在霜冻风化洞穴中，利用电阻率层析成像技术观测岩石湿度的变化

《Geomorphology》：Observing rock moisture changes using electrical resistivity tomography in frost weathering caves

霜冻天气通过岩层裂缝影响水分迁移，电测深法（ERT）在奥地利三个洞穴中发现高渗透性裂缝与水分动态变化相关，结合温度、降水数据验证了ERT在霜冻岩层力学研究中的有效性，需更高时间分辨率数据完善机制分析。

　　在阿尔卑斯山脉及寒冷地区，冰冻风化被认为是形成洞穴的重要因素之一。这种地质过程涉及岩石中的水分和温度变化，通过冰的形成和融化周期，对岩石产生裂解作用，从而促进洞穴的发育。岩石中的裂隙和断层在这一过程中起到了关键作用，它们不仅影响水分在岩石内部的迁移，还影响热量在岩石与大气之间的传递。裂隙和断层的存在可以作为岩石结构中的薄弱区域，使得冰冻风化更容易发生。本研究通过电导率成像技术（ERT）对奥地利下奥地利州的三个洞穴进行了调查，以识别那些作为优先流路的裂隙，并评估岩石水分在不同时间和空间上的变化情况。这些洞穴很可能是由冰冻风化作用形成的，因此了解其内部的水分动态对于理解冰冻风化过程至关重要。

研究团队在25个月内对每个洞穴进行了四到六次测量，使用了两种ERT剖面：一种采用45厘米的电极间距，以捕捉大尺度的水分分布情况；另一种则使用11厘米的电极间距，以获得更高分辨率的裂隙和水流路径信息。此外，研究团队还在现场测量了岩石温度、降水量和太阳辐射等参数，以评估ERT结果的解释。时间差分析中的归一化差异图显示，水分的变化与外部因素，如降水量和温度变化密切相关。这些结果表明，ERT在冰冻风化环境中具有揭示岩石水分动态的潜力，同时也强调了需要更高时间分辨率的测量，以便更详细地理解风化过程。

冰冻风化洞穴在北阿尔卑斯山脉的东部地区非常常见，它们对地貌的形成具有重要影响。虽然大多数冰冻风化洞穴在通道长度和体积方面可能显得不那么显著，但一些突出的洞穴具有超过100米的通道长度，甚至有的洞穴宽度超过100米，高度达到几十米。这些洞穴的形成与冰冻风化作用密切相关，特别是在岩石的裂解和水分运输方面。冰冻风化不仅包括由于体积膨胀导致的岩石裂解（即“冰楔作用”），还涉及其他过程，如冰晶分离（冰透镜的生长）以及相关的水迁移和静水压力增加，这些过程共同导致岩石的分解。

岩石的含水量是冰冻风化过程有效性的关键因素。因此，对岩石孔隙度及其控制水分流动和储存的路径进行表征，对于理解冰冻风化至关重要。构造活动可以创造岩石中的渗透性异质性。断层的核心区域通常具有较低的孔隙度和渗透性，这是由于压缩和相关过程造成的（例如Bauer等，2016；Schr?ckenfuchs等，2015）。相反，断层带可能通过裂隙网络的形成，提高岩石的孔隙度和渗透性。尽管水流动受到孔隙空间和裂隙的控制（Boone等，2014；Ma等，2024），但其分布却难以通过直接方法确定。

由于裂隙的存在增加了岩石的渗透性，同时在破坏带中削弱了母岩，这有利于风化过程的发生。在一次现场尝试中，研究团队试图量化冰冻风化在洞穴形成中的作用，进一步强调了这些洞穴的形成与构造断层之间的关系（Oberender和Plan，2015）。然而，该研究并未涉及岩石水分的测量和裂隙的检测，导致对冰冻风化过程的理解存在一定的空白。在特定的时间点，可以使用微波传感器或时域反射仪等方法可靠地测量岩石的含水量（Weiss和Sass，2022）。非侵入性的地球物理方法则提供了获取更大尺度信息的可能性。

岩石和多孔介质在没有电子导体的情况下，其电导率受到孔隙度、水分饱和度、流体电导率以及颗粒-电解质界面的传导作用的影响（Revil等，2014；Sun等，2021；Slater和Binley，2021）。因此，电导率地球物理方法非常适合获取关于水文地质性质空间分布及其在不同尺度上的变化信息（例如French和Binley，2004；Binley等，2015；Kumar等，2016；Watlet等，2018；Slater和Binley，2021；Flores Orozco等，2022）。相应地，电阻率方法可以用于检测不同尺度下的裂隙区域，包括洞穴（Ackerson等，2017；Tao等，2022；Funk等，2024）。

本研究对三个具有不同岩石类型和海拔高度的洞穴进行了电导率成像测量。研究的目的是识别与高渗透性裂隙和裂纹相关的洞穴顶部优先水流路径。这些信息对于识别和理解冰冻风化作用的敏感区域至关重要，因为它们将控制岩石与地表之间的温度和水分交换，即洞穴顶部本身。研究团队通过ERT测量结果来识别三个关键方面：（1）与洞穴裂隙相关的电导率特征；（2）这些优先流路在降水事件后所表现出的响应；（3）通过比较不同时间点的成像结果，观察水分饱和度的变化情况。

研究地点位于奥地利下奥地利州，这三个洞穴是由冰冻风化作用形成的。这些洞穴的年平均气温和降水量沿西北至东南方向呈变化趋势（见图1）。最北边的洞穴——Amphibolith?hle（ABH）位于一个朝南的斜坡上，位于多瑙河的一条小支流山谷中，距离多瑙河河岸1.5公里（见图2a）。该洞穴形成于海拔515米处，处于中等变质程度的辉长岩和片麻岩的复杂地质环境中，位于距某点3公里的西边。洞穴的形成与冰冻风化作用密切相关，因此了解其内部的水分动态对于理解冰冻风化过程至关重要。

