结构。应用于岩石样品时，也被称为数 字岩石或数字岩心技术。 微观层析成像技术可以获得样品内部微米尺度的三维精细数字化图像。 当图像的分辨率达到纳米尺度时，也称为纳米 CT。实际上，根据所观测样品的不同和设备差 异，该技术可以提供分辨率从纳米至毫米量级、样品尺度从微米至厘米量级的数字图像。依据 数字图像，研究人员可以进行各种方案的定性和定量分析，获得样品微观尺度的三维信息。 微观 CT 技术的基本原理均与医用 CT 技术相同。设备主要由一端的 X 射线源和另一端的 检测器（照相机）构成，需要扫描的样品置于二者中间。由于 X 射线穿过样品时样品内部不同 成分对 X 射线的吸收率不同而导致在另一侧的照相机捕捉到亮度不同的影像。 为了获得样品内 部三维结构， 需要获取从不同方向上 X 射线的投影图像 （一般通过将样品每旋转一个小角度获 取一个影像） ，再利用图像重建技术建立样品内部三维结构的图像。CT 扫描的原始数据为灰度 图像。 图 1 显示一个人造砂岩样品微观 CT 扫描的切片。灰度值反应样品中不同成分的原子对 X 射线的吸收。 二维图像以 “像 素（pixel） ” 为基本单位， 三维图像的基本单位为 “体像素 （voxel， 是 volume pixel 的合并） ” 。如果将像素理解为小正方形，那么体像素就是小立方体 。因此，一 个三维图像数据就是由 nx ny nz个体像素构成的数据体，nx，ny，nz分别为三个方向上的体 像素总数。每一个体像素具有一个灰度数值。例如，最简单常用的表达是数值 0 至 255，0 对 应黑色，255 对应白色。 图 1 人造砂岩微观 CT 扫描数据的一个切片 （图像尺寸为 2 0002 000，圆柱状样品直径 5mm，图像分辨率 2.5m。圆形区域内黑色部分代表孔隙，灰色部分代表砂岩颗粒。在 三维数据中切片是具有厚度的，厚度值为图像分辨率） 大学地球科学课程报告论坛论文集（2018） 218 观察样品内部三维结构需采用三维可视化技术。 体渲染 （volume rendering） 是被广泛使用、 功能强大的可视化方案。体渲染通常用 RGBA（red，green，blue，alpha，即三原色和透明度） 来定义图像灰度值的显示方式，这个定义也称为传递函数（transfer function） 。体渲染技术通过 传递函数定义每个体像素上灰度值的色彩及透明度并投影到二维屏幕上， 对不感兴趣的区域以 透明化处理，突出显示感兴趣的区域，且可以采用多种伪色彩方案，由此产生逼真的立体视觉 效果。 由于微观层析成像所提供的是数字化图像， 人们对还可以在此基础上进行图像结构的定量 分析。进行定量分析需要首先对某一感兴趣的目标相进行分割，即从三维数据体中将具有某一 灰度值范围的图像与其他结构分离，例如孔隙、裂隙、某种矿物成分，由此灰度图转换成二值 图。二值图在电脑中可以简单地以 0 和 1 表达。图 2 为某一岩石样品中分割出来的裂缝和层状 分布的孔隙结构的三维可视化图。 分离出来的目标相可以进行以下参数的定量表征： a. 体积比 （孔隙度）目标相体积与总体积之比；b. 比表面积目标相面积与总体积之比；c. 孔隙 （或颗粒） 大小分布累计在不同坐标轴方向不同大小孔隙 （或颗粒） 的总数并求相对比例； d. 各个孔隙或颗粒结构的大小、方向和形态（用最近似椭球描述）等。 微观层析成像技术已经在地球科学领域已经取得了大量应用， 一个近期的中文综述性论文 可见文献。 图 2 某一岩石样品中分割出来的裂缝和层状孔隙分布三维可视化图像 岩石三维结构可视化教材建设 219 三、岩石三维图册建设 鉴于微观层析成像技术的优越性，我们正在建设岩石三维可视化图册作为岩石学教材 的辅助材料。 该图册将选取三大类岩石中的典型岩石样品，包括从基性到酸性的侵入岩和喷出岩、碎 屑沉积和化学沉积岩、不同程度的变质岩，以及一些典型的构造岩，对每一种岩石样品进行 手标本鉴定描述、显微镜下观测描述和三维结构可视化与定量分析。图 3 给出了本教材的基 本框架。 图 3 岩石三维可视化图册基本框架 对于三维可视化图像，设计将在印刷本中展示三维动态图像的截屏图，同时还提供二维扫 描码，使读者可以通过手机扫描二维码获取三维动态图像。本教材适用于本科生、研究生及其 他对岩石结构感兴趣的学习者。 四、结论 微观层析成像技术是近二三十年发展起来的新技术，已经在地球科学领域取得了大量的 应用，但迄今为止尚未纳入地球科学教学体系。由微观层析成像技术提供的岩石内部三维结 构精细图像，可以提供丰富多彩、具有时代感且生动细致的岩石结构信息，助力岩石学课程 教学。 大学地球科学课程报告论坛论文集（2018） 220 参考文献 1 Desrues J，Viggiani G，Besuelle P. Advances in X-ray tomography for geomaterials. London：ISTE Ltd， 2010. 2 Jerra