楊小林 何斌
摘要:以陜西乾陵臺(tái)為例,采用紅外熱像儀對(duì)引硐、NS和EW向硐室襯砌的溫度進(jìn)行測(cè)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(shì)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(dòng)現(xiàn)象,某些局部區(qū)域個(gè)別測(cè)點(diǎn)的溫度較離散;而同一測(cè)點(diǎn)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(tái);熱彈性形變;硐室氣溫;圍巖溫度;紅外熱成像
中圖分類號(hào):P315725;TN219?? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A?? 文章編號(hào):1000-0666(2019)03-0411-08
0 引言
GPS、重力、地形變和斷裂蠕變等觀測(cè)手段可以為相關(guān)地球動(dòng)力學(xué)研究提供重要的觀測(cè)數(shù)據(jù),但其觀測(cè)值往往是構(gòu)造運(yùn)動(dòng)、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(dòng)態(tài)變化(以下簡(jiǎn)稱溫變)導(dǎo)致物質(zhì)的熱脹冷縮,是影響觀測(cè)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(gè)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(gè)GPS測(cè)站的水平向產(chǎn)生形變,最大達(dá)297 mm。若不考慮溫變對(duì)地表形變的影響,該瞬時(shí)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(duì)進(jìn)一步厘清和理解上述物理信號(hào)的物理本質(zhì)具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。
相比地表,溫變較小的硐室是較為理想的觀測(cè)場(chǎng)地。目前,根據(jù)《地震臺(tái)站建設(shè)規(guī)范地形變臺(tái)站》(DB/T81—2003)的要求,地球動(dòng)力學(xué)觀測(cè)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(guò)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(duì)這一問(wèn)題,近年來(lái)國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者開(kāi)展了不少定量的分析工作。對(duì)于觀測(cè)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(duì)硐室圍巖影響的量級(jí)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(guò)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(jí)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(dòng)力學(xué)觀測(cè)臺(tái)硐室氣溫長(zhǎng)期變化對(duì)圍巖的影響,結(jié)果顯示硐室溫度上升1 ℃就會(huì)引起約36×10-7的張應(yīng)變,反之壓縮。由上可見(jiàn),即使微小的硐室溫變,對(duì)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(shí)際厚度遠(yuǎn)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(kuò)散效應(yīng);外界氣象等干擾因素在不同時(shí)間尺度上,會(huì)出現(xiàn)非規(guī)律性的劇烈變化。這些客觀因素,會(huì)導(dǎo)致硐室溫度的分布不均和大幅變化,同時(shí)也進(jìn)一步加劇了溫度影響的復(fù)雜度。而在實(shí)際觀測(cè)中,通常只在硐室內(nèi)架設(shè)一個(gè)溫度計(jì),這顯然無(wú)法真實(shí)反映整個(gè)硐室的溫度場(chǎng)及其動(dòng)態(tài)變化。雖然可以根據(jù)硐室的布局對(duì)熱傳導(dǎo)模型進(jìn)行相應(yīng)簡(jiǎn)化,并將硐室內(nèi)單點(diǎn)實(shí)測(cè)的溫度數(shù)據(jù)作為參考,計(jì)算得到硐室的理論溫度場(chǎng),但該方法需要硐室內(nèi)多個(gè)測(cè)點(diǎn)的溫度數(shù)據(jù)以對(duì)比實(shí)證(Yamazaki,2013)。因此,要合理約束并進(jìn)一步完善硐室溫度場(chǎng)的數(shù)學(xué)、物理和數(shù)值模型等,就需要實(shí)測(cè)硐室不同區(qū)段的溫度分布,這對(duì)準(zhǔn)確計(jì)算熱彈性的形變量至關(guān)重要。
傳統(tǒng)的硐室溫度觀測(cè)方法局限性很大,難以對(duì)硐室進(jìn)行超密集溫度臺(tái)陣觀測(cè),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(hào)轉(zhuǎn)換成直觀的溫度云圖,具有測(cè)量速度快、精度高、密度大和非接觸等優(yōu)點(diǎn),已被廣泛應(yīng)用于隧道圍巖、巖土體和火山等溫度場(chǎng)測(cè)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(dòng)力學(xué)觀測(cè)硐室的溫度測(cè)量方面還鮮有開(kāi)展。
陜西乾陵臺(tái)位于鄂爾多斯塊體西南緣,其觀測(cè)數(shù)據(jù)有助于區(qū)內(nèi)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)、地潮和震源過(guò)程等地球動(dòng)力學(xué)問(wèn)題研究。然而,該臺(tái)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(cè)硐室內(nèi)一點(diǎn)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(duì)硐室溫度進(jìn)行系統(tǒng)全面的實(shí)測(cè),從不同視角揭示其溫度的分布特征,以期為該臺(tái)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(shí)的觀測(cè)依據(jù)。
