虹科案例|太赫兹应用于岩石形貌检测

岩石是地质历史时期发生的地质事件的产物，是地球和行星历史的实物 “档案”。因此，对岩石的特征、时空分布规律、形成时的物理化学环境和岩石成因过程的研究，可以为解决有关地球乃至太阳系形成和演化历史的重大问题作出贡献。

除此以外，岩石广泛应用于人类生产生活，比如建筑物使用的石块、水泥、混凝土、沥青等材料，对建筑岩石类材料的检测有助于评估建筑材料的质量，保证建筑的安全性和可靠性。

图1 多种岩石

另一方面，矿石也是岩石，人类社会赖以生存的矿产资源就赋存在岩石之中，而岩石的性质对人类赖以生存的地下水、油气资源的赋存状态以及地表的地质作用、地质灾害都有重要影响。

因此，对各类岩石的研究，不仅是认识地球的需要，也是实现资源的永续利用、预防和减轻地质灾害、保护人类的生存环境、促进人类社会可持续发展的需要。

岩石是富含孔隙和裂缝的天然多孔材料，孔隙裂缝的存在直接影响着岩石的宏观物理性质和化学性质。在分析岩心材料时，感兴趣的岩石物理特征是渗透率、润湿性、孔隙度和孔径分布。岩石结构表征的方法包括场发射扫描电镜（ＳＥＭ）、岩心压汞法、气体吸附法、核磁共振技术法、Ｘ射线断层扫描法等。

图2 SEM得到的岩石孔隙图

其中扫描电子显微镜（SEM）提供了这些成像技术的最高分辨率，低至几纳米/像素，可以生成2D和3D岩石图像，并使用图像处理方法测量孔隙率和孔径分布。虽然大型平铺2D-SEM（孔大于~5 nm）和激光扫描共聚焦显微镜（孔大于~200 nm）图像可以高分辨率拼贴，以保持对整个岩石面成像的能力，但这些图像的处理通常非常复杂，具有挑战性，导致数据收集和量化之间的周转时间较慢。

太赫兹技术在过去30年中取得了长足的发展，太赫兹波具有优异的穿透性，根据样品的材料特性，不同比例的脉冲将被散射、反射、吸收或透射。发射脉冲由光谱仪检测，但也可以通过对检测到的时间相关信号执行傅里叶变换来找到频谱中的吸收和散射频率。该方法已应用于化学品调查，艺术品修复，组织和植物的含水量、检测次表面缺陷，以及用于安全应用的成像。

图3 太赫兹波

太赫兹成像相对于可见光和Ｘ射线具有非常强的互补特征，特别适合于可见光不能透过而Ｘ射线成像的对比度又不够高的场合．此外，太赫兹波的光子能量极低（１THz约4.1meV），没有Ｘ射线的电离性质（光子能量在keV量级），不会对材料造成破坏，而且其穿透力强，是非接触性的检测，自动化程度较高。因此，许多研究人员通过太赫兹技术实现了对碳酸盐岩（石灰火山岩）、建筑学的水泥基材料进行了相关研究，对岩石学和建筑学材料提供了新的技术尝试与结论。

1. 碳酸盐岩研究

石灰石也被称为印第安纳石灰岩，起源于密西西比纪，也被称为下石炭纪(约3.6 - 3.2亿年前)，由约98%的CaCO3和微量(低于2%)的MgCO3、SiO2和Fe3O4组成。石灰石是油气工业中一种重要的材料，在中尺度上具有典型的非均质性。由于CaCO3在酸性条件下的固有溶解度，石灰石可以形成复杂的孔隙网络。碳酸盐岩储层，包括石灰岩储层，约占世界石油资源的60%，还有额外的气藏潜力。

在石油化工行业，精确测量岩心样品中的微孔隙度及其分布，特别是碳酸盐岩储层的微孔隙度分布，已经引起了人们的极大兴趣，因为研究表明，在一次和二次枯竭之后，大部分残余油和旁路油可能存在于这些孔隙中。

中国石油大学通过常规的光学显微镜与SEM技术得到岩石表面孔隙的图像。孔隙的尺寸约为几百μｍ 至２ｍｍ，孔隙形状既有圆形、方形，也有长条形，孔隙与孔隙之间还存在部分连通现象。该样品表面形貌属于多孔型安山岩。

