陜西乾陵臺地球動力學觀測硐室的紅外熱成像

楊小林 何斌

摘要：以陜西乾陵臺為例，采用紅外熱像儀對引硐、NS和EW向硐室襯砌的溫度進行測量和熱成像。結果表明：引硐為高溫段，隨著不斷深入，溫度以近線性的趨勢從207℃下降至148℃;NS向硐室溫度比EW向略高，平均分別為135℃和131℃，但二者整體變化皆穩定均勻。各區段內溫度存在小幅的波動現象，某些局部區域個別測點的溫度較離散;而同一測點處襯砌和空氣的溫度并不一致，存在較大差異。硐室E端處的熱像圖顯示頂拱的溫度普遍高于側壁。

關鍵詞：陜西乾陵臺;熱彈性形變;硐室氣溫;圍巖溫度;紅外熱成像

中圖分類號：P315725;TN219?? 文獻標識碼：A?? 文章編號：1000-0666（2019）03-0411-08

0 引言

GPS、重力、地形變和斷裂蠕變等觀測手段可以為相關地球動力學研究提供重要的觀測數據，但其觀測值往往是構造運動、地潮、地震、氣象、水文和環境等諸多因素影響下的綜合物理量。其中，溫度動態變化（以下簡稱溫變）導致物質的熱脹冷縮，是影響觀測儀器和地殼形變的重要因素之一（Harrison，Herbst，1977;劉冠中等，2014;譚偉杰等，2017）。2009年意大利L′Aquila MW61地震前約2個月，氣溫在兩周內持續下降近25℃，導致震源區80 km范圍內29個GPS測站的水平向產生形變，最大達297 mm。若不考慮溫變對地表形變的影響，該瞬時形變異常則被誤判為主震前的MW59慢地震事件（Borghi et al，2016;Amoruso et al，2017a）。因此，定量分析溫變的準確影響量，對進一步厘清和理解上述物理信號的物理本質具有十分重要的現實意義。

相比地表，溫變較小的硐室是較為理想的觀測場地。目前，根據《地震臺站建設規范地形變臺站》（DB/T81—2003）的要求，地球動力學觀測硐室的建設規范要求硐室覆蓋層厚不小于40 m，室溫的年變和日變幅度分別不超過05 ℃和003 ℃。然而滿足了該要求，是否就能消除溫變所引起的熱彈性形變呢？針對這一問題，近年來國內外許多學者開展了不少定量的分析工作。對于觀測儀器，溫變有直接的不利影響（Beavan，Bilham，1977;古澤保等，1993;Lee et al，2001;Amoruso et al，2017b）。以硐體應變儀為例，盡管其銦鋼棒的熱膨脹系數小于等于2×10-7/℃，但05 ℃的溫變最大仍能引起1×10-7的干擾（李家明等，2009）。而溫度對硐室圍巖影響的量級則更加顯著（寺石眞弘等，2009;Ben-Zion，Allam，2013;狄樑等，2017），在周年尺度上，孫玉軍等（2008）利用熱固耦合方法，通過數值模擬得出硐室溫度年變02 ℃便可導致圍巖1×10-7量級的形變;在年際尺度上，Venedikov等（2006）采用貝葉斯方法，分析了西班牙蘭薩羅特（Lanzarote）地球動力學觀測臺硐室氣溫長期變化對圍巖的影響，結果顯示硐室溫度上升1 ℃就會引起約36×10-7的張應變，反之壓縮。由上可見，即使微小的硐室溫變，對儀器和圍巖的綜合干擾也不容忽視。

由于許多硐室覆蓋層的實際厚度遠小于40 m，且不同部位覆蓋層的厚度不盡相同（寺石眞弘等，2009），而硐室末端還具有熱匯聚和熱擴散效應;外界氣象等干擾因素在不同時間尺度上，會出現非規律性的劇烈變化。這些客觀因素，會導致硐室溫度的分布不均和大幅變化，同時也進一步加劇了溫度影響的復雜度。而在實際觀測中，通常只在硐室內架設一個溫度計，這顯然無法真實反映整個硐室的溫度場及其動態變化。雖然可以根據硐室的布局對熱傳導模型進行相應簡化，并將硐室內單點實測的溫度數據作為參考，計算得到硐室的理論溫度場，但該方法需要硐室內多個測點的溫度數據以對比實證（Yamazaki，2013）。因此，要合理約束并進一步完善硐室溫度場的數學、物理和數值模型等，就需要實測硐室不同區段的溫度分布，這對準確計算熱彈性的形變量至關重要。

