DAS地震监测
散布式光纤声波传感器( Distributed Acoustic Sensing ，DAS) 是近年来鼓起的超密集地震观测系统 ，拥有一系列观测密度高、观测成本低、耐受恶劣环境蹬着势 ，在油气行业得到了宽泛利用 ，也引起了天然地震学界的关注。本文简要回首了DAS系统的丈量道理、发展过程、技术规划、介绍了丈量道理及其响应个性 ，而后萦绕多个观测尝试 ，介绍浅部结组成像、深部结构探测和地震监测三个方向的典型利用事俘
本文起源：张丽娜 ，任亚玲 ，林融冰 ，等． 2020． 散布式光纤声波传感器及其在天然地震学钻研中的利用． 地球物理学进展 ，35(1) : 0065-0071 ，doi: 10． 6038 /pg2020DD0384．
光纤传感器
光纤是由高纯度的玻璃或塑料造成的 ，为了实现极低的传输损耗 ，通常选取纯度极高的资料造作 ，但是造作过程中的温压前提变动和资猜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散布式光纤传感的基础。光纤内部散射能够分为弹性和非弹性散射 ，弹性散射不扭转光的波长 ，散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分歧 ，常用的布里渊(Brillouin)和拉曼(Raman)散射都长短弹性散射。
最早基于Rayleigh散射信号 ，1970年代发了然光时域反射仪(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长而减幼 ，通过观测衰减曲线的斜率能够得到光纤的损耗散布曲线 ，其中的跳变能够用于断点定位(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 ，但本文会商的技术规划重要基于Rayleigh散射信号的OTDR。光纤的微幼变形也扭转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动 ，当光脉冲信号很窄时 ，这一强度变动只与变形段有关 ，能够实现光纤全段的振动探测(Taylor and Lee ，1990; Ju?kaitis ，1994)。这一技术被称为散布式振动传感器(Distributed Vibration Sensing ，DVS) ，宽泛利用于入侵检测。固然DVS的探测活络度很高 ，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长短线性的 ，无法利用于地震学钻研中。若是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动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 ，能够用于丈量应变信号(图1) ，被称为相差式散布式振动传感器(Differential phase measurement DVS) ，由于其蕴含了正确的应变相位信息 ，为了与DVS分辨 ，也被成为散布式声波传感器(Distributed Acoustic Sensing ，DAS)。这两个用于推算相位差的散射点间距被称为标距(Gauge length) ，光脉冲信号有肯定宽度 ，这一宽度决定了标距的下限 ，通常为数米。
/ 图1 DAS丈量道理简化图 /
DAS技术规划有多种 ，凭据相位解调的分辨 ，常见的技术规划能够分为：
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双脉冲规划(Dual-pulse DAS)
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过问相位解调规划(Interferometric phase recovery DAS)
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表差有关检测规划(Heterodyne DAS)(Masoudi and Newson ，2016)。
双脉冲规划选取功夫距离极短(约数十纳秒)的两个频率分歧的光脉冲信号 ，直接解调得到相位信息 ，推算极短功夫内的相位差变动得到应变信号(Dakin and Lamb ，1990)。过问相位解调规划利用单脉冲信号 ，直接丈量两个后向散射信号的相位差 ，对比两个丈量功夫的相位差得到应变率信息(Posey et al. ，2000)。表差有关检测规划中单脉冲探测信号与后向散射信号进行有关检测获得散射信号的相位信息 ，而后推算相位差得到应变信息。
DAS在丈量应变方面拥有多方面的优势。
