综述：利用X射线计算机断层扫描技术对冻土进行表征的研究综述

《Cold Regions Science and Technology》：Frozen Soil Characterization via X-Ray Computed Tomography: A Review

X射线CT在冻土研究中的应用进展与挑战

　　

Min Liew

美国俄亥俄州哥伦布市，俄亥俄州立大学土木、环境与大地测量工程系助理教授。

摘要

X射线计算机断层扫描（CT）已成为表征地质材料不可或缺的工具，并在冻土研究中逐渐受到重视。其无损性质在低温环境中尤为宝贵，因为在这种环境下微观结构特征对温度扰动非常敏感，而传统的采样或测试方法可能会改变正在研究的现象。随着X射线生成和检测技术的改进，以及重建和分割软件的进步，X射线CT在冻土研究中的潜力不断扩展，但远未得到充分实现，这凸显了需要综合当前进展和未来机遇的必要性。本文回顾了X射线CT在观察冻土关键特征和行为方面的应用，包括相识别、微观结构量化以及低温过程的时间分辨成像。此外，还探讨了如何处理和解释CT数据以获取热力学和力学性质，以及如何开发扫描协议和低温环境适应性措施以保持原位条件。文中指出了主要挑战，如成像分辨率的限制、数据解释和可比性问题，以及冻土特有的相位分割难题。最近在基于机器学习的分割技术、多尺度成像、与冷中子成像的数据融合以及多物理场建模和验证方面的进展为该领域的发展提供了机遇。最后，提出了几个方向，以推动向更加自主和定量可靠的基于CT的冻土系统表征框架的发展。

引言

冻土广泛存在于高纬度和高海拔地区，以及一些通过人工冻结来稳定的工程场地（Brown等人，2002年；Gruber，2012年；Jessberger，1980年；Li等人，2023年；Zhang等人，1999年）。对其表征对于预测土壤在变化的环境条件或工程边界条件下的响应至关重要。随着许多北方地区多年冻土向季节性融化转变，对冻土进行详细表征的需求日益增长，这不仅适用于岩土工程和地球物理学研究，也适用于生态学和生物地球化学研究（Biskaborn等人，2019年；Smith等人，2022年；Wu和Zhang，2008年）。这一扩展的研究范围推动了从组成、微观形态到热力学、水力学和力学性质等多个维度对冻土的表征工作。

准确预测冻土行为在很大程度上依赖于对其内部结构的理解。然而，直接观察仍然具有挑战性，因为内部结构只能通过观察岩芯表面来推断。虽然可以将岩芯切割成更小的部分以暴露内部特征，但这通常会引入不必要的温度扰动，并且在持续的低温过程中通常是不可行的。即使对于静态测量，也无法客观或定量地记录打开后的内部情况。几种无损技术，如核磁共振（NMR）、时域反射法（TDR）和超声方法，已经提高了对冻土中未冻结水的量化能力，但这些方法通常只能提供整体平均测量结果（Fu等人，1983年；Christ等人，2009年；Kong等人，2020年；Li等人，2020年；Smith和Tice，1988年）。尽管这些方法很有价值，但它们无法提供完整的场数据（即完全解析的空间分布），而这些数据对于揭示内部微观结构及其演变过程至关重要。

X射线计算机断层扫描（CT）提供了一种有前景的无损、时间分辨和全场成像方法，可用于表征各种材料。X射线最早发现于19世纪末，20世纪70年代开始应用于医学成像（详细历史见Villarraga-Gómez等人，2019年）。自20世纪80年代以来，X射线CT已被应用于地质材料研究，为研究复杂的地质材料（如冻土）奠定了基础。它揭示土壤内部过程和变形机制的价值已得到广泛验证（Viggiani等人，2015年）。Petrovic等人（1982年）是最早使用X射线线性衰减系数来量化土壤体积密度的人之一。后续研究主要关注土壤孔隙度，利用土壤颗粒和孔隙之间的线性衰减系数差异，并将孔隙结构与水力性质联系起来（Taina等人，2008年综述）。最近，X射线CT在复杂地质材料（如天然气水合物）中的应用进一步加深了对成核、生长和分解机制的理解（Abbasi等人，2022年）。

