引用本文
黄建伟, 刘善军, 徐忠印, 马春艳, 吴立新. 辐射背景对岩石受力热红外光谱变化影响的实验研究[J]. 光谱学与光谱分析, 2018,38(1): 49-53.
HUANG Jian-wei, LIU Shan-jun, XU Zhong-yin, MA Chun-yan, WU Li-xin. Experimental Study on the Influence of the Radiation Background on the Variation in Thermal Infrared Radiance of Loaded Rock[J]. Spectroscopy and Spectral Analysis, 2018,38(1): 49-53.
Doi:10.3964/j.issn.1000-0593(2018)01-0049-05  
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辐射背景对岩石受力热红外光谱变化影响的实验研究
黄建伟1,2, 刘善军1,2,*, 徐忠印1,2, 马春艳1,2, 吴立新3
1. 东北大学深部金属矿山安全开采教育部重点实验室, 辽宁 沈阳 110819
2. 东北大学资源与土木工程学院, 辽宁 沈阳 110819
3. 中南大学地球科学与信息物理学院, 湖南 长沙 410083
*通讯联系人 e-mail: liusjdr@126.com

作者简介: 黄建伟, 1992年生, 东北大学资源与土木工程学院博士研究生 e-mail: hjw1028@126.com

收稿日期: 2016-10-06
基金: 国家自然科学基金应急管理项目(41440032)资助
摘要

研究表明, 岩石在加载过程中表面的红外辐射随应力发展而变化, 而辐射信息的有效提取与辐射背景存在密切关系。 通过理论分析不同实验环境对岩石受力热红外光谱变化影响, 开展了花岗岩在室内外环境下的受力热红外光谱观测实验, 分析了不同辐射背景下岩石红外辐射与应力的相关性以及由应力引发的辐射变化信息的强弱差异, 并对两种环境下岩石应力热红外探测的优势波段进行了对比分析。 结果表明, 辐射背景对岩石受力热红外光谱探测结果有重要影响, 室外环境因背景辐射较弱, 相同应力作用下的红外辐射变化更加显著, 与应力之间的相关程度更高, 优势波段区间更宽, 更加有利于岩石应力的热红外探测。 8.0~11.8 μm波段是利用热红外遥感监测地表花岗岩应力变化的优势波段。

关键词: 背景辐射; 岩石; 热红外光谱; 应力
中图分类号:TP722 文献标志码:A
Experimental Study on the Influence of the Radiation Background on the Variation in Thermal Infrared Radiance of Loaded Rock
HUANG Jian-wei1,2, LIU Shan-jun1,2,*, XU Zhong-yin1,2, MA Chun-yan1,2, WU Li-xin3
1. Key Laboratory of Ministry of Education on Safe Mining of Deep Metal Mines, Northeastern University, Shenyang 110819, China
2. School of Resources and Civil Engineering, Northeastern University, Shenyang 110819, China
3. School of Geosciences and Info-Physics, Central South University, Changsha 410083, China
*Corresponding author
Abstract

Previous studies have shown that the thermal infrared radiation of rock surface changes corresponding to the stress in the rock loading process. The effective extraction of radiation variation information depends on the influence from background radiation. Thus, this study aims to analyze the variety of thermal infrared spectrum for loaded rock under different experimental conditions. The thermal infrared radiation experiments of loaded granite were carried out in both indoor and outdoor conditions. The relationship between radiation variation and stress under different experimental condition was investigated, and the characteristic of radiation information caused by stress was analyzed. Furthermore, we compared the sensitive waveband to stress in thermal infrared detection under indoor and outdoor conditions. The results showed that the radiation background had a significant effect on the radiation changes of loaded rock. It was found that the infrared radiation changed more significantly, and correlated more closely to stress in the outdoor condition, while the sensitive waveband is wider due to the relatively weak background radiation. It is more accurately and reasonably for detecting the thermal infrared radiation of loading rock in the outdoor condition. The 8.0~11.8 μm wave range can be considered as the effective waveband for granite stress monitoring using thermal infrared remote sensing technology.

