Análisis visual tridimensional de la estructura de la roca.
T.Ando S.Omori Y.Ogasawara
（Instituto de Ciencias de la Tierra, Universidad de Waseda, Shinjuku-ku, Tokio 169-50, Japón）
J.B. Noblett
（Departamento de Geología, Colorado College, Colorado Springs, CO 80903, EE. UU.）
Resumen La tomografía computarizada basada en una serie de secciones de molienda se utiliza para estudiar la estructura de las rocas. Estructura tridimensional. Las muestras de roca se cortaron en cuadrados de aproximadamente varios centímetros y luego se trituraron manualmente en secciones a intervalos de 0,5 mm y se tomaron fotografías en color. A partir de este conjunto de imágenes de secciones transversales bidimensionales, el software de visualización AVS utiliza dos métodos para sintetizar la estructura de la roca tridimensional: el método de sección transversal y el método de representación tridimensional. Esta técnica se utilizó en dos muestras de roca: una era una roca intrusiva compuesta metamórfica recolectada del cinturón metamórfico de Hida en Japón, que desplegaba una estructura de flujo compleja de componentes máficos y félsicos en la roca, la otra se recolectaba de eclogita metafenocristalina rica en granate; del Franciscan Terrane, California. Para la primera muestra, la imagen estructural tridimensional muestra una relación de mezcla entre máfico y félsico, lo que es una buena ilustración de la mezcla de los dos magmas antes del metamorfismo. Para la última muestra, la imagen tridimensional muestra claramente el tamaño, el número y la distribución de los fenocristales de granate. Estos datos son significativos para explicar la formación de nucleación de los fenocristales de granate en la eclogita. La combinación de tomografía computarizada y software de visualización 3D es útil para analizar la estructura a escala de milímetros a centímetros de rocas reales, con tamaños de muestra del orden de cuadrados de unos pocos centímetros.
Palabras clave Visualización tridimensional de la estructura de la roca, eclogita mixta de magma
1 Introducción
En los últimos años se han realizado grandes avances en el software y hardware de Procesamiento de imágenes tridimensionales. Métodos mejorados para comprender y analizar muchos fenómenos y objetos en varias áreas especializadas. La tomografía computarizada (TC) es uno de los métodos más exitosos y se ha utilizado con éxito en medicina, concretamente la TC de rayos X.
En petrología, los petrólogos normalmente sólo pueden observar perfiles bidimensionales bajo un microscopio a simple vista y confían en la imaginación para concebir la estructura tridimensional real basándose en información bidimensional. Sin embargo, la estructura tridimensional real de la roca contiene más información petrogénica y no podemos observar directamente la estructura interna de la muestra. Es bien sabido que una dependencia excesiva de la información estructural 2D puede dar lugar a interpretaciones erróneas. Para resolver esta dificultad en el análisis de la estructura de las rocas, se necesita con urgencia tecnología de visualización tridimensional en el campo de los gráficos por computadora, pero su aplicación parece difícil. El trabajo pionero de utilizar TC de rayos X tridimensionales para estudiar la estructura de las rocas fue completado por un equipo dirigido por el profesor W.D. Carlson de la Universidad de Texas. Han desarrollado un sistema de análisis de TC de rayos X de la estructura de las rocas casi completamente automático. Utilizando el software de visualización tridimensional AVS, intentamos observar la estructura tridimensional de las rocas utilizando una serie de secciones de molienda y fotografías de secciones transversales. Esta tecnología está básicamente madura y es efectiva para varios tipos de rocas.
Este artículo utiliza dos ejemplos de rocas intrusivas compuestas y eclogitas metamórficas ricas en granate para ilustrar la tecnología de "TC de sección de molienda en serie" para obtener imágenes tridimensionales de estructuras rocosas, y proporciona las estructuras tridimensionales de Estas muestras de rocas.
