王紹宇，李志軍，張邀丹，修苑人，鄧 宇，李國玉

(1.大連理工大學(xué) 海岸和近海工程國家重點實驗室， 遼寧 大連 116024；2.黃河水利委員會黃河水利科學(xué)研究院， 河南 鄭州 450003；3.中國科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院 凍土工程國家重點實驗室，甘肅 蘭州 730000)

水體在冬季不同外界環(huán)境條件下，所凍結(jié)生長的冰具有不同內(nèi)部組構(gòu)，即冰晶體類型、冰內(nèi)氣泡和未凍水胞空間分布的形狀，尺寸以及含量存在差異。由于冰內(nèi)組構(gòu)控制著冰的基本物理性質(zhì)和其它各種性質(zhì)[1-2]，因此將冰內(nèi)組構(gòu)觀察作為冰物理調(diào)查的重要內(nèi)容[3]。如何觀察冰內(nèi)組構(gòu)，最簡便技術(shù)是冰晶體切片法[4-5]。它通過分層切片，然后對大約10 cm×10 cm的冰薄片在正交偏光鏡下進(jìn)行晶體結(jié)構(gòu)觀察。該技術(shù)以往裸眼在偏正光下只能觀察晶體，后來發(fā)現(xiàn)在正常光下能夠觀察氣泡。隨著圖像分析技術(shù)的發(fā)展，也可以分析尺寸小于2.0 mm的氣泡。隨著數(shù)碼工業(yè)高清顯微鏡應(yīng)用，可以將薄片放大40～640倍，也就是可以觀察到尺寸大于0.004 mm的氣泡。但是觀察的薄片范圍只有0.3 cm×0.5 cm。為了保證觀察結(jié)果的代表性，在10 cm×10 cm的薄冰片上選擇5個不同位置，用它們的均值代替整個薄片的平均結(jié)果。為了了解微米級的冰晶粒邊緣間的關(guān)系，冰薄片的電子顯微鏡觀察也曾應(yīng)用[6]，但是因為放大倍數(shù)很大，而切片時很難掌握好樣品是否恰好處于三個晶體的邊界或者兩個晶體的邊界，實際應(yīng)用中較少。上述觀察均建立在冰薄片上，它們均需要觀察前先完成切片。如果不需要切片，從觀察速度和層次上都會有很大改善，甚至在測試結(jié)果的基礎(chǔ)上發(fā)展冰內(nèi)氣泡、未凍水胞的三維分布特征。

計算機(jī)斷層掃描(CT掃面)和磁共振成像(MRI)技術(shù)發(fā)展之后，它們具有無損檢測且迅速成像的優(yōu)點，觀察圖像分辨率在0.01～1.00 mm。由于冰以氫氧為主，人體也是以氫氧為主，醫(yī)學(xué)核磁共振[7]和CT掃描探測冰內(nèi)組構(gòu)就被視為潛在技術(shù)。首先日本學(xué)者在上世紀(jì)80年代在醫(yī)院做了嘗試[8]。凍土工程國家重點實驗室同期也引入醫(yī)學(xué)CT技術(shù)探測凍土的內(nèi)部組構(gòu)[9]，用核磁共振技術(shù)探測多晶冰內(nèi)未凍水含量[10]。隨之，渤海海冰的內(nèi)部組構(gòu)也利用凍土工程國家重點實驗室醫(yī)學(xué)CT進(jìn)行探測，獲取了冰晶體、氣泡和鹵水胞的分布[11]。目前國際上利用CT掃描技術(shù)研究海冰內(nèi)部組構(gòu)變得越來越普遍，并且不斷發(fā)展新方向[12]，例如用冰、鹵水、氣泡三者的CT值差異在各層水平CT圖像上進(jìn)行閾值劃分建立蒙版，接著在垂直方向上進(jìn)行三維重建，統(tǒng)計各相物質(zhì)的體積并計算相對含量。此方法要求氣泡和鹵水的體積大于CT的最小空間分辨率。它對冰內(nèi)氣泡直徑較大的粒狀冰效果較好，相對誤差16%，但對冰內(nèi)氣泡直徑較小的柱狀冰，能產(chǎn)生43%相對誤差[13]。

本文探討的是內(nèi)蒙古烏梁素海湖冰，主要晶體類型為柱狀冰，且氣泡含量較少。只在表層有些泥沙。利用CT掃描技術(shù)，對該湖冰冰樣沿深度逐層掃描獲得連續(xù)的CT圖像。結(jié)合CT值的連續(xù)變化分析冰內(nèi)密度變化；同時可重建冰內(nèi)大于0.19 mm的三維氣泡分布。

