DAS地震監(jiān)測
分布式光纖聲波傳感器( Distributed Acoustic Sensing，DAS) 是近年來興起的超密集地震觀測系統(tǒng)，具有一系列觀測密度高、觀測成本低、耐受惡劣環(huán)境等優(yōu)勢，在油氣行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用，也引起了天然地震學(xué)界的關(guān)注。本文簡要回顧了DAS系統(tǒng)的測量原理、發(fā)展歷程、技術(shù)方案、介紹了測量原理及其響應(yīng)特性，然后圍繞多個觀測實驗，介紹淺部結(jié)構(gòu)成像、深部結(jié)構(gòu)探測和地震監(jiān)測三個方向的典型應(yīng)用實例
本文來源：張麗娜，任亞玲，林融冰，等． 2020． 分布式光纖聲波傳感器及其在天然地震學(xué)研究中的應(yīng)用． 地球物理學(xué)進(jìn)展，35(1) : 0065-0071，doi: 10． 6038 /pg2020DD0384．
光纖傳感器
光纖是由高純度的玻璃或塑料制成的，為了實現(xiàn)極低的傳輸損耗，一般采用純度極高的材料制作，但是制作過程中的溫壓條件變化和材料中的極少量的雜質(zhì)也會造成光纖內(nèi)部的不均勻體，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纖傳感的基礎(chǔ)。光纖內(nèi)部散射可以分為彈性和非彈性散射，彈性散射不改變光的波長，分布式光纖聲波傳感器利用的瑞利(Rayleigh)散射就是彈性散射，非彈性散射的波長與入射光不同，常用的布里淵(Brillouin)和拉曼(Raman)散射都是非彈性散射。
最早基于Rayleigh散射信號，1970年代發(fā)明了光時域反射儀(Optical Time Domain Reflectiometer)，注入一系列光脈沖信號，在光纖內(nèi)部的后向散射信號強(qiáng)度隨著距離的增加而減小，通過觀測衰減曲線的斜率可以得到光纖的損耗分布曲線，其中的跳變可以用于斷點定位(Barnoski and Jensen，1976; Barnoski et al.,1977 )。后續(xù)也發(fā)展一系列基于Brillouin和Raman散射的OTDR，但本文討論的技術(shù)方案主要基于Rayleigh散射信號的OTDR。光纖的微小變形也改變了光纖內(nèi)部散射體間距和折射系數(shù)，進(jìn)而引起Rayleigh后向散射信號強(qiáng)度的變化，當(dāng)光脈沖信號很窄時，這一強(qiáng)度變化只與變形段相關(guān)，可以實現(xiàn)光纖全段的振動探測(Taylor and Lee，1990; Ju?kaitis，1994)。這一技術(shù)被稱為分布式振動傳感器(Distributed Vibration Sensing，DVS)，廣泛應(yīng)用于入侵檢測。雖然DVS的探測靈敏度很高，當(dāng)空間分辨率為10m，可達(dá)約數(shù)十納應(yīng)變，但是其只利用了后向散射信號的強(qiáng)度信息，且后向散射信號對應(yīng)變的響應(yīng)是非線性的，無法應(yīng)用于地震學(xué)研究中。如果應(yīng)變加載在光纖的某一處，那么在加載點之前和之后的后向散射信號的變化差只與加載段的應(yīng)變有關(guān)，這兩個信號的相對相位對應(yīng)變的響應(yīng)是線性的，可以用于測量應(yīng)變信號(圖1)，被稱為相差式分布式振動傳感器(Differential phase measurement DVS)，因為其包含了準(zhǔn)確的應(yīng)變相位信息，為了與DVS區(qū)分，也被成為分布式聲波傳感器(Distributed Acoustic Sensing，DAS)。這兩個用于計算相位差的散射點間距被稱為標(biāo)距(Gauge length)，光脈沖信號有一定寬度，這一寬度決定了標(biāo)距的下限，一般為數(shù)米。
/ 圖1 DAS測量原理簡化圖 /
DAS技術(shù)方案有多種，根據(jù)相位解調(diào)的區(qū)分，常見的技術(shù)方案可以分為：
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雙脈沖方案(Dual-pulse DAS)
