沉積物巖芯X光片圖像灰度數值及其影響因素①

張喜林 范德江 劉 明 王 亮

(中國海洋大學海洋地球科學學院海底科學與探測技術教育部重點實驗室 山東青島 266100)

沉積物巖芯X光片圖像灰度數值及其影響因素①

張喜林 范德江 劉 明 王 亮

(中國海洋大學海洋地球科學學院海底科學與探測技術教育部重點實驗室 山東青島 266100)

沉積體的X光影像包含了沉積物密度、結構、構造等眾多信息,對X光影像進行數字圖像分析可快速提取這些信息,成為進行沉積記錄和古環境演變研究的有力手段。基于長江水下三角洲沉積物巖芯的X光影像,利用Matlab軟件平臺把X光影像轉換成數字灰度圖像,進而提取了巖芯灰度值;結合該巖芯的粒度等沉積學屬性,探討了灰度圖像的影響因素。結果表明:沉積物巖芯的X光圖像灰度值是沉積物組成、結構和構造的綜合反映,其中粒度對灰度值起到控制性的影響。平均粒徑與灰度值之間為良好的線性關系;砂粒級、粉砂粒級含量與灰度之間存在較好的正相關,而黏土粒級含量與灰度存在很好的負相關。沉積物巖芯X光圖像的灰度值可以作為該巖芯的粒度的良好替代性指標。

沉積物巖芯 X光圖像 灰度 粒度 影響因素

0 引言

沉積物巖芯的X光負片圖像是沉積物密度、結構和構造等屬性的綜合體現,由于它直觀、形象和易于獲得,所以在沉積學研究中得到廣泛應用[1]。針對沉積物巖芯而言,圖像分析具有覆蓋面廣、連續性好、信息量大、效率高和無損壞成像等特點,這比將沉積物巖芯剖分、以一定間隔取樣、分析沉積物樣品、得到相關信息的傳統研究途徑具有明顯的優勢。當今,沉積體的高分辨記錄研究方興未艾,研究時間分辨率從千年際-百年際-十年際-年代際-季節性不斷提高[2,3],這對研究手段提出了極高的要求。很顯然,僅靠傳統的巖芯研究手段難以適應當今高分辨率沉積記錄研究的需要,而沉積物巖芯圖像的無縫連續信息正好彌補了傳統研究方法的不足。

X光圖像很早就應用到沉積學研究,DeMaster等[4]于1985對中國東海陸架沉積作用研究中就使用了X光成像技術,后來的國內外許多學者使用X光圖像揭示沉積體中的層理構造[5]、事件沉積層[6]、生物擾動構造[7,8];近期,Genty等[9]、秦小光等[10]利用數字圖像處理技術研究了石筍生長、微層特征等,孫東懷等[1]利用X圖像灰度值研究了南海珊瑚的生長,并試圖建立灰度與海水溫度聯系。迄今為止,由于對X光圖像進行數字化處理需要專業軟件以及大型儀器的支持,僅有少數學者開展了針對結構和成分單一的如珊瑚、石筍等特定沉積體的灰度數字圖像研究,絕大部分關于沉積物巖芯的X光圖像的研究仍然停留在對影像的直接識別上,缺乏從定量化方面進行深入的探討。為此,本文基于長江口沉積物巖芯X光影像,利用Matlab軟件平臺把X光影像轉換成數字灰度圖像,提取了巖芯的數字灰度值,結合該巖芯的沉積學特征探討了灰度值的主要影響因素。

1 沉積物巖芯的灰度圖像分析原理

X射線又稱倫琴射線,波長介于10-2～102?之間,具有很強的穿透能力,并使底片曝光。由于被照射物體結構、密度和厚度等的差別,X線被吸收的程度不同,所以到達熒屏或膠片上的X線的通量有差異,形成了黑白對比不同的影像。

通過X光片得到的圖像實質上是顏色值或灰度值的數字矩陣,單色圖像的每個像點即為該點的灰度值。這類圖像通常顯示為從最暗的黑色到最亮的白色,共有256級灰度。圖像分析的目的是從這一矩陣中提取相應的數字信息。