傳統的硐室溫度觀測方法局限性很大，難以對硐室進行超密集溫度臺陣觀測，因此不足以揭示硐室溫度分布及變化的全貌。而紅外熱成像技術可以將物體發射的紅外信號轉換成直觀的溫度云圖，具有測量速度快、精度高、密度大和非接觸等優點，已被廣泛應用于隧道圍巖、巖土體和火山等溫度場測量領域（田寶柱等，2016;Bonaccorso，Calvari，2017;夏浩等，2017;Liu et al，2018），但在地球動力學觀測硐室的溫度測量方面還鮮有開展。

陜西乾陵臺位于鄂爾多斯塊體西南緣，其觀測數據有助于區內構造運動、地潮和震源過程等地球動力學問題研究。然而，該臺硐室覆蓋層的最大厚度僅約20 m，硐室溫度變化較不穩定，且僅能觀測硐室內一點的氣溫變化。鑒于以上不足，本文嘗試采用紅外熱成像技術對硐室溫度進行系統全面的實測，從不同視角揭示其溫度的分布特征，以期為該臺熱彈性形變效應的準確改正和抑制外界干擾因素措施的優化等，提供更詳實的觀測依據。

1 區域構造背景和臺站概況

鄂爾多斯塊體西南緣是青藏塊體、秦嶺造山帶和鄂爾多斯塊體的交匯區，也是青藏高原向NE向擴展的最前緣。區內構造活動強烈，主要發育有岐山—馬召、渭河、秦嶺北麓、乾縣—富平和口鎮—關山等斷裂（圖1a）。因此，該區是研究構造變形、斷裂活動和限定青藏高原擴展模式等動力學問題的理想場所（李新男，2017）。

陜西乾陵臺始建于1977年，位于渭河斷陷盆地中段和鄂爾多斯塊體南緣的接觸帶，并處于乾縣—富平斷裂的下盤（圖1a）。臺站所在區域的年均降雨量約為545 mm，地下水埋深大于10 m（俱戰省等，2012）。臺基為奧陶系灰巖，產狀近水平，裂隙較少，山體坡度約為20°，植被覆蓋良好。觀測硐室高25 m，進深約60 m，硐室混凝土襯砌厚約20 cm，室內空氣相對濕度約90%，頂拱覆蓋層最厚約20 m（圖1b，c）。目前，該臺主要架設有SS-Y型銦鋼棒硐體應變儀、VS型垂直擺、DSQ型水管儀、地震儀和數字式氣溫計。圖1d為硐室尺寸和儀器基線參數的示意圖，實景照片如圖2所示。

2 硐室溫變及其典型干擾

乾陵臺覆蓋層厚度較小，所以硐室溫度的長期變化并不恒定。如圖3所示，2015年至2018年9月10日溫變的分鐘值曲線具有明晰的年變形態，年變幅約020 ℃，年均氣溫約為1500 ℃。但冷空氣、降雨和人為等諸多干擾因素所導致的瞬時溫變幅度，往往遠大于年變幅。如2017年10月26日，因維修硐體應變儀而開啟艙門，由此與外界空氣進行對流并產生熱傳導，導致硐室快速升溫高達12 ℃（圖3）。

硐室溫度瞬時大幅變化，會造成儀器系統和硐室的“顯著變形”。2016年7月13—15日，工作人員在地震儀觀測室安裝地震儀，由于開啟硐室艙門的時間較長，引起硐室快速升溫，高達04 ℃。硐體應變儀NS，EW分量產生的張應變分別約為450×10-10和200×10-10，二者相差近23倍（圖4a，c）。同樣的溫變對二者的干擾有如此顯著的差異，主要是因為溫度計布設在NS和EW向硐室的交匯處，故該點的氣溫測值難以真實反映硐室NS，EW向等不同區段的溫變。尤其是距溫度計較遠處，很難觀測到局部瞬時的溫變。2014年6月25日至7月1日，EW向硐室東端的垂直擺觀測室內40 W的白熾燈一直未關，垂直擺柔絲等熱敏感器件，因室內溫度上升而變形，導致NS和

（a）區域構造背景與臺站位置? （b）硐室所在的山體

（c）硐室及山體南北向地質剖面? （d）硐室尺寸及布設的儀器

3 紅外熱成像方法

式中：E為輻射出射度;發射率ε為實際物體與同溫度下黑體輻出度的比值，理想黑體的ε為1，ε與物體的材質等相關，如灰巖為090～095，混凝土為062～094，水泥為065～096;σ為斯蒂芬—玻爾茲曼常數，自然界中σ=5669 7×10-10W/（m2·K4）;T為物體的熱力學溫度（李云紅等，2007），只要物體溫度高于0 K，即絕對零度-273 ℃，都能輻射紅外能量。