2 Descripción de la muestra
2.1 Roca intrusiva compuesta metamórfica
La roca intrusiva compuesta metamórfica utilizada para la observación tridimensional se recolectó de Hi en la zona metamórfica de Hida en el área de la prefectura de Gifu en el centro de Japón. El afloramiento gashi-Urushiyama. La roca consta de dos partes: anfibolita oscura y tonalita metamórfica de color claro. Este tipo de roca pertenece a la etapa tardía del metamorfismo de Hida y se introduce en el gneis de anfibolita de biotita que rodea la roca. La edad de la roca circundante pertenece a la etapa temprana del metamorfismo. Su compleja estructura híbrida y su estructura similar a un flujo se muestran en la Figura 1a. Esta estructura parece indicar una mezcla de magmas máficos y félsicos. Según la determinación de la edad isócrona Rb-Sr realizada por Y.Arakawa. Los principales componentes minerales son granate, onfacita, moscovita de polisilicato, anfíbol azul y clorita. En esta roca se encuentran una gran cantidad de metafenocristales de granate. Los cristales de granate euhédrico con dodecaedros romboédricos tienen generalmente de 2 a 9 mm de diámetro y aparecen de color marrón rojizo a simple vista. Bajo el microscopio, los cristales de granate suelen ser reemplazados por clorita en los bordes. La matriz de la eclogita está compuesta principalmente de onfacita y anfíbol, los cuales son productos del período de degradación. Las partes de la roca ricas en onfacita son de color verde oscuro, mientras que las partes ricas en anfíboles son de color gris azulado oscuro. El propósito de las observaciones tridimensionales de esta muestra fue comprender el tamaño, el número y la distribución de los metafenocristales de granate en la eclogita. La muestra para la observación tridimensional es un paralelepípedo de 5 cm × 10 cm × 15 cm (Fig. 1b).
3 Método de síntesis de imágenes tridimensionales
3.1 Preparación de muestras y adquisición de imágenes
Se muestra el flujo de trabajo de preprocesamiento de la serie de imágenes transversales obtenidas a partir de fotografías. en la Figura 2. La muestra observada esta vez fue cortada en paralelepípedos de unos varios centímetros de tamaño. Antes de pulir, se fotografiaron las seis superficies del paralelepípedo para poder compararlas con las superficies generadas por computadora.
Después de especificar la superficie de corte, utilice esmeril N° 100, N° 400 y N° 800 para pulir la película a intervalos de 0,5 mm y tome fotografías en color con la película. Este proceso debe repetirse 200 veces y el error cada cien veces es inferior a 1 mm.
3.2 Hardware y Software
En el estudio se utilizaron dos estaciones de trabajo UNIX: Titan 3000 fabricada por Startent Co., Ltd. y Magnum4000 fabricada por MIP Co., Ltd. El software de visualización tridimensional AVS (Actual Visualization System) fue desarrollado por Kubota Graphics Technology Company y se utiliza para la síntesis de imágenes tridimensionales. AVS es un conocido software de visualización 3D que puede ejecutarse en una variedad de sistemas informáticos. AVS se caracteriza por una interfaz de usuario interactiva que consta de cuatro subsistemas: visor de imágenes, visor de gráficos, visor de geometría y editor de red. El editor de red es un entorno de programación visual. Solo necesitas conectar varios módulos ejecutables con el mouse para completar el diseño de la aplicación.
En este estudio, se diseñaron dos aplicaciones para la observación tridimensional utilizando un editor de red: una es un programa de método de sección transversal y la otra es un programa de método de representación tridimensional.
Figura 1 Muestras de rocas utilizadas en el estudio
a—Rocas intrusivas compuestas metamórficas recolectadas del cinturón metamórfico de Hida en Japón; b—Rocas metamórficas ricas en granate recolectadas del terreno franciscano en Eclogita fenocristalina de California
3.3 Preprocesamiento de imágenes en series bidimensionales
Utilice una serie de fotografías en color de secciones transversales para realizar observaciones tridimensionales de estructuras rocosas. Cada fotografía se ingresó a la computadora usando un escáner de imágenes con una resolución de 75 ppp y se guardó como un archivo en el formato de archivo de volcado de X-Window (xwd). Cada archivo xwd se convierte a un formato de datos de campo bidimensional utilizando AVS. Luego, un conjunto completo de imágenes transversales se convierte en píxeles tridimensionales de AVS. El programa de conversión "2D_to_3D" utilizado está escrito por nosotros mismos en lenguaje C. .
