花岗岩的反射式太赫兹光谱特性

李依岑，王 焱，詹洪磊，赵 昆，韦华周

（中国石油大学（北京）材料科学与工程系，北京102249；油气光学探测技术北京市重点实验室，北京102249）

花岗岩是组成大陆地壳的主要岩石之一，主要由富钠的斜长石和石英组成，含有少量的角闪石、黑云母和钾长石等矿物。由于油气藏基岩大多为花岗岩类和变质岩类，特别是近年来在基底花岗岩类中发现了重大油田，所以对花岗岩的研究越来越受重视［1］。目前，已经有多种物理化学方法应用于岩石的光谱学特征分析，如红外光谱法、激光光声光谱法、拉曼光谱法、X射线成像分析法等［2－5］。但是，花岗岩是多种矿物成分的混合物，化学组成较为复杂，因此，这些方法均存在一定的局限性。

太赫兹波是指频率为0.1～10THz的电磁波。太赫兹光谱对分子间的弱相互作用和晶格低频振动敏感。与红外光相比，油气物质对太赫兹光具有更强的吸收活性，其太赫兹光谱具有更高的信噪比，这在油气物质的光学响应测试中极其重要。反射式太赫兹光谱技术可对地层表面的岩石进行成像，直接获知地质表面的岩石裂缝或断层信息。太赫兹时域光谱（THz－TDS）技术是近年发展起来的一种非常有效的测试手段，是研究物质特性的一种新方法。由于太赫兹时域光谱技术信噪比高、频带宽、入射波光子能量低，可以对大分子物质进行无损检测，所以在安全检测、软件开发、药品鉴定分析等方面得到了广泛应用［6－8］。本文利用反射式太赫兹光谱成像技术对花岗岩样品进行了分析，结果表明，该技术可为鉴别和分析花岗岩提供技术支持。

1 实验仪器及样品

采用反射式太赫兹光谱成像系统TAS7500IM对样品进行测试，样品为湖南桂阳大义山的花岗岩，主要成分是石英。成像系统有效频率为0.1～4THz，最小分辨率为0.3mm。样本移动由机器人手臂完成。成像系统扫描半径为10mm，步长为0.4mm。为了避免水汽对测量结果的影响并提高信噪比，实验在干燥室温环境中进行。反射式太赫兹光谱成像系统可测得岩石不同测试点的太赫兹时域光谱，通过提取时域光谱的峰值，可进行进一步分析。

场发射扫描电子显微镜（下文简称扫描电镜）用于对样品表面进行形貌和微区成分分析。

2 实验方法

首先，利用岩心钻取机获得花岗岩样品的岩心，岩心直径为20mm，高度为50mm。为便于太赫兹光谱测试，利用自动岩石切片机对岩心进行切片，得到若干个直径为20mm、厚度为2mm的片状岩石，随机选取一片岩石进行反射式太赫兹光谱测试。实验中，利用太赫兹光谱成像系统获得样品某一测试点的时域信号；利用高精密位移平移台实时改变岩心测试点，对样品进行环形向外逐点扫描，相邻两点扫描位移步径为500um。基于样品所有测试点处的太赫兹时域谱，选取太赫兹时域谱峰值和位置坐标，得到花岗岩的太赫兹光谱成像图。由于太赫兹光谱具有无损检测的特点，测试结束后，样品还可用作其他测试分析。

3 实验结果与分析

3.1 扫描电镜测试结果分析

图1（a）为扫描电镜测试结果，对其中3个具有代表性的点进行能谱分析，结果如图1（a）至图1（c）所示。

图1 花岗岩的形貌分析和能谱分析图Fig.1SEM and EDS analysis of granite

图1（b）是a点的能谱分析结果。a点的化学元素有Si，O，Al，K，C，并有少量 Na。可以判断该点主要成分为钾长石（KAlSi2O3），并含有微量的钠长石（NaAlSi2O3）及碳酸盐。图1（c）是b点的能谱分析结果。b点呈黑色，主要元素有C，Si，O，Al，K，Mg，Fe，可以推断该处的岩石成分为黑云母，化学式为K（Mg，Fe）3AlSi3O10（F，OH）2，但由于类质同象代替广泛，所以不同岩石中产出的黑云母，其化学组成成分差距很大。图1（d）是c点的能谱分析结果。c点呈灰白色，含有Si和O两种元素，可以断定该处的岩石为石英石。所以，基本可以确定组成样品的主要物质分别为钾长石、黑云母以及石英石。

3.2 花岗岩的太赫兹时域光谱

在花岗岩样品中随机选取了5个测试点，得到了其太赫兹时域光谱，如图2所示。

图2 花岗岩中不同测试点的太赫兹时域谱图Fig.2Terahertz time domain spectra of granite at 5points

由于花岗岩的成分不同，所以不同测试点的太赫兹反射信号亦有所区别。图2中，扫测试2和测试点5的太赫兹反射信号强度较为接近，表明这两点的矿物组成相似；同理，测试点3和扫测试4的太赫兹反射信号强度较为接近，表明这两点矿物组成相似。

花岗岩是一种密度大、孔隙率极低的岩石，样品表面光滑平整，因此可以忽略表面形貌引起的太赫兹波能量损失。主要的能量损失来自花岗岩对太赫兹波的吸收，其能量损耗随测试点岩性的不同而不同，如果测试点不同而岩性相同，太赫兹信号也大致相同。因此，可选取每个测试点的太赫兹时域谱峰值对测试位置作图，实现对岩心表面不同成分的分布检测。

3.3 反射式太赫兹光谱成像

图3（a）为选取所有花岗岩扫描点处的太赫兹时域谱极大值Vp，max得到的成像图，图3（b）为选取所有花岗岩扫描点处太赫兹时域谱极小值Vp，min得到的成像图。从图中可以看到，岩石成分不同，太赫兹光谱图的颜色也不同。图3（a）中，钾长石和石英石对应图中的红色部分，黑云母对应橙色与黄色部分，其太赫兹时域谱极大值小于钾长石和石英石的相应值，这说明黑云母对太赫兹波的吸收大于钾长石与石英石，这种差异在图3（b）更加明显。图3（b）中，绿色部分代表黑云母，蓝色部分代表钾长石和石英石。

图3 花岗岩样品图及反射式太赫兹光谱成像图Fig.3Granite sample and reflective terahertz spectral imaging

图3 显示钾长石和石英石的差别不大，这是因为石英为三方晶系的氧化物，Si－O以原子键结合，各项键力均等。钾长石属架状硅酸盐矿物，钾长石晶体结构与石英基本相同，只是铝氧四面体取代了1／4硅氧四面体，晶体结构有细微差异，但这种差异在成像图中不容易体现出来。此外，通过图1的能谱分析可知，黑云母中含有Fe元素，这使其在低频太赫兹波段有较高的吸收性，相应地，其太赫兹时域谱峰值较小。

4 结论

根据花岗岩的不同成分对太赫兹波的吸收不同这一特点，本文利用反射式太赫兹光谱成像技术获取了样品的时域谱，通过提取时域谱中极值的方法得到了不同成分花岗岩的太赫兹光谱成像图。花岗岩各区域成分不同，其太赫兹时域光谱信号存在差异，在反射式太赫兹光谱成像图上颜色不同。随着技术本身的不断完善，太赫兹时域光谱技术可望应用于地球物理勘探领域。