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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 ，分歧实现规划可能存在肯定的差距(Hartog et al ，2014; Parker et al.,2014)。
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有效频带宽 ，尝试测试批注高频能够到数十kHz ，低频能够到mHz级别 ，也有加载尝试批注具备探测固体潮频段(半日潮)信号的能力(Becker and Coleman ，2019)。
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观测密度高 ，通经常用的标距能够幼至1m ，由于光学系统的原始采样率能够高达数十kHz ，空间分辨率能够幼至0.25m(Parker et al.,2014)。
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观测成本低 ，体此刻两个方面 ，首先单个解调仪通常能够支持数十千米的传感光缆 ，蕴含数万个观测点 ，一次性覆盖较大区域 ，另一个方面 ，能够利用寂仔光缆 ，有效降低布设成本。
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耐受恶劣环境 ，好比高达160℃的井中(Miller et al.,2018)。
ODH5X询问器单元
为大型地震利用提供了无与伦比的DFS（散布式光纤传感）/DAS（散布式光纤声波传感）机能。创新的新型结构设计为用户进行长距离的监测的机能水平带来了阶梯式的提升 ，在100km长度水平的监测领域内 ，可能提供10000个优化定量监测通路。
传感能力:
50km（在给定的30.8m标距长度前提下）；
100km（在205.4m标距长度前提下）。
询问快率：0.5kHz~10kHz
空间分辨率：2.05 m ~ 205.4 m 标距长度
*（并非所有空间分辨率参数都可能在全光纤长度下使用）
DAS性质上丈量的是沿光纤轴向的应变信号 ，能够等效为高密度的陆续布设的伸缩应变仪(Benioff ，1935) 。早期人们以为应变仪的频率响应个性是平展的 ，所以以为可能被宽泛利用于地震监测台网中 ，但是现实响应并非如此(Lomnitz ，1997)。单一平面波入射情况下位移、应变和应变纪录能够暗示为：
其中k=ω/c为光纤轴向的波数 ，L为标距。当L为幼量时 ，式2第一项能够忽略Ｄ芄唤缢礑AS的振幅响应为R=ε/ε* ，代表DAS丈量值与真实值的比值 ，这一比值为波长和标距的函数。图2给出了近似推算下的DAS振幅响应 ，随着波长的增大 ，振幅响应趋于平展(图2红线) ，在短波长部门 ，振幅响应迅快降落。波长肯定情景下 ，响应曲线出现多峰(图2黑线)。值妥贴心的波长为光纤轴向的视快率折算而来 ，所以在现实利用中入射角度的变动也扭转了波长 ，因而在波快和频率不变的情况下 ，振幅响应也能够看作为入射角度的函数。最单一的P波入射情况下 ，垂直入射的信号振幅为0 ，单一近似公式为 ，而S波的情况更为复杂( Benioff ，1935)。
/ 图2 DAS振幅响应图 /
色彩代表振幅响应 ，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天然地震学利用事俘
DAS早期重要利用于井中观测 ，用于VSP钻研中(Mestayer et al.,2011) ，而后拓展到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)等钻研领域。通常井中观测必要协调较多的资源 ，因而在天然地震学钻研领域发展的比力少。2012年美国劳伦斯伯克利国度尝试室在澳大利亚发展了一次地表DAS观测尝试 ，纪录了大型落锤震源引发的面波信号 ，提获得到了面波频散曲线(Daley et al.,2013) ，Telsa Exploration Ltd。在加拿大也发展了类似的尝试(Kendall ，2014) ，尔后DAS地表观测起头引起天然地震学界的关注。近年来发展一系列地表DAS观测尝试和利用钻研工作 ，本文萦绕多个有代表性的观测尝试 ，按浅部结构、深部结构和地震监测三个方向介绍部门典型利用事俘。
