沉積岩顯微數字圖像數據的獲取與信息收集標準
| 沉積岩顯微數字圖像數據的獲取與信息收集標準 作者：胡修棉 賴文 許藝煒 張世傑 董小龍 2020年3月23日 |
 胡修棉, 賴文, 許藝煒, 等. 沉積岩顯微數字圖像數據的獲取與信息收集標準[J/OL]. 中國科學數據, 2020. (2020-03-23). DOI: 10.11922/csdata.2020.0008.zh. |
摘要&關鍵詞[編輯]
摘要：岩石是天然產出的具有穩定外形的礦物集合體，是構成地球上層（地殼和上地幔）的主要物質，基於偏光顯微鏡分析的岩相學與顯微圖像研究在地質學研究中一直發揮着不可替代的作用，極大地幫助人類認識地球的規律與奧秘。長期以來，科學家對岩石顯微圖像的採集並沒有形成統一的標準，迄今也沒有統一規格的岩石顯微圖像數據庫。而建立統一的標準和信息錄入格式，有效整合岩石顯微圖像數據，有助於實現其人機共用。本次《岩石顯微圖像專題》以常見的灰岩、砂岩、混積岩等三種沉積岩的顯微圖像數據集建設標準的探索為目標，全面收集可重複觀測的圖像的直接信息和人為判斷或推斷出來的間接信息，然後形成標準的可相互兼容的岩石顯微圖像數據集。本文是專題中數據的採集和處理的主要標準依據。
關鍵詞：岩石顯微圖像；統一的標準；碎屑岩；碳酸鹽岩；混積岩
Abstract & Keywords[編輯]
Abstract: Rock is a naturally-occurring mineral aggregate with a stable shape. Rocks are the main material forming the crust and upper mantle of the earth. The study of petrography and microscopic images by polarizing microscope plays an important role in geology. The petrography and microscopic images offer a better understanding of our earth for human beings. For a long time, geologists have not developed unified standards for the photomicrograph of rocks. Therefore, so far there is no database of rock microscopic images with uniform specifications. The purpose of this special issue of the photomicrograph dataset of rocks is to facilitate better sharing and using for both human and computer. Therefore, a unified standard and information entry format can effectively achieve the effective integration of the photomicrograph dataset. Based on the exploration of comprehensively collecting both direct and inferred information from thin sections of limestones, sandstones, and mixed siliciclastic and carbonate rocks, the standard of compatible photomicrograph datasets of rocks is aimed to be formed. It is also the main standards for data collection and processing in this special issue.
