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巖石三維圖鑒 版權(quán)信息
- ISBN：9787030751614
- 條形碼：9787030751614 ; 978-7-03-075161-4
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數(shù)：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>
巖石三維圖鑒 本書特色
讀者可以從不同角度觀察巖石內(nèi)部三維結(jié)構(gòu)，獲取巖石中不同成分、結(jié)構(gòu)的具象化信息。
巖石三維圖鑒 內(nèi)容簡介
本書提供了巖石內(nèi)部三維結(jié)構(gòu)的動態(tài)圖像，共包含50個典型巖石樣品，每個樣品除了手標(biāo)本照片、薄片照片及相應(yīng)文字描述，還提供微觀CT掃描圖像及層次豐富的三維結(jié)構(gòu)可視化圖像。通過掃描書中提供的二維碼，讀者可以從不同角度觀察巖石內(nèi)部三維結(jié)構(gòu)，獲取巖石中不同成分、結(jié)構(gòu)的具象化信息。本書適用于高等院校地質(zhì)專業(yè)本科生、研究生及從事地球科學(xué)理論及應(yīng)用的研究人員參考使用。
巖石三維圖鑒 目錄
目錄
前言
第1章 巖石三維結(jié)構(gòu)觀測技術(shù) 1
1.1 微觀層析成像技術(shù) 1
1.2 CT圖像特征 3
1.3 三維結(jié)構(gòu)可視化 5
1.3.1 可視化技術(shù) 5
1.3.2 顯示方案 8
1.4 CT圖像與物質(zhì)成分 9
第2章 火成巖 11
2.1 超基性火成巖 11
2.1.1 超基性侵入巖 11
2.1.2 超基性噴出巖 19
2.2 基性火成巖 19
2.2.1 基性侵入巖 19
2.2.2 基性噴出巖 24
2.3 中性火成巖 32
2.3.1 中性侵入巖 32
2.3.2 中性噴出巖 38
2.4 酸性火成巖 40
2.4.1 酸性侵入巖 40
2.4.2 酸性噴出巖 48
第3章 沉積巖 53
3.1 碎屑巖 53
3.1.1 礫巖類 53
3.1.2 砂巖 58
3.1.3 泥頁巖 68
3.2 生物化學(xué)巖 74
3.2.1 碳酸鹽巖 74
3.2.2 硫酸鹽巖 78
第4章 變質(zhì)巖 84
4.1 低級變質(zhì)巖 84
4.1.1 板巖 84
4.1.2 千枚巖 89
4.1.3 片巖 94
4.2 中級變質(zhì)巖 99
4.3 高級變質(zhì)巖 102
4.3.1 片麻巖 102
4.3.2 麻粒巖 108
4.3.3 榴輝巖 113
4.3.4 混合巖 119
4.4 其他 124
第5章 構(gòu)造巖及其他 128
5.1 糜棱巖類 128
5.1.1 初糜棱巖 128
5.1.2 糜棱巖 130
5.2 碎裂巖 134
5.3 風(fēng)化巖 137
5.4 其他 139
參考文獻(xiàn) 142
附錄 樣品信息匯總表 143
后記 145
前言
第1章 巖石三維結(jié)構(gòu)觀測技術(shù) 1
1.1 微觀層析成像技術(shù) 1
1.2 CT圖像特征 3
1.3 三維結(jié)構(gòu)可視化 5
1.3.1 可視化技術(shù) 5
1.3.2 顯示方案 8
1.4 CT圖像與物質(zhì)成分 9
第2章 火成巖 11
2.1 超基性火成巖 11
2.1.1 超基性侵入巖 11
2.1.2 超基性噴出巖 19
2.2 基性火成巖 19
2.2.1 基性侵入巖 19
2.2.2 基性噴出巖 24
2.3 中性火成巖 32
2.3.1 中性侵入巖 32
