Изучение секретов Земли, спрятанных от человеческих глаз

Развитие компьютерной томографии (КТ) в геологических науках

Компьютерная томография (КТ) произвела революцию в медицинской визуализации, позволив врачам визуализировать внутренние органы и структуры без инвазивной хирургии. Теперь эта мощная технология служит в том числе и геологам, меняя способы изучения горных пород. КТ-сканирование позволяет получить трехмерное (3D) представление о внутренней структуре геологических образцов, выявляя скрытые особенности и процессы, которые иначе невозможно наблюдать. От анализа пористости пород-коллекторов до выявления микрофоссилий в древних отложениях — компьютерная томография становится незаменимым инструментом в геологических исследованиях и прикладных задачах.

В этой статье мы подробно рассмотрим применение КТ в геологии, изучим различные типы томографов (системы томографии для полноразмерных кернов и микротомографы), объясним, почему медицинские томографы не подходят для геологических исследований, и обсудим специализированное программное обеспечение, используемое для анализа полученных данных.

Возможности неразрушающего 3D анализа

Традиционные методы геологического анализа часто связаны с резкой, шлифовкой и физическим разрушением образцов. Хотя эти методы могут дать ценную информацию, они по своей сути являются разрушающими и ограничивают количество анализов, которые можно провести на одном образце. Компьютерная томография, напротив, является полностью неразрушающим методом, позволяющим исследователям изучать внутреннюю структуру горных пород и отложений, не изменяя и не повреждая их. Это особенно важно для редких или ценных образцов, таких как метеориты, окаменелости или образцы керна из глубоких скважин.

При проведении компьютерной томографии рентгеновские лучи проходят через объект под разными углами. Детекторы измеряют количество рентгеновских лучей, прошедших через объект, а компьютер использует эту информацию для воссоздания 3D-изображения внутренней структуры объекта. Полученное изображение, известное как томограмма, отражает плотность материала в каждой точке образца. Различные материалы поглощают рентгеновское излучение по-своему, что позволяет исследователям различать типы горных пород, поровые пространства, трещины и другие особенности в образце исходя из их плотности.

Типы компьютерных томографов, используемых в геологии

В геологии используются два основных типа томографов: системы трехмерной визуализации для полноразмерного керна и приборы для съемки образцов с микронным разрешением. Каждый тип систем предназначен для анализа образцов разного размера и различным разрешением, а также имеет свои преимущества и недостатки.

1. Томографы для полноразмерного керна

Томографы для полноразмерных геологических кернов специально предназначены для анализа цельных, нераспиленных сегментов больших геологических образцов, извлеченных из скважин. Данные системы имеют большой размер и вес, а также оснащаются рентгеновскими трубками с высоким напряжением, что позволяет пользователю проводить съемку керна длиной до 2 метров и диаметром до 15 сантиметров. Приборы, в первую очередь, предназначены для первичной, общей оценки горных пород. Из-за большого размера образцов теряется качество съемки и максимальное достижимое разрешение в продвинутых моделях составляет около 10-20 мкм. Примером такого прибора служит томограф для полноразмерного керна Cylindscan-2000 . Система предназначена для больших образцов, благодаря  своему принципу работу она позволяет быстро и точно анализировать объекты не разрушая их.

Специализированный томограф для полноразмерного керна Cylindscan-2000 с вращающейся системой источник-детектор (для неконсолидированных образцов)

• Применение:
  • Нефтегазовая геология. Томографы для полноразмерного керна широко используются для характеризации пласта в нефтегазовой геологии, а именно для определения пористости, проницаемости и структуры трещин в породах-коллекторах. 3D-изображения, полученные с помощью томографа, можно использовать для определения течения флюидов, оценки объема пласта и оптимизации добычи углеводородов.
  • Геотехническая инженерия. Томографы могут использоваться для оценки структурной целостности массивов горных пород, определения потенциальных плоскостей разрушения и оценки пригодности участков для строительных проектов.
  • Горная геология. Томографы для полноразмерного керна помогают геологам выявлять рудные месторождения, оценивать содержание и распределение ценных минеральных толщ, а также оптимизировать горные работы.
  • Экологические исследования. Системы томографии полноразмерных геологических образцов могут быть использованы для изучения переноса загрязняющих веществ через почву и породу, оценки стабильности хранилищ отходов и мониторинга эффективности усилий по восстановлению окружающей среды.
  • Седиментология и стратиграфия. Томографы предоставляют ценную информацию об осадочных структурах, характере залегания и диагенетических изменениях, которая может быть использована для реконструкции среды осадконакопления и понимания истории осадочных бассейнов.
• Ключевые особенности:
  • Большая измерительная камера. Вмещают полноразмерные геологические керны длиной до 2 метров и до 15 см. в диаметре.
  • Высокая проникающая способность. Источники рентгеновского излучения с высоким напряжением дают возможность исследовать достаточно плотные горные породы.
  • Относительно низкое разрешение. Обычно среднее достижимое разрешение составляет порядка 50-60 микрон на образцах среднего размера. Это компромисс для изучения крупных образцов и получения изображений больших объемов.
  • Выделение зон интереса. Как правило, данный тип томографов используется для первичной, общей оценки образцов и выделения зон интереса, которые в дальнейшем подвергаются детальному анализу.