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干涉相位解調(diào)方案(Interferometric phase recovery DAS)
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外差相干檢測方案(Heterodyne DAS)(Masoudi and Newson，2016)。
雙脈沖方案采用時間間隔極短(約數(shù)十納秒)的兩個頻率不同的光脈沖信號，直接解調(diào)得到相位信息，計算極短時間內(nèi)的相位差變化得到應(yīng)變信號(Dakin and Lamb，1990)。干涉相位解調(diào)方案利用單脈沖信號，直接測量兩個后向散射信號的相位差，對比兩個測量時間的相位差得到應(yīng)變率信息(Posey et al.，2000)。外差相干檢測方案中單脈沖探測信號與后向散射信號進(jìn)行相干檢測獲得散射信號的相位信息，然后計算相位差得到應(yīng)變信息。
DAS在測量應(yīng)變方面具有多方面的優(yōu)勢。
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噪聲水平低，在5～150Hz頻段，系統(tǒng)噪聲約為mrad量級，折合應(yīng)變約為納應(yīng)變量級，不同實現(xiàn)方案可能存在一定的差異(Hartog et al，2014; Parker et al.,2014)。
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有效頻帶寬，實驗測試表明高頻可以到數(shù)十kHz，低頻可以到mHz級別，也有加載實驗表明具備探測固體潮頻段(半日潮)信號的能力(Becker and Coleman，2019)。
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觀測密度高，一般常用的標(biāo)距可以小至1m，由于光學(xué)系統(tǒng)的原始采樣率可以高達(dá)數(shù)十kHz，空間分辨率可以小至0.25m(Parker et al.,2014)。
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觀測成本低，體現(xiàn)在兩個方面，首先單個解調(diào)儀一般可以支持?jǐn)?shù)十千米的傳感光纜，包含數(shù)萬個觀測點，一次性覆蓋較大區(qū)域，另一個方面，可以利用既有光纜，有效降低布設(shè)成本。
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耐受惡劣環(huán)境，比如高達(dá)160℃的井中(Miller et al.,2018)。
ODH5X詢問器單元
為大型地震應(yīng)用提供了無與倫比的DFS（分布式光纖傳感）/DAS（分布式光纖聲波傳感）性能。創(chuàng)新的新型結(jié)構(gòu)設(shè)計為用戶進(jìn)行長距離的監(jiān)測的性能水平帶來了階梯式的提升，在100km長度水平的監(jiān)測范圍內(nèi)，能夠提供10000個優(yōu)化定量監(jiān)測通道。
傳感能力:
50km（在給定的30.8m標(biāo)距長度條件下）；
100km（在205.4m標(biāo)距長度條件下）。
詢問速率：0.5kHz~10kHz
空間分辨率：2.05 m ~ 205.4 m 標(biāo)距長度
*（并非所有空間分辨率參數(shù)都能夠在全光纖長度下使用）
DAS本質(zhì)上測量的是沿光纖軸向的應(yīng)變信號，可以等效為高密度的連續(xù)布設(shè)的伸縮應(yīng)變儀(Benioff，1935) 。早期人們認(rèn)為應(yīng)變儀的頻率響應(yīng)特性是平坦的，所以認(rèn)為可能被廣泛應(yīng)用于地震監(jiān)測臺網(wǎng)中，但是實際響應(yīng)并非如此(Lomnitz，1997)。簡單平面波入射情況下位移、應(yīng)變和應(yīng)變記錄可以表示為：