Keyword: Background radiation; Rock; Thermal infrared spectrum; Stress
引 言

20世纪90年代, 为揭示地震前热红外异常现象产生机理, 许多学者进行了岩石加载过程的热红外辐射观测实验, 发现岩石在破裂前出现红外异常前兆现象, 并利用热弹效应和摩擦热效应解释了这些异常现象[1, 2]。 为进一步了解岩石破裂热红外异常监测的优势波段, 崔承禹等开展了在实验室环境下的岩石受力热红外光谱变化观测的实验研究, 发现石英正长岩、 细粒闪长岩、 石英二长岩等在8.3~10.1, 10.3~12.2和13.0~15.1 μ m波段区间的光谱辐射强度随应力变化显著[3]; Freund等研究表明, 斜长岩在10.75, 11.36, 12.4以及7.7~10.0 μ m处的光谱辐射强度随应力变化显著, 并利用“ p-hole” 效应进行了解释[4, 5]。 为了进一步分析岩石在受力过程中, 红外光谱辐射变化与应力之间的关联性, 刘善军等在室内常温下开展了岩石单轴加载的热红外光谱观测实验, 定量分析了岩石在受力过程中不同波段区间的辐射亮度变化特征。 结果表明, 不同岩石红外辐射对应力响应的敏感波段不同, 石英砂岩的应力敏感波段为8.0~11.5 μ m, 富含斜长石的花岗岩的应力敏感波段为8.2~11.7 μ m, 富含钾长石的花岗岩的应力敏感波段为8.4~10.6 μ m, 岩石受力红外辐射变化的敏感波段与其矿物组成成分的余辉带特征(reststrahlen features, RF) 区间有关[6]。

然而, 以往开展的室内实验存在一些缺陷, 一是实验在常温下进行, 目标温度与周围背景的温度相近, 物体自身的辐射特征会被背景辐射所淹没, 不利于岩石受力诱发的红外辐射变化信息的准确提取[7, 8]; 二是以往的室内实验条件与卫星对地观测条件不符, 室内的实验结果很难用来指导实践应用。

为此, 我们首先在理论上分析了不同实验环境对岩石受力热红外光谱观测实验的影响, 然后以花岗岩为例, 开展了室外环境下岩石受力热红外光谱变化规律的实验研究, 并与以往室内实验结果进行对比, 旨在揭示辐射背景对受力岩石热红外光谱变化的影响。

1 理论分析

根据热辐射传输原理, 使用热红外光谱辐射计近距离观测岩石目标时, 通过辐射计镜头进入传感器的光谱辐射亮度L0(h, λ )[9, 10]可表示为

L0(h, λ)=ε(λ)Lbb(Ts, λ)+[1-ε(λ)]Ldwr(λ)(1)

式(1)中, h为辐射计距离岩石观测表面高度(m); λ 为波长(μ m); ε (λ )为试样静态观测时在波长λ 处的发射率; Ts为岩石试样表面的物理温度(K); Lbb(Ts, λ )为在Ts温度下对应黑体的光谱辐射亮度(W· m-2· μ m-1· sr-1), 可以由普朗克公式计算得出; Ldwr(λ )为实验环境中的下行辐射(即背景辐射)(W· m-2· μ m-1· sr-1), 可以通过已知发射率的标准漫反射金板实测得到, 下行辐射与实际观测环境有关[10]。 [1-ε (λ )]Ldwr(λ )为实验环境中的下行辐射经过试样表面反射之后被辐射计所接收的部分。

如果实验过程较短(不超过10 min)且背景稳定, 则可以认为在加载过程中的下行辐射没有发生变化[11]。 因此, 在加载过程中, 当岩石表面温度变化量为Δ Ts、 发射率的变化量为Δ ε (λ )时, 辐射计所接收到的辐射亮度L1(h, λ ), 如式(2)所示

L1(h, λ)=[ε(λ)+Δε(λ)]Lbb(Ts+ΔTs, λ)+[1-ε(λ)-Δε(λ)]Ldwr(λ)(2)