Keywords: photomicrograph; unified standard; siliciclastic rocks; carbonate rocks; mixed siliciclastic and carbonate rocks
概 述[編輯]
岩石是天然產出的具有穩定外形的礦物集合體，是構成地球上層（地殼和上地幔）的主要物質，是構成地球物質的基本組成。根據成因，岩石一般分為火成岩、沉積岩、變質岩三大類。對岩石的描述記錄可以追溯到公元前2000多年著的《山海經》，現代地質學的誕生也是始於200多年前赫頓（J. Hutton，1726–1797）與萊伊爾（C. Lyell，1797–1875）對岩石的描述與成因的「水火之爭」。自Sorby在1880年將偏光顯微鏡引入岩石的研究中，誕生了基於岩石薄片的岩相學學科。岩相學研究在地質學研究中一直發揮着不可替代的作用，在分析測試手段大大發展的今天也不例外。顯微鏡下可以觀察到許多前人看不到的岩石組成及其相互關係的現象，極大地幫助人類認識地球的規律與奧秘。通過偏光顯微鏡拍攝的岩石薄片照片稱為岩石顯微圖像。
長期以來，科學家對岩石顯微圖像並沒有形成統一的標準，迄今也沒有統一規格的岩石顯微圖像數據庫。科學家或者科研團隊僅根據自己的需要和目標來拍攝少量的圖像，置於學術論文或網絡，作為科研成果的一部分或者教學材料。很大原因在於數字圖像拍攝和存儲的限制。隨着近年來數字圖像技術大發展，大規模拍攝和存儲岩石顯微圖像成為了可能。越來越多的數字圖像隨之產生，因而非常有必要統一這些圖像的標準和處理流程。
本次岩石顯微圖像數據集專題建設的目的是方便人機共用，既方便人類讀取與使用，也利於計算機去讀取與利用。前者很好理解，科學家需要更多的數據集來開展對比研究，來用於教學與大眾科普。後者是指伴隨着圖像技術和人工智能技術的蓬勃發展，基於顯微圖像的岩石研究成為了可能。實現這種研究模式的一個重要前提就是要求一定數量的數據集和統一的標準和信息錄入格式，這樣才能更有效地實現這些數據的有效整合。
本數據集主要涉及沉積岩，本文主要研究討論的也是沉積岩顯微圖像數據集的採集與處理標準（圖1）。後續可依次建設岩漿岩、變質岩等岩石類型的採集與處理標準。
圖1 岩石薄片偏光顯微圖像拍照和薄片鑑定主要流程示意圖
1 岩石顯微圖像採集標準[編輯]
1.1 岩石樣品的採集與薄片製作[編輯]
圍繞某一個科學研究目標或者生產實踐需求，首先對要採集樣品的區域或剖面進行調研，選擇出露層位齊全、岩石露頭新鮮，並在區域上具有代表性的位置進行岩石標本的採集。根據研究目標、岩層的厚度、岩性變化和沉積現象等，系統採集各種岩石樣品。
岩石薄片通常由專業的地質服務公司或研究者本人依據岩石薄片標準製作流程，將岩石標本製成可以在偏光顯微鏡下直接觀察的0.03 mm厚的薄片。
1.2 岩石薄片偏光顯微照片的拍攝[編輯]
選取薄片中具有代表性的視域，拍攝單偏光和正交偏光照片至少各1張。若薄片內容複雜，一個視域難以表述典型特徵，則可對多個視域分別拍攝單偏光和正交偏光照片。如果薄片中存在重要的岩石結構、構造等方面的特徵，則可以補充拍攝這些特徵視域，依次編號。按「薄片編號」+「m」+「攝像視域的數字序號」+「正交光符號+或單偏光符號-」，如編號為16BK75的薄片拍攝的單偏光照片和正交光照片分別標記為16BK75m1-，16BK75m1+。