其中k=ω/c為光纖軸向的波數(shù)，L為標(biāo)距。當(dāng)L為小量時，式2第一項可以忽略?？梢远xDAS的振幅響應(yīng)為R=ε/ε*，代表DAS測量值與真實值的比值，這一比值為波長和標(biāo)距的函數(shù)。圖2給出了近似計算下的DAS振幅響應(yīng)，隨著波長的增大，振幅響應(yīng)趨于平坦(圖2紅線) ，在短波長部分，振幅響應(yīng)迅速下降。波長一定情形下，響應(yīng)曲線呈現(xiàn)多峰(圖2黑線)。值得注意的波長為光纖軸向的視速度折算而來，所以在實際應(yīng)用中入射角度的變化也改變了波長，因此在波速和頻率不變的情況下，振幅響應(yīng)也可以看作為入射角度的函數(shù)。最簡單的P波入射情況下，垂直入射的信號振幅為0，簡單近似公式為，而S波的情況更為復(fù)雜( Benioff，1935)。
/ 圖2 DAS振幅響應(yīng)圖 /
顏色代表振幅響應(yīng)，紅線代表標(biāo)距為25m的響應(yīng)曲線，黑線代表波長為25m響應(yīng)曲線，紅線振幅放大50 倍，黑線放大5 倍且坐標(biāo)為對數(shù)。
DAS天然地震學(xué)應(yīng)用實例
DAS早期主要應(yīng)用于井中觀測，用于VSP研究中(Mestayer et al.,2011)，然后拓展到4D VSP(Mateeva et al.,2017)、水力壓裂監(jiān)測( Jin and Roy，2017 )、微地震監(jiān)測(Karam et al.,2013)、地下水水位監(jiān)測(Becker et al.,2017)等研究領(lǐng)域。一般井中觀測需要協(xié)調(diào)較多的資源，因此在天然地震學(xué)研究領(lǐng)域開展的比較少。2012年美國勞倫斯伯克利國家實驗室在澳大利亞開展了一次地表DAS觀測實驗，記錄了大型落錘震源激發(fā)的面波信號，提取得到了面波頻散曲線(Daley et al.,2013)，Telsa Exploration Ltd。在加拿大也開展了類似的實驗(Kendall，2014)，此后DAS地表觀測開始引起天然地震學(xué)界的關(guān)注。近年來開展一系列地表DAS觀測實驗和應(yīng)用研究工作，本文圍繞多個有代表性的觀測實驗，按淺部結(jié)構(gòu)、深部結(jié)構(gòu)和地震監(jiān)測三個方向介紹部分典型應(yīng)用實例。
淺層結(jié)構(gòu)是地震工程研究的重要輸入?yún)?shù)，對其開展成像研究一般要求較高的觀測密度，可以較好地發(fā)揮DAS的高觀測密度優(yōu)勢。2013年9月美國威斯康星大學(xué)麥迪遜分校研究組在美國加州Garner Valley強(qiáng)地面振動研究站布設(shè)了約762m的光纜，利用多種震源和傳統(tǒng)地震儀開展了觀測實驗(Lancelle，2016)，在此基礎(chǔ)上開展了多種淺層結(jié)構(gòu)成像方法研究。利用該次實驗記錄的數(shù)據(jù)，Lancelle(2016)采用多道面波分析方法測量了掃頻震源的面波信號頻散，獲得了2～10Hz的頻散曲線，并反演得到了淺部100m的S波速度結(jié)構(gòu)。類似的主動源面波方法也被在其他觀測實驗中得到應(yīng)用，用于淺層結(jié)構(gòu)成像(Song et al.,2019)。利用小型掃頻震源車激發(fā)的信號，通過Source synchronous filter(Lord et al.,2016)處理后得到了較為清晰的P波信號，基于走時反演得到了實驗場地內(nèi)潛水層頂部二維速度分布。Parker等(2018)綜合某地?zé)崽飪?nèi)的高密度地震儀臺陣和DAS臺陣記錄上的主動源P波信號獲得了淺部250m的高分辨率三維P波速度結(jié)構(gòu)，揭示了區(qū)內(nèi)部分?jǐn)鄬拥姆植?。Zeng等(2017)則利用連續(xù)噪聲記錄開展了地震背景噪聲成像的應(yīng)用可行性驗證工作，成功提取得到了Rayleigh面波信號，并與加速度計、主動源面波、前人研究結(jié)果進(jìn)行了對比，確認(rèn)了可行性(圖3)。這一方法也被廣泛應(yīng)用于其他觀測實驗研究中(Dou et al.,2017; Zeng et al.,2017b; Martin et al.,2017; Ajo-Franklin etal.,2019)。除了在三維結(jié)構(gòu)研究之外，勞倫斯伯克利實驗室研究組還開展了基于小型可重復(fù)震源和背景噪聲源的速度變化監(jiān)測研究，觀測到了淺層的速度變化(Ajo-Franklin etal.,2017; Tribaldos et al.,2019)。