1 取樣位置和冰樣制備

烏梁素海位于內(nèi)蒙古烏拉特前旗境內(nèi)，屬溫帶大陸性氣候，年平均氣溫9.7 ℃。湖泊主要供給水源為農(nóng)田灌溉退水，水流速度較慢。每年11月至翌年3月為湖泊冰封期，冰封期流速近似于0。湖區(qū)南北狹長35～40 km，東西較窄5～10 km，如圖1(a)處。海拔1018.5 m，面積約273 km2，水深 0.5～1.5 m，湖底沉積淤泥0.2～0.5 m[14]。湖冰在生長過程中部分位置因為冰內(nèi)含有大量氣泡，透明度較低，冰面呈現(xiàn)白色。而大部分冰含氣泡少，透明度較高，冰面的呈現(xiàn)深灰色。為了對比這兩類冰內(nèi)組構(gòu)的差異，特意選擇兩類冰相鄰位置取樣，如圖1(b)處。2019年1月26日采用電鏈鋸、板鋸、和冰錐等工具從湖中取出邊長約為500 mm的立方體冰坯。氣泡多的冰坯編號W1(冰厚約500 mm)，氣泡少的冰坯編號W2(冰厚約380 mm)。用鋸骨機(jī)從每塊冰坯中切出4根100 mm×100 mm×冰厚的冰樣，分別用于觀察冰晶體、測量密度、CT掃描和1根備用。

圖1 烏梁素海地理位置和冰樣采集點

2 基本測試和觀察要素的方法

晶體結(jié)構(gòu)的觀察在氣溫低于-10 ℃的環(huán)境中進(jìn)行。將取出的試樣沿深度方向切割成80～100 mm 間距的冰塊，同時標(biāo)記順序和方向。將冰塊側(cè)面用刨刀和砂紙磨平，然后貼到玻璃片上，在玻璃片上同樣標(biāo)記順序和方向。再用刨刀將冰塊厚度修整至約0.5 mm；最后將冰薄片放在萬向旋轉(zhuǎn)臺上，分別在自然光和偏振光下進(jìn)行拍攝[5]。

冰密度采用質(zhì)量-體積法測量。將冰樣沿深度方向切割成50 mm間距的冰塊，用精度0.02 mm 的游標(biāo)卡尺測量長寬高三次并取均值，相乘得到冰塊體積；再用精度0.001 g的電子天平測量其質(zhì)量；最后計算質(zhì)量和體積比值得到冰密度。

CT掃描測試在凍土工程國家重點實驗室進(jìn)行。采用Philips Brilliance 16 CT掃描實驗機(jī)，X射線源設(shè)定為120 kV、313 mA，觀察視野為200 mm×200 mm，掃描層厚3 mm，CT圖像重建矩陣大小為1024像素×1024像素。烏梁素海100 mm×100 mm截面湖冰試樣，掃描后原始圖像如圖2(a)所示。為了減少射線硬化偽影造成的徑向CT值誤差，對512像素×512像素的圖像邊緣進(jìn)行裁剪。裁剪后的矩陣大小為360像素×360像素，對應(yīng)實際尺寸為70 mm×70 mm，如圖2(b)所示。每層CT掃描的厚度3 mm，對于厚度500 mm的冰樣W1，沿厚度方向從表面到底面的CT掃描167層，獲得CT掃描影像167張。冰樣W2的厚度360 mm，其CT影像120張。因此對應(yīng)在CT影像每個像素的體單元是0.1134 mm3，如圖2(c)所示。每個像素的CT值反映這個體單元對X射線的吸收能力。

圖2 CT掃描能力尺寸，裁剪冰樣CT圖像尺寸和像素體單元尺寸(單位：mm)

3 測試和觀察冰樣的晶體結(jié)構(gòu)、密度和CT值

冰樣W1和W2的縱向冰薄片在正常光下基本看不出氣泡，在正交偏光鏡下顯示的晶體結(jié)構(gòu)均為柱狀冰(圖3)。圖4給出2根冰樣的密度垂直剖面，密度范圍為0.897～0.918 g/cm3。它們的晶體結(jié)構(gòu)與密度與其它冬季烏梁素海湖冰的基本相同[15]。

圖3 冰樣W1和W2的冰晶體垂直剖面

圖4 冰樣W1和W2的冰密度垂直剖面

W1和W2沿深度每一掃描層的CT均值和標(biāo)準(zhǔn)差如圖5所示。由圖5可見，除個別深度外，不同掃面層截面上的CT均值處于-80～-60 HU之間，表明兩根冰樣均以冰晶體為主，對應(yīng)的體密度差異較小。其中W2的CT均值相對保持穩(wěn)定，W1的波動幅度較大。一般而言各層影像像素上CT值的標(biāo)準(zhǔn)差反映冰、氣、液所占比例的差異。在物理指標(biāo)中由對應(yīng)層的塊密度指示。W1各層平均標(biāo)準(zhǔn)差20.6 HU，W2為11.3 HU，表明W1同一掃面層中相成分變化大于W2。這與圖4中的密度變化范圍一致，即W1密度0.897～0.918 g/cm3，W2密度0.902～0.915 g/cm3。這也反映出W1不同深度的截面內(nèi)氣泡含量比W2的變化大。這與現(xiàn)場取樣時宏觀表面觀察結(jié)論一致。