2.3.2 中性噴出巖 38
2.4 酸性火成巖 40
2.4.1 酸性侵入巖 40
2.4.2 酸性噴出巖 48
第3章 沉積巖 53
3.1 碎屑巖 53
3.1.1 礫巖類 53
3.1.2 砂巖 58
3.1.3 泥頁巖 68
3.2 生物化學(xué)巖 74
3.2.1 碳酸鹽巖 74
3.2.2 硫酸鹽巖 78
第4章 變質(zhì)巖 84
4.1 低級變質(zhì)巖 84
4.1.1 板巖 84
4.1.2 千枚巖 89
4.1.3 片巖 94
4.2 中級變質(zhì)巖 99
4.3 高級變質(zhì)巖 102
4.3.1 片麻巖 102
4.3.2 麻粒巖 108
4.3.3 榴輝巖 113
4.3.4 混合巖 119
4.4 其他 124
第5章 構(gòu)造巖及其他 128
5.1 糜棱巖類 128
5.1.1 初糜棱巖 128
5.1.2 糜棱巖 130
5.2 碎裂巖 134
5.3 風(fēng)化巖 137
5.4 其他 139
參考文獻(xiàn) 142
附錄 樣品信息匯總表 143
后記 145
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巖石三維圖鑒 節(jié)選
第1章 巖石三維結(jié)構(gòu)觀測技術(shù) 巖石是地球淺部*主要的介質(zhì)，是由不同礦物以不同顆粒形態(tài)構(gòu)成的集合體。巖石的識別和分類主要依據(jù)其中礦物成分、形態(tài)、大小及相互結(jié)構(gòu)。 隨著時代的發(fā)展、科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，巖石觀測技術(shù)從運(yùn)用普通的放大鏡發(fā)展到運(yùn)用偏光顯微鏡和高倍電子顯微鏡，但這些技術(shù)都只能觀測巖石的二維結(jié)構(gòu)。近二三十年發(fā)展起來的微觀層析成像技術(shù)可以提供巖石內(nèi)部三維數(shù)字化的結(jié)構(gòu)圖像，相對二維觀測是一個極大的進(jìn)步。二維的顯微觀測技術(shù)已經(jīng)成為巖石鑒定和識別的**手段，其原理和使用方法在大量文獻(xiàn)中有過介紹，本書不再贅述。本章介紹獲取巖石三維圖像所采用的計(jì)算機(jī)層析成像技術(shù)，包括基本原理、設(shè)備、圖像特征等內(nèi)容，為后面章節(jié)具體巖石三維結(jié)構(gòu)的展示和分析奠定基礎(chǔ)。 1.1 微觀層析成像技術(shù) 計(jì)算機(jī)層析成像（computed tomography，CT）技術(shù)是一種無損傷地獲得樣品內(nèi)部結(jié)構(gòu)的技術(shù)，于20世紀(jì)70年代發(fā)展起來并應(yīng)用于醫(yī)學(xué)檢測，即眾所周知的計(jì)算機(jī)體層成像。利用相同的原理，通過不斷的技術(shù)改進(jìn)，目前CT圖像分辨率達(dá)到微米甚至納米量級，稱為微觀層析成像（microtomography）技術(shù)，或稱微觀CT技術(shù)。微觀CT技術(shù)應(yīng)用于巖石結(jié)構(gòu)觀測具有三方面優(yōu)勢：①三維觀測；②數(shù)字化圖像；③樣品無損傷。其中三維觀測較二維觀測提高了一個觀測維度，使得觀測更真實(shí)、完整；而數(shù)字化圖像又使得我們可以利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行后期的處理和定量分析。 CT技術(shù)是X射線影像技術(shù)的推廣。人們熟知的X射線照片，是X射線穿過物體后，物體中不同成分對射線的吸收不同，造成照片上呈現(xiàn)不同的灰度值；密度高的部位，如骨骼，顯示為高灰度值（近于白色），而密度低的位置顯示低灰度值（近于黑色）。