Wykorzystanie rentgenowskiej mikrotomografii komputerowej i cyfrowej analizy obrazu do petrologicznej charakterystyki skał węglanowych

WNIOSKI

Na podstawie szczegó³owych badañ mikroskopowych i analiz sk³adu chemicznego w mikroobszarze zidentyfiko-wano noœniki pierwiastków œladowych istotnych z ekono-micznego punktu widzenia oraz stwierdzono obecnoœæ minera³ów dotychczas s³abo lub w ogóle nieznanych w z³o¿ach rud Fe-Ti-V Krzemianka i Udryñ. Zidentyfikowa-no m.in. wrostki Bi rodzimego w magnetycie i pirotynie oraz hessytu (Ag2Te) i greenockitu (CdS) w chalkopirycie, a tak¿e noœniki pierwiastków krytycznych (pentlandyt, pirotyn, chalkopiryt, piryt, magnetyt) i rzadkich (cyrkon, monacyt, apatyt).

Badania prowadzono w ramach realizacji zadañ pañstwowej s³u¿by geologicznej ze œrodków NFOŒiGW.

LITERATURA

CIEŒLA E., WYBRANIEC S. – 1998. Geophysical studies of the Su-wa³ki Anorthosite Massif. Pr. Pañstw. Inst. Geol., 161: 39–46. JUSKOWIAK O. 1998 – Occurence, structure and mineral diversity of rocks from the Suwa³ki Anorthosite Massif. Pr. Pañstw. Inst. Geol., 161: 53–80. KOZ£OWSKA A., WISZNIEWSKA J. 1991 – Aspekty genetyczne tek-stur i struktur minera³ów kruszcowych w masywie suwalskim. Arch. Mineral., 44, 2: 69–88.

KUBICKI S., SIEMI¥TKOWSKI J. 1979 – Mineralizacja kruszcowa suwalskiego masywu zasadowego. Biul. Inst. Geol., 316 (3): 5–136. MARCINKOWSKI B. 2006 – Prawid³owoœci wystêpowania mineraliza-cji kruszcowej w wybranych kompleksach fundamentu krystalicznego pó³nocno-wschodniej Polski. Biul. Pañstw. Inst. Geol., 421: 53–90.

MIKULSKI S.Z., OSZCZEPALSKI S., SAD£OWSKA K., CHMIE-LEWSKI A., MA£EK R. 2018a – Wystêpowanie pierwiastków towa-rzysz¹cych i krytycznych w wybranych udokumentowanych z³o¿ach rud Zn-Pb, Cu-Ag, Fe-Ti-V, Mo-Cu-W, Sn, Au-As i Ni w Polsce, Biul. Pañstw. Inst. Geol., 472: 21–52.

MIKULSKI S.Z., SAD£OWSKA K., OSZCZEPALSKI S., CHMIE-LEWSKI A., MA£EK R., 2018b – Weryfikacja formacji metalogenicz-nych w Polsce w aspekcie wystêpowania surowców rzadkich i krytycznych. Nar. Arch. Geol. nr 5685/2018, Pañstw. Inst. Geol.-PIB, Warszawa.

NIEÆ M. 2003 – Ocena geologiczno-gospodarcza z³ó¿ wanadonoœnych rud tytanomagnetytowych masywu suwalskiego. Gosp. Sur. Miner., 19 (2): 5–27.

PARECKI A. 1998 – Geological structure of Krzemianka and Udryn deposits. Pr. Pañstw. Inst. Geol., 161: 123–136.

RYKA W. 1998 – Geological positions of the Suwa³ki Anorthosite Mas-sif. Pr. Pañstw. Inst. Geol., 161: 19–26.

RYKA W., SZCZEPANOWSKI H. 1998 – Trace elements of the Suwa³ki Anorthosite Massif. Pr. Pañstw. Inst. Geol., 161: 105–110.

SPECZIK S. 1991 – Distribution of vanadium in ore minerals of the Suwa³ki massif (Northeastern Poland). Arch. Mineral., 44 (2): 19–36. SUBIETA M. 1971 – Dokumentacja geologiczna z³o¿a rud ¿elaza, tytanu i wanadu Krzemianka, powiat suwalski, woj. Bia³ystok. Nar. Arch. Geol. Pañstw. Inst. Geol.-PIB, Warszawa.