Figura 2: Flujo de trabajo desde la adquisición de fotografías hasta el preprocesamiento de imágenes transversales
3.4 Observación transversal
Este método puede generar secciones transversales de imágenes tridimensionales. objetos en cualquier dirección y puede producir secciones continuas en forma de animaciones. La Figura 3a es un diagrama de red del módulo AVS que utiliza el método de sección transversal para observar la estructura tridimensional. Las funciones de cada módulo son las siguientes: "Leer datos de campo" lee los datos del campo AVS; el tamaño de los datos del campo; la "adaptación hacia abajo" cambia el tamaño de los datos del vóxel; "Generar tabla de mapeo de color" genera la estructura de datos de la tabla de mapeo de color AVS; el "Mapeo" convierte los datos de vóxel de entrada en valores de color; una imagen tridimensional de los datos "Animación" modifica automáticamente los parámetros para la demostración de la animación.
Figura 3 Diagrama de red del módulo AVS a: diagrama de red del método de sección transversal; b: diagrama de red del método de representación estereoscópica
3.5 Observación mediante el método de representación tridimensional
Este método genera una imagen 3D transparente. La Figura 3b es un diagrama de red del módulo AVS que utiliza representación tridimensional para observar la estructura tridimensional. Hasta la "Adaptación hacia abajo", el flujo de procesamiento es el mismo que el método de sección transversal. Las funciones de los módulos restantes se describen a continuación: "Cálculo de gradiente" y "Tono de gradiente" calculan el vector de gradiente de cada punto en los tres. conjunto de datos de campo dimensional; "Límite estéreo" genera líneas que representan los límites de un conjunto de datos de campo 3D.
4 Discusión de resultados
4.1 Roca intrusiva compuesta metamórfica
Esta muestra es para observar la estructura tridimensional real de la roca, especialmente la luz y la oscuridad. componentes de la estructura híbrida de roca. La imagen sintetizada mediante el método de sección transversal y el método de representación tridimensional muestra con éxito la estructura tridimensional de la roca (Fig. 4), que generalmente se representa mediante una imagen en escala de grises en blanco y negro. El intervalo entre los discos abrasivos es de 0,5 mm, lo que es suficiente para la síntesis de imágenes tridimensionales de muestras de roca de varios centímetros de tamaño.
Las figuras 4a a 4c son diagramas estructurales tridimensionales obtenidos por el método de la sección transversal. Las seis superficies de la muestra real (Fig. 1a) se reproducen claramente en la imagen compuesta tridimensional (Fig. 4a). Las Figuras 4b y 4c son dos ejemplos de secciones transversales en cualquier dirección. Al visualizar continuamente secciones transversales en una dirección como una animación en la pantalla, puede confirmar la relación de mezcla entre las partes oscuras y claras de la roca: algunos componentes claros están contenidos dentro de las partes oscuras y algunos componentes oscuros están contenidos dentro de las partes claras. componentes, como lo señala la flecha A en la Figura 4c.
Figura 4 Imagen compuesta tridimensional de rocas metamórficas intrusivas en el cinturón metamórfico de Hida, Japón
a, b, c - imágenes tridimensionales obtenidas mediante el método de sección transversal. Los oscuros son máficos y los más claros son félsicos. d, e, f: imágenes tridimensionales de componentes félsicos obtenidas mediante el método de renderizado estéreo, con la parte máfica configurada en transparente
Las figuras 4d a 4f son colores claros en la roca. La imagen compuesta tridimensional de los componentes se genera mediante el método de representación estereoscópica. Al generar la imagen compuesta, los componentes oscuros se configuran para que sean completamente transparentes. Utilizando el brillo de la imagen en escala de grises para distinguir los componentes oscuros y claros, el reconocimiento de objetos de esta roca en una imagen tridimensional es sencillo porque consta de sólo dos partes, siempre que se establezca el umbral de brillo adecuado.
En el fondo de los componentes oscuros, los componentes claros aparecen como tubos y dendritas, y ninguno aparece como placas planas. Algunos componentes relativamente pequeños de color claro se convierten en ramas de ramas más grandes, mientras que algunos aparecen aislados en el fondo oscuro como gotas, como lo indica la flecha B en la Figura 4f. Para explicar esta estructura, se debe introducir la mezcla de magmas máficos y félsicos.