1 區(qū)域構(gòu)造背景和臺(tái)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(kuò)展的最前緣。區(qū)內(nèi)構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)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(dòng)和限定青藏高原擴(kuò)展模式等動(dòng)力學(xué)問(wèn)題的理想場(chǎng)所(李新男,2017)。
陜西乾陵臺(tái)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(pán)(圖1a)。臺(tái)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(tái)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(cè)硐室高25 m,進(jìn)深約60 m,硐室混凝土襯砌厚約20 cm,室內(nèi)空氣相對(duì)濕度約90%,頂拱覆蓋層最厚約20 m(圖1b,c)。目前,該臺(tái)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(jì)。圖1d為硐室尺寸和儀器基線參數(shù)的示意圖,實(shí)景照片如圖2所示。
2 硐室溫變及其典型干擾
乾陵臺(tái)覆蓋層厚度較小,所以硐室溫度的長(zhǎng)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(shí)溫變幅度,往往遠(yuǎn)大于年變幅。如2017年10月26日,因維修硐體應(yīng)變儀而開(kāi)啟艙門(mén),由此與外界空氣進(jìn)行對(duì)流并產(chǎn)生熱傳導(dǎo),導(dǎo)致硐室快速升溫高達(dá)12 ℃(圖3)。
硐室溫度瞬時(shí)大幅變化,會(huì)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(cè)室安裝地震儀,由于開(kāi)啟硐室艙門(mén)的時(shí)間較長(zhǎng),引起硐室快速升溫,高達(dá)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(duì)二者的干擾有如此顯著的差異,主要是因?yàn)闇囟扔?jì)布設(shè)在NS和EW向硐室的交匯處,故該點(diǎn)的氣溫測(cè)值難以真實(shí)反映硐室NS,EW向等不同區(qū)段的溫變。尤其是距溫度計(jì)較遠(yuǎn)處,很難觀測(cè)到局部瞬時(shí)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(cè)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(tái)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(shí)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(duì)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(guò)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(guò)非接觸的方式,實(shí)時(shí)并準(zhǔn)確測(cè)量物體表面的溫度場(chǎng)。
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(chǎng)為357°×268°,最小焦距045 m,最小檢測(cè)目標(biāo)尺寸為IFOV×最小焦距,即23 mm,則最小能對(duì)應(yīng)熱圖像每個(gè)像素的面積為(23×23)mm2,需指出的是,熱圖像的每個(gè)像素代表一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的溫度值,因此監(jiān)測(cè)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(cè)量襯砌表面的溫度就可有效計(jì)算二者的溫度場(chǎng)(何春雄等,1999)。由于乾陵臺(tái)所在地區(qū)秋冬季的降雨量較少,該時(shí)段硐室襯砌表面附著的入滲雨水也相對(duì)較少,硐室內(nèi)相對(duì)濕度較小,因此在該時(shí)段進(jìn)行測(cè)溫,可有效減小襯砌表面水體和空氣中水汽所導(dǎo)致的測(cè)溫誤差(蘇美亮等,2013)。2018年9月21日9時(shí),依次對(duì)引硐、NS和EW向硐室3個(gè)主體區(qū)段的襯砌進(jìn)行了系統(tǒng)測(cè)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(duì)流,在進(jìn)入硐室后就立即關(guān)閉艙門(mén),同時(shí)也未開(kāi)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(shí)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(cè),首先沿靠近儀器的側(cè)壁且距底板約14 m的水平測(cè)線,以1 m為間隔進(jìn)行“臺(tái)陣式”逐點(diǎn)觀測(cè),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(cè)目標(biāo)表面具有較一致的發(fā)射率,從而降低測(cè)溫誤差。測(cè)量中拍攝焦點(diǎn)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(cè)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(shì),這也從側(cè)面反映出外界氣象、人為等因素對(duì)硐溫有直接且較強(qiáng)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(cè)值。