X射線CT掃描與三維重建技術在南海北部巖心Core 01中的應用及沉積環境初探

盧亞敏，蘇克凡，付帆飛，黃寶琦，劉樂軍，王娜

1.北京大學地球與空間科學學院，北京100871

2. University of Tulsa，Tulsa 74104

3.自然資源部第一海洋研究所，青島266061

4.北京大學深圳研究生院城市規劃與設計學院，深圳518055

CT（computerized tomography），即計算機斷層成像，指在不破壞物體結構的前提下，根據物體周邊所獲取的某種物理量（如波速、X射線光強、電子束強等）的投影數據，運用一定的數學方法，通過計算機處理重建物體特定層面上的二維圖像，以及依據一系列上述二維圖像構成三維圖像的技術。1969年，英國工程師Hounfield最早設計了電子計算機體層成像裝置，并于1972年將這一成果在放射學年會上公布，從此帶來了醫學圖像上的革命[1]。X射線CT掃描（X-ray computerized tomography），即X射線計算機斷層掃描系統，是計算機圖像處理與X射線體層掃描技術相結合的產物，其基本原理是當X射線穿過被探測物體時，對一定厚度的層面進行掃描，利用物體內不同組分對X射線的吸收不同，將被測物體劃分為眾多的立方體小塊（體素）。當X射線穿過選定層面時，沿該方向排列的各體素均在一定程度上吸收一部分X射線，比較入射前后X射線的強度變化可以獲得截面上的所有體素沿該方向衰減值的總和。通過不同方向上的多次掃描可以檢測不同方向穿過體層后具有不同衰減系數的X射線投影序列，再利用Radom變換，即已知所有入射角θ的投影函數u（P,θ）可以恢復唯一的圖像函數f（x,y），進行重建便可得到原始投影數據的二維數據[2]。

三維重建（three-dimension reconstruction），是指對三維物體建立適合計算機表示和處理的數學模型。目前，根據所使用硬件的不同，在計算機內生成物體三維模型的方法共有以下四種：①根據三維物體的斷層面所得的二維圖像提取輪廓，然后根據一定的原則進行相鄰兩個輪廓的鏈接和三角化，從而得到物體表面形狀。該類方法主要用于對物體內部結構進行拓撲可視化，比如醫學影像的三維重建，深埋管道器件的外部檢測等，而這也是本次研究進行三維重建的方法；②使用探針和激光讀數器逐點獲取數據，然后進行整體三角化。此類方法測量精確，但速度較慢，很難在較短時間內獲得相對較多的數據，效率不高；③基于雙目視覺進行重建，但深度數據計算精度較低，主要應用于機器人視覺領域；④應用硬件光學三維掃描儀主動獲得物體的點云數據，然后進行重建獲得物體的整體表面信息[3]。

CT掃描與三維重建技術被廣泛應用于生物醫學、材料科學、建筑學等研究領域，且于20世紀80年代首次被Conroy和Vannier用于古生物化石的研究[4]。近30年來，CT掃描設備與三維重建技術發展迅猛，在地質體及古生物化石研究中的應用越來越廣泛。如Zollikofer等[5]用CT掃描了距今約30 ka的尼安德特人St.Ce'saire的頭骨化石，復原出了較為完整的古人類頭骨模型；牛永斌等[6]利用3D Max和Cosmoworlds三維建模軟件恢復了遺跡化石Chondrites的三維立體形態，并使用模型瀏覽器對完成的模型進行加載得到其三維圖像，并為小尺度地質體三維建模研究提供了一種新的技術手段；星耀武等[7]在中國古植物學研究中首次利用X射線CT掃描技術，并結合三維重建觀察云南晚中新世松屬球果化石的內部結構，證明了CT掃描技術可以在不破壞標本的前提下觀察植物化石的內部結構,對于較珍貴的化石研究作用尤為明顯；丁奕等[8]利用Mimics軟件獲得了遺跡化石Chondrites的三維視圖，并對其進行了距離、角度等的測量，使內生遺跡化石三維形態的高精度重建成為可能。

