王偉君，陳 凌，王一博，彭 菲

1 中國地震局地震預(yù)測研究所，北京 100036

2 中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所 巖石圈演化國家重點實驗室，北京 100029

3 中國科學(xué)院大學(xué)地球與行星科學(xué)學(xué)院，北京 100049

4 中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所 油氣資源研究院重點實驗室，北京 100029

0 引 言

高密度地震觀測的主要目的，一是可以空間保真地采集高頻地震波場，提高地下成像分辨率和可信度；二是能夠改進震源參數(shù)的反演精度、微震活動和介質(zhì)微弱變化的跟蹤能力. 合理的空間采樣間隔應(yīng)根據(jù)探測介質(zhì)的不均勻性尺度、監(jiān)測介質(zhì)活動的空間變化程度等因素而定.

地震勘探領(lǐng)域，特別是油氣勘探，對觀測密度的要求極高. 油氣勘探對象從常規(guī)向非常規(guī)油氣資源的轉(zhuǎn)變，帶來了研究目標(biāo)日趨復(fù)雜的挑戰(zhàn)，也促進了采集技術(shù)的快速發(fā)展和采集理念的巨大轉(zhuǎn)變.“以記錄波場為中心”的理念逐步替代了傳統(tǒng)的追求共中心點疊加次數(shù)的采集思想（吳偉等，2015）. 隨著百萬道級實時同步采集系統(tǒng)等新型觀測技術(shù)的發(fā)展以及相關(guān)數(shù)據(jù)處理技術(shù)的變革（Ourabah et al., 2020; Poole et al., 2020），地下結(jié)構(gòu)成像分辨率和成像品質(zhì)大幅度提高. 但是應(yīng)該看到，現(xiàn)有的高密度采集所需的高額設(shè)備和運行費用，除了油氣勘探，仍難被地震學(xué)其它應(yīng)用行業(yè)接受.

和地震勘探短時采集不同，地震監(jiān)測需要長時持續(xù)運行和不斷的運維費用. 目前，全球地震監(jiān)測臺網(wǎng)比較稀疏：在陸地臺站間距通常為數(shù)十至數(shù)百千米，而海洋大部分區(qū)域仍無臺站覆蓋. 對于微震監(jiān)測、地震活動性和地球深部結(jié)構(gòu)等研究，改善地震臺網(wǎng)密度很有必要. 中國地震局在未來的地震臺網(wǎng)發(fā)展規(guī)劃中，將提高地震監(jiān)測密度、改善地震監(jiān)測能力作為其中一個重要目標(biāo)（《中國測震站網(wǎng)規(guī)劃（2020—2030年）》，https://www.cea.gov.cn/cea/zwgk/zcjd/5526499/index.html）. 該規(guī)劃主要基于一定數(shù)量的傳統(tǒng)地震儀和強震儀，實施后大部分臺站間距仍將在數(shù)十千米之間.

更高密度（如接近地震勘探的米級密度）的長時連續(xù)監(jiān)測，將具有高空間和時間分辨率的地下介質(zhì)變化監(jiān)視能力，在中小尺度區(qū)域研究中有著廣泛的應(yīng)用需求，特別是對地震斷裂帶、水庫庫區(qū)、滑坡地帶和油氣開采等的精細(xì)四維（4D）動態(tài)監(jiān)測.例如斷層的密集監(jiān)測，是認(rèn)識地震孕育、發(fā)生和破裂過程的關(guān)鍵. 但對于狹長（寬幾米至幾千米，長幾十至上千千米）的斷裂帶，常規(guī)的點式密集監(jiān)測需要大量的設(shè)備投入和后期巨大運維支撐. 因此，只有降低監(jiān)測設(shè)備成本和運行成本，才能真正推動高密度4D地震監(jiān)測的發(fā)展.

本文是介紹光纖振動傳感的第二篇文章. 在第一篇文章中（王偉君等，2022），我們指出光纖本征振動傳感將可能是未來密集長時振動監(jiān)測的主要技術(shù). 本文將闡述基于散射光或透射光的兩類光纖本征傳感的基本原理、實際應(yīng)用和未來的發(fā)展前景.

1 基于散射光的光纖分布式振動傳感和應(yīng)用

1.1 基于散射光的分布式光纖傳感

光纖散射是光在光纖中傳播損耗的一個重要原因，不僅與光纖介質(zhì)的純度或不均勻性、光與光纖介質(zhì)的電磁相互作用有關(guān)，而且與光纖外部環(huán)境（如溫度和壓力）變化有一定的關(guān)系.

