高分辨率X射线计算机断层扫描技术在沉积样品三维内部结构无损分析中的应用与地质意义

本研究创新性应用高分辨率X射线计算机断层扫描（HRXCT/μCT）技术，对韩国庆尚盆地白垩纪地层中的棒状叠层石（RSS）、无脊椎动物潜穴岩石及变形砾石进行三维无损成像，成功实现内部结构的可视化重建与定量测量（体积/各向异性）。研究证实当目标结构与基质存在显著密度/粒径差异时，HRXCT可精确解析沉积构造（如生物扰动、微裂缝网络），其非破坏性优势为珍贵地质样本研究提供了传统二维切片无法比拟的技术突破。

　　

1 引言

X射线计算机断层扫描（X-ray CT）技术从医学领域延伸至地质学研究后，凭借其非破坏性、高分辨率三维成像特性，已成为解析岩石内部结构的革命性工具。最新发展的高分辨率μCT系统可实现³微米级空间分辨率，为沉积岩中微米级孔隙、生物遗迹及构造变形研究开辟新途径。传统二维切片分析存在样本破坏风险和信息失真缺陷，而HRXCT技术能完整保留样品原始状态，尤其适用于稀有化石、脆弱沉积构造的研究。

2 沉积样本特征

研究样本来自韩国庆尚盆地白垩纪地层，包括：

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  棒状叠层石（S-1）：长约6.5 cm的罕见微生物成因构造，横截面呈椭圆形（4×3 cm），肉眼可见核心区（浅灰色）、放射状纹层（浅黄色）及不规则血栓状外层

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  潜穴岩石：含无脊椎动物遗迹的砂岩（Jb-1、Hb-1）及凝灰岩（Hb-2），潜穴直径1-2 mm呈现树枝状（Chondrites）或半月形充填结构（Taenidium）

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  变形砾石：发育"凹坑-放射状裂缝"特征的砾石（C-2~C-4），表面可见5-4个应力集中形成的凹坑点

3 方法论突破

采用X-EYE PCT G3系统（150 kV/100 μA）进行扫描，基于Beer-Lambert定律计算X射线衰减系数μ。通过59.37-84.44 μm体素分辨率重建三维结构，结合Avizo Fire软件进行阈值分割。创新性应用切片平面法（SPM）定量提取裂缝走向，并通过赤平投影分析凹坑面与内部裂缝的空间关系。

4 关键发现

4.1 叠层石三维解剖

CT图像揭示叠层石存在6个明确分区：

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  非对称核心区（a：残留碎屑；b：粒状方解石）占总体积5.9%

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  4层纹状包壳（c-f）：含生物成因钙球（Pithonella?）和放射状窗孔构造

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  方解石脉（1,100 mm³）贯穿样本

与传统切片相比，CT成像同步呈现干/湿状态下的构造特征，甚至识别出肉眼难辨的树枝状碎屑边界（图11）。体积计算显示微生物包壳占比高达94%，颠覆了传统二维观测的认知。

4.2 潜穴结构定量革命

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  Hb-2凝灰岩层：因白钙沸石（密度2.26 g/cm³）与石英基质（2.65 g/cm³）的显著密度差，成功提取19.1%体积的潜穴网络，识别出Planolites（无壁简单潜穴）与Taenidium（半月形充填）两种遗迹化石

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  低对比度样本：Jb-1/Hb-1因矿物组成相似，潜穴体积测算值（4.7-6.6%）可能被严重低估

4.3 砾石变形密码

三维重建揭示：

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  裂缝体积占比：C-2（2.72%）< C-3（0.56%）< C-4（8.40%）

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  次级愈合现象：凹坑下方裂缝多被方解石充填，导致原始裂缝系统体积测算偏差

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  应力响应模式：赤平投影显示C-4砾石发育三组裂缝，其中A组（走向130°/倾角82°）与凹坑3-4的应力方向高度吻合，B组为典型的"马尾状"张裂隙

5 技术启示

HRXCT技术突破性地实现了：

1. 1.

   亚毫米级沉积构造的无损可视化

2. 2.

   生物扰动强度的精确体积量化

3. 3.

   微裂缝网络的四维演化分析（含愈合过程）

   未来结合AI图像分割算法，有望在化石数字化保存、非常规储层表征等领域引发技术革命。研究证实，当样品成分异质性>15%时（如凝灰岩/砂岩界面），HRXCT解析效能达到最优，这为地质样本筛选提供了量化标准。