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。

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