光纖散射機理較多，最為顯著的三種為瑞利（Rayleigh）散射、拉曼（Ramman）散射和布里淵（Brillouin）散射（如張旭蘋，2013）. 散射光的傳播方向是隨機的，但在光纖中最終將匯集成與入射光傳播方向相同的前向散射和相反的背向散射. 散射光的頻率、強度響應(yīng)特征與入射光、溫度和應(yīng)變的關(guān)系如圖1所示. 瑞利散射光是最強的散射光，它的能量比入射光低約53 dB[相當(dāng)于入射光的（4～5）×10-6，在一定的激光波長和光纖折射率情況下]（張旭蘋，2013）；拉曼散射的能量比瑞利散射低約18 dB（Masoudi and Newson,2016）. 在近紅外頻帶，瑞利散射可以讓光纖中光的 衰 減 達(dá)0.1～0.2 dB/km（Lindsey and Martin,2021）. 對于溫度和應(yīng)變變化，不同散射光的靈敏度和響應(yīng)模式存在顯著差別：瑞利和布里淵散射對溫度和應(yīng)變都有響應(yīng)，但瑞利散射僅有振幅響應(yīng)，布里淵散射頻率和振幅都有響應(yīng)；拉曼散射的頻率偏移與材料有關(guān)，振幅變化與溫度有關(guān).

拉曼散射和布里淵散射屬于非彈性散射，即光子在散射過程中有能量交換. 如果散射光子吸收能量，其頻率向高頻偏移（稱為反斯托克斯漂移，Anti-Stokes shift）；如釋放能量，則向低頻偏移（斯托克斯漂移，Stokes shift）. 拉曼散射是光子和光纖介質(zhì)粒子在碰撞過程中交換能量的產(chǎn)物，其偏移頻率、強度與光纖介質(zhì)粒子的熱運動（即溫度）有關(guān)，反斯托克斯拉曼散射對溫度更敏感（圖1）.布里淵散射是光波與光纖介質(zhì)物質(zhì)波相互作用形成的. 物質(zhì)波是光纖變形或光纖介質(zhì)宏觀熱運動所產(chǎn)生的光纖晶格波動或介質(zhì)折射率波動，和入射光波結(jié)合后產(chǎn)生散射，并具有類似多普勒頻移現(xiàn)象：散射光傳播方向與熱振動方向同向時，散射光頻率增高；反之則頻率降低.

瑞利散射屬于彈性散射. 光的彈性散射和地震波的彈性散射類似，與傳播介質(zhì)的不均勻性（如密度、成分或折射系數(shù)的差異）有關(guān). 彈性散射時光子的能量幾乎沒有損耗（頻率不漂移）（圖1），但運動方向被重新分配. 當(dāng)散射粒子直徑遠(yuǎn)小于光波波長時，產(chǎn)生瑞利散射，其特征是散射光強與入射光波長的四次方成反比，并與散射角度有關(guān)，其中背向散射最強.

圖1 光纖幾種散射光的頻率和強度分布示意圖. T：溫度；ε：應(yīng)變Fig. 1 The diagram of frequency and intensity distributions of scattered lights in optical fiber. T: temperature; ε: strain

散射在光纖內(nèi)連續(xù)發(fā)生，利用不同散射區(qū)不同散射機理產(chǎn)生的散射光，可以實現(xiàn)溫度和應(yīng)變的連續(xù)（分布式）傳感. 分布式光纖傳感（distributed fiber optic sensing, DFOS）的想法在1970年代開始提出，其發(fā)展歷史和詳細(xì)原理可以參考張旭蘋（2013）和Hartog（2018）的專著. 其中，1982年推出第一個分布式溫度傳感系統(tǒng)（distributed temperature sensing, DTS; Hartog and Payne,1982），在過去的幾十年DFOS更多地聚焦于溫度和應(yīng)變測量研究，即DTS和DSS（distributed strain sensing）（Masoudi and Newson, 2016）. 分布式光纖振動傳感（distributed vibration/accoustic sensing, DVS/DAS; DVS常被代指早期非精確振動測量的系統(tǒng)，這里不作區(qū)分）在1990年代開始研究，但直到Posey等（2000）提出時分復(fù)用（time-division multiplexing, TDM）測量方案，高頻應(yīng)變（振動）測量才步入可應(yīng)用階段. 隨著商業(yè)化發(fā)展，DAS逐漸在周界入侵檢測、油氣管道泄漏監(jiān)測、大型結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測、油氣開采監(jiān)測和天然地震監(jiān)測等多個領(lǐng)域嶄露頭角. DAS在地震學(xué)最早的應(yīng)用是2009年Shell公司將光纖用于井下水力壓裂監(jiān)測（Molenaar et al., 2012）；隨后近十年也主要活躍于油氣開采監(jiān)測；直到最近幾年，才開始大量出現(xiàn)在天然地震監(jiān)測等非油氣相關(guān)應(yīng)用研究中（如Jousset et al.,2018; Zhan, 2020; Lindsey and Martin, 2021）.

1.2 基于散射光的分布式光纖振動傳感（DAS）

與溫度變化和應(yīng)變不同，振動通過動態(tài)應(yīng)變（應(yīng)變率）間接測量獲得. 對應(yīng)變敏感的兩種散射機理中（圖1），雖然布里淵散射在空間分辨率上具有應(yīng)用優(yōu)勢（Masoudi and Newson, 2016），但瑞利散射的散射能量更強，振動探測距離和頻率范圍更大，因此被主流商業(yè)DAS產(chǎn)品所采用. 本節(jié)只討論基于瑞利散射的振動傳感. DAS測量時，因為溫度變化相對緩慢，對于高頻應(yīng)變測量影響不大.但對于低頻振動測量或在溫度快速變化環(huán)境中，溫度會對DAS產(chǎn)生較大的影響（如Ide et al., 2021）.

