ГЕОЭКОЛОГИЯ. ИНЖЕНЕРНАЯ ГЕОЛОГИЯ. ГИДРОГЕОЛОГИЯ. ГЕОКРИОЛОГИЯ, 2014, № 5, с. 450-456
ГРУНТОВЕДЕНИЕ
УДК 624.131
АНАЛИЗ СТРУКТУРЫ ГРУНТОВ КОМПЛЕКСОМ РАСТРОВЫЙ ЭЛЕКТРОННЫЙ МИКРОСКОП - РЕНТГЕНОВСКИЙ КОМПЬЮТЕРНЫЙ МИКРОТОМОГРАФ (РЭМ-цКТ)
© 2014 г. Л. Г. Булыгина, В. Н. Соколов, М. С. Чернов, О. В. Разгулина, Д. И. Юрковец
Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, геологический факультет, Ленинские горы, 1, Москва, 119991 Россия. E-mail: sokolov@geol.msu.ru
Поступила в редакцию 4.04.2014 г.
Рассмотрен метод анализа структуры дисперсных грунтов комплексом растровый электронный микроскоп - рентгеновский компьютерный микротомограф (РЭМ - цКТ) и методика его реализации, основанная на возможности объединения результатов макро- и микроструктурных исследований в единый массив данных с помощью ПО "СТИМАН". Опробование данной методики при исследовании многочисленной коллекции грунтов разного возраста, генезиса и степени литифи-кации позволило, помимо микропор, выявить категорию макропор и оценить их вклад в общую пористость, что существенно повысило точность исследований структуры порового пространства глинистых грунтов.
Ключевые слова: микроструктура, макроструктура, глинистые грунты, растровая электронная микроскопия (РЭМ), рентгеновская компьютерная микротомография (^КТ), количественный анализ структуры.
ВВЕДЕНИЕ
Для получения корректной информации о строении грунтов необходимо проводить исследование на разных масштабных уровнях. На макроуровне выявляют все особенности строения породы в образце, видимые невооруженным взглядом, т.е. визуально, а на микроуровне - структурные элементы, различаемые с помощью микроскопов. Границей между макро- и микроуровнями является разрешающая способность человеческого глаза - 0.1 мм [2]. Особо важен такой подход при изучении грунтов с неоднородным строением, изобилующих наличием макро- и микротрещин, крупных включений песчаных зерен, гравия, фрагментов макро- и микрофауны.
КОЛИЧЕСТВЕННЫЙ АНАЛИЗ МИКРОСТРОЕНИЯ С ПОМОЩЬЮ РАСТРОВОЙ ЭЛЕКТРОННОЙ МИКРОСКОПИИ
Наиболее информативный метод изучения микроструктуры грунтов в настоящее время -растровая электронная микроскопия (РЭМ). По РЭМ-изображениям можно не только качествен-
но характеризовать микроморфологические особенности грунтов, но и получать количественную информацию о микроструктуре. С этой целью В.Н. Соколовым, Д.И. Юрковцом и О.В. Разгули-ной разработано специализированное программное обеспечение "СТИМАН" для количественного анализа микроструктуры грунтов [3]. С помощью ПО "СТИМАН" можно учитывать полидисперсность грунтов, анализируя серию разномасштабных изображений (рис. 1). В результате могут быть получены данные о размере, форме и ориентации структурных элементов (пор и частиц); построены кривые распределения структурных элементов по размеру, форме, площадям; оценено количественное содержание различных категорий пор (от ультратонких <0.1 мкм до крупных мик-ропор 10-100 мкм), а также определен ряд других характеристик [3].
При малых увеличениях в РЭМ (до х100 крат) исследуют лишь небольшие участки поверхности (до 25 мм2), что явно недостаточно при изучении грубодисперсных грунтов и грунтов с неоднородным строением, поэтому данные количественного анализа в этом случае не вполне достоверны, так как невозможно оценить вклад более крупных
Рис. 1. Серия разномасштабных РЭМ-изображений для количественного анализа микроструктуры образца тяжелой глины 1,ох.
структурных элементов, играющих существенную роль при деформационных воздействиях на грунт. Учитывая, что при исследованиях в РЭМ априори выбирается наименее нарушенный фрагмент образца (например, заключенный между трещинами или более крупными гравелистыми зернами), полученные количественные данные часто характеризуют участок образца с заведомо более однородной микроструктурой. Одно из решений этой проблемы - изучение строения грунтов на образцах большего размера с помощью рентгеновской компьютерной микротомографии.
РЕНТГЕНОВСКАЯ КОМПЬЮТЕРНАЯ МИКРОТОМОГРАФИЯ
В последние годы в практике изучения строения грунтов появился метод рентгеновской компьютерной микротомографии (цКТ) - нераз-рушающий метод получения объемной модели структуры образца. Микротомография позволяет изучать образцы большего размера и различать внутри образца более крупные структурные элементы, такие как макропоры, трещины, различные по плотности и составу участки образца, а также включения и их скопления. К сожалению, разрешающая способность современных микротомографов много ниже, чем у РЭМ, и не превышает нескольких микрон.
