Geochemical software

Опыт — это название, которое каждый дает своим ошибкам.

Оскар Уайльд

Статьи

Опыт применения прикладных графических программ в петрографии

Сейчас повседневная работа минералогов и петрографов не мыслится без персонального компьютера, без применения многих программ пересчетов и т. д. Так сложилось, что специализированное программное обеспечение в области минералогии и петрографии развито слабо, и в основном создается самими исследователями. Между тем существует достаточное количество программных пакетов универсального назначения, а также прикладных программ, которые с успехом можно использовать при решении конкретных геолого-минералогических задач.
Ниже описывается опыт использования компьютера для подсчета количества минералов в петрографических шлифах и аншлифах.

Обычно такие определения делаются либо визуально, при микроскопическом изучении шлифов, либо с применением инструментальных методов. Визуальные методы оценки количественного соотношения минералов в шлифах очень неточны, а инструментальные методы, с использованием различных моделей интеграционных столиков или электронно-оптических установок типа МИУ-3 и ASM, весьма трудоемки [1]. Вместе с тем динамичное развитие современных компьютерных технологий позволяет значительно облегчить эффективное решение подобных задач.
Известно, что применение современных моделей микроскопов с видео-цифровым интерфейсом, а также использование совместно с микроскопами цифровых фотокамер позволяет получить качественные цифровые изображения шлифов различного увеличения, которые можно подвергнуть компьютерной обработке с помощью различных графических программ. Возможности такой обработки достаточно велики и могут быть эффективно использованы для определения количественного соотношения минералов.
Суть метода заключается в определении отношения суммы площадей зерен определенных минералов к общей площади шлифа в процентном выражении. Для измерения площадей на цифровом изображении шлифа можно воспользоваться бета-версией программы Scion Image 4.0.2 американской корпорации Scion, производящей видео-кодеки для микроскопов. Сама программа доступна для свободного скачивания на корпоративном сайте www.scioncorp.com. Эта программа интересна тем, что позволяет производить различные измерения выделенных графических объектов, в том числе и измерять их площади [2].
Перед использованием Scion Image необходимо подготовить графический файл изображения шлифа согласно требованиям программы. Дело в том, что программа может производить измерения только контрастных однородных графических объектов, размером не более 500х500 пикселей (большие изображения программа не обсчитывает). Поэтому наиболее целесообразно преобразовать исходное изображение шлифа в контрастный черно-белый файл требуемого размера в режиме "градации серого" формата TIFF. Эти преобразования можно сделать и в самой программе Scion Image, все необходимые для этого инструменты в ней есть, но для тех, кто владеет навыками работы с известным графическим пакетом Adobe Photoshop, подготовку файла удобнее будет производить именно в нем.

Внимание: программа Scion Image не может отрывать файлы, длина имени которых превышает 8 символов (без учета расширения).

Смысл и последовательность преобразований проще всего проиллюстрировать на конкретном примере.

 

 

На рис.1 показано исходное изображение шлифа шпинель-пироксеновой породы, полученное с помощью микроскопа Axiolab фирмы Carl Zeiss с цифровым видео-интерфейсом. Размер изображения 340х255 пикселей, разрешение 72 пиксель/дюйм, режим - RGB. В данном случае размер изображения соответствует допустимым параметрам и не требует корректировки, но большинство цифровых камер, применяемых в микроскопии, создают изображения достаточно больших размеров, превышающие максимально допустимые, поэтому их нужно уменьшить до требуемых величин.
Как можно судить по фотографии шлифа, данная порода образована двумя минералами. Основная масса сложена светло-зеленым агрегатом зерен клинопироксена, в котором располагаются крупные идиоморфные зерна темно-зеленой шпинели. Так как шпинель и пироксен значительно отличаются друг от друга по цвету и насыщенности окраски, то, используя инструмент Adobe Photoshop "Волшебная палочка", или задав интервал цвета, можно легко выделить зерна шпинели. После этого создаем новый прозрачный слой, на котором заливаем выделение черным цветом (рис. 2). Инвертируем выделение, выбирая тем самым пироксеновую массу, и, создав новый слой, заливаем выделение белым цветом. После этого удаляем самый нижний слой с исходным изображением (или заливаем его белым цветом), выполняем слияние оставшихся слоев, переводим в режим "градации серого" и сохраняем в формате TIFF. Файл для обсчета программой Scion Image создан (рис. 3).
Для наглядности был использован простой пример породы, состоящей только из двух минералов. На практике количество породообразующих минералов может быть гораздо больше. В этом случае выделение каждого минерала следует сохранять на отдельном слое и для обсчета создавать черно-белые файлы для каждого минерала, используя поочередно при слиянии слоев пустой белый слой и слой выбранного минерала (рис.4).