DAS系統(tǒng)如圖2示意，使用瑞利背向散射光（RBS），不僅能量強、受入射光干擾小，而且發(fā)射和接收可以單端集成而簡化儀器和野外工作. 通常將激光生成器、光調(diào)制器、光解調(diào)器和環(huán)形器等集成稱為調(diào)制解調(diào)器（interrogator unit, IU），一根光纖和一個調(diào)制解調(diào)器即可組成DAS系統(tǒng). 光纖作為傳感部件，可以使用普通的單?；蚨嗄＃▋H部分調(diào)制解調(diào)器支持）光纖，無須額外的電力供應(yīng)，具有架設(shè)簡單、環(huán)境耐受性好（寬泛的工作溫度、防水和抗強電磁干擾等）、壽命長（不低于20年）和廉價等優(yōu)點.

DAS調(diào)制解調(diào)器有多種硬件架構(gòu)，但大致可分為光時域反射法（optical time domain reflectometry, OTDR）和光頻率域反射法（optical frequency domain reflectometry, OFDR）兩大類. 它們在激光調(diào)制和RBS解調(diào)有比較大的差別，如OTDR一般使用脈沖激光，OFDR使用掃頻或白光（寬頻）激光，然后分別在時間域或頻率域，利用RBS的振幅、偏振、頻率、相位或相關(guān)性獲得光纖應(yīng)變或溫度變化（如Fan, 2018）. 不同的架構(gòu)對DAS的靈敏度、測量距離、頻帶范圍等參數(shù)有一定的影響，目前市場主流DAS產(chǎn)品主要使用相位信息測量振動，常用的方法為相干光時域反射法（coherent OTDR, C-OTDR）、相位敏感光時域反射法（phase-sensitive OTDR,φ-OTDR）或者相關(guān)光頻率域反射法（coherent OFDR, C-OFDR）等三種.

下面簡單介紹用散射光相位變化測量振動的基本原理. 光源產(chǎn)生的連續(xù)激光經(jīng)過調(diào)制器后生成高度相關(guān)的窄帶脈沖光（時間寬度為τ），并通過環(huán)形器重復(fù)注入光纖，形成類似一個光柱在光纖中向前傳播. 光柱的長度為L0=τc（c是光纖折射光的視光速），稱為DAS的空間分辨率. 光柱（L0）越窄空間分辨率越高，但散射光能量也越弱，會影響探測距離. 在一個探測脈沖周期內(nèi)，t1和t2時刻光柱的位置分布在t1c和t2c（圖2中A和B），它們光柱所在位置產(chǎn)生的背向散射光分別在2t1和2t2時刻返回光纖起點. 光柱須在一個探測周期內(nèi)完成整條光纖的傳播，因此把一個探測周期內(nèi)的時間稱為快軸時間，可用于確定光柱（或散射）所在的位置.

圖2 分布式光纖振動傳感（DAS）系統(tǒng)示意圖. 背向瑞利散射光能夠測量光纖應(yīng)變和溫度的變化，振動是通過高頻測量應(yīng)變（或應(yīng)變率）而獲得. L0表示DAS的空間分辨率，是光脈沖在光纖內(nèi)的光柱長度. 散射在光柱內(nèi)是隨機分布的；c是光纖光速，A和B為t1和t2兩個時刻光柱所在位置；深紅色和淺紅色箭頭分別指示透射光和背向散射光的傳播方向Fig. 2 The diagram of the fiber-optic distributed acoustic sensing (DAS) system. The Rayleigh back-scattering lights can sense the changes of strain and temperature in fiber, and the vibration is obtained from high frequent strain (or strain rate)measurements. L0 is spatial resoltuion of DAS, which is the length of light plus in the fiber. The scattering is random distributed. c is light speed in fiber-optic; A and B are locations of fiber sections for light in the time of t1 and t2; the dark and light red arrows indicate the direction of transmitted light and back-scattering light respectively

周期發(fā)射探測激光，得到的散射光信號如圖3a示例. 發(fā)射探測激光的時間稱為慢軸時間，散射信號可以轉(zhuǎn)變?yōu)闀r間（慢軸）和空間（快軸）二維序列（圖3b）. 散射光振幅整體是隨著距離的增加而衰減，但由于散射體是隨機分布的，因此散射光的振幅和相位會存在起伏漲落（圖3）. 在光源穩(wěn)定，光纖所處環(huán)境沒有變化的情況下，散射光是穩(wěn)定的，不同時間相同位置的相對相位不會變化；但如果光纖受到應(yīng)變擾動，散射體位置的微弱變化使散射光的振幅和相位都會發(fā)生相應(yīng)變化. 其中相位的變化與應(yīng)變關(guān)系更為線性，常被用于振動的精準(zhǔn)測量. 為了提高探測靈敏度，DAS往往將相隔一定距離Lg（標(biāo)距）的兩個散射區(qū)（如圖2中A、B和圖3b中紅黑點）的散射光進行組合，測量標(biāo)距長度內(nèi)的應(yīng)變或動態(tài)應(yīng)變.

