陜西乾陵臺地球動力學(xué)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(jié)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(wěn)定均勻。各區(qū)段內(nèi)溫度存在小幅的波動現(xiàn)象，某些局部區(qū)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(cè)壁。

關(guān)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(biāo)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(guān)地球動力學(xué)研究提供重要的觀測數(shù)據(jù)，但其觀測值往往是構(gòu)造運動、地潮、地震、氣象、水文和環(huán)境等諸多因素影響下的綜合物理量。其中，溫度動態(tài)變化（以下簡稱溫變）導(dǎo)致物質(zhì)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(nèi)持續(xù)下降近25℃，導(dǎo)致震源區(qū)80 km范圍內(nèi)29個GPS測站的水平向產(chǎn)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(zhǔn)確影響量，對進一步厘清和理解上述物理信號的物理本質(zhì)具有十分重要的現(xiàn)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(jù)《地震臺站建設(shè)規(guī)范地形變臺站》（DB/T81—2003）的要求，地球動力學(xué)觀測硐室的建設(shè)規(guī)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(nèi)外許多學(xué)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(yīng)變儀為例，盡管其銦鋼棒的熱膨脹系數(shù)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(shù)值模擬得出硐室溫度年變02 ℃便可導(dǎo)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(xué)觀測臺硐室氣溫長期變化對圍巖的影響，結(jié)果顯示硐室溫度上升1 ℃就會引起約36×10-7的張應(yīng)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(yīng);外界氣象等干擾因素在不同時間尺度上，會出現(xiàn)非規(guī)律性的劇烈變化。這些客觀因素，會導(dǎo)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(fù)雜度。而在實際觀測中，通常只在硐室內(nèi)架設(shè)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(tài)變化。雖然可以根據(jù)硐室的布局對熱傳導(dǎo)模型進行相應(yīng)簡化，并將硐室內(nèi)單點實測的溫度數(shù)據(jù)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(nèi)多個測點的溫度數(shù)據(jù)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(shù)學(xué)、物理和數(shù)值模型等，就需要實測硐室不同區(qū)段的溫度分布，這對準(zhǔn)確計算熱彈性的形變量至關(guān)重要。

傳統(tǒng)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(shù)可以將物體發(fā)射的紅外信號轉(zhuǎn)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(yōu)點，已被廣泛應(yīng)用于隧道圍巖、巖土體和火山等溫度場測量領(lǐng)域（田寶柱等，2016;Bonaccorso，Calvari，2017;夏浩等，2017;Liu et al，2018），但在地球動力學(xué)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(shù)據(jù)有助于區(qū)內(nèi)構(gòu)造運動、地潮和震源過程等地球動力學(xué)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(wěn)定，且僅能觀測硐室內(nèi)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(shù)對硐室溫度進行系統(tǒng)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(yīng)的準(zhǔn)確改正和抑制外界干擾因素措施的優(yōu)化等，提供更詳實的觀測依據(jù)。

1 區(qū)域構(gòu)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(qū)，也是青藏高原向NE向擴展的最前緣。區(qū)內(nèi)構(gòu)造活動強烈，主要發(fā)育有岐山—馬召、渭河、秦嶺北麓、乾縣—富平和口鎮(zhèn)—關(guān)山等斷裂（圖1a）。因此，該區(qū)是研究構(gòu)造變形、斷裂活動和限定青藏高原擴展模式等動力學(xué)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(qū)域的年均降雨量約為545 mm，地下水埋深大于10 m（俱戰(zhàn)省等，2012）。臺基為奧陶系灰?guī)r，產(chǎn)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(nèi)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(shè)有SS-Y型銦鋼棒硐體應(yīng)變儀、VS型垂直擺、DSQ型水管儀、地震儀和數(shù)字式氣溫計。圖1d為硐室尺寸和儀器基線參數(shù)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(tài)，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(dǎo)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(yīng)變儀而開啟艙門，由此與外界空氣進行對流并產(chǎn)生熱傳導(dǎo)，導(dǎo)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(tǒng)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(yīng)變儀NS，EW分量產(chǎn)生的張應(yīng)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(shè)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(qū)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(nèi)40 W的白熾燈一直未關(guān)，垂直擺柔絲等熱敏感器件，因室內(nèi)溫度上升而變形，導(dǎo)致NS和

（a）區(qū)域構(gòu)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(zhì)剖面? （d）硐室尺寸及布設(shè)的儀器

3 紅外熱成像方法

式中：E為輻射出射度;發(fā)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(zhì)等相關(guān)，如灰?guī)r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(shù)，自然界中σ=5669 7×10-10W/（m2·K4）;T為物體的熱力學(xué)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(shù)形式表明，物體表面發(fā)生微小溫變便可產(chǎn)生較大的紅外輻射能。紅外熱像儀通過接收物體發(fā)射的紅外輻射，將其轉(zhuǎn)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(zhǔn)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(biāo)尺寸為IFOV×最小焦距，即23 mm，則最小能對應(yīng)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(jiān)測點的溫度值，因此監(jiān)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(gòu)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(qū)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(nèi)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(dǎo)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(qū)段的襯砌進行了系統(tǒng)測溫，期間戶外氣溫約22 ℃，天氣晴朗、靜風(fēng)。為避免與外界空氣對流，在進入硐室后就立即關(guān)閉艙門，同時也未開啟硐室內(nèi)的照明設(shè)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(cè)壁的溫變，更易直接影響硐體應(yīng)變等觀測，首先沿靠近儀器的側(cè)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(huán)所示。整體而言，側(cè)壁的材質(zhì)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(biāo)表面具有較一致的發(fā)射率，從而降低測溫誤差。測量中拍攝焦點都準(zhǔn)確校準(zhǔn)，考慮到襯砌主要為混凝土和白水泥，將ε設(shè)置為092，測溫結(jié)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(xiàn)出近線性的降溫趨勢，這也從側(cè)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(wěn)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(xiàn)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(nèi)氣溫（王明年等，2016）。