/ 圖3 不同面波數(shù)據(jù)提取得到的頻散曲線 /
( 據(jù)Zeng et al., 2017)
實線為DAS噪聲互相關(guān)函數(shù)，虛線為地震儀SASW結(jié)果，圓圈為DAS主動源數(shù)據(jù)。
破壞性天然地震大多發(fā)生在數(shù)千米～數(shù)十千米的地殼深處，這一深度范圍也是地震層析成像研究的熱點區(qū)域。開展地殼深部結(jié)構(gòu)探測研究，主要依賴于大型人工震源、天然地震和中長周期地震背景噪聲信號，經(jīng)常依賴于較大規(guī)模的臺陣。2015年德國GFZ在冰島Jousset等(2018)利用15km長的通信光纜開展了為期9天的連續(xù)觀測。在這次觀測實驗中，利用當(dāng)?shù)匦〉卣鸬挠涗?，發(fā)現(xiàn)了斷層破碎帶內(nèi)部多次反射信號以及體波到時延遲現(xiàn)象。在較低頻噪聲互相關(guān)函數(shù)上(0.5～2Hz)上觀測到了清晰的Rayleigh面波信號及其波形變化與斷層等構(gòu)造的關(guān)聯(lián)性，利用這一頻段的Rayleigh面波信號有望約束約1000m深部的速度結(jié)構(gòu)。2017年和2018年加州理工學(xué)院和勞倫斯伯克利實驗室研究組在美國加州Goldstone利用約20km的通信光纜進(jìn)行連續(xù)觀測，期間記錄到了2018年洪都拉斯M7.5地震的信號，測量得到了長周期(5～105s)面波頻散曲線，并結(jié)合鄰近的GSC地震臺的豎直向記錄提取得到了接收函數(shù)，得到了清晰的Moho面Ps和PpPs轉(zhuǎn)換波信號，這一研究成果展示了DAS的天然地震記錄可以用于約束莫霍面乃至上地幔速度結(jié)構(gòu)(Yu et al.,2019)。
除了應(yīng)用于結(jié)構(gòu)研究之外，DAS由于其可以實現(xiàn)大區(qū)域高密度觀測，有望提升地震臺網(wǎng)的監(jiān)測能力。在早期的研究中，比如Garner Valley實驗中已經(jīng)有報道記錄到20km外的M 2.0地震信號。Lindsey等(2017)綜合了勞倫斯伯克利研究組和斯坦福研究組布設(shè)的三個DAS臺陣觀測數(shù)據(jù)，從中得到了各種類型地震的記錄，展現(xiàn)了DAS用于天然地震監(jiān)測的巨大潛力。Wang等(2018)則利用同一區(qū)域布設(shè)的密集地震臺陣和DAS臺陣，基于區(qū)域地震信號，發(fā)展了多種方法實現(xiàn)了兩種不同觀測量的轉(zhuǎn)換和對比，結(jié)果表明DAS可以提供可靠的地震波形記錄。基于同一個臺陣觀測，Li和Zhan(2018)應(yīng)用模板匹配方法，成功監(jiān)測到了區(qū)內(nèi)大量微地震，比當(dāng)?shù)匦】趶焦潭ㄅ_網(wǎng)的目錄增加了約20倍。Jousset等(2018)也初步測試了基于DAS臺陣的小震定位結(jié)果，相關(guān)研究人員也開始開展了基于DAS記錄的地震震源機(jī)制解研究(Mellors et al.,2019)。
/ 圖4 Brady Hot Spring臺陣記錄的區(qū)域地震信號 /
(a) 中藍(lán)線為傳感光纜，黑色加號為地震儀；(b) 中紅線為地震儀(綠色三角) 記錄，藍(lán)線為DAS(紅線) 記錄(據(jù)Wang et al., 2018) 。
結(jié)論
經(jīng)過多年的發(fā)展，分布式光纖聲波傳感器在天然地震學(xué)相關(guān)研究中的應(yīng)用可行性已經(jīng)得到了初步驗證。利用DAS的高觀測密度可以大幅改善淺層結(jié)構(gòu)尤其是斷層區(qū)等復(fù)雜結(jié)構(gòu)成像分辨率，利用DAS的耐受惡劣環(huán)境特性有望在深井、海底等特殊條件下開展地震學(xué)監(jiān)測。通過開展相關(guān)觀測實驗有望推動這一新型觀測系統(tǒng)的應(yīng)用。
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