圖3 （a）背向瑞利散射光信號的振幅—時間序列. （b）將時間序列按快慢軸重排后的二維時間序列. 紅點和黑點分別對應(yīng)光纖上的兩個采樣區(qū)段（修改自Masoudi and Newson, 2016）Fig. 3 (a) Amplitude-time series of the RBSs. (b) Rearranged the time series into 2D time series according to the fast and slow axis. The red dot and the black dot correspond to the two sampling sections on the fiber (modified from Masoudi and Newson, 2016)

標(biāo)距間的散射相位變化 Δφ和光纖長度變化（ Δx）、折射率變化（ Δn） 、激光頻散（ Δλ）和標(biāo)距間光纖軸向應(yīng)變 εDAS有（Hartog, 2000; Lindsey et al., 2020a）：

式中，相位的單位為弧度（rad），n為光纖折射率，λ為激光的波長，ξ為單模光纖玻璃的Pockels系數(shù)（和光纖材料有關(guān)）. 由于使用1 550 nm激光和帶通濾波，頻散影響可以忽略不計. 溫度和應(yīng)變都能引起折射率的變化，但高頻采集時，溫度的變化遠(yuǎn)慢于應(yīng)變變化，可以忽略；因此應(yīng)變本身和它對折射率的影響（綜合為ξ系數(shù)），是導(dǎo)致相位變化的主要因素. 對于λ=1 550 nm入射激光，摻雜GeO2的包皮單模光纖ξ=0.735，n=1.445，10 m標(biāo)距光纖軸向應(yīng)變εDAS為（Lindsey et al., 2020a）：

DAS有不同的相位變化測量方案：從相同空間不同時間的RBS信號中測量（圖3b，沿慢軸的差分），或者從同一測量脈沖相鄰空間的RBS信號中獲得（圖3b，沿快軸方向）. 沿著快軸，被測量的是光學(xué)相位（即應(yīng)變）. 沿慢軸，被測量的是兩個脈沖間隔的相位變化（即應(yīng)變率）.

測量到的應(yīng)變或應(yīng)變率并非直接對應(yīng)地面運動. 假設(shè)平面地震波u(t)=Ae?iωt以一定角度入射到光纖（圖4a），光纖中的點應(yīng)變和應(yīng)變率為：

圖4 P和S波DAS響應(yīng)函數(shù). （a）平面入射波以一定角度交匯于光纖；（b）P波和（c）S波的DAS響應(yīng)函數(shù). 其中標(biāo)距L=10 m，VP=2 500 m/s，VS=1 560 m/s（修改自https://motionsignaltechnologies.com/what-is-das-and-what-is-it-measuring/）Fig. 4 DAS response functions for P and S waves. (a) Waves incident into optical fiber with angle; and the DAS responses for P wave (b) and S wave (c). Where gauge length L=10 m, VP=2 500 m/s, VP =1 560 m/s (modified from https://motionsignaltechnologies.com/what-is-das-and-what-is-it-measuring/)

式中，c是視慢度，u˙為地震波傳播速度. 應(yīng)變（率）極性反映振動的壓縮和拉張，和振動的傳播方向無關(guān). DAS測量的是標(biāo)距長度內(nèi)的線應(yīng)變（率），在均勻介質(zhì)而且波長遠(yuǎn)大于標(biāo)距的情況下，與地震波速度關(guān)系如下（Bakku, 2015; Wang et al., 2018）：

式（4）表明，可以用標(biāo)距兩端的地震儀觀測模擬DAS觀測. 在標(biāo)距順序相連的情況下，光纖應(yīng)變率和波速的關(guān)系如下：

式中，應(yīng)變率和速度的位置分別對應(yīng)標(biāo)距的中心和兩端. 右側(cè)反演參數(shù)要多于觀測數(shù)據(jù)，是欠定方程組，需要在一定的假設(shè)條件下才能求解. 更為直接和可靠的轉(zhuǎn)換方法是用地震儀同位觀測對比標(biāo)定（Bakku, 2015; Lior et al., 2021），如Lindsey等（2020a）用寬頻地震儀對比擬合DAS的儀器響應(yīng)，可從中提取更真實的地面運動.

DAS標(biāo)距測量模式及其僅對光纖軸向應(yīng)變敏感的特點，導(dǎo)致不同頻率、不同入射角和不同類型的地震波對DAS觀測有很大的影響. DAS測量的應(yīng)變(εDAS） 和同點的應(yīng)變(εgeo）有如下關(guān)系（Bakku, 2015）：

式中，kapp和 λapp分別是振動波的視波數(shù)和視波長.sinc是遞減的振蕩函數(shù)，輸入為0時振幅最大，為nπ時振幅為0. 由于P波和S波的質(zhì)點運動極性不同，它們的DAS響應(yīng)函數(shù)存在明顯差異（圖4）：P波和S波的最佳入射角度分別是與光纖平行和斜交45°；當(dāng)光纖走向發(fā)生變化或非平面波入射，將會使密集觀測振幅出現(xiàn)較大的起伏，不利于數(shù)據(jù)分析.