在沉積環境的研究中，往往采用地震測井數據與沉積物取心相結合的方法，因此，巖心中包含的地下地層、含礦情況等信息至關重要。而以往巖石孔隙度測定所使用的水銀置換法、液體飽和法等，都需要對巖心柱進行碎樣或切割，不但破壞了巖心結構，而且可能遺漏了巖心中保留的其他重要信息。相較于其他方法，CT掃描對于建立巖石微觀孔隙結構并進行定量研究具有極大的優越性，因此，該方法在石油工業及碳酸巖類巖心的試驗中已有廣泛應用[9]。此外，徐宗恒等[10]利用CT掃描對兩個取自天然斜坡方形原狀土柱進行掃描、分析、三維重建，研究了柱狀樣中大孔隙在空間分布的連通性、分支性和復雜性，為植被發育斜坡土體的滲流等物理特性研究提供了理論依據。王剛等[11]通過CT掃描及三維重建技術，有效地研究了煤層的孔裂隙結構特征，提出了煤的孔裂隙結構定量表征的方法，并建立了煤的三維孔裂隙結構模型和具有拓補結構的孔隙網絡簡化模型。另外，CT掃描也為沉積孔隙中水合物微觀分布的直接觀測提供了可能途徑，Jin等[12]采用了微型X射線CT在-100℃條件下獲取了沉積物中游離氣、“水合物+冰”及沙粒的空間分布位置。胡高偉等[13]在高分辨率工業型X射線層析掃描儀上研制了適用于沉積物中水合物微觀賦存狀態研究的CT原位探測裝置，可通過模擬天然氣水合物生成、分解過程，直接觀測水合物在沉積孔隙中的微觀分布特征。李成峰等[14]通過X射線CT和SEM在線觀測了水合物在有孔蟲殼體內壁附著的模式生長這一特征，為南海水合物成藏機理和儲層物性參數研究提供了依據。

由于取樣技術及采樣條件的限制，海洋沉積物的柱狀樣樣品更為寶貴。如果在進行沉積物物理、化學及生物學特征研究之前，能夠利用X射線CT掃描技術對深海巖心的整體沉積結構及內部特征進行無創恢復，其結果將是沉積學及古環境學研究的重要補充。實際上在ODP（Ocean Drilling Program,大洋鉆探計劃）和IODP（International Ocean Discovery Program,國際大洋發現計劃）中，X射線CT掃描已經是常規的巖心分析手段，但許多研究多將其作為一種成像工具，用于觀察和描述巖心樣品[15-16]，并提供相關物理性質的信息[17]。Tanaka等[18]通過質量體積法獲得的堆積密度，與基于X射線CT掃描的線性衰減系數的估計密度進行比較，提出可通過CT數據深入了解巖心的密度變化。鮮有研究者通過此方法重建巖心的三維立體模型，以獲得沉積結構等在巖心內部的空間展布情況。因此，本研究嘗試利用X射線CT掃描技術，對南海北部巖心Core 01進行三維恢復，并結合AMS14C測年數據及氧碳同位素數據分析其沉積環境。

1 材料與方法

本次研究的巖心Core 01為2017年6月國家海洋局“向陽紅01”號調查船海試期航次在南海北部陸 坡 利 用 重 力 柱 取 得。該 站 位 于17°25.878 2′N、110°46.171 1′E（圖1），水深1 602 m，沉積物總長度4.3 m。在山東大學齊魯醫院完成X射線CT掃描后，Core 01柱狀樣運回到位于青島的自然資源部第一海洋研究所，剖開后對沉積物剖面進行了詳細的沉積學描述。

圖1 Core 01采樣位置及本文中涉及的站位E413 Fig.1 Location of Core 01 and station E413 involved in this research

本次研究中掃描所用儀器為分辨率1 mm的雙源CT。在雙源模式下，CT儀器有兩套數據采集與重建系統并行工作，獨立發射、接收射線并完成圖像處理，在重建圖像時可選擇得到兩組獨立圖像或一組融合圖像，前者與普通單源掃描無異，后者提高了時間分辨率，主要用于對時間分辨率要求較高的掃描工作。山東大學齊魯醫院用于Core 01掃描的儀器為德國西門子公司雙源CT掃描儀（SOMATOM DEFINATION），進行巖心掃描時設置掃描電流為20 mAs，電壓為120 kV。設置完參數以后，將巖心柱頂部朝向CT掃描架的方向推入X-射線管和探測器之間，啟動掃描，掃描時長為90～120 min。放射源發出的X射線穿透巖心柱以后，會引起放射線強度、速度和頻率的改變。不同物質對X射線的吸收不同，因此，投影出來的亮度也不同。在CT切片中可以根據亮度（CT值）將各物質區分開，物質的CT值越高，表征物質密度越高。X射線數據的變化可通過探測器檢測得到，并形成投影；經過旋轉射線源，就可以得到一系列不同深度處的巖心柱CT切片，本次掃描每段巖心共得到500個切片圖像。