该状态相对初始时刻的辐射亮度增量Δ L1(h, λ ), 如式(3)所示

ΔL1(h, λ)=L1(h, λ)-L0(h, λ)=ε(λ)[Lbb(Ts+ΔTs, λ)-Lbb(Ts, λ)]+Δε(λ)[Lbb(Ts+ΔTs, λ)-Ldwr(λ)](3)

由式(3)可知, 在加载过程中辐射计所接收的辐射亮度变化主要由两部分组成, 前半部分为发射率不变、 仅由试样表面温度变化引起的辐射亮度变化, 即ε (λ )[Lbb(Ts+Δ Ts, λ )-Lbb(Ts, λ )]; 后半部分为由发射率变化、 表面温度变化与环境下行辐射共同引起的辐射亮度变化, 即Δ ε (λ )[Lbb(Ts+Δ Ts, λ )-Ldwr(λ )]。

当实验在室内环境下进行时, 由于目标与周围物体、 墙壁以及天花板等的温度相近, 背景辐射较强; 而当实验在室外环境下进行时, 天空作为目标观测的辐射背景, 此时因天空较低温度导致的下行辐射较弱。 图1为利用光谱辐射计与标准漫反射金板分别在室内和室外环境观测到的下行辐射。 图1看出, 室内环境的下行辐射(红色谱线)相对于室外下行辐射(黑色谱线)要强的多, 室外的下行辐射因水汽影响使得谱线存在一定的波动性[8, 11]。

图1 室内与室外实验环境的下行辐射Fig.1 The downwelling radiance under the indoor and outdoor experimental conditions

根据热弹定律及岩石的热力学性质, 脆性岩石在弹性变形阶段由受力引起的温度变化不超过0.2 K, 依据普朗克定律计算得到, 0.2 K温度变化引起的黑体辐射亮度变化量级为10-2 W· m2· μ m-1· sr-1。 同样, 岩石在加载变形时表面发射率也会发生变化, 一般与应变成正比, 脆性岩石在破裂前应变约为10-3, 引起发射率变化量级也为10-3。 为了更好的分析不同实验环境中的下行辐射对辐射计所接收目标辐射的变化量贡献程度, 定义式(3)前后两部分辐射贡献的比值δ , 如式(4)所示

δ=ε(λ)[Lbb(Ts+ΔTs, λ)-Lbb(Ts, λ)]Δε(λ)[Lbb(Ts+ΔTs, λ)-Ldwr(λ)](4)

当实验在室内环境下进行时, 因背景辐射与目标辐射相近, 即Ldwr(λ )≈ Lbb(Ts, λ ), 使得式(4)可以近似简化为

δ=ε(λ)Δε(λ)(5)

由于观测目标的光谱发射率ε (λ )的量级为10-1, Δ ε (λ )的量级为10-3, 因此, δ 约为102。 即室内环境下, 式(3)后半部分的辐射亮度变化要远远小于式(3)前半部分的辐射亮度变化量, 辐射计只能探测到由岩石表面温度变化引起的辐射亮度变化。

而当实验在室外环境下开展时, 图1看出, 室外下行辐射Ldwr(λ )远低于目标辐射Lbb(Ts, λ ), Lbb(Ts+Δ Ts, λ )-Ldwr(λ )介于100~101之间。 由此可以计算出, 式(4)中δ 近似为1, 即在室外环境下, 式(3)后半部分的辐射亮度变化与前半部分的辐射亮度变化在量级上基本一致, 使得辐射计所接收到的辐射亮度变化信号明显增强。 因此, 室外环境更有利于探测由岩石受力引起的辐射亮度变化。