因此，和傳統(tǒng)地震儀相比，DAS像是一長串單分量檢波器，其分量方向與光纖的展布方向有關(guān)：如果是垂直向下布設(shè)，它就是垂直向檢波器；水平布設(shè)，就是水平向檢波器，并且方向隨著光纖的彎曲而變化. 因此可以利用光纖良好的幾何可塑性，將一條或多條光纖構(gòu)架成一定的幾何形態(tài)，如特定的螺旋/直線幾何組合，就可以實現(xiàn)多分量（如6C）分布式振動測量（Ning and Sava, 2017, 2018）. 該方法的可行性獲得了理論和數(shù)值分析的證明，但由于結(jié)構(gòu)的嚴(yán)苛和復(fù)雜，實際應(yīng)用比較困難.

DAS系統(tǒng)的性能由調(diào)制解調(diào)器與傳感光纖兩個部分決定，調(diào)制解調(diào)器對性能影響較大，測量性能指標(biāo)主要包括：

（1）最大測量距離. 目前DAS產(chǎn)品都是基于背向散射光的單端探測構(gòu)架，最大測量距離在100 km左右. 測量距離主要與光纖散射系數(shù)和光纖雙程衰減有關(guān). 增強探測激光是提高測距的一個方法，但受限于強激光對光纖的非線性效應(yīng)；其它的方法包括解調(diào)方法的改進（He et al., 2020）、雙向光放大器（van Putten et al., 2019）和強散射光纖的應(yīng)用（主要應(yīng)用于尾端, Cedilnik et al., 2019）等.

（2）應(yīng)變分辨率（靈敏度）. 可測量的最小應(yīng)變值取決于返回光信號的載信噪比. 載波電平信號強度主要由光信號的幅度決定，而噪聲則是多種來源的組合，包括激光噪聲、電子噪聲和檢測器噪聲.

（3）時間采樣率. 需要考慮光纖長度和探測激光脈沖寬度. 時間采樣周期需要大于激光脈沖時寬，并且保證激光可以完成光纖兩端的往返. 因此提高測量距離，將增大采樣周期（即降低時間采樣率）. 對100 km長的光纖，最大采樣率不能超過1 kHz，已經(jīng)能夠滿足大部分地震勘探和天然地震的波形頻率需求.

（4）空間分辨率和空間采樣率. 如前所述，空間分辨率主要取決于發(fā)射脈沖的持續(xù)時間，即相當(dāng)于探測激光光柱的長度. 探測激光的能量和脈沖寬度成正比，增加脈沖寬度提高探測光的強度，也即可提高DAS的測距，但會降低空間分辨率. 此外，由于標(biāo)距測量模式，DAS的空間分辨率也受標(biāo)距的影響，長標(biāo)距可以提高測量靈敏度，但將降低空間分辨率. 空間采樣率在DAS系統(tǒng)中一般能夠靈活設(shè)置，可以大于也可以小于空間分辨率；小于空間分辨率時，產(chǎn)生的信號會彼此不獨立.

和地震儀類似，DAS的主要性能指標(biāo)還包括動態(tài)范圍和頻帶范圍等. 在應(yīng)變分辨率確定的情況下，DAS的動態(tài)范圍與光纖允許的最大變形和相位變化的跟蹤范圍[公式（1）]有關(guān). DAS的頻帶范圍優(yōu)勢比較突出，在高頻可優(yōu)于聲波（如大于或等于20 kHz），在低頻端已有應(yīng)用發(fā)現(xiàn)可低于0.001Hz（Becker et al., 2017; Becker and Coleman,2019）. 這意味著DAS在頻帶上有潛力覆蓋從高頻巖石微裂隙發(fā)育的聲發(fā)射至低頻慢事件（如斷層蠕滑、裂隙開合）的監(jiān)測.

DAS的應(yīng)用面很廣，設(shè)備的發(fā)展也非常迅速，從早期的定性測量，應(yīng)用于周界入侵、油氣管道、輸電線路和鐵路等安全監(jiān)測，發(fā)展為精確的定量測量，可應(yīng)用于地震學(xué)不同領(lǐng)域. 目前，國內(nèi)外商業(yè)化DAS產(chǎn)品眾多，由于不同行業(yè)對性能的關(guān)注點不同，DAS性能也可以根據(jù)應(yīng)用進行調(diào)整；因此，針對地震學(xué)應(yīng)用，對不同DAS產(chǎn)品進行系統(tǒng)的測試對比、并制定性能評測標(biāo)準(zhǔn)是非常有必要的，但目前尚未有相應(yīng)工作.

1.3 分布式光纖振動傳感的地震學(xué)應(yīng)用

DAS在地震學(xué)應(yīng)用的優(yōu)勢主要表現(xiàn)在三個方面：可持續(xù)的密集采樣、大量的冗余可用光纖資源和強大的環(huán)境適用性. 與節(jié)點地震儀密集監(jiān)測相比，DAS有更低的單點采集平均成本以及運維成本. 單臺DAS價格昂貴（1～2百萬元），但一臺DAS可以帶動上萬個測點；此外，DAS觀測無需考慮每個測點的供電、數(shù)據(jù)傳輸和巡視等運維問題，長期運行時優(yōu)勢顯著.