2. Микротомографы (µCT)

Микротомографы обычно предназначены для анализа небольших образцов с очень высоким разрешением. Есть отдельные виды систем с возможностью исследования больших образцов (например батареи для электромобилей). Системы микротомографии имеют разрешающую способность вплоть до долей микрометра (миллионных долей метра), обеспечивая невероятно детальные изображения внутренней структуры анализируемых образцов. Серия микротомографов NanoVoxel  включает в себя различные модификации  от настольных до напольных, при этом не теряя в качестве полученной 3D визуализации.

Настольный микротомограф NanoVoxel-1000 для детального изучения небольших образцов

Микротомограф NanoVoxel-5000 для изучения образцов большого размера с возможностью проведения температурных и механических экспериментов внутри исследовательской камеры, имеет возможность установки двух детекторов и двух источников одновременно для проведения двухэнергетической КТ (ДЭКТ)

• Применения:
  • Анализ порового пространства. Микротомография идеально подходит для изучения поровой сетки в горных породах и почвах. С ее помощью можно изучить распределение пор по размерам, их связность и извилистость, которые являются критическими параметрами для понимания процессов течения флюидов.
  • Идентификация минералов. Двухэнергетическая микротомография может использоваться для идентификации и картирования различных минералов в образце на основе их плотности и характеристик рентгеновского поглощения. Это особенно полезно для оперативного изучения составов мелкозернистых и осадочных пород, где отдельные минеральные зерна трудно быстро идентифицировать традиционными методами.
  • Анализ окаменелостей. Микротомографы позволяют визуализировать внутреннюю структуру окаменелостей, при этом не повреждая их. Это может дать ценную информацию об анатомии, росте и эволюции древних организмов.
  • Материаловедение. Системы микротомографии используются в материаловедении для изучения микроструктуры керамики, металлов и композитов.
  • Почвоведение. Изучение структуры почвы, включая распределение органических веществ и архитектуру корневых систем.
• Ключевые особенности:
  • Малый размер образца. Обычно, анализируемые образцы составляют несколько сантиметров в диаметре, но некоторые модели позволяют изучать и достаточно большие образцы.
  • Высокое разрешение. Разрешающая способность микротомографов может достигать 0,5 микрон, но в среднем варьируется от 1 до 5 мкм и зависит от характеристик конкретной системы (источник рентгеновского излучения и детектор), а также изучаемого образца.
  • Проведение экспериментов внутри исследовательской камеры позволяет изучать образцы в том числе и при воздействии на них определенных температурных и/или механических условий.
  • Изучение зон интереса. В связи со всеми вышеописанными преимуществами систем микротомографии, они являются одним из инструментов для детального изучения интересующих зон, выделенных из больших образцов.

Почему медицинские компьютерные томографы не подходят для геологических исследований:

Хотя медицинские компьютерные томографы могут показаться вполне доступным вариантом для изучения геологических образцов, они, как правило, не подходят для этого по нескольким причинам:

Сравнение результатов компьютерной томографии небольшого образца (субкерна) песчаника на медицинском томографе (слева) и на специализированном геологическом томографе (справа)