利用三維重建軟件，將得到的切片圖像數據導入三維空間內，在空間里將每一個坐標點處用X射線CT掃描所記錄到的數據進行填充，賦予顏色、透明度等信息就可以將巖心柱進行三維重建。本次研究中采用的三維重建軟件為Mimics 19.0。操作過程中，首先將掃描獲得的DICOM格式圖像文件導入至Mimics 19.0中進行可視化分析，重復導入操作后即可獲得Core 01巖心的CT灰度圖像（圖2b）。隨后進行的重建工作包括閾值調整、區域增長、蒙版編輯、蒙版三維計算：

圖2 Core 01巖心的剖面圖及灰度示意圖a.剖面圖，b.CT灰度示意圖。Fig.2 Profile and CT gray scale images of Core 01a. profile, b. CT gray scale images.

（1）通過調整密度閾值選擇處理目標范圍，由于物體密度與CT圖灰度正相關，即密度越大在CT灰度圖中越明亮，可通過灰度差異區分出不同區域，同時可通過調整灰度對比度以突出區域間差異；

（2）使用區域增長功能初步隔離出目標物體所對應的擁有特定密度的連續區域；

（3）使用蒙版編輯功能對所選區域進行細調，獲得目標區域；

（4）使用蒙版三維計算對目標區域進行三維重建，最終得到三維圖像。

此外，為了更好地解讀三維重建得到的沉積結構特征，根據巖心情況，本次研究還采集了沉積物樣品，每個樣品體積約為10 mL。樣品均按照微體古生物學研究方法進行處理，對0.82、2.24、4.04 m的3個樣品中的浮游有孔蟲（Globigerinoidesruber及 無 袋 型Trilobatus sacculifer）進 行 了AMS14C測年；在0.02和0.82 m兩個樣品中分別挑選足夠量的底棲有孔蟲表生種Cibicidoideswuellerstorfi及內生種Uvigerina peregrina進行穩定氧碳同位素測定。樣品的沖洗工作在北京大學地球與空間科學學院第四紀實驗室完成；有孔蟲AMS14C的測定由Beta實驗室完成，得到的年齡數據利用Marine13進行校正；氧、碳穩定同位素測試在同濟大學海洋地質國家重點實驗室完成，所用儀器為MAT253，采用PDB標準，分析精度為0.1‰。

2 結果

Core 01巖心柱的剖面圖如圖2a所示，巖心柱總長4.3 m，直徑約為10.5 cm，以粉砂為主，顏色呈淺灰綠色，含水量較高。其中0～1.0 m多處具有直徑約0.3～0.5 cm孔隙，且可見貝殼殘塊；1.0～2.0 m及2.0～3.0 m可見致密的綠色團塊及淺色條帶，且2.0～3.0 m段出現灰綠色紋層及生物碎屑；3.0～4.3 m可見紋路擾動現象、傾斜紋層、棕褐色有機質顆粒及生物碎屑。獲得的Core 01 CT灰度圖像（圖2b）為沿其橫截面某一直徑的縱剖面圖，通過更改選擇的方向，可獲得巖心柱不同角度縱剖面的灰度圖。與剖開的巖心剖面對比，CT灰度圖可以更加清楚地看到0～1.0 m中的孔隙及沉積層理、結構的變化。此外，在處理CT圖像時，還發現巖心約4.2 m處出現灰度極高（近乎純白）的區域，即代表此處密度極大，但這一特征并未在巖心剖面上顯示。水的CT值為0 HU，空氣的CT值為-1 000 HU。本次掃描巖心的CT值范圍為-1 023～3 042 HU。其中0～1.0 m中孔隙的CT值范圍為-1 023～148 HU，3.0～4.3 m中密度極大區域的CT值范圍為1 708～3 042 HU。為探討這兩處結構形成的具體原因，本次研究嘗試對該兩處進行三維重建，以獲得更加詳細的沉積結構特征。

管狀孔隙集中出現于Core 01巖心0～1.0 m段，在實際剖面上因被切割方位不同而呈橢圓形、近圓形及長條狀，部分孔隙含水。CT灰度圖中所顯示孔隙形態與巖心實際觀察結果基本吻合，同時CT值顯示其具有極低密度。本文選取了Core 01 巖心0.38～0.58 m段（圖3a）進行三維重建，發現這一區域的孔隙呈無統一定向的長條管狀，從不同角度觀察，有些長管相互鏈接成枝狀，與巖心剖面圖對比可更清楚地揭示孔隙在巖心內部的形狀、延展及分布情況（圖3b，c）。

圖3 Core 01巖心0.38～0.58 m段剖面圖及孔隙的三維重建模型a.剖面圖，b-c.不同方位視角下的孔隙三維重建模型。Fig.3 Profile and 3D model of pores in section 0.38～0.58 m,Core 01a.profile, b-c.3D model of pores from different perspectives.