目前全球光纜的覆蓋率已經(jīng)達(dá)到了驚人的地步，大量的通信或安保光纜分布在城市、城際、鐵路沿線、油氣管道沿線和海洋等地區(qū)，這些地區(qū)往往也是地震監(jiān)測薄弱的區(qū)域. 光纜一般由幾至幾百芯光纖組成，通常都有冗余備用光纖（dark fiber），只要能夠部分利用已有光纜的冗余光纖，就可以快速而且廉價地搭建密集的振動監(jiān)測網(wǎng)絡(luò).

光纖作為傳感器，廉價（多芯的戶外鎧裝光纜為幾千元/千米），而且具有防水、防電磁干擾和耐高溫高壓等特性. 以溫度為例，普通光纖工作溫度在-40～60 ℃，有特殊涂層的光纖在DTS中工作溫度可高達(dá)1 200 ℃（Xu et al., 2016），在DAS中可穩(wěn)定工作溫度高達(dá)150～210 ℃（Westbrook et al., 2020; Wu et al., 2020）；而電容換能地震計工作溫度普遍在-20～40 ℃（CMG-6T可達(dá)-40～75 ℃， Bashilov et al., 2018）. 因此，在火山、深井、冰川、海洋、沼澤或強電磁場干擾等常規(guī)地震儀無法工作的惡劣環(huán)境，都可以用DAS實現(xiàn)觀測覆蓋.

1.3.1 井下油氣開采監(jiān)測

井下監(jiān)測是DAS最早的地震學(xué)應(yīng)用（圖5）.垂直布設(shè)的井下光纖類似于單分量垂向檢波器串，但具有更強的環(huán)境適應(yīng)性和更高的空間采集密度；此外光纖可以一纜多用，實現(xiàn)振動、溫度和應(yīng)變綜合分布式傳感（Karrenbach et al., 2019）. 因此光纖傳感有逐漸取代檢波器的趨勢. 井下DAS應(yīng)用可分為垂直地震剖面（vertical seismic profiling, VSP）、地震監(jiān)測和儲層特性研究三類（Mateeva et al.,2014; Lellouch et al., 2021）.

圖5 水壓致裂操作過程中監(jiān)測井DAS記錄到的低頻響應(yīng)（修改自Jin and Roy, 2017）Fig. 5 Low-frequency DAS response at an offset well during hydraulic-fracturing operation (modified from Jin and Roy, 2017)

利用主/被動源進行井下精細(xì)介質(zhì)結(jié)構(gòu)成像或介質(zhì)時變分析的DAS VSP應(yīng)用，目前在成像方面已經(jīng)優(yōu)于傳統(tǒng)手段（Lellouch et al., 2021），能夠勝任對CO2存儲和油氣開采等過程中的地下介質(zhì)時 變 監(jiān) 測（Mateeva et al., 2017; Isaenkov et al.,2021）. 井下地震監(jiān)測可以避免地表淺層復(fù)雜介質(zhì)對地震波的影響，而且更接近震源區(qū)，有利于微震檢測，用于發(fā)現(xiàn)壓裂誘發(fā)的地下裂隙發(fā)育. 對比研究表明（Lellouch et al., 2020a），井下DAS能識別的微震數(shù)量要優(yōu)于地表觀測，但少于井下檢波器串觀測：DAS完備震級可以到-1.4，而檢波器串可以至-1.7；檢測差異與DAS靈敏度和檢測方法有關(guān). 得益于密集空間采集，DAS檢測的微震定位精度要優(yōu)于檢波器串（Webster et al., 2016）. 利用觀測的幾何分布、傳統(tǒng)地震儀的標(biāo)定輔助等措施，特別是多井和地表聯(lián)合觀測，井下DAS能夠測定地震震源機制和震級，并進一步改進結(jié)構(gòu)成像、介質(zhì)動態(tài)監(jiān)測以及地震事件檢測等的精度和可靠性（Grandi et al., 2017; Molteni et al., 2017; Cole and Karrenbach, 2019）.

DAS寬頻傳感特性結(jié)合時空密集采集，給地下油氣儲層特性研究帶來了前所未有的機遇（Lellouch et al., 2021）. 非常規(guī)油氣開采中為了提高油氣的滲透性，通過作業(yè)井在地下深部泵入高壓泥漿制造裂隙. 為跟蹤裂隙發(fā)育狀態(tài)和過程，傳統(tǒng)方法利用微震分布、應(yīng)力標(biāo)度或化學(xué)示蹤等手段，但仍較難實時捕捉裂隙發(fā)育細(xì)節(jié). 而通過DAS觀測，Jin和Roy（2017）發(fā)現(xiàn)0.05 Hz以下DAS低頻信號的時間進程可以分辨出泥漿注入的階段，并清楚地展示出壓裂過程中裂隙的開與合、應(yīng)力陰影的產(chǎn)生與松弛等特征（圖6）；利用機器學(xué)習(xí)，DAS低頻信號能夠用于裂隙發(fā)育的自動探測（Jin et al.,2019）. Ichikawa等（2020）采用低于0.5 Hz的DAS低頻分量構(gòu)建應(yīng)變率和累積應(yīng)變圖，估計多個作業(yè)井裂縫的位置、發(fā)育時間和連通情況；利用高于10 Hz的高頻DAS數(shù)據(jù)，更精確地獲得破裂時間，由破裂位置和破裂時間估算裂縫的傳播方向和速度；結(jié)合同光纜的DTS觀測，檢測到伴隨壓裂響應(yīng)的溫度變化.