沉積物巖芯是在特定時期內形成的,該時期內的氣候、沉積環境的變化都可能導致巖芯物質組成、結構和構造上的改變,并進而導致其X光影像的差異。很顯然,沉積物巖芯的灰度圖像的影響因素遠較成分、結構單一的珊瑚、石筍等X圖像復雜。

2 沉積物巖芯灰度圖像處理

2.1 沉積物巖芯

本研究所使用的沉積物巖芯(18站:122°37.132' E,31°00.990'N)為2006年6月中國海洋大學“東方紅2號”科學考察船對長江口及其鄰近海域進行調查時采用重力取樣器采集的,它位于長江水下三角洲的前緣部分,該處水深20.4 m。具體位置見圖1。

圖1 研究區及采樣站位(TWWC-臺灣暖流;YSCC-黃海沿岸流;ECSCC-浙閩沿岸流.陰影區為泥質沉積體)Fig.1 Study area and sampling site(TWC-the TaiwanWarm Current;YSCC-the Yellow Sea Coastal Current;ECSCC-the EastChina Sea CoastalCurrent.The shaded areas denotemuddy deposition)

該站沉積物巖芯巖性以粉砂和黏土為主,兩者的含量之和在98%左右,砂含量很少,不足2%。個別層段粉砂較多,如37～38 cm處和93～95 cm處的粉砂含量明顯增多,形成透鏡狀粉砂夾層。垂向上,粉砂和黏土相對含量的波動明顯,并因此顯示紋層構造(圖2)。總體上,該站沉積物巖芯沉積物組成較穩定,層序保存完整,反映了較為穩定的沉積動力環境。

2.2 沉積物巖芯X光成像

圖2 18站沉積物巖芯的粒級組成Fig.2 Grain-size compositions of Core 18

采用醫用SIEMENS-FX型X射線成像系統對18站柱狀沉積物進行X射線成像,儀器工作條件為16 mA/70keV,獲得的該巖芯的X光負片圖像見圖3A。

2.3 灰度值提取技術

2.3.1 灰度圖像預處理

沉積物巖芯X光負片成像過程中受到采樣管管壁及拍片時參照物等因素的影響,會導致X光負片灰度值的改變,所以必須對原始X光片用進行預處理。本研究使用Photoshop軟件進行X光負片預處理,包括灰度轉換、對比度優化等過程。預處理后的圖像供后續灰度值提取使用(圖3B)。

2.3.2 沉積物巖芯X光負片圖像灰度提取

出于灰度數據與實測沉積物參數的嚴格對應的考慮,本研究選取了該柱樣0～55 cm段作為研究對象。首先利用Matlab7.0軟件中的imread函數讀入處理后的灰度圖像,然后利用圖像轉換函數rgb2gray將該圖像轉換為灰度圖像(圖4),進而提取該灰度圖像的灰度值,它是一個550 X30的灰度值矩陣,代表的垂向分辨率0.1mm。限于篇幅,我們僅列出矩陣中的6行數據,見表1。

圖3 18站沉積物巖芯X光負片圖像(A.原始X光負片圖像;B.經預處理后的X光負片圖像)Fig.3 X-ray negative of Core 18(A.original X-ray negative;B.processed X-ray negative)

圖4 18站X光負片灰度圖像Fig.4 The gray image of X-ray radiograph negative of Core 18

表1 18站X光負片灰度值矩陣Table1 Thematrix of the gray image of X-ray radiograph negative of Core 18(該矩陣的行按照沉積物巖芯的長度進行排列,列按照巖芯的橫截面進行排列)

選取灰度矩陣中的第5、10、15、20、25、30等六列做圖,得到6條隨深度變化的灰度曲線(圖5)。它們表明:該巖芯X光負片灰度值大部分集中在70～100之間,且這6條曲線總體變化趨勢非常一致,它們在11 cm、26 cm、38 cm等層位都出現明顯的灰度峰值。