SZUFLICKI M., MALON A., TYMIÑSKI M. (red.) 2018 – Bilans zaso-bów z³ó¿ kopalin w Polsce wg stanu na 31.12.2017. Pañstw. Inst. Geol.-PIB, Warszawa.

WISZNIEWSKA J. 2002 – Wiek i geneza rud Fe-Ti-V i ska³ towa-rzysz¹cych w suwalskim masywie anortozytowym (NE Polska). Biul. Pañstw. Inst. Geol., 401: 1–96.

WISZNIEWSKA J., KRZEMIÑSKA E., POLECHOÑSKA O., PETEC-KI Z., RUSZKOWSPETEC-KI M., SALWA S. 2018 – Nowe rezultaty badañ mineralizacji polimetalicznej, PGE i REE w Suwalskim Masywie Anor-tozytowym (NE Polska). Biul. Pañstw. Inst. Geol., 472: 271–284.

Wykorzystanie rentgenowskiej mikrotomografii komputerowej

i cyfrowej analizy obrazu

do petrologicznej charakterystyki ska³ wêglanowych

Piotr Jan Strzelecki

, Adam Fheed

, Natalia Radzik

, Anna Œwierczewska

X-ray microtomography and digital image analysis application to a petrological characterization of carbonates. Prz. Geol.,

67: 195–197; doi: 10.7306/2019.19

A b s t r a c t. The paper briefly describes a possible application of X-ray computed microtomography studies followed by digital image analysis, enabling petrological assessment of carbonate rocks. The contribution presents an example of a complex, qualitative and quantitative approach aiming at deriving shape, geometry and spatial orientation of rock components as applied for a carbonate reservoir rock sample from the Zechstein Limestone (Ca1) strata. Apart from the basic properties of the analyzed objects, such as volume, surface area and number, detailed shape descriptors were obtained (compactness, sphericity, elongation, flatness, spareness). The presented approach allows for obtaining detailed 3D results at the microscopic scale, enabling extensive characterization of the studied material geometry. The methods proposed could be applied for other rock types as well.

Keywords: X-ray microcomputed tomography, digital image analysis, porosity geometry, carbonates

Mikrotomografia komputerowa (µCT) jest nieniszcz¹c¹ metod¹ badawcz¹, umo¿liwiaj¹c¹ trójwymiarow¹ wizuali-zacjê badanego obiektu. Od lat 90. XX w. obserwuje siê ci¹g³y wzrost zainteresowania t¹ technik¹ w naukach geo-logicznych (Harmon i in., 2006; Cnudde, Boone, 2013). Mikrotomografia komputerowa wykorzystuje zjawisko absorbcji promieniowania rentgenowskiego (por. Landis, Keane, 2010). Wynikiem skanowania µCT jest trójwymia-rowy obraz badanego obiektu. Odmienne wspó³czynniki absorpcji poszczególnych faz umo¿liwiaj¹ ich

rozró¿nie-nie. Najlepiej widoczne s¹ wiêc sk³adniki o ró¿nej gêsto-œci: np. przestrzeñ porowa, matryca skalna czy minera³y rudne. Dok³adnoœæ obrazowania jest uzale¿niona od roz-dzielczoœci, czyli d³ugoœci boku pojedynczego woksela (trójwymiarowy piksel) i wynosi ona zazwyczaj kilka–kil-kadziesi¹t µm. Cyfrowa analiza obrazu jest metod¹ powszechnie stosowan¹ do przetwarzania oraz analizy zdjêæ. Jej niew¹tpliw¹ zalet¹ jest mo¿liwoœæ wykonania du¿ej liczby analiz w stosunkowo krótkim czasie. Analiza obrazu czêsto jest traktowana jako integralny element

bada-195

Przegl¹d Geologiczny, vol. 67, nr 3, 2019

1

AGH Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanis³awa Staszica w Krakowie, Wydzia³ Geologii, Geofizyki i Ochrony Œrodowiska, al. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków; piotrjanstrzelecki@gmail.com

nia tomograficznego. Jej nieod³¹czn¹ czêœci¹ jest przetwa-rzanie zdjêæ, tj. filtracja i segmentacja. Analizie mog¹ byæ poddane wybrane sk³adniki ska³y. Wynikiem cyfrowej analizy obrazu jest zazwyczaj du¿a liczba danych nume-rycznych, reprezentuj¹cych poszczególne pomierzone parametry analizowanych obiektów. Do podstawowych parametrów i w³aœciwoœci tych obiektów nale¿¹ ich iloœæ, wielkoœæ, objêtoœæ lub powierzchnia w³aœciwa. Mo¿liwy jest tak¿e bardzo szczegó³owy opis geometrii, kszta³tu oraz rozmieszczenia poszczególnych sk³adników ska³y. Ze wzglê-du na skomplikowan¹ wiêŸbê ska³ wêglanowych, w tym ich systemu porowego, mo¿liwoœæ obrazowania wnêtrza ska³y, obejmuj¹ca klasyfikacjê oraz kwantyfikacjê wybranych jej cech, pozwala na dok³adn¹ charakterystykê petrologiczn¹ tego rodzaju ska³.