X射線照片上每一個圖像點(diǎn)的灰度值是一條X射線穿過物體后的綜合效應(yīng)。一個延伸尺度確定的密度異常體在均勻介質(zhì)中，其位置靠近射線源端或靠近檢測器端，產(chǎn)生的圖像都是一樣的。顯然，如果想確定異常體的位置，需要獲得不同角度入射的X射線照片。不同于經(jīng)過醫(yī)學(xué)研究獲得大量認(rèn)知的人體結(jié)構(gòu)，一個毫無預(yù)知信息的復(fù)雜內(nèi)部結(jié)構(gòu)（如巖石中的孔隙）難以由少量不同方向的X射線照片確定。因此，CT掃描需要大量不同入射角的X射線照片，這些照片稱為CT掃描的投影圖像。利用這些投影圖像，經(jīng)過反演計(jì)算（圖像重建）可以獲得物體內(nèi)部的三維結(jié)構(gòu)信息。 因此，CT掃描的基本原理為：從射線源發(fā)射出X射線，射線穿過樣品后在另一側(cè)的探測器（即照相機(jī)）上記錄下不同灰度值的圖像；隨后將樣品旋轉(zhuǎn)一個小角度，X射線從另一個方向射入，探測器將獲得另外一個不同的灰度影像。通過一系列不同旋轉(zhuǎn)方位的影像，借助重建算法可以獲得樣品內(nèi)部三維結(jié)構(gòu)的圖像。射線源、樣品臺和探測器三者關(guān)系如圖1-1所示，其中，X射線源可以為錐形X射線源和平行X射線源。 樣品臺控制樣品的位置和旋轉(zhuǎn)。為了能夠準(zhǔn)確反演樣品內(nèi)部三維結(jié)構(gòu)，一般將樣品旋轉(zhuǎn)180°，每旋轉(zhuǎn)0.1°～0.5°探測器獲取一張X射線影像圖，即CT掃描將獲得360～1800張投影圖像。 探測器即照相機(jī)，其像素決定了*終三維圖像數(shù)據(jù)的大小。例如2000×2000像素的探測器，*后形成的三維圖像數(shù)據(jù)就是20003大小，但是如果在圖像重建過程中對投影圖像進(jìn)行了切割，*終的三維圖像會小于20003。目前不少設(shè)備的探測器像素已經(jīng)超過2000×2000像素，*高已達(dá)到4000×4000像素，所形成的三維圖像數(shù)據(jù)達(dá)40003，未來可能還會進(jìn)一步加大。這對圖像處理設(shè)備和軟件都提出了很高要求。 獲取微觀CT圖像的設(shè)備主要有實(shí)驗(yàn)室CT掃描設(shè)備（提供錐形X射線源），以及大型設(shè)施同步輻射光源（提供平行射線源）。圖1-2為一款實(shí)驗(yàn)室CT掃描設(shè)備和上海同步輻射光源鳥瞰圖。圖1-2（a）所示實(shí)驗(yàn)室CT掃描設(shè)備內(nèi)部包含了射線源、樣品臺和探測器等各種部件。同步輻射光源是一種投資巨大、工程復(fù)雜的大型科學(xué)設(shè)施，進(jìn)行微觀CT掃描僅僅是其眾多功能之一。 同步輻射光源包括直線加速器、同步助推器、電子儲存環(huán)和若干線站。首先從陰極管中發(fā)射出電子，電子在直線加速器的高壓交流電場作用下加速；高速電子注入同步助推器進(jìn)一步加速；隨后近于光速運(yùn)動的電子注入周長從幾百到一千多米的電子儲存環(huán)，環(huán)上的電磁體和相關(guān)設(shè)備聚焦高速電子以保證電子以一個小線束的形態(tài)在環(huán)內(nèi)高速運(yùn)轉(zhuǎn)；在儲存環(huán)上可以設(shè)置多個出口，電子沿切線方向射出，在出口處建設(shè)的實(shí)驗(yàn)設(shè)施稱為同步輻射光源的線站（beamline）。一個同步輻射光源可以有多達(dá)數(shù)十個不同功能的線站。