圖5 18站沉積物巖芯灰度曲線(A-F分別代表矩陣中的第5、10、15、20、25、30六列灰度變化曲線)Fig.5 The gray values curves of the Core 18

相關性分析表明這6列灰度曲線之間的相關性很強,僅在巖芯邊緣(30列)相關性變差(表2)。巖芯邊緣相關性變差可能與管壁兩側的巖芯變形或者與X光成像時的邊緣效應有關。因此,我們選用位于巖芯中央的C列的灰度值作為該巖芯灰度垂向分布的代表,并據此探討影響巖芯灰度值制約因素。

表2 巖芯中6列灰度值的相關系數表(n=550)Table2 Correlations of the 6 rows of the gray values(n=550)

3 影響沉積物巖芯X光負片影像灰度的因素

通過X射線成像得到的負片,其灰度值的變化實際上就是X射線穿透強度的表現。影響該圖像灰度的因素十分復雜,除了采樣、樣品保存以及灰度成像過程的人為影響外,主要受到沉積物屬性的影響。我們主要從以下幾個方面進行探討。

3.1 沉積物粒度組成的影響

該巖芯在室內以0.25 cm間隔取樣并使用激光粒度分析儀進行了粒度分析,其平均粒徑見圖6。通過該巖芯的粒徑和灰度的對比分析發現兩者之間的變化趨勢基本一致,比如在24 cm和38 cm處都出現了峰值,并且在38 cm處為最大的峰值。

圖6 18站沉積物巖芯平均粒徑和灰度曲線(A.灰度;B.平均粒徑)Fig.6 The curves ofmean grain-size and gray value in Core 18(A.gray value;B.mean grain-size)

為了進一步說明平均粒徑和灰度之間的關系,對不同層位沉積物的平均粒徑及其對應的灰度值作相關性分析,結果表明兩者之間存在良好的線性相關(圖7),有如下關系:

圖7 灰度值與平均粒徑相關圖Fig.7 The correlation between gray value and mean grain-size

根據X光負片成像原理,當物質密度大時顏色較淺、偏白;反之則較深、較暗。平均粒徑指示了沉積物粒徑頻率分布的中心趨向,平均粒徑越大,沉積物總體組成越粗,相對密度大,吸收的X光就越多,能透過的X光就越少,反映在X光負片上顏色淺,灰度值相應的增加;反之亦然。由于X光灰度值與沉積物平均粒徑具有非常好的線性相關性,完全有可能使用該關系式計算粒度數據。

接下來進一步分析沉積物灰度與沉積物中的砂、粉砂、黏土各個組分之間的相關關系,如圖8所示。

從圖8可以看到與灰度值與粉砂、砂粒級都為正相關關系,與粉砂的相關性優于砂,相關系數平方分別為0.69、0.39。灰度值與粘土粒級則為良好的負相關關系,相關系數平方為0.68。這進一步說明沉積物中砂、粉砂吸收的X光多,在X光負片上體現的顏色淺;相反地,黏土吸收的X光少,在X光負片上所體現出的顏色深。

考慮到平均粒度是沉積物粒級組成的綜合反映,據此計算該孔粒度導致的灰度波動方差貢獻為47.67,占總方差貢獻的94.13%。表明粒度是控制X光負片灰度的決定性因素。

3.2 其它影響因素分析

雖然平均粒徑對灰度值的變化有著非常重要的影響,但是并未完全控制灰度值的變化。通過粒度歸一化處理,可以消除粒度對灰度的影響,即:以18站巖芯的總平均粒徑為標準,把不同層位的平均粒徑換算成總平均粒徑,該層位的歸一化灰度則依據上述得到的灰度與平均粒徑的關系式進行換算得到。該方法也稱為“當量粒徑法”[11]。剔除粒度這一主要的影響后,得到灰度值隨深度變化的曲線圖(如圖9)。