Si el magma félsico de color claro invadió la parte oscura que se había consolidado en una etapa posterior, su forma debería ser similar a una placa. La forma de los componentes de color claro indica que el magma máfico de color oscuro era líquido en el momento de la intrusión del magma félsico. Los resultados obtenidos por nuestro método de análisis tridimensional ilustran claramente que las rocas intrusivas compuestas metamórficas en el afloramiento Higashi Urushiyama se formaron mediante la mezcla de magma máfico y félsico, que es el mismo que el reportado en Colorado, EE. UU. [12].
4.2 Eclogita Franciscana
El propósito de utilizar esta muestra es comprender el tamaño, cantidad y distribución de los metafenocristales de granate en la eclogita. La imagen compuesta tridimensional obtenida mediante el método de sección transversal y el método de representación tridimensional se muestra en la Figura 5. La Figura 5b es un ejemplo de una sección transversal en cualquier dirección. La comparación con las fotografías de la muestra de eclogita muestra que las seis superficies de la imagen compuesta han sido bien reconstruidas (Fig. 5a).
En este artículo, por motivos de impresión, el diagrama estructural tridimensional está en blanco y negro, pero la imagen compuesta tridimensional original está en color. Los de color claro en cada foto de la Figura 5 son fenocristales de granate, y los más oscuros son la matriz de eclogita, que está compuesta principalmente por onfacita y anfíbol azul. Los cristales de metafenocristal de granate relativamente grandes (>6 mm) se pueden distinguir según las diferencias de tono y la matriz de eclogita, mientras que los cristales más pequeños (<2 mm) son un poco más difíciles (flechas en la Figura 5b). Además, es muy difícil distinguir otros minerales en la matriz. Los componentes principales de la matriz son la onfacita y el anfíbol, cuyos colores son verde oscuro y azul oscuro respectivamente, por lo que es difícil distinguirlos entre sí basándose en fotografías en color. la superficie pulida. Para identificar estos minerales, es necesario un procesamiento previo especializado de la superficie de la muestra o de las imágenes de secciones transversales.
El cambio en el tamaño de las partículas se ve fácilmente en la imagen tridimensional, pero la forma del cristal del fenocristal de granate no se muestra en estas fotos. Esto se debe a una resolución insuficiente de la placa de molienda de 0,5 mm. de. En la imagen tridimensional sintetizada, la distribución de los metafenocristales de granate se puede observar bien, especialmente en la representación tridimensional obtenida al configurar la matriz de eclogita para que sea completamente transparente (Figura 5c, d). Los granates de grano relativamente pequeño se concentran en la parte inferior de la muestra (flecha en la Figura 5d), mientras que los granates de grano grande se distribuyen principalmente en la parte superior y están escasamente distribuidos. Los datos de distribución tridimensional y los datos de composición química de cada parte se analizan juntos para ayudar a explicar la nucleación de metafenocristales de granate en eclogita, pero este artículo no dará más detalles sobre esto.
Otra aplicación de la estructura 3D es intentar medir el contenido mineral real de granate en la eclogita. El valor derivado del modelo 3D es del 24,5% en volumen. Este valor se obtuvo de la imagen 2D. Calculado centralmente. El resultado original obtenido al contar puntos bajo el microscopio fue del 22,5%. Este resultado se obtuvo de tres secciones delgadas de apariencia idéntica de la misma muestra. Los resultados obtenidos por el método tridimensional pueden ser más confiables que el método de puntos numéricos. Al cortar cualquier parte específica de la imagen tridimensional, se puede calcular el contenido real de granate de la muestra en esa parte.
5 Conclusión
Este artículo propone una tecnología de observación tridimensional de la estructura de la roca utilizando una serie de discos abrasivos y el software de análisis de visualización tridimensional AVS. Este método se puede utilizar para comprender la estructura real de las rocas a escala milimétrica y centimétrica, utilizando muestras que son cubos de varios centímetros.