顯微照片的放大倍數以客觀表述薄片特徵為原則，兼顧可識別重要的礦物顆粒、表述重要的結構信息等，每張照片中都加注比例尺，並統一放置於照片的右下角，單位為微米（μm）（如圖2）。拍照時採用自動曝光和自動白平衡，使得肉眼觀察和系統照片顏色儘量保持一致。顯微照片的分辨率統一採用拍照系統的最高值，例如南京大學地球科學與工程學院光學顯微鏡室尼康偏光顯微鏡的攝像系統分辨率為4908×3264像素，圖片統一保存為PNG或JPG格式。
圖2 岩石薄片偏光顯微照片示例岩石薄片編號16BK75，A為正交偏光照片，B為單偏光照片
1.3 岩石薄片的基本信息錄入[編輯]
岩石薄片的基本信息填寫內容見表1，主要包括樣品採集處的行政區劃的地理位置或GPS坐標位置信息，岩石樣品所屬時代與層位等。另外，岩石薄片基本信息記錄中還包括了薄片所有者的姓名與工作單位，和與這些薄片解釋相關的出版文獻ID，以便有進一步研究計劃的同行可以查閱已經發表過的文獻，或聯繫薄片持有者開展未來的合作等。
表1 岩石薄片樣品信息表（示例）
| 出版文獻ID | 地理位置 | 剖面名稱 | 樣品/剖面緯度 | 樣品/剖面經度 | 群/組 | 時代 | 薄片所有者 | ||
| 國 | 省 | 市/縣-村/山/河/湖 | |||||||
| Zhang, S., Hu, X., Han, Z., Li, J., Garzanti, E., 2018. Climatic and tectonic controls on Cretaceous-Palaeogene sea-level changes recorded in the Tarim epicontinental sea. Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology 501, 92-110. | 中華人民共和國 | 新疆維吾爾自治區 | 克孜勒蘇柯爾克孜自治州，阿克陶縣，克孜勒陶鄉，其木干村 | 齊木根剖面b | 38°25′ 56.26″ | 76°23′ 41.86″ | 齊姆根組下段 | 坦尼特階-伊普里斯階 | 胡修棉、張世傑 |
註：「出版文獻ID」為可根據鑑定者的實際需求選填；其餘部分如果存在，則必填。
此外，岩石薄片本身還包含兩部分信息：一是可重複觀測的圖像的信息，例如薄片顯微圖像、以及上文介紹的岩石薄片的基本信息等；另一方面是人為判斷或推斷出的間接信息，例如每一個薄片的描述和定名，對於岩石薄片間接信息獲取的主要參考標準和流程見下文。
2 沉積岩顯微圖像信息收集標準[編輯]
2.1 沉積岩薄片的定名依據[編輯]
岩石薄片的鑑定首先需要依據薄片的觀察結果，將其劃分為不同的岩石類型（圖3）。灰岩（表2）與砂岩（表3）等鑑定表中共有的「岩類」一項是指岩石類型包括「礫岩」「砂岩」「灰岩」「粉砂岩」「泥頁岩」「白雲岩」「蒸發岩」「硅質岩」「混積岩」等沉積岩大類（圖3）。本專刊的岩石類型以灰岩、砂岩為主，混積岩、粉砂岩、白雲岩、泥頁和蒸發岩等僅零星出現，因此，本專刊設計的標準和錄入表格主要是針對灰岩和砂岩等。
圖3 沉積岩基本分類圖
本專刊中灰岩的命名規則，採用Embry和Klovan在Dunham（1962）[1] 的基礎之上所進行修訂後的推薦方案[2] ，主要根據岩石樣品中的顆粒與膠結物含量、顆粒類型、支撐方式以及原地生物的粘結堆積方式進行命名（圖4A）。
對於砂岩的分類命名，採用四組分分類法。首先採用簡化的Garzanti (2016)砂岩分類命名法[3-4] （圖4B），根據石英、長石、岩屑相對含量關係以及含量是否小於10%，直接得到石英砂岩、岩屑石英砂岩、長石石英砂岩、長石砂岩、岩屑長石砂岩、石英長石砂岩、岩屑砂岩、石英岩屑砂岩、長石石英砂岩等9類砂岩的基本名稱。然後依據雜基含量是否超過15%，分為雜砂岩和（淨）砂岩兩類，例如石英（淨）砂岩、石英岩屑雜砂岩等[4] 。這種砂岩分類與定名標準不需要具體估算含量，不僅容易使用，且大幅降低了人為因素產生的誤差。