Celem niniejszej pracy jest kompleksowa, jakoœcio-wo-iloœciowa charakterystyka petrologiczna ska³y wêglano-wej, wykonana na podstawie analizy obrazu otrzymanego metod¹ µCT. Taka analiza umo¿liwia przestrzenne okreœle-nie zmiennoœci w³aœciwoœci zbiornikowych, co ma zaœ istotne znaczenie w aspekcie poszukiwañ wêglowodorów.

MATERIA£ I METODY

Analizie poddano otrzymany metod¹ µCT obraz próbki utworów wapienia cechsztyñskiego (Ca1) z wa³u wolsztyñ-skiego. Próbka ta zosta³a pobrana ze strefy sp¹gowej rafy Broñska, w ca³oœci przewierconej otworem Reñsko-1. Wymiary analizowanego obrazu wynosi³y 1 ´ 1,5 cm (œrednica, wysokoœæ) przy zastosowanej rozdzielczoœci obrazu 15 µm.

Do analizy obrazu wykorzystano program Fiji (Schin-delin i in., 2012), bêd¹cy oprogramowaniem typu open source. Zastosowano rozszerzenie 3D ImageJ suite (Ollion i in., 2013). W³aœciwoœci geometryczne przestrzeni poro-wej zosta³y opisane przy u¿yciu nastêpuj¹cych bezwymia-rowych parametrów (tab. 1):

1) Kompaktowoœæ – stosunek objêtoœci pomierzonego obiektu do objêtoœci kuli o ekwiwalentnej powierzchni do mierzonego obiektu;

2) Sferycznoœæ – stosunek powierzchni kuli o objêtoœci ekwiwalentnej mierzonemu obiektowi do rzeczywistej powierzchni tego obiektu;

3) Wyd³u¿enie – stosunek d³ugoœci najwiêkszego a) do poœredniego b) promienia elipsoidy dopasowanej do mie-rzonego obiektu;

4) Sp³aszczenie – stosunek d³ugoœci poœredniego b) do najmniejszego c) promienia dopasowanej elipsoidy mie-rzonego obiektu;

5) Wype³nienie – stosunek objêtoœci mierzonego obiektu do objêtoœci dopasowanej elipsoidy.

Badania dotycz¹ce sk³adu mineralnego i wiêŸby uzu-pe³niono obserwacjami makroskopowymi, mikroskopo-wymi oraz analiz¹ XRD.

WYNIKI BADAÑ

Analizowana ska³a to wapieñ dolomityczny z licznymi fragmentami mszywio³ów ga³¹zkowych i inkrustuj¹cych, ramienionogów oraz ma³¿y. Jako cement wystêpuje kalcyt, dolomit i anhydryt. Kalcytowy mikryt jest impregnowany zwi¹zkami ¿elaza. Baryt zosta³ stwierdzony jedynie metod¹ XRD. W analizie obrazu wszystkie wyszczegól-nione sk³adniki zosta³y okreœlone wspólnym terminem matryca skalna. Na obrazie µCT wyró¿niono kilka faz ró¿-ni¹cych siê gêstoœci¹, reprezentuj¹cych matrycê skaln¹ oraz porowatoœæ (ryc. 1). Matryca skalna jest zbudowana g³ównie z nierozró¿nialnych na obrazie µCT kalcytu i do-lomitu. Stanowi 76% objêtoœci badanej próbki. Pozosta³e t³o skalne stanowi¹ cementy: anhydryt (2,5%) oraz fazy mineralne o du¿ej gêstoœci, najprawdopodobniej tlenki lub te¿ wodorotlenki ¿elaza z domieszk¹ barytu (1,5%). Anhydryt tworzy du¿e kryszta³y o d³ugoœci do kilku mm i wystêpuje nieregularnie w obrêbie próbki, wype³niaj¹c niektóre wiêksze pory. Pozosta³e fazy mineralne tworz¹ mniejsze i bardziej rozproszone skupienia, pokrywaj¹ce œciany porów. Porowatoœæ ca³kowita wynosi 20%.