將從電子儲存環(huán)中射出的射線作為X射線源，建設(shè)相應(yīng)的樣品控制臺和探測器，可構(gòu)成一個同步輻射的CT實(shí)驗(yàn)線站。 一般實(shí)驗(yàn)室微觀CT掃描設(shè)備的能量遠(yuǎn)低于同步輻射光源的量級，意味著探測器需要更長時間獲得成像，因此采用實(shí)驗(yàn)室微觀CT掃描設(shè)備進(jìn)行掃描一般耗時更長。 1.2 CT圖像特征 CT掃描的數(shù)據(jù)首先是一個三維數(shù)據(jù)。可以把三維數(shù)據(jù)體理解為由一系列二維切片圖像依順序疊置而成，每一張切片視覺上如同一張照片，但是在三維數(shù)據(jù)中的切片是具有一定厚度的。二維圖片中*基本的單元為像素（pixel），三維圖像數(shù)據(jù)中*基本的單位是像素的擴(kuò)展，稱為“體像素”（voxel，由volume和pixel兩個詞合成而來）。因此CT圖像數(shù)據(jù)是由類似小立方體的體像素整齊排列疊置而成。 其次，CT圖像數(shù)據(jù)是灰度數(shù)據(jù)，即每一個體像素對應(yīng)一個可以由數(shù)字表示的灰度。灰度值數(shù)據(jù)的類型可有多種，*簡單的8位整型數(shù)據(jù)的灰度值介于0～255，0對應(yīng)黑色，255對應(yīng)白色；16位數(shù)據(jù)可以為整型或浮點(diǎn)型，整型數(shù)據(jù)的范圍介于0～65535；32位數(shù)據(jù)一般為浮點(diǎn)型，數(shù)據(jù)范圍極大。灰度圖像中，深色代表對X射線的吸收量低。孔隙和裂隙一般在圖片中呈現(xiàn)為黑色，原子量（密度）小的礦物成分為灰色或深灰色，原子量（密度）大的礦物成分則往往表現(xiàn)為淺灰色或白色。 再次，分辨率，即每一個像素所對應(yīng)的物體尺度，對于CT圖像是一個非常重要的概念。圖1-3為一圓柱狀砂巖樣品的水平切片圖，其平面上像素為2000×2000，圓柱直徑為5mm（5000μm），那么該圖像的分辨率a為5000/2000=2.5（μm）。分辨率決定了所獲得的數(shù)字圖像能否識別待分析的結(jié)構(gòu)。一般一個實(shí)體至少在某一個方向上包含3～5個體像素，該實(shí)體才能準(zhǔn)確識別。高分辨率對應(yīng)分辨率a較小，反之稱為低分辨率，例如，分辨率分別為1μm和10μm的兩個圖像，前者稱為高分辨率。很多情況下，為了分辨不同的結(jié)構(gòu)，需要使用不同的分辨率，例如，花崗巖中長石和石英顆粒均較大，需要使用較低分辨率才能在圖像中看到完整顆粒，但花崗巖中的孔隙非常小，需要高分辨率圖像才能識別。 *后，由于探測器鏡頭像素的數(shù)量相對固定，意味著圖像的分辨率越高（分辨率a越小），所能探測的樣品尺度就越小。例如，獲取納米級分辨率圖像，需要將樣品加工到微米尺度；而微米級分辨率圖像的樣品尺度一般在毫米級別。 CT圖像可能存在一些問題，*常見的有環(huán)狀偽影和條狀偽影。環(huán)狀偽影即在圖像的中心往外出現(xiàn)多個同心圓，這是圖像中*常見的偽影之一，我們后面展示的具體圖像中可以見到；條狀偽影（或稱為條紋干擾）一般是由物體內(nèi)部成分對射線吸收差異太大造成的，如含有金屬礦物顆粒時其周圍往往形成放射狀的條狀偽影。 1.3 三維結(jié)構(gòu)可視化 1.3.1 可視化技術(shù) 原始CT掃描結(jié)果是以數(shù)組形式存儲的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)以圖形方式呈現(xiàn)的方案均可稱為可視化。供數(shù)據(jù)呈現(xiàn)的媒體以二維平面為主，如紙張和屏幕。常見的曲線圖、平面等值線圖、直方圖，以及以具體像素位置的灰度顯示的點(diǎn)陣圖（圖1-3）等，都屬于可視化的方案。