上述現(xiàn)象表明,隨著硐室的不斷深入,硐外氣溫對(duì)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(dòng),引硐的波動(dòng)最為顯著。但在某些局部區(qū)域,個(gè)別測(cè)值呈離散分布。如圖5所示,引硐和EW向硐室的第13,11個(gè)測(cè)點(diǎn),它們分別與之前的測(cè)點(diǎn)值相差12 ℃和16 ℃。出現(xiàn)如此大的溫度異常點(diǎn),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(dòng);(3)測(cè)溫目標(biāo)表面的發(fā)射率較低;(4)測(cè)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(jì)當(dāng)天觀測(cè)的氣溫約為1502℃,而此處襯砌的溫度約為131℃,說(shuō)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(huì)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(duì)密閉,對(duì)空氣的保溫效果較好,因此氣溫相對(duì)偏高。需要說(shuō)明的是,此次僅對(duì)比了一個(gè)測(cè)點(diǎn)處的差異,后期還需測(cè)量更多區(qū)域的氣溫,以供進(jìn)一步的對(duì)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(kuò)散效應(yīng)(孫玉軍等,2008)。針對(duì)這一特殊的“熱點(diǎn)”區(qū)域,將硐室E端作為試點(diǎn),在景深約6 m處進(jìn)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(diǎn)的溫度為553 °F(129℃),視場(chǎng)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(xì)觀尺度上,紅外熱成像圖出現(xiàn)許多“噪點(diǎn)”,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(chǎng)內(nèi),所能檢測(cè)最小目標(biāo)的尺寸高達(dá)31 mm。因?yàn)樵摕嵯駜x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(xì)節(jié)信息不夠明晰。
此外,該型號(hào)的熱像儀也無(wú)法對(duì)硐室進(jìn)行全斷面的三維觀測(cè)。因此,更精細(xì)的硐室紅外熱像全貌很難得以真實(shí)和清晰呈現(xiàn),這不利于端部和其他區(qū)域的合理對(duì)比。對(duì)于端部的熱匯聚和熱擴(kuò)散問(wèn)題,本文暫不做進(jìn)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(guò)更精細(xì)和更長(zhǎng)時(shí)間的觀測(cè)來(lái)加以重點(diǎn)探討。要說(shuō)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(lái)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(duì)乾陵臺(tái)硐室的襯砌進(jìn)行溫度觀測(cè)和熱成像,并得到結(jié)論如下:
(1)該臺(tái)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(shì)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(dá)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(dòng)幅度以引硐最顯著,NS和EW向硐室則相對(duì)平緩,但在某些局部區(qū)域,個(gè)別測(cè)點(diǎn)的溫度明顯離散。
(3)相同測(cè)點(diǎn)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(dá)14 ℃,但由于熱像圖分辨率有限,因此無(wú)法獲取更精細(xì)的細(xì)觀特征。
乾陵臺(tái)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(duì)更好理解和準(zhǔn)確改正該臺(tái)的熱彈性形變效應(yīng)等,具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。同時(shí),也能為合理構(gòu)建和計(jì)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(cè)探紅外熱成像方法在地球動(dòng)力學(xué)觀測(cè)硐室測(cè)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(jī)制,這將在后續(xù)工作中進(jìn)一步開(kāi)展。
相比傳統(tǒng)定點(diǎn)單一的硐室氣溫觀測(cè)方法,紅外熱成像雖然不能連續(xù)直接觀測(cè)氣溫,但卻能以“超密集臺(tái)陣”的方式,對(duì)襯砌進(jìn)行精確、快捷的溫度成像;也能有效填補(bǔ)目前氣溫觀測(cè)模式下的“空白”區(qū)。鑒于該方法所特有的諸多優(yōu)點(diǎn),值得進(jìn)一步開(kāi)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(cè)溫手段。
特別需要說(shuō)明的是,鑒于該臺(tái)硐室溫度的時(shí)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(xì)的三維時(shí)變溫度分布特征,尚需采用更高精度的紅外熱像儀并進(jìn)行更長(zhǎng)時(shí)間的觀測(cè)和資料分析。
在硐室?guī)缀纬叽鐪y(cè)量和紅外熱成像過(guò)程中,陜西省地震局張國(guó)強(qiáng)工程師、乾陵地球動(dòng)力學(xué)觀測(cè)臺(tái)的張創(chuàng)軍高級(jí)工程師、陳嘉選和楊曉東工程師給予了很大幫助,中國(guó)科學(xué)院測(cè)量與地球物理研究所危自根博士與筆者進(jìn)行了有益的討論,兩位評(píng)審專家提出諸多有益建議,對(duì)稿件質(zhì)量的提升幫助很大,在此一并表示誠(chéng)摯的感謝。
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