圖8 灰度值與砂、粉砂、黏土粒級的相關圖(Ⅰ.灰度值和砂的相關圖,Ⅱ.灰度值和粉砂的相關圖,Ⅲ.灰度值和黏土的相關圖)Fig.8 The correlations between gray value and sand,silt and clay(Ⅰ.gray value and sand content,Ⅱ.gray value and silt content,Ⅲ.gray value and clay content)

從圖9可以清晰的看出,灰度值的變化存在明顯的高頻和低頻的周期性波動,高頻波動的間隔在1～ 3 cm左右,低頻波動間隔在10～12 cm左右,根據該站的沉積速率2.1 cm/a[3],該巖芯高頻、低頻波動對應的時間約為1年及4年。1年的波動與長江口沉積作用的季節性過程相符合,而4年的波動則可能與ENSO事件有關。

圖9 18站粒度歸一化后的灰度曲線Fig.9 The grain-size normalized gray curve of core 18

無論是何種原因造成的周期性波動,都是通過沉積物屬性的差異體現出來的。以季節性變化為例,夏秋季節,長江輸入的水量、砂量大,沉積物顆粒細,同時該季節生物生產力高,沉積物中硅藻等生物組分含量高;冬春季節,長江輸入的水量、砂量少,沉積物顆粒較粗,以硅藻為代表的生物生產力小,沉積物中硅藻等生物組分含量低[3]。正是這種季節性過程導致了沉積物巖芯組成的改變,并影響到X光影像。4年的周期變化應該也與周期性的沉積物組成的改變相聯系。受到目前所掌握的數據的限制,現在尚無法確定是哪種具體的組分影響到X光圖像灰度的1年及4年的周期性波動。這有待下一步深入研究。

4 結論

(1)沉積物巖芯的X射線灰度圖像信息量大、信息綜合性強,可以通過該圖像直接獲取高分辨率沉積記錄信息。

(2)沉積物粒度與X射線負片圖像的灰度值有著密切的關系,其中平均粒徑和灰度具有良好的線性關系,砂、粉砂粒級與灰度值之間為正相關,黏土粒級與灰度值存在較好的負相關。

(3)除了粒度的影響之外,沉積物X射線負片圖像灰度值可能還受到沉積物中礦物、生物組分等因素的影響。

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The Gray Value of X-ray Radiograph in Sediment Core and Its Influencing Factors

ZHANG Xi-lin FAN De-jiang LIU Ming WANG Liang
(College of M arine Geosciences,Key Laboratory of Submarine Geosciences and Technology of M inistry of Education, Ocean University of China,Qingdao Shandong 266100)

X-ray radiograph of sedimentary core containsmuch information,including sedimentary texture,density, structure,etc.We can quickly extract the information of climate and environment changes from sedimentary core by using digital image processingmethod,witchmay be a powerful research tools to exploring high-resolution sedimentary records and palaeo-environmentevolution.Based on thematlab software platform,we obtained the X-ray images of the sediment core taken from the subaqueous Yangtze River delta and changed them into digital gray images then for extracting their gray values.Combined with the sediment properties in the core such as grain size parameters,influencing factors of the digital gray valueswere discussed.The results indicate that the gray values of sediment core are influenced comprehensively by sediment composition,texture and structure,with being dominantly influenced by sediment grain-size.There is a good linear relationship between mean grain-size and gray value.Furthermore,there is a positive correlation between sand,silt and gray value.In contrary,it is of a good negative relationship between clay and gray value.Generally,the X-ray image gray value of sediment coremay be an ideal proxy of comprehensive sedimentary records.

sediment core;X-ray radiograph;gray value;grain-size;influencing factor

張喜林 男 1984出生 碩士研究生 海洋沉積學

范德江 E-mail:difan@ouc.edu.cn

P512.2

A

1000-0550(2012)02-0318-07

①國家自然科學基金項目(批準號:40976020,41030856)和國家重大基礎研究發展計劃項目(編號:2010CB951202)聯合資助。

2010-08-01;收修改稿日期:2011-05-05