在过去二三十年中，X射线CT在冻土研究中的应用迅速扩展。有两组研究特别有影响力：一组是在中国冻土工程国家重点实验室将X射线成像与机械加载结合的研究（例如，Ma等人，1998年；Qi等人，2003年）；另一组是使用医学CT扫描仪观察不同地貌下的天然永久冻土微观结构的研究（Calmels和Allard，2004年；Calmels和Allard，2008年）。这些开创性工作之后，又有研究利用更高的体素分辨率来观察更细尺度的低温特征（Bhreasail等人，2012年；Darrow和Lieblappen，2020年；Romanenko等人，2017年），最近还有研究使用时间分辨CT来捕捉低温过程（Amato等人，2022年；Song等人，2021年）。

尽管X射线CT具有很大潜力，但在冻土中的应用面临一些不同于非冻土材料的挑战。冻土对温度扰动非常敏感，在开放或封闭的水力条件下表现出明显的隆起反应，因此需要专门的低温设备和扫描协议。冰和液态水的相对相似密度进一步阻碍了准确的相位划分，而其异质微观形态要求仔细的解释。已经开发出一些针对特定情况的低温适应性措施来解决这些困难，但相关的成像、数据处理和分析考虑尚未进行全面回顾。因此，本综述重点关注这些冻土特有的方面，将当前的成像方法和CT数据解释进展联系起来，为开发自动化的、时间分辨的、全场基于CT的冻土表征框架提供了支持。

因此，本文回顾了X射线CT在冻土表征中的应用。第2节介绍了X射线CT成像的基础知识。第3节总结了当前的研究状态和关键发现，强调了如何利用越来越高分辨率的CT来识别冻土成分和特征，以及如何应用时间分辨CT来研究低温过程。第4节讨论了方法学考虑因素，包括温度控制、样本大小与体素分辨率之间的权衡，以及CT数据处理工作流程。第5节指出了关键挑战，强调了机器学习辅助数据处理、数据融合的最新进展，并概述了可能扩展CT基冻土表征范围和影响的未来研究方向。第6节总结了本综述。

X射线CT成像的基础知识

X射线CT是一种无损的三维成像技术，用于表征材料的内部结构。在扫描过程中，X射线束穿过样品并根据所穿过的材料发生衰减。透射强度I遵循Beer-Lambert定律（Stock，1999年）：$I=I_o\exp \left(?\int \mu \left(s\right)ds\right)$ 其中$I_o$是入射强度，${\mu }_s$是沿射线路径的线性衰减系数，它取决于X射线能量和材料组成（Withers等人，

X射线CT在冻土研究中的应用

本节介绍了应用X射线CT研究冻土的当前状态和关键发现。X射线CT的无损性质允许直接观察冻土的微观结构，这些结构通常被掩盖，但它们决定了冻土的各种物理性质和行为。研究方向可以分为两类：（1）识别和/或量化冻土成分，包括过量冰、气泡、冰中的裂缝等

CT扫描期间的辅助仪器和边界条件控制

温度控制：: 为了研究冻土，维持零下温度至关重要，这需要辅助温度控制仪器或冷源。一种常见的方法是在解冻前立即扫描样品（例如，Calmels和Allard，2004年；Nitzbon等人，2022年）。在准备冻土样本时，最初未冻结的样本可以在冷冻柜中冷冻，但这种缓慢的冷冻可能导致孔隙水迁移到较冷的外表面，从而

挑战、当前进展和前景

尽管在将X射线CT应用于冻土方面取得了显著进展，但仍存在一些挑战。本节探讨了这些挑战，强调了开始解决这些挑战的研究进展，并概述了可能进一步扩展或补充CT基冻土表征影响的未来研究方向。

结论

X射线CT已成为研究冻土不可或缺的工具，因为其许多关键成分和微观结构特征对传统采样和测试的扰动非常敏感。尽管目前基于CT的量化基本指标和工程性质的方法仍依赖于部分手动和分散的工作流程，但扫描策略、机器学习辅助的重建和分割以及上下文化的图像分析的快速进步正在改变这一领域

CRediT作者贡献声明

Min Liew：撰写——审稿与编辑，撰写——原始草稿，可视化，验证，资源管理，方法论，调查，正式分析，数据管理，概念化。

未引用的参考文献

Andò等人，2012a

Andò等人，2012b

SCA2009–31，2009

书籍

Lehmann等人，2011

Takeya等人，2013

期刊

致谢

作者在撰写本手稿期间得到了俄亥俄州立大学土木、环境与大地测量工程系提供的启动资金支持。作者还感谢研究生研究助理Yu Zhao先生协助准备了图1。

利益声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。