Figura 5 Imagen compuesta tridimensional de eclogita metafenocristalina rica en granate en el terreno franciscano de California
a,b—Imágenes tridimensionales obtenidas mediante el método de sección transversal, el el color claro es el fenocristal de granate, el color oscuro es la matriz, compuesta principalmente de onfacita y anfíbol: imágenes tridimensionales obtenidas mediante el método de renderizado estéreo, la matriz se establece en transparente
Para Rocas intrusivas compuestas metamórficas Las muestras máficas y félsicas se pueden distinguir con éxito entre sí, y una animación de la imagen tridimensional puede confirmar la relación de mezcla de las composiciones máficas y félsicas. La imagen tridimensional del componente félsico obtenida mediante el método de representación estéreo muestra su estructura similar a un flujo, como tubos, dendritas y gotas, lo que indica que el magma félsico se introdujo en el magma máfico no consolidado.
En el caso de la eclogita fenocristalina rica en granate, los cristales de granate se pueden identificar a partir de la matriz en función de las diferencias de tono, y el tamaño y la distribución de los fenocristales de granate también se pueden determinar fácilmente a partir de imágenes tridimensionales. en representaciones tridimensionales. También se pueden utilizar imágenes tridimensionales para analizar el contenido mineral real del granate en las eclogitas.
El uso del software de visualización tridimensional AVS y el uso de una serie de métodos CT de secciones de molienda para analizar estructuras rocosas son efectivos para estructuras rocosas que van desde niveles milimétricos a centímetros, pero también existen algunas deficiencias: ① Este método requiere un alto nivel de tecnología de trituración de rocas; ② Después de obtener un conjunto completo de imágenes de secciones transversales, la muestra de roca ya no existe. La tecnología de molienda de precisión submilimétrica desarrollada en este estudio también se utilizará para analizar la composición química de los fenocristales metamórficos de granate mediante síntesis por computadora de imágenes de sondas electrónicas. Este estudio se utiliza para determinar la zonificación de la composición tridimensional real de la roca.
Agradecimientos Un agradecimiento especial al Sr. Tatuya Nikkuni de KGT Co., Ltd. por su entusiasta ayuda en el uso de AVS.
(Traducido por Yao Guoqing, editado por Jiang Zuoqin)
Referencias
[1]D.Shelly.Rocas ígneas y metamórficas bajo el microscopio.Chapman y Hall, 1993.
[2]M.J.Hibbard.Petrografía a petrogenesi.Prentice Hall,1995.
[3]W.D.Carlson y C.Denison.Mecanismo de cristalización de porfiroblastos: resultados de análisis textural cuantitativo computarizado de alta resolución (abs.).Geo1.Sci.Amer.Abs.with Progs.,1996,28,A-54.
[5]T.Ando, S. Omori, Y.Ogasawara y J.B.Noblett.Aplicaciones de la técnica de visualización 3D a la petrología: un ejemplo de roca mezclada con magma (abs.),AGU Eos Abs.with Progs.1994,75.
[6]T .Ando, S.Omori ,Y.Ogasawara.Síntesis de texturas 3D de porfiroblastos de granate en eclogita franciscana.AGU Eos Abs.con Progs.,1995a,76.
[7]T.Ando, S.Omori,Y.Ogasawara y J.B.Noblett.Observación 3D de texturas de rocas con AVS: un ejemplo de roca mezclada con magma (en japonés con resumen en inglés).Bull.Center for Informatics,Waseda University,1995b,20:12～23 .
[8]T.Ando, S.Omori, Y.Ogasawara y J.B.Noblett.Observación 3D de texturas de rocas (abs.).30th Int'l,Geol.Congr.Abs.with Progs.,1995,3.
[9]Y.Arakawa.Rb-Sr edades de los gneis y rocas intrusivas metamorfoseadas del cinturón metamórfico de Hida en el área de Urushiyama, prefectura de Gifu, Japón central.Japan Jour .Assoc.Min.Petro1.Econ.Geol .1984,79:431～442.
[10]R.Coleman y M.A.Lanphere. Distribución y edad de eclogitas y anfibolitas asociadas con esquistos azules de alto grado de Oregon y California.Geol.Soc.Amer.Bull .1971,164:77～91.
[11]M.Cloos.Blueschists in the Franciscan complex of California: restricciones petrogenéticas en el mecanismo de elevación, Blueschists y Eclogitas .Geol.Sci.Amer.Memoir., 1986,164:77～93.
[12]J.B.Noblett y M.W.Stab. Lamprofiro del Proterozoico medio mezclado con diques de última etapa del batolito anorógeno de San Isabel ,Montañas Húmedas,Colorado.Geology,1990, 18:120～123.