图4 火山岩的光学显微镜图像与不同分辨率的SEM图像

随后他们通过反射式太赫兹光谱成像系统获得火山岩表面的太赫兹时域光谱．提取火山岩不同位置扫描点的太赫兹时域光谱峰值，并与扫描点的位置坐标进行一一对应，得到反射式光谱投影图像．实验 结 果 表 明：在火山岩的孔隙处太赫兹波发生散射及衍射效应，孔隙处比其他处有更多损耗，太赫兹反射波的强度相差较为明显，因此可以利用反射式太赫兹光谱成像技术表征火山岩的孔隙形状和分布。

图5  火山岩样品采样三点的太赫兹时域光谱与基于时域光谱极小值的反射式光谱成像图

除此以外，麻省理工学院利用太赫兹光谱中显著的吸水率与比太赫兹波长小两个数量级(<1μm)的孔隙相互作用。太赫兹对水的灵敏度提供了岩石样品的脱水剖面，结果表明，该剖面与岩石微观孔隙度与宏观孔隙度之比呈线性相关关系。

近期，美国的伍斯特理工学院在Scientific Reports上发表了太赫兹用于岩石检测的最新文章。其工作流程首次展示了使用太赫兹-TDS来绘制和量化碳酸盐岩孔隙度，碳酸盐岩孔隙大小分布具有双峰特征，其中含有大量的微孔隙。除了绘制微孔隙度空间变化的能力外，与行业标准MICP分析相比，THz-TDS在dp < 1 μ m(石油工业地层评价的阈值)处获得的微孔隙度相对量之间的良好一致性，为THz-TDS作为特殊岩心分析工作流程的一部分提供了有价值的碳酸盐岩微孔隙度分布定量信息提供了极大的信心。

图6 样品(4 mm厚)的衰减和衰减差太赫兹图作为所有样品数据的代表性示例。(a)饱和、离心和干燥样品的照片(b-d)归一化衰减图，以及饱和与干燥、饱和与离心、离心与干燥之间的衰减图(e-g)差值图，以表示饱和孔隙、大孔隙(dp > 1µm)和微孔隙(dp < 1µm)的空间变化。

太赫兹能够无损穿透各类岩石，深入到内部反馈出内部的孔隙度等信息，弥补了其他检测技术的损伤、步骤繁琐等技术空白，为石油存储相关岩石的研究提供了有力的技术手段。

2. 水泥基研究

水泥基材料是建筑行业应用最为广泛的材料之一，是必不可少的墙体材料。其强度和耐久性是最重要的性能指标，它们与水泥的水化程度以及材料的微观结构密切相关。因此，对水泥基材料的水化程度、微观结构以及耐久性的检测，尤其是无损检测，具有重要的现实意义。水泥基材料的微观结构,尤其是孔结构,对于其性能有重要的影响。因此,对水泥基材料微观结构的检测是建立水泥基材料性能和结构关系的关键。

Shuj ie Fan 等[3 4]于2017年利用太赫兹成像技术研究了加或不加超高分子量聚乙烯纤维的两种水泥砂浆在受荷载作用下裂纹的扩展情况。样品厚度为 8 mm,直径为 1 00 mm。研究显示,使用太赫兹成像可以提供水泥砂浆中固有的裂缝以及缺陷的信息。太赫兹成像技术也可以用于观察水泥砂浆在受荷过程中裂缝的扩展过程。并且,聚乙烯纤维对于水泥砂浆的抗裂效果也可以在太赫兹成像图中反映出来。如图8 所示,通过比较太赫兹时域和频域成像,为了取得信噪比和空间分辨率的平衡,实验发现0.2 THz 是最佳频率。文章最后指出,利用水分对太赫兹波的强吸收特性,可以使得有水存在或渗透的裂缝在太赫兹成像图中更加明显,这一发现对于未来将太赫兹成像技术用于水泥基材料的非接触式无损检测是十分有用的。

图7 样品时域图和频域图的对比：(a)水泥砂浆样品;(b)太赫兹波时域图;(c)频率为 0.1THz 的成像图;(d)频率为 0.2 THz 的成像图;(e)频率为 0.5 THz 的成像图