式（1）的指數形式表明，物體表面發生微小溫變便可產生較大的紅外輻射能。紅外熱像儀通過接收物體發射的紅外輻射，將其轉換為物體表面溫度分布的熱圖像。因此，紅外熱像儀能通過非接觸的方式，實時并準確測量物體表面的溫度場。

4 硐室紅外熱成像特征

本文采用Fluke TiS20便攜式紅外熱像儀，其紅外光譜帶為75～140 μm，溫度靈敏度為01 ℃，空間分辨率IFOV為52 mRad，圖像分辨率為120像素×90像素，視場為357°×268°，最小焦距045 m，最小檢測目標尺寸為IFOV×最小焦距，即23 mm，則最小能對應熱圖像每個像素的面積為（23×23）mm2，需指出的是，熱圖像的每個像素代表一個監測點的溫度值，因此監測密度取決于熱圖像的分辨率;成像清晰度則由IFOV值決定，IFOV值越小成像越清晰。目前，高精度熱像儀的IFOV可低至06 mRad。

硐室溫度主要由硐室氣溫和圍巖溫度構成，二者既相互作用又互相反饋，在襯砌表面的邊界值一致，因此，測量襯砌表面的溫度就可有效計算二者的溫度場（何春雄等，1999）。由于乾陵臺所在地區秋冬季的降雨量較少，該時段硐室襯砌表面附著的入滲雨水也相對較少，硐室內相對濕度較小，因此在該時段進行測溫，可有效減小襯砌表面水體和空氣中水汽所導致的測溫誤差（蘇美亮等，2013）。2018年9月21日9時，依次對引硐、NS和EW向硐室3個主體區段的襯砌進行了系統測溫，期間戶外氣溫約22 ℃，天氣晴朗、靜風。為避免與外界空氣對流，在進入硐室后就立即關閉艙門，同時也未開啟硐室內的照明設施，以防止其生熱。

為了解硐室溫度分布的概況，同時也考慮到臨近儀器側壁的溫變，更易直接影響硐體應變等觀測，首先沿靠近儀器的側壁且距底板約14 m的水平測線，以1 m為間隔進行“臺陣式”逐點觀測，具體位置如圖2a中的紅色圓環所示。整體而言，側壁的材質較一致，粗糙度一般，表面較平整，反光程度低，且裂隙較少，這些因素可以有效確保各被測目標表面具有較一致的發射率，從而降低測溫誤差。測量中拍攝焦點都準確校準，考慮到襯砌主要為混凝土和白水泥，將ε設置為092，測溫結果如圖5所示。從圖中可以看出，引硐部分是高溫段，隨著向N端的深入，其溫度從207 ℃逐漸下降至148 ℃，呈現出近線性的降溫趨勢，這也從側面反映出外界氣象、人為等因素對硐溫有直接且較強的不利影響;NS向硐室的溫度則略高于EW向，但二者整體差異較小且趨于均勻穩定，平均溫度分別約為135 ℃和131 ℃，均有別與硐室氣溫觀測值。上述現象表明，隨著硐室的不斷深入，硐外氣溫對襯砌溫度的影響逐漸減小;另一方面，也意味著在保溫較好的深部硐室，襯砌溫度并不恒定為硐內氣溫（王明年等，2016）。

在各區段內，溫度均起伏波動，引硐的波動最為顯著。但在某些局部區域，個別測值呈離散分布。如圖5所示，引硐和EW向硐室的第13，11個測點，它們分別與之前的測點值相差12 ℃和16 ℃。出現如此大的溫度異常點，可能主要受以下因素影響：（1）低溫水滲入襯砌局部區域，使得溫度降低;（2）該區域表面紅外熱輻射存在大幅波動;（3）測溫目標表面的發射率較低;（4）測溫區域襯砌圍巖中含有裂隙;（5）硐室覆蓋厚度不均勻、硐室上部山體覆蓋物存在差異等。由此也表明，襯砌表面的溫度分布存在較大的不均勻性。

硐室N端溫度計當天觀測的氣溫約為1502℃，而此處襯砌的溫度約為131℃，說明硐室氣溫和襯砌表面溫度有一定差別。究其原因，可能主要是由于襯砌（混凝土和白水泥構成）比空氣的導熱系數更大，而下滲的低溫雨水，會導致襯砌熱量更易流失，使襯砌表面溫度偏低;硐室內部相對密閉，對空氣的保溫效果較好，因此氣溫相對偏高。需要說明的是，此次僅對比了一個測點處的差異，后期還需測量更多區域的氣溫，以供進一步的對比分析。