圖5 冰樣W1和W2的CT值垂直剖面

4 冰樣內(nèi)未凍水和氣泡對CT值的效應(yīng)

為從掃描截面上進(jìn)一步分析冰樣內(nèi)未凍水和氣泡對CT值的效應(yīng)，將某一層掃描影像提出，統(tǒng)計并分析該影像的CT值。以冰樣W1為例，由圖6(a)可以看出：深度198～201 mm位置存在大量氣泡，冰密度低，CT均值小于純冰的CT值-80 HU。CT值從最小-300 HU到純冰的-80 HU，所占比例大于90%。圖6(b)是深度432～435 mm處的CT影像，該層CT值大于純冰CT值-80 HU。說明該層的密度偏高，從最小-200 HU到純冰的-80 HU的像素所占比例大于20%。體現(xiàn)出氣泡含量少，有未凍水存在。

圖6 冰樣W1不同位置的CT掃描影像和截面CT值分布

圖6(a)所示冰樣W1存在氣泡。從圖7可見，相鄰2層掃面影像中有大量直徑大約1 mm的氣泡。在W1冰樣的宏觀裸眼觀察中，也是小氣泡層。根據(jù)圖6(a)直方圖中的CT值分布選取-250～0 HU作為CT圖像觀察窗值，對該層的氣泡像素體單元分割提取、創(chuàng)建蒙版、進(jìn)行三維重建，得到氣泡三維空間分布由圖7給出。

圖7 冰樣W1含氣泡層CT掃面影像和重建的氣泡三維分布

另外，圖6(b)中出現(xiàn)一塊形狀不規(guī)則、縱橫約10 mm的連續(xù)低密度區(qū)域，延伸到深度408～411 mm時終止，共占據(jù)4層CT掃面影像。對這四幅CT影像再次局部放大，在平面內(nèi)設(shè)定前、后、左、右四個點；分別沿從左到右和從后向前兩個方向劃線20 mm，各線段上CT值的變化如圖8(a)。將黑色區(qū)域設(shè)為研究目標(biāo)域，其CT均值及其對應(yīng)面積沿深度方向的變化如圖8(b)，以及重建的三維模型如圖8(c)所示。

從圖8(a)可以看到，在左右和前后兩個方向上， CT值從-75 HU附近開始下降，到-120 HU 左右開始穩(wěn)定，穩(wěn)定值約10 mm，然后重新回升至-75 HU左右。CT值在-150～-110 HU 范圍內(nèi)小幅波動。平面內(nèi)從前到后，進(jìn)入低密度區(qū)域時的CT值變化快，曲線陡峭；遠(yuǎn)離低密度區(qū)域時CT值變化較慢，曲線稍平緩。從左到右方向上CT值減小和增大的速度基本一致，這表明該區(qū)域在平面內(nèi)后側(cè)的氣泡含量較小，前側(cè)氣泡含量較大。

圖8 冰樣W1特殊目標(biāo)域CT值和重建三維分布

從圖8(b)可以看到，沿深度方向，連續(xù)穩(wěn)定的低密度區(qū)域面積先增大后減小，CT均值沿深度先減小后增大。與平面內(nèi)變化規(guī)律一致。湖冰內(nèi)導(dǎo)致密度降低的主要原因是氣泡，CT值的降低一定有氣泡的存在。對于變化較緩的位置，則是氣泡直徑和間隔小于CT圖像的平面像素邊長(0.19 mm)情況，屬于更為細(xì)小的微觀氣泡。

5 討 論

利用在烏梁素海獲取的兩根冰樣W1和W2進(jìn)行了CT掃描探測湖冰內(nèi)部組構(gòu)研究。2根冰樣均為典型柱狀冰晶體，裸眼下沒有明顯差異。而通過CT影像分析發(fā)現(xiàn)冰樣W2的CT值在-85～-65 HU范圍內(nèi)，是較理想的均勻柱狀冰結(jié)構(gòu)。冰樣W1的CT值在-150～-110 HU范圍內(nèi)，其內(nèi)部除有尺寸大于CT掃面空間分辨的小氣泡層外，還存在大量更微小氣泡。該結(jié)果說明利用CT掃描技術(shù)可以對傳統(tǒng)方法無法發(fā)現(xiàn)的細(xì)微氣泡差異進(jìn)行準(zhǔn)確描述。通過分層CT值的統(tǒng)計特征(均值、標(biāo)準(zhǔn)差)，能對冰樣各深度的氣泡含量進(jìn)行定量分析。對于局部CT值變化劇烈的掃描層，可以結(jié)合CT圖像對目標(biāo)域內(nèi)CT值沿不同方向的變換規(guī)律重建三維分布，依此更直觀地展現(xiàn)氣泡的空間形態(tài)。本文使用的CT具有分辨率為0.19 mm，因此對直徑小于0.19 mm的氣泡無法重建精確三維分布，如需探究這部分氣泡的形態(tài)和分布特征，則需要空間分辨率更高的顯微CT掃描技術(shù)來實現(xiàn)。