• Уровни энергии и источник рентгеновского излучения. Медицинские компьютерные томографы предназначены для получения изображений мягких тканей человеческого тела, которые имеют относительно низкую плотность. Геологические материалы, в частности горные породы, зачастую гораздо плотнее и требуют более высоких уровней энергии рентгеновского излучения для эффективного проникновения. Медицинские томографы обычно не имеют мощных источников рентгеновского излучения, необходимых для получения четких изображений плотных горных пород.
• Разрешение и поле зрения. Медицинские КТ-сканеры оптимизированы для получения изображений крупных анатомических структур, таких как органы и кости. Разрешение обычно составляет порядка миллиметра, что недостаточно для идентификации мелких особенностей геологических образцов. Кроме того, поле зрения медицинского томографа может быть слишком маленьким для больших геологических образцов.
• Алгоритмы калибровки и реконструкции изображений. Медицинские компьютерные томографы откалиброваны для получения изображений человеческих тканей и костей, соответственно и оптимизированы они именно для этих материалов. Геологические материалы имеют различные свойства поглощения рентгеновского излучения, что может привести к получению неточных или искаженных результатов.
• Артефакты при съемке. Минеральный состав геологических образцов очень разнообразен и часто состоит из элементов с высокими атомными номерами (например, тяжелые металлы), которые могут вызывать значительные артефакты на КТ-изображениях, особенно при использовании медицинских сканеров. Эти артефакты могут затенять важные особенности и затруднять интерпретацию изображений. К тому же, артефакты могут возникать при съемке геологических образцов в тубусах (пластиковых, алюминиевых). Для минимизации этих артефактов необходимы специализированные промышленные КТ-сканеры и соответствующие параметры сканирования и обработки изображений.
• Радиационная безопасность. Эксплуатация компьютерных томографов требует строгого соблюдения протоколов радиационной безопасности. Промышленные и геологические КТ-сканеры имеют специальные защитные элементы и экраны, чтобы свести к минимуму воздействие радиации на оператора. Медицинские сканеры предназначены для облучения пациентов и могут не иметь такого уровня защиты. Для них может потребоваться специальная подготовка помещения.
• Эффективность затрат. Хотя, на первый взгляд, может показаться, что использование медицинского компьютерного томографа дешевле, но качество получаемых данных и ограниченная применимость часто делают его неэффективным вложением в геологические исследования. Время, потраченное на попытки компенсировать недостатки аппарата, зачастую обходится гораздо дороже, чем использование специализированного геологического компьютерного томографа.

Программное обеспечение для анализа данных компьютерной томографии в геологии

После получения томограммы полученные данные необходимо обработать и проанализировать с помощью специализированного программного обеспечения. В геологическом сообществе для этих целей широко используются несколько программных пакетов:

• PerGeos (Thermo Fisher Scientific). Программное обеспечение PerGeos является мощным и универсальным программным пакетом, разработанным специально для анализа данных компьютерной томографии в науках о Земле. Он предоставляет широкий набор инструментов для сегментации изображений, 3D-визуализации, анализа поровой сети и определения характеристик трещин. PerGeos широко используется в нефтяной промышленности для определения характеристик и моделирования пластов.
• Avizo (Thermo Fisher Scientific). Программное обеспечение Avizo — это универсальный программный пакет для визуализации и анализа, который можно использовать для широкого спектра научных задач, включая геологию. Он предоставляет инструменты для обработки изображений, сегментации, 3D-рендеринга и данных анализа. Avizo известен своими мощными возможностями визуализации и способностью обрабатывать большие наборы данных.
• Dragonfly (Comet Technologies). Программное обеспечение Dragonfly представляет собой комплексную программную платформу для анализа и визуализации изображений, которая предлагает пользователю удобный интерфейс и ряд инструментов, предназначенных для научной визуализации. Она поддерживает широкий спектр форматов изображений, включая файлы КТ, и предоставляет возможности для сегментации, измерения и 3D-реконструкции. Модульная архитектура Dragonfly позволяет пользователям настраивать свой рабочий процесс с помощью специальных инструментов для геологического анализа, таких как моделирование поровой сети и анализ трещин.

Примеры применения программного обеспечения PerGeos для анализа данных, полученных на компьютерном микротомографе (моделирование поровой сети, выделение пустотного пространства, анализ трещин, анализ зерен)

В целом, каждый из вышеописанных программных пакетов предоставляет пользователю инструменты для:

• Предварительная обработка изображений (коррекция артефактов, шумоподавление и повышение контрастности);
• Сегментация в автоматическом/ручном режимах (идентификация и выделение различных минералов, включений, слоев, зерен, трещин и т.д.);
• 3D-визуализация (создание 3D-модели данных компьютерной томографии для визуализации внутренней структуры образца);
• Количественный анализ (измерение таких параметров, как пористость, проницаемость, плотность трещин, размер и ориентация зерен и т.д.);
• Моделирование поровой сети (извлечение из полученного изображения и анализ поровой сети для понимания процессов течения и переноса флюидов);
• Анализ трещин (идентификация, определение характеристик и количественная оценка трещин в образце).

Заключение. Новая эра геологоразведки

Компьютерная томография стала бесценным инструментом в геологических исследованиях, обеспечивая неразрушающее трехмерное сканирование внутренней структуры геологических образцов. Возможность анализа полноразмерных кернов и микроскопических деталей с высоким разрешением открыла новые возможности для понимания широкого спектра геологических процессов. В то время как медицинские компьютерные томографы обычно не подходят для геологических целей, специализированные геологические томографы и микротомографы, в сочетании со сложным программным обеспечением для анализа данных, меняют привычные нам способы изучения горных пород и материалов. По мере развития технологии мы можем ожидать еще большего прогресса и увеличения количества направлений применения компьютерной томографии в геологии, что непременно приведет к новым открытиям и более глубокому пониманию недр нашей планеты.