 

 

Получив черно-белый файл, можно приступать к измерениям площадей. Последовательность действий здесь может быть следующая:


  1. Запускаем программу Scion Image.Загружаем подготовленный черно-белый файл в программу командой Open меню File (рис. 5) и с помощью команды Set Scale... меню Analyze устанавливаем единицы измерения. В принципе они могут быть любыми (от километров и миль до нанометров), но в данном случае лучше всего выбрать пиксели.
  2. Измеряем общую площадь изображения в пикселях с помощью команды Measure из того же меню Analyze. Результат измерения отображается в окне Info в строке Area (рис. 6). Записываем результат.
  3. С помощью команды Treshold из меню Option устанавливаем градиент обсчета, после чего снова производим измерения командой Measure из меню Analyze. В данном случае измеряется общая площадь только черных областей изображения. Результат смотрим в строке Area окна Info.

 

 

 

Собственно, на этом измерения заканчиваются. Содержание минерала в породе (черные области - зерна исследуемого минерала, белый фон - вмещающая масса) вычисляется по формуле:

C=BA/(TA/100)

где С - содержание минерала в %, TA (Total Area) - общая площадь изображения, BA(Black Area) - общая площадь черных областей. В рассмотренном примере площадь, а значит и содержание в шлифе зерен шпинели составляет 40.6%. Соответственно содержание пироксена в шлифе составляет 59.4%.
При желании можно получить расшифровку измерения площади каждого зерна. Для этого после установки градиента обсчета Treshold файл нужно перевести в бинарный режим с помощью команды Binary/ Make binary из меню Process. Затем с помощью команды Option из меню Analyze устанавливаем максимальное количество измерений Max Measurements - 8000 и по необходимости - другие опции, а затем производим измерение площади каждого зерна с помощью команды Analyze Particles... из меню Analyze. Результаты выводятся в отдельном окне Result с помощью команды Show Results из меню Analyze. Эти результаты могут быть скопированы и вставлены в таблицу MS Exel с помощью команды Copy Measurement из меню Edit для дальнейших пересчетов. С помощью этого метода можно подсчитать общее количество зерен в образце, но при суммировании площадей зерен общая цифра получается немного больше, чем при измерении общей площади черных областей, т.к. при этом не учитывается наличие мелких пустот в крупных зернах. Минимальный размер зерна при этом методе - 1 пиксель, максимальное количество измеряемых зерен - 8000. Площадь отдельного зерна удобно измерять, предварительно выделив его инструментом Magic Wand, а затем использовать команду Measure из меню Analyze.
Как уже говорилось, с помощью программы Scion Image можно также измерять расстояния между объектами, периметры выделенных областей, углы и многое другое. Данная программа служит хорошим дополнением к Adobe Photoshop в качестве измерительного инструмента.
Точность описываемого метода определения количественного соотношения минералов в шлифах намного превосходит точность традиционных методов и зависит от точности выделения зерен минералов на этапе подготовки рабочих графических файлов.
Однако не следует забывать, что при данном методе измеряются только видимые площади зерен на произвольном сечении шлифа, которые могут не соответствовать истинным геометрическим размерам зерен исследуемых минералов, а потому величина количественного соотношения минералов, измеренная в шлифе не может являться абсолютно точной для всего объема породы. Этот недостаток метода является общим и принципиальным для всех оптических методов гранулометрического анализа [1]. Он устраняется подсчетами в возможно большем количестве разноориентированных шлифов.

ЛИТЕРАТУРА

  1. Методы минералогических исследований: Справочник. Под ред. А.И.Гинзбурга. - М.: Недра, 1985. 480 с.
  2. Scion Image for Windows. Manual Guide. Scion corp. 2000. 107 с.

    Скачать программу Scion Image можно в разделе Дополнительные материалы Файлового архива

Библиографическая ссылка на эту статью: Кориневский Е.В. Опыт применения прикладных графических программ для определения количественного соотношения минералов в шлифах горных пород // Материалы пятых Всероссийских научных чтений памяти ильменского минералога В.О. Полякова. Миасс: ИМин УрО РАН, 2004. С. 60-65.