2 实验部分
2.1 室外环境下岩石受力热红外光谱观测实验

室外实验加载设备采用YAW-5000卧式压力机, 用于岩石试样的水平加载, 其最大试验力为5 000 kN, 精度优于1%; 轴向位移控制范围为0~650 mm, 精度优于0.5%。 热红外光谱观测设备采用美国D& P公司生产的Turbo FT热红外光谱辐射计, 探测波长为2.55~15 μ m, 光谱分辨率为4 cm-1, 采样频率为1 Fps。 实验之前使用液氮对辐射计进行制冷, 制冷时间不少于60 min, 确保仪器内部探测器温度稳定。 采用双温度黑体定标法对辐射计进行标定, 以确定仪器内部响应函数并减少仪器内部噪声与数据漂移。 实验中选择视场角为2.4° 的镜头垂直向下观测岩石表面中部区域, 观测距离约80 cm, 观测视域约为直径6.4 cm的圆形区域。 实验时, 在压力机一侧布设视频录像设备, 以监测在加载过程中试件表面的变化情况。

为便于与室内实验结果对比, 岩石试样与以往室内实验的试样相同(见文献[6]), 即富含斜长石的花岗岩。 将其加工成大小10 cm× 10 cm× 20 cm、 加载两端不平行度小于0.1 mm的长方体, 共3块试样, 分别编号为“ hgy-1” 至“ hgy-3” 。 对试样以0.4 mm· min-1的速率进行单轴压缩加载至破裂。 实验时, 为避免太阳辐射对加载过程中的岩石表面温度与红外辐射产生影响, 选择在夜间进行。 在两个加载端与试样间夹衬聚四氟乙烯垫片, 以减少加载端头对试样的传热。 正式加载实验前预先进行不少于5 min的静态观测, 待光谱数据稳定后正式开始实验。 实验现场如图2所示。

图2 室外实验现场布设图Fig.2 Photograph of the outdoor experimental system

2.2 室内环境下岩石受力热红外光谱观测实验

课题组已经在2013年开展了室内常温环境下的花岗岩受力热红外光谱观测实验[7], 采用微机控制的YAG-3000刚度试验机对试样进行单轴压缩加载, 加载方式与室外环境相同, 同样在加载两端与试样之间夹衬聚四氟乙烯垫片。 观测时将辐射计放置在距离试样约1 m处, 辐射计镜头与试样表面垂直, 同时在试样外围使用铝皮遮罩, 在正对辐射计前方开设小孔以便辐射计观测。 实验过程中关闭门窗, 拉上窗帘, 减少人员走动, 待静态观测的光谱数据稳定之后正式开始实验。

3 结果与讨论
3.1 数据处理方法

由于岩石在弹性阶段的光谱辐射亮度变化很小, 而仪器自身的响应函数与环境噪声使得花岗岩的静态光谱曲线在2.55~8 μ m以及13~15 μ m区间呈现明显的波动性, 为此选择8~13 μ m区间的辐射亮度数据进行分析。 参照文献[6]中的处理方法, 将8~13 μ m波段以0.1 μ m间隔进行区间划分, 并对每个波段区间内的光谱辐射亮度求解积分, 作为该波段区间的总体辐射亮度。 设加载起始时刻的辐射亮度为R(σ 0, λ ), 加载过程中某一应力状态的辐射亮度为R(σ i, λ ), 则σ i相对σ 0的辐射亮度变化量Δ R(σ i, λ )为

ΔR(σi, λ)=R(σi, λ)-R(σ0, λ)(6)

对实验中每个试样, 利用式(6)计算Δ R(σ i, λ )来分析岩石加载过程中不同波段区间的红外辐射强度在不同应力阶段的变化特征。 其中, λ 为考察的波段范围。

3.2 室内外实验结果对比

图3为在8.7~8.8 μ m波段区间, 室外和室内环境下的Δ R随应力变化曲线, 其中室外数据以hgy-1为例, 室内实验数据来自文献[7]。

图3 室内外环境Δ R随应力的变化曲线对比Fig.3 The radiance increment curves change with stress in the indoor and outdoor conditions

由图3可知, 两种实验环境下的辐射亮度增量曲线由于受到仪器与环境噪声的影响, 均存在明显的数据波动[6, 7, 9], 但是在整体趋势上与应力呈近似线性关系, 由此可以对辐射亮度随应力的变化曲线进行线性拟合(见图3中直线)。 可以看出, 两种观测环境下的辐射亮度均随着应力的增加而增加, 但是辐射亮度增量随应力变化的斜率存在差异。 在8.7~8.8 μ m波段区间, 室外环境下的辐射亮度变化斜率要高于室内环境, 且数据波动性相对较小。