由于DAS能夠有效記錄振動源激發(fā)的井下管波（tube wave，或稱為Scholte波）和導(dǎo)波（guided wave）. 管波是一種沿鉆孔圓柱狀流體固相邊界傳播的界面波，其基階也稱Stoneley波，可用于確定井眼附近巖層的物理屬性. 當(dāng)管波穿過與井眼相交的開放裂縫時，受到擾動后產(chǎn)生從裂縫向上和向下沿井筒行進的二次管波. 因此管波可用于定位開放性裂縫，基于波形特征定性可評估裂縫的 長 度 和 寬 度（Bakku, 2015; Nakata et al., 2019;Borodin and Segal, 2020; Hunziker et al., 2020;Schumann and Jin, 2020）. 導(dǎo)波是地震波進入低速裂隙后，能量被圍陷在其中沿裂隙傳播的界面波.當(dāng)振動源在裂隙內(nèi)或附近時，能夠產(chǎn)生能量很強的導(dǎo)波；反之導(dǎo)波能量較弱. DAS可記錄到頻率高達(dá)700 Hz的裂隙穿孔導(dǎo)波，能夠用于儲層精細(xì)結(jié)構(gòu)或微小裂隙研究（Lellouch et al., 2019a, 2020b; Luo et al., 2020a）.

1.3.2 主動源地震勘探

為了獲得地下三維結(jié)構(gòu)高分辨率圖像，地震勘探裝備總體是朝著更“輕便”和更“密集”的方向發(fā)展. 從最初的檢波器—線纜集中采集，發(fā)展到目前陸地流行的節(jié)點式地震儀密集采集，野外采集的自由度得到改善，但增加了采集的設(shè)備成本和運維成本. DAS的應(yīng)用使地震觀測又回到了線纜時代，但不再需要逐點安裝檢波器，野外采集更為簡潔和輕便.

野外測試 表 明（Daley et al., 2013; Freifeld et al., 2017; Spikes et al., 2019; Bakulin et al., 2020），DAS具備應(yīng)用于地震勘探的潛力. 特別是在鋪設(shè)光纜相對容易的區(qū)域，如在沙漠、冰川，海洋或可開展非地埋拖纜施工的場地，DAS的便捷優(yōu)勢更為突 出（Urosevic et al., 2018; Alajmi et al., 2019;Bakulin et al., 2020）. 對海底50 km長光纖記錄的主動源氣槍信號進行分析（圖7, Matsumoto et al.,2021），結(jié)果顯示DAS類似于水聽器，對于10-1至幾十赫茲范圍內(nèi)的水聲信號比較敏感；觀測到的水聲信號相位至少在幾千米長度內(nèi)具有很好的相關(guān)性. DAS在地震勘探中應(yīng)用的優(yōu)勢在于它具有可低至0.25 m的近連續(xù)空間采樣；在布設(shè)好的光纖中，道間距可以根據(jù)淺層和深部結(jié)構(gòu)成像需求靈活配置；目前主要問題是靈敏度低和反射P波受入射方位角影響較大，如圖6e和6f中遠(yuǎn)距離的地震P波入射角近垂直，接收信號能量不明顯.

圖6 日本四國島Muroto光纜DAS實驗. （a）50 km長光纜接收到的氣槍信號（在光纜20.8km附近），其中小圖顯示地震（五角星）、OBS（三角）和光纜（紅線）的相對位置；（b）氣槍源附近DAS信號放大；（c）20.8 km處單道DAS氣槍信號和頻譜；（d）附近OBS接收的氣槍信號和頻譜；（e）DAS接收到的地震信號；（f）20.8 km處單道DAS地震信號和頻譜（修改自Matsumoto et al., 2021）Fig. 6 The DAS experiments on "Muroto cable" in Shikoku Island, Japan. (a) The airgun (near the location of cable length at 20.8 km) signals received by the 50 km fiber cable section. The inset shows the locations of earthquakes (star), OBS (triangle) and cable (red line); (b) The enlarged signals near the source; (c) Airgun signal and its time-frequency spectra of single DAS channel at 20.8 km; (d) Airgun signal recorded by nearby OBS and its time-frequency spectra; (e) Signals from M1.7 earthquake nearby received the 50 km fiber cable section; (f) Earthquake signal and time-frequency spectra of single DAS channel at 20.8 km (modified from Matsumoto et al., 2021)

1.3.3 淺層結(jié)構(gòu)和城市地下空間探測

淺層結(jié)構(gòu)和人類的生存與發(fā)展密切相關(guān)，特別是城市的淺層空間，對于城市安全、可持續(xù)發(fā)展至關(guān)重要. 城市地震小區(qū)劃、活斷層探測、地面沉降與塌陷監(jiān)測、地下空間開發(fā)和城市規(guī)劃等，都迫切需要地下淺層數(shù)百米內(nèi)的清晰結(jié)構(gòu)圖像. 淺層探測并非易事，特別是在城市區(qū)域，傳統(tǒng)勘探受到建筑阻擋、噪聲干擾，探測成本高、探測效果差.