對於碳酸鹽和陸源碎屑的混合沉積岩，則採用Mount（1985）提出的分類命名方案[5] （圖4C），即依據硅質碎屑顆粒、非碳酸鹽泥、碳酸鹽顆粒和碳酸鹽灰泥四個端元含量的相對多少進行劃分。
圖4 灰岩（A）、砂岩（B）和混積岩（C）分類命名方案灰岩命名方案綜和Embry and Klovan (1971)和Dunham灰岩分類命名法[2]，砂岩採用簡化的Garzanti (2016)砂岩分類命名法[3]，混積岩採用Mount (1985)分類命名法[5]。
2.2 灰岩薄片顯微圖像信息收集標準[編輯]
灰岩的鑑定表首先描述灰岩細分的類型（表2）。綜合國際流行的Dunham 1962分類方法，以及Embry and Klovan（1971）的補充分類，灰岩可分為異地灰岩（具顆粒結構）、原地灰岩（具生物結構）和結晶灰岩（具重結晶結構）三大類（表3）。使用者可按照灰岩類型選擇表頭進行填寫，如具有顆粒結構的異地灰岩僅需填寫顆粒結構部分的表頭（表2）；具有生物結構的原地灰岩僅需填寫生物結構部分的表頭；具有重結晶結構的結晶灰岩要根據結構是否殘餘選擇表頭，對於沒有結構殘餘的重結晶結構則只需填寫重結晶結構表頭。
表2 灰岩（包含混積岩）薄片鑑定表（示例）
| 薄片原始編號 | 岩類（未特殊標註者皆為灰岩） | 岩石名稱 | 顆粒結構或殘餘顆粒結構 | ||||||||||
| 碳酸鹽顆粒類型 | 填隙物類型 | 填隙物含量 | 顆粒支撐關係 | '>2'mm顆粒支撐關係 | |||||||||
| 灰岩：Dunham分類；混積岩：Mount, 1985 | 顆粒類型 | 顆粒含量 | 顆粒總含量 | 顆粒粒度 | 顆粒分選 | 顆粒保存程度 | >2mm顆粒含量 | ||||||
| 15QM01 | 泥晶灰岩 | 海百合碎片 | 5% | 5% | 1–2 mm | 半自形 | 灰泥 | 94% | 基質支撐 | ||||
| 浮游有孔蟲 | <1% | <0.1mm | 自形 | ||||||||||
顆粒粒度、顆粒分選、顆粒保存程度、>2mm顆粒含量為可根據鑑定者的實際需求選填；其餘部分如果存在，則必填。
表2 （續）
| 顆粒結構或殘餘顆粒結構 | 重結晶結構 | 固着生物結構或殘餘生物結構 | 補充描述 | ||||||||||
| >2mm顆粒支撐關係 | |||||||||||||
| 晶粒大小 | 晶粒結構 | 晶粒自形程度 | 主要固着生物類型 | 生物結構 | 生物建造類型（野外觀察） | ||||||||
| 特殊顆粒 | 膠結物組構 | 沉積結構 | 沉積構造 | 成岩作用 | 其它 | ||||||||
| 類型 | 含量 | ||||||||||||
| 陸源碎屑 | 1% | 生物擾動 | |||||||||||
註：「生物結構」（不含）之前的項目如果存在，則必填；其餘部分為可根據鑑定者的實際需求選填。
灰岩中的顆粒粒徑超過2 mm的顆粒含量估計是定名的必要條件，本專刊中顆粒含量計算方法如下：>2 mm顆粒含量與顆粒總含量計算相互獨立，顆粒總含量為樣品中列出的所有類型顆粒含量總和；而>2 mm顆粒含量則是所有類型的顆粒直徑大於2 mm的含量總和。例如某薄片中含有雙殼碎片和有孔蟲，雙殼碎片總含量為20%，其中>2 mm的雙殼碎片含量為5%。有孔蟲總含量為25%，其中>2 mm的有孔蟲含量為10%。那麼顆粒總含量為45%，>2 mm顆粒含量為15%。