为了进一步揭示不同实验环境下岩石红外辐射对应力响应的敏感波段, 使用“ 相关系数” (r)[6, 12]与“ 最大变幅-标准偏差比” (η )[6]两个指标进行分析。 其中r反映辐射亮度变化与应力之间的相关程度, r越大, 说明辐射亮度变化量与应力的相关程度越高; η 反映应力作用下光谱辐射亮度变化相对于噪声的强弱, η 越大则应力引起的辐射亮度变化信号越强, 噪声越小[6]。 在8.7~8.8 μ m区间两种实验环境下的r与η 计算结果见表1。

室内外环境下r与η 在不同阈值下的波段统计

Table 2 Waveband statistics of r and η at different thresholds in the indoor and outdoor conditions

图4与表2反映: (1) 室内环境r> 0.5的波段范围为8.2~11.7 μ m, r> 0.6的波段范围为9.2~10.6 μ m, r在10.1~10.3 μ m区间取得最大值0.68; 而室外环境r> 0.5的波段范围为8.0~12.6 μ m, r> 0.6的波段范围为8.0~11.8 μ m, 并在9.9~10.1 μ m区间取得最大值0.81; 室外环境下应力与红外辐射具有高相关性的波段范围更宽; (2) 室内环境η > 2.0的波段范围为8.2~11.7 μ m, η > 2.5的波段范围为9.2~10.6 μ m, η 在10.2~10.3 μ m区间取得最大值3.16; 而室外环境η > 2.0的波段范围为8.0~12.6 μ m, η > 2.5的波段范围为8.0~11.8 μ m, 在10.0~10.1 μ m取得最大值5.35。 上述结果表明在相同应力作用下, 室外环境下岩石红外辐射变化更加显著, 红外辐射对应力作用更加敏感。

Araujo等通过8~14 μ m波段区间的红外辐射温度反演物体表面实际物理温度时发现, 在不同背景温度下, 利用辐射温度反演物理温度的精度不同。 当背景温度与目标温度的差值小于10 K时, 利用目标辐射温度反演物理温度的误差达到6%。 随着背景温度与目标温度的差值逐渐增加, 反演精度也随之提高, 当温差大于50 K时, 反演误差小于1%[13, 14]。 由此说明, 背景辐射对目标温度的反演精度有重要影响。

本实验结果说明: 室外环境由于背景辐射较低, 使得岩石在应力作用下的红外辐射变化更加显著, 辐射亮度变化量与应力的相关程度更高, 利用红外辐射监测岩石应力状态的优势波段区间更宽。

4 结 论

在理论上分析了实验环境对花岗岩受力热红外辐射变化的影响, 开展了在室外环境下岩石受力过程的热红外光谱观测实验, 并与以往的室内实验结果进行了对比分析。 主要结论有:

(1) 辐射背景对岩石受力热红外光谱探测结果有重要影响, 与室内环境相比, 室外环境因背景辐射较弱, 相同应力作用下的红外辐射变化更加显著, 红外辐射变化与应力之间的相关程度也更高, 更加有利于岩石应力的热红外探测。

(2) 室外环境下, 花岗岩在8.0~11.8 μ m波段的红外辐射变化量与应力的相关系数达到0.6, “ 最大变幅-标准偏差比” 达到2.5, 可以认为该波段区间是利用热红外遥感监测地球表面花岗岩应力变化的优势波段。

需要说明, 实际遥感观测中地球表面岩石的红外辐射受诸多因素的影响, 其中气象因素是引起岩石红外辐射变化的主要因素, 如何有效的提取由地应力变化引起的地表岩石红外辐射变化弱信息, 还是非常困难且需要深入细致的探究。

致谢: 感谢美国Win Wadsworth在热红外光谱辐射计工作原理以及定标上给予的帮助。

The authors have declared that no competing interests exist.

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