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基于分布式光纖聲波傳感器的冰川微地震監(jiān)測和地震波傳播研究
2021年02月02日 16:38:35
來源：中科院地質(zhì)與地球物理研究所 點擊量：6374
盡管地震儀可以提供亞秒級的地面振動監(jiān)測，具有極高的時間分辨率，但只有密集的傳感器網(wǎng)絡(luò)才能夠精確定位物體的運動 (Dietze et al., 2017; Poli et al., 2017)，較為稀疏的固定地震臺網(wǎng)往往難以滿足地質(zhì)災(zāi)害的早期預(yù)警和科學研究的需求。
【化工儀器網(wǎng) 科技前沿】 在過去10到20年里，傳感器和數(shù)采技術(shù)的進步提高了地震儀器的便攜性。因此，在交通不便的阿爾卑斯山脈和極地地區(qū)進行地震監(jiān)測也越來越可行。相比于地殼地幔等傳統(tǒng)的地震學研究對象，這些觀測更聚焦于近地表的動力過程。阿爾卑斯山脈開展的地震學研究催生了環(huán)境地震學、冰凍圈地震學等新的學科方向。
盡管地震儀可以提供亞秒級的地面振動監(jiān)測，具有極高的時間分辨率，但只有密集的傳感器網(wǎng)絡(luò)才能夠定位物體的運動 (Dietze et al., 2017; Poli et al., 2017)，較為稀疏的固定地震臺網(wǎng)往往難以滿足地質(zhì)災(zāi)害的早期預(yù)警和科學研究的需求。
分布式聲波傳感技術(shù)(Distributed Acoustic Sensing，簡稱DAS)是一種全新的地震儀，它的出現(xiàn)顛覆性地改變了地震監(jiān)測臺網(wǎng)的覆蓋范圍。DAS技術(shù)使用光纖作為傳感單元，向其中注入一系列激光脈沖，該信號在光學內(nèi)部產(chǎn)生的后向散射信號以轉(zhuǎn)化為沿光纖每隔幾米采樣的應(yīng)變率記錄。因此，DAS可以在準靜態(tài)到萬赫茲間的頻帶內(nèi)記錄地震波在幾十公里長的光纖上產(chǎn)生的動態(tài)應(yīng)變信號(Parker et al., 2014)。
瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學院的Walter等人利用DAS技術(shù)在阿爾卑斯山冰川上開展了微地震信號以及環(huán)境噪聲觀測研究。在2019年3月的5天時間里，該團隊在冰川表面的布設(shè)光纜組成一個單邊長220 m的等邊三角形臺陣，用于監(jiān)測冰川粘滑活動、巖崩以及冰震。他們使用了SILIXA iDAS分布式光纖傳感系統(tǒng)，其時間采樣率為500 Hz，空間采樣間隔為4 m，同時在冰川中心流線附近布設(shè)了三臺地震儀，形成邊長為220 m的等邊三角形(圖1b)，并在冰川邊緣幾十米內(nèi)的花崗巖基巖上布置了另外三臺地震儀(圖1a)。
圖1 羅納格萊切觀測點示意圖。(a)冰川厚度分布，厚度數(shù)據(jù)來自探地雷達剖面(冰流由北向南)，其中三角形表示基巖地震儀，黑色箭頭指向圖b的區(qū)域；(b)地震儀和光纜的布局；(c)雪地中的光纜照片(箭頭)和野外營地(Walter et al., 2020)
作者通過DAS記錄到各種各樣的地震記錄(圖2所示)，其中包括一次地表冰震、一次冰川粘滑事件、一次爆炸源以及持續(xù)15 s的落石信號。結(jié)合地震儀記錄分析，可以看到地表冰震記錄以10-50 Hz為主，振動軌跡為逆進橢圓的Rayleigh波，而冰川粘滑事件信號頻率較高，且以P波和S波信號為主，缺乏顯著的Rayleigh信號。實際上，DAS的有效頻帶可以高達數(shù)千赫茲，而作者卻發(fā)現(xiàn)，相比于地震儀記錄，DAS記錄中信號在100-200 Hz以上逐漸變?nèi)?，作者認為這是由于地震儀與光纜之間的耦合差異：一方面地震儀布設(shè)于冰層中的鉆孔，并緊緊地凍在其中，與冰層完美地耦合在一起；另一方面，光纜架設(shè)在冰川表面2 m多厚的松散積雪上，與冰層的耦合性差。由于松散積雪對高頻信號具有較強的衰減作用，進而導(dǎo)致爆炸源產(chǎn)生的高頻反射信號同樣在DAS記錄中缺失。