浅层结构是地震工程钻研的沉要输入参数 ，对其发展成像钻研通常要求较高的观测密度 ，能够较好地阐扬DAS的高观测密杜着势。2013年9月美国威斯康星大学麦迪逊分校钻研组在美国加州Garner Valley强地面振动钻研站布设了约762m的光缆 ，利用多种震源和传统地震仪发展了观测尝试(Lancelle ，2016) ，在此基础上发展了多种浅层结组成像步骤钻研。利用该次尝试纪录的数据 ，Lancelle(2016)选取多路面波分析步骤丈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波快率结构。类似的自动源面波步骤也被在其他观测尝试中得到利用 ，用于浅层结组成像(Song et al.,2019)。利用幼型扫频震源车引发的信号 ，通过Source synchronous filter(Lord et al.,2016)处置后得到了较为清澈的P波信号 ，基于走时反演得到了尝试场地内潜水层顶部二维快率散布。Parker等(2018)综合某地热田内的高密度地震仪台阵和DAS台阵纪录上的自动源P波信号获得了浅部250m的高分辨率三维P波快率结构 ，揭示了区内部门断层的散布。Zeng等(2017)则利用陆续噪声纪录发展了地震布景噪声成像的利用可行性验证工作 ，成功提获得到了Rayleigh面波信号 ，并与加快率计、自动源面波、前人钻研了局进行了对比 ，确认了可行性(图3)。这一步骤也被宽泛利用于其他观测尝试钻研中(Dou et al.,2017; Zeng et al.,2017b; Martin et al.,2017; Ajo-Franklin etal.,2019)。除了在三维结构钻研之表 ，劳伦斯伯克利尝试室钻研组还发展了基于幼型可沉复震源和布景噪声源的快率变动监测钻研 ，观测到了浅层的快率变动(Ajo-Franklin etal.,2017; Tribaldos et al.,2019)。
/ 图3 分歧面波数据提获得到的频散曲线 /
( 据Zeng et al., 2017)
实线为DAS噪声互有关函数 ，虚线为地震仪SASW了局 ，圆圈为DAS自动源数据。
粉碎性天然地震大多产生在数千米～数十千米的地壳深处 ，这一深度领域也是地震层析成像钻研的热点区域７⒄沟乜巧畈拷峁固讲庾暄 ，重要依赖于大型人为震源、天然地震和中长周期地震布景噪声信号 ，时时依赖于较大规模的台阵。2015年德国GFZ在冰岛Jousset等(2018)利用15km长的通讯光缆发展了为期9天的陆续观测。在这次观测尝试中 ，利用本地幼地震的纪录 ，发现了断层破碎带内部屡次反射信号以及体波到时延长景象。在较低频噪声互有关函数上(0.5～2Hz)上观测到了清澈的Rayleigh面波信号及其波形变动与断层等机关的关联性 ，利用这一频段的Rayleigh面波信号有望约束约1000m深部的快率结构。2017年和2018年加州理工学院和劳伦斯伯克利尝试室钻研组在美国加州Goldstone利用约20km的通讯光缆进行陆续观测 ，期间纪录到了2018年洪都拉斯M7.5地震的信号 ，丈量得到了长周期(5～105s)面波频散曲线 ，并结合邻近的GSC地震台的竖直向纪录提获得到了接管函数 ，得到了清澈的Moho面Ps和PpPs转换波信号 ，这一钻研成就展示了DAS的天然地震纪录能够用于约束莫霍面甚至上地幔快率结构(Yu et al.,2019)。
除了利用于结构钻研之表 ，DAS由于其能够实现大区域高密度观测 ，有望提升地震台网的监测能力。在早期的钻研中 ，好比Garner Valley尝试中已经有报路纪录到20km表的M 2.0地震信号。Lindsey等(2017)综合了劳伦斯伯克利钻研组和斯坦福钻研组布设的三个DAS台阵观测数据 ，从中得到了各种类型地震的纪录 ，展示了DAS用于天然地震监测的巨大潜力。Wang等(2018)则利用统一区域布设的密集地震台阵和DAS台阵 ，基于区域地震信号 ，发展了多种步骤实现了两种分歧观丈量的转换和对比 ，了局批注DAS能够提供靠得住的地震波形纪录；谕骋桓鎏ㄕ蠊鄄 ，Li和Zhan(2018)利用模板匹配步骤 ，成功监测到了区内大量微地震 ，比本地幼口径固定台网的目录增长了约20倍。Jousset等(2018)也初步测试了基于DAS台阵的幼震定位了局 ，有关钻研人员也起头发展了基于DAS纪录的地震震源机造解钻研(Mellors et al.,2019)。
/ 图4 Brady Hot Spring台阵纪录的区域地震信号 /
(a) 中蓝线为传感光缆 ，玄色加号为地震仪；(b) 中红线为地震仪(绿色三角) 纪录 ，蓝线为DAS(红线) 纪录(据Wang et al., 2018) 。
结论
经过多年的发展 ，散布式光纤声波传感器在天然地震学有关钻研中的利用可行性已经得到了初步验证。利用DAS的高观测密度能够大幅改善浅层结构尤其是断层区等复杂结组成像分辨率 ，利用DAS的耐受恶劣环境个性有望在深井、海底等特殊前提下发展地震学监测。通过发展有关观测尝试有望推动这一新型观测系统的利用。
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