灰岩薄片鑑定表（表2）中「顆粒保存程度」一項的分類方案採用余素玉（1989）分類標準[6] （圖5），分為自形，半自形，砂礫級他形，粉級他形；「填隙物類型」則包括泥晶和亮晶，其中泥晶粒度採用Embry和Klovan（1971）灰岩分類方案[2] 中的定義，即粒徑小於0.03mm的方解石顆粒；「晶粒大小」採用曾允孚（1986）灰岩分類的標準[5] ；「晶粒結構」和「自形程度」採用Fridedman (1965)的標準；「生物結構劃分方案」採納Embry和Klovan（1971）灰岩分類中的方案[2] （圖4A）；「生物建造類型」採用曾允孚（1986）灰岩分類[7] 的標準（表2）；「顆粒分選」採用Jerram（2001）的分類[8] ，基於在薄片中體積頻率球體處於對數-正態三維分布，得出的在薄片中表示分選性的視覺比較器，包括分選極好、分選好、分選較好、分選中等，以及分選差等5類（圖6）。
圖5 生屑顆粒保存程度判別標準[6]
圖6 表示岩石薄片分選性的視覺比較器[8]
2.3 砂岩薄片顯微圖像信息收集標準[編輯]
碎屑岩的描述主要側重於顆粒組分（顆粒類型、相對含量等）、填隙物特徵（陸源雜基、灰泥、亮晶方解石等）、特殊的結構構造，成岩作用等（表3）；其中，容易因人而異的顆粒結構（磨圓、分選等）的判斷信息暫時未收錄，這部分信息未來可以藉助計算機人工智能技術，在顯微圖像上依據統一設定的標準進行讀取。
需要注意的是，砂岩薄片鑑定表（表3）中顆粒成分描述部分的「岩屑類型&情況」是填寫顯微鏡下發現的岩屑類型及其在總岩屑中的占比情況，可以用岩屑代號（見表4）進行填寫；「雜基含量」是指粒徑小於0.03 mm的細小碎屑占顯微圖像視域的百分含量[4] ，只需判斷是否存在和含量是否過15%，包括「≥15%」「＜15%」和「不適用」3種下拉選項；「膠結物類型」為選填項，碎屑岩中有可能出現硅質、鈣質、鐵質、黏土質等膠結物；「成岩作用」選填項則用於記錄可能觀察到的壓實作用、壓溶作用、膠結作用、交代作用、重結晶作用、溶解作用等沉積岩成岩現象；為了方便非砂岩薄片顯微圖像收錄或補充描述，此表格專門設計了一項「其他」供學者進行補充填寫。
表3 砂岩薄片鑑定表內容
| 薄片原始編號 | 岩類 | 岩石名稱（Garzanti, 2019） | 顆粒成分描述 | 雜基含量 | 補充描述 | ||||
| 超過10%的主要顆粒 | QFL含量關係式 | 岩屑類型&情況 | 膠結物類型 | 成岩作用 | 其他 | ||||
| 15TY78 | 砂岩 | 岩屑石英砂岩 | Q、L、F | Q＞L＞F | Lv和Lsc絕對主導 | ＜15% | 鈣質 | 生物碎屑和Lsc為內碎屑 | |
註：「補充描述」的內容為可根據鑑定者的實際需求選填；其餘部分如果存在，則必填。
表4 碎屑顆粒縮寫代號參數表（修改自Ingersoll et al. [9] ）
| 縮寫符號 | 英文全稱 | 定義 |
| Qm | Monocrystalline Quartz | 單晶石英 |
| Qp | Polycrystalline Quartz | 脈石英等多晶石英 |
| Q | Total quartz | 石英 (=Qm+Qp) |
| Pl | Plagioclase | 斜長石 |
| Kf | K-Feldspar | 鉀長石 |
| F | Feldspars | 長石（=Pl+Kf） |
| Lv | Volcanic rock fragments | 火山岩岩屑 |
| Lu | Ultrabasic rock fragments | 超基性岩岩屑 |
| Ld | Detrital lithic fragments | 碎屑岩岩屑 |
| Lc | Carbonate lithic fragments | 碳酸鹽岩岩屑 |
| Cht | Chert | 硅質岩岩屑 |
| Ls | Sedimentary lithic fragments | =Lc+Ld+Chert |