196

Przegl¹d Geologiczny, vol. 67, nr 3, 2019

Tab. 1. Geometria i kszta³t wybranych porów izolowanych Tab. 1. Geometry and shape of selected isolated porous space

Parametr

Parameter KompaktowoœæCompactness SferycznoœæSphericity Wyd³u¿enieElongation Sp³aszczenieFlatness Wype³nienieSpareness

Œrednia / Mean 0,047 0,347 2,014 1,923 0,516

Mediana / Median 0,043 0,350 1,785 1,657 0,529

Minimum / Minimum 0,003 0,147 1,032 1,029 0,100

Maksimum / Maximum 0,139 0,518 8,631 7,476 0,881

Odchylenie standardowe / Standard deviation 0,025 0,068 0,869 0,872 0,176

Ryc. 1. Trójwymiarowa wizualizacja ska³y: oryginalny plik oraz

wydzielone fazy

Fig. 1. 3D projection of the rock: original image and segmented

Szczegó³owej analizie poddano obraz przestrzeni poro-wej. Wykryto 23 tys. porów, o ca³kowitej objêtoœci 236 mm3

oraz ³¹cznej powierzchni 5600 mm2. Analizuj¹c po³¹czenia pomiêdzy porami stwierdzono wystêpowanie jednego spójnego systemu porów, zajmuj¹cego 95% ca³kowitej porowatoœci, co stanowi 19% objêtoœci ca³ej ska³y. System ten wystêpuje regularnie w ca³ej objêtoœci próbki. Pozo-sta³e pory nie s¹ po³¹czone. Na podstawie analizy 3D geo-metrii porów, zweryfikowanej obserwacjami p³ytek cienkich, wyró¿niono porowatoœæ typu: 1) moldycznego (po skorupach), czasem ewoluuj¹c¹ w wiêksze rozmycia i ka-werny; 2) miêdzykomponentow¹, a tak¿e 3) mniejsze pustki wewn¹trzkomponentowe. Te ostatnie powsta³y w zoecjach czêœciowo rozcz³onowanych mszywio³ów.

Dalszej analizie poddano obrazy izolowanych porów o objêtoœci >1000 wokseli, (>0,003 mm3). W sumie wyod-rêbniono 445 porów spe³niaj¹cych to kryterium. Najwiêk-szy z nich mia³ objêtoœæ 0,56 mm3. Wyniki pomiarów parametrów opisuj¹cych geometriê porów zamkniêtych zestawiono w tabeli 1. Zarówno kompaktowoœæ, jak i sfe-rycznoœæ przyjmuj¹ kolejno bardzo niskie (<0,1) oraz niskie wartoœci (~0,3). Wspó³czynnik wype³nienia waha siê od 0,1 do 0,9. Najwiêksze izolowane pory wykazuj¹ najlepsze dopasowanie do kszta³tu dyskoidalno-sferyczne-go (ryc. 2). Nie obserwuje siê wyraŸnych trendów w prze-strzennym zorientowaniu poszczególnych osi elipsoid.

DYSKUSJA I WNIOSKI

Trójwymiarowe zobrazowanie przestrzeni porowej wybranej próbki ska³y wêglanowej umo¿liwi³o okreœlenie genezy porowatoœci. Na podstawie obserwowanej geome-trii porów mo¿na przypuszczaæ, ¿e przestrzeñ porowa powsta³a g³ównie na drodze rozpuszczania skorup ramie-nionogów i ma³¿y oraz zoecjów mszywio³ów (por. Strze-lecki, Fheed, 2018). Rozpuszczanie objê³o ca³¹ próbkê, prowadz¹c do powstania jednego, dominuj¹cego i spójne-go systemu porów, dziêki czemu przestrzeñ porowa jest dobrze skomunikowana. Obliczona porowatoœæ efektywna pozwala zaklasyfikowaæ badan¹ próbkê do ska³ zbiorniko-wych wysokiej pojemnoœci (por. Semyrka i in., 2008).

Otrzymane wyniki wskazuj¹, ¿e powierzchnie izolo-wanych porów maj¹ nieregularn¹ morfologiê i kszta³t. Œwiadcz¹ o tym niewielkie wartoœci wspó³czynników kompaktowoœci oraz sferycznoœci, które wraz ze wzrostem nieregularnoœci powierzchni obiektu zbli¿aj¹ siê do 0, a w przypadku idealnych sfer przyjmuj¹ wartoœæ 1.