這些方案用于呈現(xiàn)某些變量之間的關(guān)系或者二維結(jié)構(gòu)形態(tài)，很好地將抽象數(shù)據(jù)具象化，給讀者直觀印象。 對三維結(jié)構(gòu)的展示，其難度劇增。體繪制（volume rendering），又稱體渲染，是顯示三維結(jié)構(gòu)特征的*有效技術(shù)手段。體渲染是一套將三維數(shù)據(jù)在二維平面上投影顯示的技術(shù)。體渲染以體像素為基本操作單位，計(jì)算每個體像素對投影圖像的影響。技術(shù)需求包括兩點(diǎn)：①對空間模型定義一個假想的光源及視角。②定義每個像素的顏色及透明度，通常用RGBA 來定義每一個體像素的顯示方式，這個定義也稱為傳遞函數(shù)（transfer function）。傳遞函數(shù)定義不同灰度值的偽色彩和透明度。傳遞函數(shù)可以是一個簡單的斜坡函數(shù)、分段線性函數(shù)或是任意變化關(guān)系。由此確定每個體像素的偽色彩及透明度并投影到二維平面（屏幕）上，產(chǎn)生逼真的立體視覺效果。通過調(diào)節(jié)偽色彩及透明度突出顯示感興趣的區(qū)域，幫助探索物體內(nèi)部結(jié)構(gòu)。 圖1-4給出了體渲染及傳遞函數(shù)示例。圖中首先顯示一個圓柱狀樣品橫截面原始灰度圖像[圖1-4（a）]和樣品三維視圖[圖1-4（b）]。圖1-4（c）為從樣品中切割出的局部區(qū)域的體渲染效果，所采用的傳遞函數(shù)見圖1-4（d），其中陰影區(qū)域?yàn)樗懈罹植繀^(qū)域灰度值的直方圖，斜線的縱軸對應(yīng)透明度。該傳遞函數(shù)的斜線左側(cè)低右側(cè)高，表示黑色部分完全透明、白色部分完全不透明。由于絕大部分影像透明度低，所以只能看到表面結(jié)構(gòu)。 另外，從圖1-4（d）中可以看到，直方圖在該傳遞函數(shù)兩端沒有衰減為零，表明所定義的傳遞函數(shù)沒有完全覆蓋全部灰度值區(qū)間。在傳遞函數(shù)（兩條豎線）范圍內(nèi)，可以調(diào)節(jié)顏色和透明度；在其范圍以外，僅可以調(diào)節(jié)低于和高于指定灰度值范圍的兩個顏色，圖中灰度條左右兩端小方塊即代表所采用的顏色，透明度均為0，不可調(diào)節(jié)。注意，這兩個小方塊均為白色，意味著圖1-4（c）中白色包含了灰度值*低的孔隙和高密度礦物。 圖1-4（e）重點(diǎn)顯示灰度值較高的礦物，其余部分都設(shè)置為高透明度，所采用的傳遞函數(shù)見圖1-4（f），其底部藍(lán)色-綠色-黃色-粉紅色的顏色變化，就是人為設(shè)定的與圖1-4（d）底部灰度對應(yīng)的偽色彩。圖1-4（e）立方體中以綠色顯示的淺色影像體積較大，將其設(shè)置為高透明度，可以觀察到內(nèi)部存在的孔隙（以白色顯示）。 圖1-4（g）為同時突出顯示淺色和深色影像的體渲染效果，所采用的傳遞函數(shù)見圖1-4（h）。該傳遞函數(shù)底部的偽色彩變化包含了藍(lán)色-綠色-黃色的顏色定義，同時定義傳遞函數(shù)*小灰度值以外為粉紅色[圖1-4（h）左下角]，傳遞函數(shù)*大值以外定義為與*大值相同的黃色。因此，傳遞函數(shù)*小灰度值以外以粉紅色表示的部分對應(yīng)孔隙；傳遞函數(shù)范圍內(nèi)*小灰度值以深藍(lán)色表示，對應(yīng)裂縫；淺藍(lán)色表示密度值較低的礦物；綠色表示密度較高的礦物；黃色表示密度*高的礦物。在該樣品的體渲染圖中可以清楚看到孔隙和高密度礦物共生的特點(diǎn)。
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