| L | Lithic fragments | =Ls+Lv+Lm |
| Lt | Total lithic fragments | =Ls+Lv+Lm+Qp |
| Mat | Matrix | 基質 |
| Acc | Accessory minerals | 重礦物 |
| Cc | Calcite | 亮晶方解石膠結 |
| FeO | FexOy | 鐵質膠結 |
2.4 混積岩薄片顯微圖像信息收集標準[編輯]
陸源碎屑岩中的碳酸鹽組分大於10%，或者碳酸鹽岩中的陸源碎屑組分大於10%才被稱之為混積岩[5] ，故在混積岩的薄片顯微圖像信息收集標準中，必須既要客觀描述其碳酸鹽組分的特徵，又要詳實的記錄其陸源碎屑岩的組分特徵。在本次的標準制定中，我們推薦使用灰岩薄片的顯微圖像信息收集標準來對混積岩進行記錄與表述，這樣決定主要依據以下因素：（1）灰岩的圖像收集信息標準中，對碳酸鹽岩顆粒和膠結物都有較為詳細的統一記錄格式，可以滿足混積岩中關於灰質部分的詳細表述；（2）灰岩圖像收集信息標準中的補充描述部分，提供了特殊顆粒的表頭，不僅可以表述陸源碎屑的含量，還可以對膠結物、沉積結構、沉積構造、成岩作用及其它特徵進行補充，可以滿足陸源碎屑的一般描述；（3）由於碳酸鹽岩的顆粒類型複雜，所以使用灰岩的標準比使用碎屑岩的標準對混積岩信息的描述更為便利全面；（4）雖然混積岩在自然界和地質歷史時期的樣品中都是非常普遍的，但其出現在碳酸鹽岩剖面或者砂岩剖面中時，卻又是相對有少量的，因此將非常有限的混積岩專門挑選出來另建標準，對於使用鑑定報告也會帶來麻煩。
對於混積岩的記錄，首先需要在灰岩鑑定表的「岩類」一項中指明其為混積岩。然後可以根據混積岩分類命名方案（圖4C）對混積岩進行詳細命名。混積岩中的硅質碎屑顆粒、非碳酸鹽泥、碳酸鹽顆粒和碳酸鹽灰泥四個端元的含量是定名的必要條件，因此必須參考灰岩的顆粒與膠結物描述原則進行詳細記錄。而硅質碎屑顆粒與非碳酸鹽泥的表述，需要在補充描述部分的特殊顆粒的表頭下，對陸源碎屑的含量、膠結物、沉積結構、沉積構造、成岩作用及其它特徵（如岩屑組分等）進行記錄。由於碳酸鹽岩和陸源碎屑岩部分的鑑定內容已經在上面進行過了詳細的討論，在此就不再贅述。
2.5 數據的兼容性說明[編輯]
這批岩石顯微圖像數據集以岩石顯微圖像集為主，兼有野外地質信息、岩石薄片信息、岩石剖面信息等數據集共同組成。相對完整的信息集能夠很好地全面展示岩石顯微圖像各個方面的基本信息，這些信息也能有效地協助實現與其他類型的數據集進行關聯或兼容。
這批高清的岩石顯微照片的格式很容易進行相互轉化，依據計算機讀取便利性、儲存方便、科普教學等不同目的可以轉化成各自所需要的圖片格式。
此外，這批數據集存在多個數據接口，能夠很好地和不同領域的研究或應用進行關聯，這種關聯性的兼容將有利於數據集的推廣使用。例如，包含的自然地理位置或GPS可以和大地構造研究或社會生產實踐進行有效連接，而地層單元或時代等信息則可以和地質學基礎研究進行連接。
3 潛在價值[編輯]
這些標準雖然是基於砂岩和灰岩等常見的沉積岩類提出的，但這些標準可以為後面更多其他類型岩石、礦物、礦產等顯微圖像的統一格式與數據共享提供借鑑。
目前收集的信息是一手的原始數據。數據表中包含不同項目列的信息描述，依據這些收集的基本信息，便於對岩石顯微圖像集進行有效分類或篩選。
而地理位置信息以及薄片所有者等內容的提供，便於同行間開展進一步研究或者合作研究，這些數據的公開與共享將利於地學的交叉合作研究和深化研究。
致 謝[編輯]
感謝南京大學地球科學與工程學院胡修棉教授團隊其他成員對顯微圖像數據集建設標準的充分討論與富有建設性的意見。本文受國家傑出青年基金項目（41525007）和國家重點研發計劃（編號：2018YFE0204201）共同資助。
參考文獻[編輯]