Zró¿nicowanie kszta³tu porów sugeruj¹ tak¿e wyniki otrzymane na podstawie dopasowania elipsoid, w tym d³ugoœci ich osi a, b i c (ryc. 2, tab. 1). Wspó³czynnik wype³nienia sugeruje natomiast, ¿e elipsoidy maj¹ raczej formê bry³ opisanych na obiektach, ni¿ w nie wpisanych, co tak¿e podkreœla nieregularn¹ geometriê tych obiektów. Brak wyraŸnych trendów w przestrzennym zorientowaniu poszczególnych osi elipsoid mo¿e byæ wyrazem zarówno skomplikowanej geometrii porów oraz obecnoœci kilku ich typów, jak i selektywnej cementacji oraz pierwotnego u³o¿enia sk³adników ska³y, widocznych na obrazach 3D.

Przedstawiona charakterystyka jest przyk³adem wyko-rzystania obrazowania µCT, uzupe³nionego o jego cyfrow¹ analizê do badañ petrologicznych zbiornikowej ska³y wêglanowej. Uzyskane wyniki wskazuj¹ na du¿e mo¿liwo-œci wykorzystania obydwu metod do badania przestrzen-nych relacji pomiêdzy poszczególnymi sk³adnikami ska³y

oraz oceny wykszta³cenia przestrzeni porowej. Przedsta-wione podejœcie badawcze pozwala na kwantyfikacje geo-metrii przestrzeni porowej oraz sk³adników buduj¹cych matrycê skaln¹ i mo¿e byæ równie¿ stosowane do innych rodzajów ska³.

Badania przeprowadzono w ramach realizacji projektu UMO-2016/23/N/ST10/00350 finansowanego przez Narodowe Centrum Nauki.

LITERATURA

CNUDDE V., BOONE M.N. 2013 – High-resolution X-ray computed tomography in geosciences: A review of the current technology and applications. Earth Sci. Rev., 123: 1–17.

HARMON R.S., VANNUCCI R., CNUDDE V., MASSCHAELE B., DIERICK M., VLASSENBROECK J., HOOREBEKE L., VAN JACOBS P. 2006 – Recent progress in X-ray CT as a geosciences tool. App. Geo-chem., 21: 826–832.

LANDIS E.N., KEANE D.T. 2010 – X-ray microtomography. Mat. Cha., 61: 1305–1316.

OLLION J., COCHENNEC J., LOLL F., ESCUDÉ C., BOUDIER T. 2013 – TANGO: A generic tool for high-throughput 3D image analysis for studying nuclear organization. Bioinformatics, 29: 1840–1841. SCHINDELIN J., ARGANDA-CARRERAS I., FRISE E., KAYNIG V., LONGAIR M., PIETZSCH T., PREIBISCH S., RUEDEN C., SAALFELD S., SCHMID B., TINEVEZ J.Y., WHITE D.J., HARTENSTEIN V., ELICEIRI K., TOMANCAK P., CARDONA A. 2012 – Fiji: An open-sour-ce platform for biological-image analysis. Nat. Meth., 9: 676–682. SEMYRKA R., SEMYRKA G., ZYCH I. 2008 – Variability of petrophy-sical parameters of subfacies in the Main Dolomite strata of the western Grotów Peninsula area in the light of porosimetric measurements. Geolo-gia, 34(3): 445–468.

STRZELECKI P.J., FHEED A. 2018 – Spatial permeability estimation for carbonates – X-ray microtomography in Zechstein Limestone strata assessment. [W:] International Multidisciplinary Scientific GeoConfe-rence Surveying Geology and Mining Ecology Management, SGEM., 18 (1.4): 803–810.

197

Przegl¹d Geologiczny, vol. 67, nr 3, 2019

Ryc. 2. Kszta³t i u³o¿enie izolowanych porów na podstawie dopa -sowanej elipsoidy o osiach a, b, c; projekcja równopowierzchnio-wa na doln¹ pó³kulê w lokalnym uk³adzie wspó³rzêdnych

Fig. 2. Shape and spatial orientation of isolated porosity based on

ellipsoid fitting; a, b, c – ellipsoid axes; the equal-area lower hemisphere projection with a local coordinate system