王紹宇，李志軍，張邀丹，修苑人，鄧 宇，李國(guó)玉

(1.大連理工大學(xué) 海岸和近海工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 遼寧 大連 116024；2.黃河水利委員會(huì)黃河水利科學(xué)研究院， 河南 鄭州 450003；3.中國(guó)科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院 凍土工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(zhǎng)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(jiǎn)便技術(shù)是冰晶體切片法[4-5]。它通過(guò)分層切片，然后對(duì)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(lái)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(gè)不同位置，用它們的均值代替整個(gè)薄片的平均結(jié)果。為了了解微米級(jí)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?yàn)榉糯蟊稊?shù)很大，而切片時(shí)很難掌握好樣品是否恰好處于三個(gè)晶體的邊界或者兩個(gè)晶體的邊界，實(shí)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(huì)有很大改善，甚至在測(cè)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(jì)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(wú)損檢測(cè)且迅速成像的優(yōu)點(diǎn)，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(cè)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(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室同期也引入醫(yī)學(xué)CT技術(shù)探測(cè)凍土的內(nèi)部組構(gòu)[9]，用核磁共振技術(shù)探測(cè)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(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室醫(yī)學(xué)CT進(jìn)行探測(cè)，獲取了冰晶體、氣泡和鹵水胞的分布[11]。目前國(guó)際上利用CT掃描技術(shù)研究海冰內(nèi)部組構(gòu)變得越來(lái)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(jì)各相物質(zhì)的體積并計(jì)算相對(duì)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(duì)冰內(nèi)氣泡直徑較大的粒狀冰效果較好，相對(duì)誤差16%，但對(duì)冰內(nèi)氣泡直徑較小的柱狀冰，能產(chǎn)生43%相對(duì)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(duì)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(shí)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(zhǎng)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(zhǎng)過(guò)程中部分位置因?yàn)楸鶅?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(duì)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(zhǎng)約為500 mm的立方體冰坯。氣泡多的冰坯編號(hào)W1(冰厚約500 mm)，氣泡少的冰坯編號(hào)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(cè)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(diǎn)

2 基本測(cè)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(shí)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(wàn)向旋轉(zhuǎn)臺(tái)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(cè)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(cè)量長(zhǎng)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(cè)量其質(zhì)量；最后計(jì)算質(zhì)量和體積比值得到冰密度。

CT掃描測(cè)試在凍土工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。采用Philips Brilliance 16 CT掃描實(shí)驗(yàn)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(duì)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(duì)應(yīng)實(shí)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(duì)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(duì)應(yīng)在CT影像每個(gè)像素的體單元是0.1134 mm3，如圖2(c)所示。每個(gè)像素的CT值反映這個(gè)體單元對(duì)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(cè)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(gè)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(duì)應(yīng)的體密度差異較小。其中W2的CT均值相對(duì)保持穩(wěn)定，W1的波動(dòng)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(duì)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(chǎng)取樣時(shí)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(duì)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(duì)CT值的效應(yīng)，將某一層掃描影像提出，統(tǒng)計(jì)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(shuō)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(duì)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(shí)終止，共占據(jù)4層CT掃面影像。對(duì)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(gè)點(diǎn)；分別沿從左到右和從后向前兩個(gè)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(duì)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(gè)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(dòng)。平面內(nèi)從前到后，進(jìn)入低密度區(qū)域時(shí)的CT值變化快，曲線陡峭；遠(yuǎn)離低密度區(qū)域時(shí)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(duì)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(zhǎng)(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(cè)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(guò)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(shuō)明利用CT掃描技術(shù)可以對(duì)傳統(tǒng)方法無(wú)法發(fā)現(xiàn)的細(xì)微氣泡差異進(jìn)行準(zhǔn)確描述。通過(guò)分層CT值的統(tǒng)計(jì)特征(均值、標(biāo)準(zhǔn)差)，能對(duì)冰樣各深度的氣泡含量進(jìn)行定量分析。對(duì)于局部CT值變化劇烈的掃描層，可以結(jié)合CT圖像對(duì)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(duì)直徑小于0.19 mm的氣泡無(wú)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(lái)實(shí)現(xiàn)。