由于硐室端部的幾何形態較復雜，所以更容易產生熱匯聚和熱擴散效應（孫玉軍等，2008）。針對這一特殊的“熱點”區域，將硐室E端作為試點，在景深約6 m處進行了初步紅外熱成像，結果如圖6所示。從圖6b中可以看出，端面校準點的溫度為553 °F（129℃），視場內溫度分布范圍為128 ℃～142 ℃，溫度分異區明顯，即頂拱的溫度要略高于端面。而在細觀尺度上，紅外熱成像圖出現許多“噪點”，即局部小區域內冷熱值混沌分布的特征，顯然不能由此揭示更小空間尺度內更精確的溫度分布規律。這主要由于IFOV值較大，加之在上述視場內，所能檢測最小目標的尺寸高達31 mm。因為該熱像儀的溫度靈敏度僅為01 ℃。所以熱像圖的分辨率被大大降低，導致細節信息不夠明晰。

此外，該型號的熱像儀也無法對硐室進行全斷面的三維觀測。因此，更精細的硐室紅外熱像全貌很難得以真實和清晰呈現，這不利于端部和其他區域的合理對比。對于端部的熱匯聚和熱擴散問題，本文暫不做進一步的分析和討論，在后續的工作中將采用更高精度的熱像儀，通過更精細和更長時間的觀測來加以重點探討。要說明的是，由于泡沫保溫板較好地密封了垂直擺（圖6a），所以其熱異常在圖6b中并不顯著。

從以上初步結果來看，硐室系統內襯砌表面的溫度分布很不均勻，并且在空間上的差異也非常明顯。

5 結論與討論

本文采用紅外熱像儀，對乾陵臺硐室的襯砌進行溫度觀測和熱成像，并得到結論如下：

（1）該臺硐室襯砌的溫度分布特征總體上呈現出：引硐為高溫段，隨著硐室的不斷深入，溫度以近線性的趨勢由207℃逐漸下降至148℃;NS向硐室溫度略高于EW向，但二者均趨于均勻恒定，平均分別為135℃和131℃;硐室入口處與硐室最內側的溫差高達84℃，整體而言，引硐溫度最高且溫差最大，NS向硐室次之，EW向最小。

（2）溫度的波動幅度以引硐最顯著，NS和EW向硐室則相對平緩，但在某些局部區域，個別測點的溫度明顯離散。

（3）相同測點處，硐室氣溫明顯高于襯砌溫度，二者差異明顯。

（4）硐室E端頂拱的溫度略高于端面，最大溫差可達14 ℃，但由于熱像圖分辨率有限，因此無法獲取更精細的細觀特征。

乾陵臺硐室襯砌溫度分布具有顯著的不均勻性，局部差異非常明顯，其復雜度超乎預判。上述特征對更好理解和準確改正該臺的熱彈性形變效應等，具有重要的現實意義。同時，也能為合理構建和計算硐室圍巖和氣溫系統熱傳導的數學或數值模型，提供更可靠的邊界值約束依據。由于本文的主要目的是測探紅外熱成像方法在地球動力學觀測硐室測溫方面的可行性和應用潛力，所以暫未深入分析溫度分布非均勻特征背后的物理機制，這將在后續工作中進一步開展。

相比傳統定點單一的硐室氣溫觀測方法，紅外熱成像雖然不能連續直接觀測氣溫，但卻能以“超密集臺陣”的方式，對襯砌進行精確、快捷的溫度成像;也能有效填補目前氣溫觀測模式下的“空白”區。鑒于該方法所特有的諸多優點，值得進一步開展相關研究，今后或可作為一種不同視角和有效的輔助測溫手段。

特別需要說明的是，鑒于該臺硐室溫度的時變性及分布的復雜程度;加之本文所使用紅外熱像儀的精度有限，若要揭示其更系統精細的三維時變溫度分布特征，尚需采用更高精度的紅外熱像儀并進行更長時間的觀測和資料分析。

在硐室幾何尺寸測量和紅外熱成像過程中，陜西省地震局張國強工程師、乾陵地球動力學觀測臺的張創軍高級工程師、陳嘉選和楊曉東工程師給予了很大幫助，中國科學院測量與地球物理研究所危自根博士與筆者進行了有益的討論，兩位評審專家提出諸多有益建議，對稿件質量的提升幫助很大，在此一并表示誠摯的感謝。

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