分布式光纤声波传感器在天然地震监测中的应用

本文来源：张丽娜，任亚玲，林融冰，等． 2020． 分布式光纤声波传感器及其在天然地震学研究中的应用． 地球物理学进展，35(1) : 0065-0071，doi: 10． 6038 /pg2020DD0384．

光纤是由高纯度的玻璃或塑料制成的，为了实现极低的传输损耗，一般采用纯度极高的材料制作，但是制作过程中的温压条件变化和材料中的极少量的杂质也会造成光纤内部的不均匀体，在入射激光作用下形成散射，其中的后向散射正是分布式光纤传感的基础。光纤内部散射可以分为弹性和非弹性散射，弹性散射不改变光的波长，分布式光纤声波传感器利用的瑞利(Rayleigh)散射就是弹性散射，非弹性散射的波长与入射光不同，常用的布里渊(Brillouin)和拉曼(Raman)散射都是非弹性散射。

最早基于Rayleigh散射信号，1970年代发明了光时域反射仪(Optical Time Domain Reflectiometer)，注入一系列光脉冲信号，在光纤内部的后向散射信号强度随着距离的增加而减小，通过观测衰减曲线的斜率可以得到光纤的损耗分布曲线，其中的跳变可以用于断点定位(Barnoski and Jensen，1976; Barnoski et al.,1977 )。后续也发展一系列基于Brillouin和Raman散射的OTDR，但本文讨论的技术方案主要基于Rayleigh散射信号的OTDR。光纤的微小变形也改变了光纤内部散射体间距和折射系数，进而引起Rayleigh后向散射信号强度的变化，当光脉冲信号很窄时，这一强度变化只与变形段相关，可以实现光纤全段的振动探测(Taylor and Lee，1990; Juškaitis，1994)。这一技术被称为分布式振动传感器(Distributed Vibration Sensing，DVS)，广泛应用于入侵检测。虽然DVS的探测灵敏度很高，当空间分辨率为10m，可达约数十纳应变，但是其只利用了后向散射信号的强度信息，且后向散射信号对应变的响应是非线性的，无法应用于地震学研究中。如果应变加载在光纤的某一处，那么在加载点之前和之后的后向散射信号的变化差只与加载段的应变有关，这两个信号的相对相位对应变的响应是线性的，可以用于测量应变信号(图1)，被称为相差式分布式振动传感器(Differential phase measurement DVS)，因为其包含了准确的应变相位信息，为了与DVS区分，也被成为分布式声波传感器(Distributed Acoustic Sensing，DAS)。这两个用于计算相位差的散射点间距被称为标距(Gauge length)，光脉冲信号有一定宽度，这一宽度决定了标距的下限，一般为数米。

/ 图1 DAS测量原理简化图 /

DAS技术方案有多种，根据相位解调的区分，常见的技术方案可以分为：

• 双脉冲方案(Dual-pulse DAS)

• 干涉相位解调方案(Interferometric phase recovery DAS)

• 外差相干检测方案(Heterodyne DAS)(Masoudi and Newson，2016)。

双脉冲方案采用时间间隔极短(约数十纳秒)的两个频率不同的光脉冲信号，直接解调得到相位信息，计算极短时间内的相位差变化得到应变信号(Dakin and Lamb，1990)。干涉相位解调方案利用单脉冲信号，直接测量两个后向散射信号的相位差，对比两个测量时间的相位差得到应变率信息(Posey et al.，2000)。外差相干检测方案中单脉冲探测信号与后向散射信号进行相干检测获得散射信号的相位信息，然后计算相位差得到应变信息。

DAS在测量应变方面具有多方面的优势。

• 噪声水平低，在5～150Hz频段，系统噪声约为mrad量级，折合应变约为纳应变量级，不同实现方案可能存在一定的差异(Hartog et al，2014; Parker et al.,2014)。

• 有效频带宽，实验测试表明高频可以到数十kHz，低频可以到mHz级别，也有加载实验表明具备探测固体潮频段(半日潮)信号的能力(Becker and Coleman，2019)。

• 观测密度高，一般常用的标距可以小至1m，由于光学系统的原始采样率可以高达数十kHz，空间分辨率可以小至0.25m(Parker et al.,2014)。

• 观测成本低，体现在两个方面，首先单个解调仪一般可以支持数十千米的传感光缆，包含数万个观测点，一次性覆盖较大区域，另一个方面，可以利用既有光缆，有效降低布设成本。

• 耐受恶劣环境，比如高达160℃的井中(Miller et al.,2018)。

DAS本质上测量的是沿光纤轴向的应变信号，可以等效为高密度的连续布设的伸缩应变仪(Benioff，1935) 。早期人们认为应变仪的频率响应特性是平坦的，所以认为可能被广泛应用于地震监测台网中，但是实际响应并非如此(Lomnitz，1997)。简单平面波入射情况下位移、应变和应变记录可以表示为：

其中k=ω/c为光纤轴向的波数，L为标距。当L为小量时，式2第一项可以忽略。可以定义DAS的振幅响应为R=ε/ε*，代表DAS测量值与真实值的比值，这一比值为波长和标距的函数。图2给出了近似计算下的DAS振幅响应，随着波长的增大，振幅响应趋于平坦(图2红线) ，在短波长部分，振幅响应迅速下降。波长一定情形下，响应曲线呈现多峰(图2黑线)。值得注意的波长为光纤轴向的视速度折算而来，所以在实际应用中入射角度的变化也改变了波长，因此在波速和频率不变的情况下，振幅响应也可以看作为入射角度的函数。最简单的P波入射情况下，垂直入射的信号振幅为0，简单近似公式为，而S波的情况更为复杂( Benioff，1935)。