Core 01約4.2 m深度處高密度區域三維重建結果顯示，該實體整體呈扁錐狀，表面粗糙不平，在其面積較小的兩處端面可見似螺旋狀結構（圖4），據此推斷為一枚生物殼體，可能為軟體動物中的腹足類。由此可見，在CT掃描的三維重建中，可以恢復剖面上觀察不到、但是存在于巖心內部的更多化石及其他沉積特征，這也是三維重建的優勢所在。

圖4 不同方位視角下Core 01巖心4.2 m處碳酸鹽化石三維重建模型Fig.4 3D model of the carbonate fossil from different perspectives at 4.2 m, Core 01

AMS14C測 年 得 到0.82 m處 年 齡 為6.920 ka，

2.24 m處年齡為15.320 ka，該孔的底部（4.04 m）年齡大于43.5 ka。0.02和0.82 m底棲有孔蟲表生種C.wuellerstorfi的氧同位素分別為2.73‰、2.72‰，碳同位素分別為0.30‰、0.21‰；底棲有孔蟲內生種U. peregrina的氧同位素分別為2.57‰、3.34‰，碳同位素分別為-2.75‰、-0.25‰。

3 討論

3.1 Core 01巖心0～1.0 m沉積環境的分析

在Core 01巖心0～1.0 m的三維恢復中，發現大量的枝狀、長管狀結構。盡管由于CT掃描分辨率的限制，看不到孔隙壁更加微細的結構，無法判斷是否為生物鉆孔，但在剖樣時發現該段巖心含水量較高，未發現活體生物或者生物化石。根據該研究區的地震剖面，該柱狀樣位于一滑塌層上（圖5）。前人研究認為西沙海槽受斷裂構造作用影響，海底發育張性斷層，許多斷層延伸至第四紀沉積的淺層地層[19]，具有良好的天然氣水合物氣源形成條件與排放通道。尹希杰等[20]在南海北部西沙海槽探測到了明顯的甲烷濃度異常，其中，E413站位（18.00°N、116.49°E）（圖1）在水深1 750、1 900和2 050 m的底層水中出現甲烷異常。陳忠等[21]在西沙海槽西北坡采集到作為甲烷冷泉活動證據的冷泉碳酸鹽結殼顆粒，并結合地球物理數據等，認為甲烷流體的排溢與天然氣水合物的分解有關，其地點位于Core 01北部約800 m處。基于前人的研究結果，結合Core 01站位的地質背景，該站位0～1.0 m中的長條管狀、分枝狀的孔隙可能與該區海底天然氣水合物釋放造成的甲烷滲漏有關。

圖5 東南海域共享航次地震剖面圖Fig.5 Seismic profile of the joint cruise in Qiongdongnan area.

甲烷滲漏中自生碳酸鹽沉淀常見于全球海底，該過程涉及甲烷的厭氧氧化（AOM，anaerobic oxidation of methane）與硫酸鹽還原（SR，sulfate reduction）。海底沉積物中甲烷釋放使孔隙水堿度增加，有利于自生碳酸鹽的沉淀，釋放出的甲烷氣體與孔隙水中的硫酸根發生反應[22]：

甲烷中的碳同位素遠遠低于正常底層海水中溶解無機碳的碳同位素值，甲烷厭氧氧化與硫酸鹽還原的過程會使洋底沉積物孔隙水乃至底層水中的溶解無機碳中的碳同位素偏負，這一影響會被生活在沉積物表面及淺層沉積物中的底棲有孔蟲記錄，表現為殼體δ13C值較其正常值偏負。同時，水合物的分解會使周圍水體富集18O，進而使底棲有孔蟲殼體的δ18O值偏正[23-24]。