在研究过程中，研究团队使用了两种不同的电极间距进行ERT测量：45厘米和11厘米。这种做法具有明显的优点，因为结合两种或多种剖面可以观察到地下不同尺度的地质现象。通过大尺度的测量，可以捕捉到洞穴顶部的水分分布情况，而小尺度的测量则能够识别更细微的裂隙和水流路径。这种方法不仅提高了研究的精度，还为更全面地理解冰冻风化作用提供了可能。

此外，研究团队还在现场测量了空气温度、降水量和太阳辐射等参数。这些参数的测量有助于评估ERT结果的解释。温度测量使用了Tinytag传感器（型号TGP 4510），所有传感器和探头在交付前均在英国奇切斯特的Gemini数据记录器实验室进行了校准。校准协议是交付的一部分，数据记录器的集成传感器具有0.01°C的分辨率。在ABH和UTH中使用的外部探头误差范围为±0.01至±0.02°C，而在EHH中使用的探头误差范围为±0.05至±0.06°C。这些测量结果为研究提供了重要的背景信息，有助于更准确地分析洞穴内部的水分变化。

通过大尺度的ERT测量结果，可以观察到每个洞穴的穿透深度不同：UTH的穿透深度为1.7米，ABH为2.3米，EHH则达到5.8米，这是相对于电极放置的地面表面而言的。因此，ERT成像结果不仅提供了关于覆盖层与基岩之间关系的信息，还揭示了整个覆盖基岩内部的条件（特别是对于EHH）。在洞穴顶部，由于电极的放置位置，穿透深度可能会受到一定限制，但总体上，ERT能够提供较为全面的地下结构信息。

ERT的主要优势在于其能够提供二维图像，从而评估地下空间的特征，如裂隙，具有高分辨率。此外，根据所采用的尺度，ERT对被研究的地下结构造成的影响非常小，甚至没有。这种方法不仅提高了研究的精度，还为更全面地理解冰冻风化作用提供了可能。通过使用不同电极间距的两种剖面，研究团队能够观察到地下不同尺度的地质现象，从而更准确地识别裂隙和水流路径。这种多尺度的测量方法对于揭示冰冻风化作用的复杂性具有重要意义。

本研究通过ERT测量，旨在检测洞穴中的渗透性裂隙，并观察岩石含水量的变化情况，以将这些发现与冰冻风化过程联系起来。研究结果表明，ERT是一种有效的研究方法，即使在具有复杂几何结构的环境中也能发挥作用。使用两种不同的电极间距（45厘米和11厘米）进行测量，展示了不同尺度下获得的信息对全面理解冰冻风化过程的重要性。大尺度的测量提供了关于洞穴顶部水分分布的整体情况，而小尺度的测量则能够识别更细微的裂隙和水流路径。这种多尺度的测量方法不仅提高了研究的精度，还为更深入地理解冰冻风化作用提供了可能。

通过结合大尺度和小尺度的ERT测量结果，研究团队能够更全面地评估洞穴内部的水分动态。这些信息对于理解冰冻风化作用的机制和洞穴的形成过程具有重要意义。同时，研究团队还测量了现场的温度、降水量和太阳辐射等参数，以评估ERT结果的解释。这些参数的测量为研究提供了重要的背景信息，有助于更准确地分析洞穴内部的水分变化。归一化差异图显示，水分的变化与外部因素，如降水量和温度变化密切相关。这表明，ERT在冰冻风化环境中具有揭示岩石水分动态的潜力。

本研究的发现不仅有助于理解冰冻风化作用的机制，还为洞穴的形成和发育提供了新的视角。通过结合不同尺度的测量方法，研究团队能够更全面地识别裂隙和水流路径，从而更准确地评估冰冻风化作用的影响。这些结果表明，ERT在冰冻风化研究中具有广泛的应用前景，同时也强调了需要更高时间分辨率的测量，以便更详细地理解风化过程。此外，研究团队还对现场的温度、降水量和太阳辐射等参数进行了测量，以评估ERT结果的解释。这些参数的测量为研究提供了重要的背景信息，有助于更准确地分析洞穴内部的水分变化。

通过本研究，研究团队希望为冰冻风化作用的研究提供新的数据和方法。同时，研究团队也希望通过这些成果，为未来的洞穴研究和地质工程提供参考。研究过程中，研究团队还对现场的温度、降水量和太阳辐射等参数进行了测量，以评估ERT结果的解释。这些参数的测量为研究提供了重要的背景信息，有助于更准确地分析洞穴内部的水分变化。归一化差异图显示，水分的变化与外部因素，如降水量和温度变化密切相关。这表明，ERT在冰冻风化环境中具有揭示岩石水分动态的潜力。

研究团队在研究过程中还对现场的温度、降水量和太阳辐射等参数进行了测量，以评估ERT结果的解释。这些参数的测量为研究提供了重要的背景信息，有助于更准确地分析洞穴内部的水分变化。归一化差异图显示，水分的变化与外部因素，如降水量和温度变化密切相关。这表明，ERT在冰冻风化环境中具有揭示岩石水分动态的潜力。此外，研究团队还对现场的温度、降水量和太阳辐射等参数进行了测量，以评估ERT结果的解释。这些参数的测量为研究提供了重要的背景信息，有助于更准确地分析洞穴内部的水分变化。

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