圖2 微地震事件(垂直地震儀記錄為灰色，DAS記錄為黑色)。(a)地表冰震；(b)粘滑事件；(c)爆炸；(d)落石；a-c中的波形記錄點都位于在南邊頂點(RA53和D620)，d中的波形記錄點在西邊頂點(RA52和D904)，為了方便顯示，a-c中 DAS 和地震儀記錄的時間軸略有偏移(Walter et al., 2020)
作者進一步分析觀測期間的粘滑信號，并在DAS記錄上識別出了粘滑事件的直達P波、S波以及其他相位的波(圖3a)。另外他們通過二維射線方程計算理論到達時間(Rutishauser et al., 2016)，并與實際記錄剖面作對比(圖3b)，結(jié)果表明P波既包含直達波, 也包含穿過底層基巖的折射波。S波也是類似，但在偏移距超過270 m時，直達波和折射波之間的分離清晰可見。在折射S波之前有一個小的震相，可以通過兩次反射的P波來解釋(圖3c)。圖3a中0.3秒左右的箭頭指示兩次反射的S波。實際上，如果沒有DAS提供的高密度觀測，這些震相就更難解釋。作者還利用冰上地震儀與DAS記錄對該粘滑事件進行定位。由于地震速度模型和到達時間選取的不確定性以及非線性反演問題，只使用三個冰上地震儀記錄進行定位結(jié)果散布較大 (圖3b中的青色點云)。而對于使用數(shù)量更多、觀測密度更大的DAS數(shù)據(jù)得到了更為準確的定位結(jié)果(圖3b中的黑色點云)。
圖3 (a)粘滑事件的完整DAS記錄；(b)基巖地形(顏色對應(yīng)海拔)和粘滑事件的定位結(jié)果，黑色和青色點云分別表示使用DAS和地震儀記錄得到的定位概率密度；(c)粘滑事件地震波傳播的示意圖；(d)記錄剖面和理論到達時間(Walter et al., 2020)
作者通過對DAS觀測到的數(shù)據(jù)，進行波形對比、震相識別、以及事件定位等研究，表明DAS觀測技術(shù)能夠記錄冰川流動引發(fā)的微震事件，甚至是落石等更小規(guī)模的物質(zhì)運移事件。與布設(shè)在冰川和周邊山體的地震儀相比，DAS技術(shù)具有明顯的優(yōu)勢，使我們能夠更好地監(jiān)測冰川及其周圍環(huán)境的靜態(tài)和動態(tài)運動。盡管光纜覆蓋的面積與3個冰上地震儀相同，但記錄通道的數(shù)量和密度大大改善了粘滑事件的定位精度。此外，得益于DAS提供的極小空間采樣間隔，識別了多重反射和臨界折射波。這些震相不能用稀疏的傳統(tǒng)地震儀臺陣來識別，所以以前只在較厚的極地冰蓋中被少量觀測到。
DAS技術(shù)在監(jiān)測冰川動態(tài)和阿爾卑斯山物質(zhì)運移活動中具有巨大的潛力。通過簡單的部署程序，基本上包括鋪設(shè)一條光纜，就有數(shù)百個地震觀測點，其體力勞動相當于在冰面上安裝少量地震儀，但這些地震儀產(chǎn)生的關(guān)于冰川內(nèi)部和附近的地震源和波傳播的信息要少得多。除了本文所開展的研究，在不遠的未來，DAS技術(shù)可以利用阿爾卑斯山脈地區(qū)大量既有的光纜進行監(jiān)測，將有效提高這一地區(qū)的地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警能力。
原文標題：基于分布式光纖聲波傳感器的冰川微地震監(jiān)測和地震波傳播研究
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