底棲有孔蟲C.wuellerstorfi為表生種，其殼體氧碳同位素主要記錄了底層海水的氧碳同位素值，而U. peregrina為內生種，其殼體同位素記錄了孔隙水的氧碳同位素值。南海北部約1 500 m表層沉積物中底棲有孔蟲C.wuellerstorfi的δ18O值約為2.37‰～2.62‰，δ13C值約為0.18‰～0.27‰；U. peregrina的δ18O值約為1.73‰～1.98‰，δ13C值約為1.08‰～1.17‰[25-26]。Core 01巖 心0.02與0.82 m處C.wuellerstorfi的δ18O值分別為2.73‰和2.72‰，與南海相同水深該種的氧同位素值相比略偏正；δ13C值（0.30‰和0.21‰）與南海相同水深該種的碳同位素值無明顯差別。而U. peregrina的δ18O值（2.57‰和3.34‰）明顯偏正；δ13C值（-2.75‰和-0.25‰）明顯偏負，這與前人研究認為的甲烷滲透背景下底棲有孔蟲殼體U. peregrina碳同位素存在約0～-6‰的負偏相一致[27]。由此，我們推斷Core 01巖心附近區域全新世以來可能存在水合物分解釋放過程，進而形成了0～1.0 m沉積物中的長條管狀、分枝狀的孔隙。

3.2 X射線CT掃描及三維重建的意義

海洋沉積物保存了較長時間的連續沉積記錄，蘊含著豐富的環境變化信息，但取樣成本和技術要求較高，同時受到巖心直徑的影響，沉積物體積有限，樣品更顯寶貴。對于深海巖心，往往需要將其縱向剖開后進行沉積物巖性、粒度、顏色、沉積結構、構造等描述，鮮有研究者使用X射線CT掃描及三維重建技術恢復沉積物內部結構特征。在一些特殊的沉積環境中，如果沉積物中含有大量孔隙，在剖開的過程中可能會使孔隙中的水分丟失或者氣體釋放，從而影響沉積特征。此外，在剖面中，觀察者只能描述沉積結構的二維特征，無法判斷該沉積結構在沉積物中的三維展布，對于未在剖面上顯示的沉積特征更加無能為力，而X射線CT掃描及三維重建技術可以為此提供更多的沉積學信息。

Core 01巖心0～1.0 m剖面中可見多孔隙分布，但這些孔隙三維形態及其在沉積物中的分布及其展布規律無法從剖面圖中獲得。通過對0.38～0.58 m沉積物X射線CT掃描圖像的三維重建，發現剖面上顯示的孔隙實際為無定向的長條管狀結構，從不同角度觀察，其中有些長管相互鏈接，呈枝狀結構。三維重建的結果有助于對孔隙形成機制的討論。此外本研究還對Core 01 CT灰度圖中顯示的4.2 m處密度異常高的部分進行了三維重建，發現此處的密度異常是由一個腹足類的化石造成，而該化石并未在剖面上出露。

總之，X射線CT掃描技術可以在不破壞巖心的前提下研究其內部結構，可以獲得常規剖面描述中不能觀察到的沉積結構和特征，具有較好的應用前景，為深海巖心的研究提供了新的思路與方法。另外，根據研究要求，可以選用不同分辨率的CT掃描儀器。在Core 01剖面上還可見多處沉積擾動現象，由于本次掃描分辨率的限制，我們無法恢復其三維展布情況。但顯微X射線CT精度可達1微米級別[28]，理論上可以重建巖心內部更精細的結構特征。常規的醫用及工業CT設備能提供的均為吸收襯度CT圖像，即通過探測樣品不同部分對X射線的吸收程度來反演其三維結構。因此只有具有不同物質組成的成像對象，對X射線吸收程度不同，才能獲取有效的結構信息。且受低襯度與低信噪比的影響，實際獲得圖像的空間分辨率要低于探測器的理論值。而同步輻射X射線相位襯度顯微鏡斷層成像技術其原理為相位襯度成像，使得密度相差較小的樣品也能獲得高精度的圖像，可以為組成較均一的巖心提供更好的三維無損成像解決方案[29]。

4 結論

（1）X射線CT掃描及三維重建可以揭示出巖心內部的微細結構及沉積特征，為深海沉積學研究提供了新的方法和手段。

（2）借助這一手段，本研究恢復了Core 01巖心柱0～1.0 m的孔隙三維結構及4.2 m處的生物化石殼體的外部形態，結合浮游有孔蟲AMS14C測年、底棲有孔蟲氧碳同位素結果，以及該站位的地質背景，推斷該巖心0～1.0 m孔隙的形成可能與該區天然氣水合物的釋放有關。

（3）隨著X射線CT掃描在地質學研究中得到更加廣泛的應用，將會帶來更為準確的沉積環境的恢復結果。