利用太赫兹对非金属建筑材料(水泥、砂子、砖等)有较强的穿透性和对金属材料(钢筋)较强的反射性,可以用来检测混凝土内部钢筋的直径和位置。毕凌志等[3 7]的研究结果表明,太赫兹波可以对直径不小于6 mm的钢筋进行准确定位,检测分辨率达到 6 mm,检测精度达到 1 mm,可以满足实际工程精度要求。

图8 检测模型实物图与不同深埋位置钢筋的太赫兹测试结果

利用不同材料对太赫兹波不同的吸收特性,太赫兹技术可以用来观察分析水泥基材料的微观结构,尤其是不同组成成分的分布情况,但是由于太赫兹波波长的限制,它的空间分辨率较低。然而,目前已经有研究证实可以获得亚波长的太赫兹波空间分辨率,因此未来使用太赫兹技术研究水泥基材料的微米甚至纳米级微观孔结构或将成为可能。

虽然水对太赫兹波的强吸收特性会导致太赫兹波的衰减,但是利用这种特性可以提高太赫兹成像图中含水裂缝、缺陷的对比度,这对于灵敏、有效地观察裂缝、缺陷很有帮助。混凝土的耐久性问题大多与水分或孔溶液的迁移有关，因此，利用这一特性，有助于实现使用太赫兹波对混凝土耐久性能的无损检测。

3. 虹科太赫兹成像方案

虹科提供不同波段、不同成像方法以及不同应用场景的太赫兹成像检测方案，可用于岩石类样品内部微观形貌的检测研究，以及用于现场检测的相关便携式设备的开发。

虹科亚太赫兹多功能雷达：

基于GaAs肖特基二极管倍频器原理的FMCW雷达。150G的输出波段对岩石类材料具有优异的穿透性，实验测试可穿透厚度为10cm的混凝土样品；FMCW技术原理能够采集深度信息，能够获得岩石不同深度位置的裂缝、孔隙等形貌信息，空间分辨率2mm；还有厚度测量与材料识别功能；紧凑单体结构，可集成机械臂，适合实验室、现场检测等多种应用环境。

虹科TeraEyes-HV实时成像系统：

多功能、实时太赫兹成像系统，适用于全场高分辨率应用。基于量子级联激光器原理的高频段（2~5THz）太赫兹源，具有250um的最优分辨率，实现细节的高分辨探测；太赫兹相机每秒采集50帧图像，可实现岩石类样品的实时穿透成像，查看内部缺陷情况，并最终可实现三维重建效果。

TeraScan 100：

基于 FMCW 雷达技术的深度 3D 亚太赫兹扫描仪，完整成像方案。120G的输出波段能够有效穿透岩石类样品，实现对样品内部的检测；x-y-z 机动平移台上，可扫描 300x300mm 的大样本，非常适合建筑墙体材料的采样研究；结合定制设计的可互换光学元件，能够提供 1.8mm 的空间分辨率；内部开发的雷达信号处理算法在 100 ms 的单次测量中允许超过 60 dB 的动态范围，实现对岩石类样品的深度成像，查看其表面之下的缺陷及各类形貌信息。

参考文献：

【1】詹洪磊,李依岑,王焱,等. 火山岩的反射式太赫兹光谱成像实验研究[J]. 物理实验,2019,39(4):23-27.

【2】Heshmat B ,  Andrews G M , Naranjo-Montoya O A , et al. Terahertz scattering and water absorption for porosimetry[J]. Optics Express, 2017, 25(22):27370.

【3】Bouchard J ,  Eichmann S L ,  Ow H , et al. Terahertz imaging for non-destructive porosity measurements of carbonate rocks[J]. Scientific Reports.

【4】FAN S J,LI T C,ZHOU J.Terahertz non-destructive imaging of cracks and cracking in structures of cement-based materials[J].AIP ADVANCES,2 0 1 7,7(11):115 2 0 2.

【5】毕凌志,袁明辉,朱亦鸣.利用太赫兹波检测建筑物内钢筋的方法[J].红外与激光工程,2 0 1 9,48(1):1 6 1-1 6 7.

【6】王志国, 李翔宇, 康凯,等. 太赫兹技术在水泥基材料研究中的应用[J]. 材料科学与工程学报, 2022(001):040.

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