/ 图2 DAS振幅响应图 /

颜色代表振幅响应，红线代表标距为25m的响应曲线，黑线代表波长为25m响应曲线，红线振幅放大50 倍，黑线放大5 倍且坐标为对数。

DAS早期主要应用于井中观测，用于VSP研究中(Mestayer et al.,2011)，然后拓展到4D VSP(Mateeva et al.,2017)、水力压裂监测( Jin and Roy，2017 )、微地震监测(Karam et al.,2013)、地下水水位监测(Becker et al.,2017)等研究领域。一般井中观测需要协调较多的资源，因此在天然地震学研究领域开展的比较少。2012年美国劳伦斯伯克利国家实验室在澳大利亚开展了一次地表DAS观测实验，记录了大型落锤震源激发的面波信号，提取得到了面波频散曲线(Daley et al.,2013)，Telsa Exploration Ltd。在加拿大也开展了类似的实验(Kendall，2014)，此后DAS地表观测开始引起天然地震学界的关注。近年来开展一系列地表DAS观测实验和应用研究工作，本文围绕多个有代表性的观测实验，按浅部结构、深部结构和地震监测三个方向介绍部分典型应用实例。

浅层结构是地震工程研究的重要输入参数，对其开展成像研究一般要求较高的观测密度，可以较好地发挥DAS的高观测密度优势。2013年9月美国威斯康星大学麦迪逊分校研究组在美国加州Garner Valley强地面振动研究站布设了约762m的光缆，利用多种震源和传统地震仪开展了观测实验(Lancelle，2016)，在此基础上开展了多种浅层结构成像方法研究。利用该次实验记录的数据，Lancelle(2016)采用多道面波分析方法测量了扫频震源的面波信号频散，获得了2～10Hz的频散曲线，并反演得到了浅部100m的S波速度结构。类似的主动源面波方法也被在其他观测实验中得到应用，用于浅层结构成像(Song et al.,2019)。利用小型扫频震源车激发的信号，通过Source synchronous filter(Lord et al.,2016)处理后得到了较为清晰的P波信号，基于走时反演得到了实验场地内潜水层顶部二维速度分布。Parker等(2018)综合某地热田内的高密度地震仪台阵和DAS台阵记录上的主动源P波信号获得了浅部250m的高分辨率三维P波速度结构，揭示了区内部分断层的分布。Zeng等(2017)则利用连续噪声记录开展了地震背景噪声成像的应用可行性验证工作，成功提取得到了Rayleigh面波信号，并与加速度计、主动源面波、前人研究结果进行了对比，确认了可行性(图3)。这一方法也被广泛应用于其他观测实验研究中(Dou et al.,2017; Zeng et al.,2017b; Martin et al.,2017; Ajo-Franklin etal.,2019)。除了在三维结构研究之外，劳伦斯伯克利实验室研究组还开展了基于小型可重复震源和背景噪声源的速度变化监测研究，观测到了浅层的速度变化(Ajo-Franklin etal.,2017; Tribaldos et al.,2019)。

/ 图3 不同面波数据提取得到的频散曲线 /

( 据Zeng et al., 2017)

实线为DAS噪声互相关函数，虚线为地震仪SASW结果，圆圈为DAS主动源数据。

破坏性天然地震大多发生在数千米～数十千米的地壳深处，这一深度范围也是地震层析成像研究的热点区域。开展地壳深部结构探测研究，主要依赖于大型人工震源、天然地震和中长周期地震背景噪声信号，经常依赖于较大规模的台阵。2015年德国GFZ在冰岛Jousset等(2018)利用15km长的通信光缆开展了为期9天的连续观测。在这次观测实验中，利用当地小地震的记录，发现了断层破碎带内部多次反射信号以及体波到时延迟现象。在较低频噪声互相关函数上(0.5～2Hz)上观测到了清晰的Rayleigh面波信号及其波形变化与断层等构造的关联性，利用这一频段的Rayleigh面波信号有望约束约1000m深部的速度结构。2017年和2018年加州理工学院和劳伦斯伯克利实验室研究组在美国加州Goldstone利用约20km的通信光缆进行连续观测，期间记录到了2018年洪都拉斯M7.5地震的信号，测量得到了长周期(5～105s)面波频散曲线，并结合邻近的GSC地震台的竖直向记录提取得到了接收函数，得到了清晰的Moho面Ps和PpPs转换波信号，这一研究成果展示了DAS的天然地震记录可以用于约束莫霍面乃至上地幔速度结构(Yu et al.,2019)。

除了应用于结构研究之外，DAS由于其可以实现大区域高密度观测，有望提升地震台网的监测能力。在早期的研究中，比如Garner Valley实验中已经有报道记录到20km外的M 2.0地震信号。Lindsey等(2017)综合了劳伦斯伯克利研究组和斯坦福研究组布设的三个DAS台阵观测数据，从中得到了各种类型地震的记录，展现了DAS用于天然地震监测的巨大潜力。Wang等(2018)则利用同一区域布设的密集地震台阵和DAS台阵，基于区域地震信号，发展了多种方法实现了两种不同观测量的转换和对比，结果表明DAS可以提供可靠的地震波形记录。基于同一个台阵观测，Li和Zhan(2018)应用模板匹配方法，成功监测到了区内大量微地震，比当地小口径固定台网的目录增加了约20倍。Jousset等(2018)也初步测试了基于DAS台阵的小震定位结果，相关研究人员也开始开展了基于DAS记录的地震震源机制解研究(Mellors et al.,2019)。

/ 图4 Brady Hot Spring台阵记录的区域地震信号 /

(a) 中蓝线为传感光缆，黑色加号为地震仪；(b) 中红线为地震仪(绿色三角) 记录，蓝线为DAS(红线) 记录(据Wang et al., 2018) 。

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