在各區(qū)段內(nèi)，溫度均起伏波動，引硐的波動最為顯著。但在某些局部區(qū)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(xiàn)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(qū)域，使得溫度降低;（2）該區(qū)域表面紅外熱輻射存在大幅波動;（3）測溫目標(biāo)表面的發(fā)射率較低;（4）測溫區(qū)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(dāng)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(gòu)成）比空氣的導(dǎo)熱系數(shù)更大，而下滲的低溫雨水，會導(dǎo)致襯砌熱量更易流失，使襯砌表面溫度偏低;硐室內(nèi)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(qū)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(tài)較復(fù)雜，所以更容易產(chǎn)生熱匯聚和熱擴散效應(yīng)（孫玉軍等，2008）。針對這一特殊的“熱點”區(qū)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(jié)果如圖6所示。從圖6b中可以看出，端面校準(zhǔn)點的溫度為553 °F（129℃），視場內(nèi)溫度分布范圍為128 ℃～142 ℃，溫度分異區(qū)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(xiàn)許多“噪點”，即局部小區(qū)域內(nèi)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(nèi)更精確的溫度分布規(guī)律。這主要由于IFOV值較大，加之在上述視場內(nèi)，所能檢測最小目標(biāo)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(dǎo)致細節(jié)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(xiàn)，這不利于端部和其他區(qū)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(xù)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(jié)果來看，硐室系統(tǒng)內(nèi)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(jié)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(jié)論如下：

（1）該臺硐室襯砌的溫度分布特征總體上呈現(xiàn)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(nèi)側(cè)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(qū)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(fù)雜度超乎預(yù)判。上述特征對更好理解和準(zhǔn)確改正該臺的熱彈性形變效應(yīng)等，具有重要的現(xiàn)實意義。同時，也能為合理構(gòu)建和計算硐室圍巖和氣溫系統(tǒng)熱傳導(dǎo)的數(shù)學(xué)或數(shù)值模型，提供更可靠的邊界值約束依據(jù)。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(xué)觀測硐室測溫方面的可行性和應(yīng)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(xù)工作中進一步開展。

相比傳統(tǒng)定點單一的硐室氣溫觀測方法，紅外熱成像雖然不能連續(xù)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(qū)。鑒于該方法所特有的諸多優(yōu)點，值得進一步開展相關(guān)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(fù)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(tǒng)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?guī)缀纬叽鐪y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(xué)觀測臺的張創(chuàng)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(xué)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(zhì)量的提升幫助很大，在此一并表示誠摯的感謝。

參考文獻：

狄樑，陸德明，丁建國，等2017氣象因素對傾斜儀觀測干擾特征分析[J].大地測量與地球動力學(xué)，37（8）：870-875

古澤保，大谷文夫，寺石眞弘，等1993線膨張率の異なる2種のスーパー·インヴァー棒伸縮計の比較観測[J].測地學(xué)會誌，39（4）：363-376

何春雄，吳紫汪，朱林楠1999嚴寒地區(qū)隧道圍巖凍結(jié)狀況分析的導(dǎo)熱與對流換熱模型[J].中國科學(xué)：地球科學(xué)，29（增刊1）：1-7

俱戰(zhàn)省，劉文兆，鄭粉莉，等2012陜西省乾縣地下水位動態(tài)變化特征分析[J].水土保持通報，32（2）：178-181

李家明，姚植桂，張衛(wèi)華，等2009超短基線伸縮儀的研制[J].大地測量與地球動力學(xué)，29（4）：144-147

李新男2017鄂爾多斯西南緣活動構(gòu)造幾何圖像、運動特征及構(gòu)造變形模式[D].北京：中國地震局地質(zhì)研究所，12-19

李云紅，孫曉剛，原桂彬2007紅外熱像儀精確測溫技術(shù)[J].光學(xué)精密工程，15（9）：1336-1341

劉冠中，馬瑾，楊永林，等2014川西地區(qū)長周期氣溫變化對跨斷層位移觀測的影響及蘆山地震前的異常斷層活動[J].地球物理學(xué)報，57（7）：2150-2164

寺石眞弘，大谷文夫，竹內(nèi)文朗，等2009地殻変動連続観測における季節(jié)変化[R].京都：京都大學(xué)防災(zāi)研究所年報，52（B）：285-291

蘇美亮，方云，周偉強，等2013千手觀音凝結(jié)水的紅外熱成像檢測技術(shù)[J].物探與化探，37（2）：295-300

孫玉軍，李杰，曹建玲，等2008深部洞室中微小溫度年度變化足以造成地應(yīng)變年度變化[J].地震學(xué)報，30（5）：464-473

譚偉杰，許雪晴，董大南，等2017溫度變化對中國大陸三維周年位移的影響[J].測繪學(xué)報，46（9）：1080-1087

田寶柱，劉善軍，張艷博，等2016花崗巖巷道巖爆過程紅外輻射時空演化特征室內(nèi)模擬試驗研究[J].巖土力學(xué)，37（3）：711-718

王明年，唐興華，吳秋軍，等2016高巖溫隧道圍巖—支護結(jié)構(gòu)溫度場演化規(guī)律[J].鐵道學(xué)報，38（11）：126-131

夏浩，胡新麗，唐輝明，等2017紅外熱像技術(shù)在滑坡物理模型試驗中的應(yīng)用[J].巖土力學(xué)，38（1）：291-299