Метод цКТ основан на различном поглощении рентгеновского излучения структурными элементами образца, которое зависит от их химического состава и плотности. В результате компьютерной реконструкции данных томографической съемки (рис. 2, 1) получают набор виртуальных сечений - полутоновых изображений (цКТ-изоб-
ражений), на которых оттенки серого цвета отображают распределение рентгеновской плотности в образце (рис. 2, 2). Объемное представление данных реконструкции с помощью специального программного обеспечения позволяет визуализировать и количественно оценить структуру по-рового пространства на макроуровне (рис. 2, 3). Примеры объемных моделей структуры поро-вого пространства образцов глинистых грунтов при увеличении 32 раза, на которых видны поры крупнее 30 мкм, представлены на рис. 3.
МЕТОДИКА ИЗУЧЕНИЯ СТРОЕНИЯ
С ПОМОЩЬЮ КОМПЛЕКСА РЭМ - цКТ
Учитывая изложенное, авторы предложили методику изучения структуры образца, позволяющую учитывать как микро-, так и макроструктур-ные особенности грунта.
Существует много вариантов программного обеспечения для количественной оценки цифровых изображений. Авторы использовали ПО "СТИМАН", так как оно позволяет объединять разномасштабные структурные характеристики, полученные с помощью РЭМ и цКТ, и проводить количественный анализ структуры по суммарному массиву данных. В результате количественный анализ проводится по серии РЭМ- и цКТ-изобра-жений при разных увеличениях, которые меняются в геометрической прогрессии с коэффициентом 2 (от х4 до х32 000). При этом изучаются представительные образцы размером до 5 х 5 х 10 см3. Таким образом, в ходе исследования могут быть получены количественные данные о структуре образца, включающей как макро-, так и микроструктурные элементы.
Рис. 2. Способы представления данных цКТ образца тяжелой глины J3ox: 1 - объемная реконструкция строения образца; 2 - цКТ-изображение случайного сечения образца; 3 - объемная модель структуры порового пространства.
В качестве аппаратной базы авторами использовались растровый электронный микроскоп LEO 1450VP (Германия) и рентгеновский компьютерный микротомограф Yamato TDM-1000H-II (Япония), полученные в рамках реализации Программы развития МГУ им. М.В. Ломоносова.
ОСОБЕННОСТИ ПОДГОТОВКИ ОБРАЗЦА ДЛЯ цКТ-ИССЛЕДОВАНИЙ
Разрешение получаемых изображений зависит от правильного подбора параметров съемки, мощности компьютерной техники и возможностей программного обеспечения. Иначе говоря, цена достижения высокого разрешения - существенное увеличение времени, затраченного на съемку и анализ результатов, и огромные объемы компьютерной памяти, необходимые для хранения и обработки информации, поэтому возникает необходимость поиска разумного компромисса при выборе параметров съемки для решения рутинных задач.
С другой стороны, помимо вышеописанных технических сложностей существенное значение имеет способ подготовки образца к съемке. В первую очередь это обусловлено влиянием диаметра образца на четкость и разрешение конечного изображения. Микротомограф позволяет снимать образцы при любом увеличении, однако наилучший результат достигается, если диаметр образца немного больше области съемки. При уменьшении области съемки относительно размера образца возрастают количество шума и число различных артефактов при обработке сигнала, что в итоге приводит к получению размытого и менее контрастного изображения (рис. 4), поэтому для получения качественных изображений с высоким разрешением при разных увеличениях необходимо соответственно исследовать образцы определенного диаметра (табл. 1).
Обычно компьютерная томография позиционируется как метод, не требующий какой-либо предварительной подготовки образца. Тем не менее, при изучении влажных глинистых грунтов
а б в г
1мм 1мм 1мм 1мм
_I I_I I_I I_I
Рис. 3. Объемные модели структуры порового пространства глинистых грунтов: а - глина тяжелая С3к; б - суглинок тяжелый К[Ь; в - суглинок тяжелый gIdns; г - глина легкая 1ЫПш1к.
Рис. 4. цКТ-изображения образов глины ^3ох) разного диаметра при 64-кратном увеличении: а - 3 мм; б - 5 мм; в - 10 мм.
Таблица 1. Оптимальные диаметры образцов для съемки при разных увеличениях
Увеличение Диаметр образца, мм Линейный размер вокселя, мкм
х4 45-50 87.9
х8 25-30 43.9
х16 12-15 22.0
х32 6-10 11.0
х64 3-5 5.5
х125 2-3 2.8
необходимо исключить изменение структуры образца вследствие их усадки во время съемки, которая в среднем может длиться более 30 мин. Этого можно добиться двумя путями. Первый заключается в герметизации образца, например, пленкой или парафином. Этот вариант прост, а
для крупных образцов единственно возможный. Второй способ - консервация структуры образца с помощью вакуумной морозной сушки. Однако в связи с особенностями подготовки образца в этом случае его диаметр не должен превышать 5-6 мм. Влияние присутствия влаги в образце на результаты цКТ-исследования отображено на рис. 5. Сравнение результатов съемки влажных образцов и образцов после вакуумной морозной сушки показывает, что более четкие и контрастные изображения получаются во втором случае.
Таким образом, для получения наиболее корректных результатов предлагается следующая методика подготовки образцов для количественного анализа их строения (рис. 6). Сначала из монолита грунта с естественной влажностью вырезаются образцы разного диаметра для изучения их строения с помощью микротомографа и получения изображений при увеличениях до х125 крат.
Рис. 5. цКТ-изображения образов тяжелого суглинка (К1Ь) различной влажност
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.