DAS給淺層勘探和城市地震學(xué)工作的開展帶來了新的機遇. 城市光纖資源最為豐富，大量光纜（主要是通信光纜）充斥于道路、橋梁和樓宇等建筑之下，為DAS的應(yīng)用提供了可利用的密集觀測網(wǎng). 雖然城市地下光纜大多是套管鋪設(shè)的，但實驗表明這些非理想耦合套管光纜可以用于地震學(xué)研究：Ajo-Franklin等（2019）利用地震事件對比了不同安裝環(huán)境的光纖，發(fā)現(xiàn)耦合良好的光纖DAS記錄頻帶更寬，甚至包含近地表高頻散射波能量；而套管光纖在0.1～10 Hz頻帶的信號和密切耦合光纖記錄相似；主動源實驗結(jié)果也表明，套管光纖能夠有效記錄高頻氣槍信號（王寶善等，2021）.

此外，DAS密集采集使它擁有強大的臺陣分析能力，能更有效應(yīng)對人文復(fù)雜噪聲環(huán)境，識別和分離有用信號等. 例如，城市具有復(fù)雜的交通噪聲源，對于單臺地震儀，其記錄就是一片噪聲信號，難以提取有效信息；但在DAS監(jiān)測下則可以展示出有序的速度、方向等移動矢量，進而可以獲得通行量或車型等信息（圖7）（Ajo-Franklin et al.,2019; Jakkampudi et al., 2020; Lindsey et ～al., 2020b;Wang et al., 2020, 2021）. 城市異常聲源，如打雷誘發(fā)的地面運動（Zhu et al., 2019），可以被DAS系統(tǒng)有效跟蹤和分析. 非法侵入安保、油氣水管線泄漏檢測等早期的DAS應(yīng)用，隨著AI技術(shù)的引入（如Jakkampudi et al., 2020），對振動類型或?qū)傩裕ㄈ缤诰颉④囕v等）的識別和區(qū)分更為快速可靠，進一步展示出DAS在淺層空間探測的應(yīng)用潛力（Zhu et al., 2021）.

圖7 斯坦福大學(xué)DAS-2實驗. （a） DAS光纖路線（黑線）分布圖；（b）DAS記錄的交通軌跡. 波形被0.1～1 Hz帶通濾波以便突出車輛經(jīng)過時高質(zhì)量的路基變形響應(yīng). 每輛車輛均被編號（修改自Lindsey et al., 2020b）Fig. 7 Stanford DAS-2 experiment Array. (a) Map of optical fiber path used for DAS (black line); (b) Vehicle observations from Stanford DAS-2 experiment. Waveforms are bandpassed around 0.1～1 Hz to highlight the high-quality geodetic strain responses of the roadbed due to vehicle loading. Individual vehicles are numbered (modified from Lindsey et al., 2020b)

DAS可以在城市活斷層探測中發(fā)揮重要的作用. 城市活斷層探測工程，在中國已經(jīng)實施了多年，需要在不同城市開展大量的主動源地震勘探，確定斷層位置，再輔助鉆孔測井等手段進行深入探測.城市物探開展相對比較困難，能夠覆蓋的區(qū)域有限，需要大量的人力、物力和財力支持. 目前已有多個使用現(xiàn)成通信光纜的DAS觀測實驗，發(fā)現(xiàn)能夠記錄到與斷層結(jié)構(gòu)相關(guān)的獨特地震波信號，有助于發(fā)現(xiàn)和定位斷裂帶.

通過冰島15 km通信光纜的DAS記錄，Jousset等（2019）最先發(fā)現(xiàn)本地地震和地脈動噪聲波形在一些位置存在振幅、持續(xù)時間和相位的異常，記錄了斷裂帶激發(fā)的斷層圍陷波. 他們估算出其中最顯著的斷裂破碎帶的寬度在60 m左右，地震波在其中的視傳播速度為340 m/s，低于圍巖約30%～40%.根據(jù)類似波形特征他們還發(fā)現(xiàn)了幾條新的斷裂帶.Lindsey 等（2019）利用加州近海20 km的通信光纜接收到小震波場，也發(fā)現(xiàn)類似的異常波形，其中一些位置與已知的斷裂位置吻合；由此他們推斷該區(qū)域存在多處未知的斷裂帶（圖8a～8c）. Cheng等（2021）用該光纜的噪聲記錄，提取了 Scholte 波多階頻散曲線，反演出海底淺部沉積的高分辨率二維橫波速度圖像，獲得淺層斷層帶和海底沉積特征，及其顯著的橫向差異信息（圖8d）. Li等（2021）用10 km長的通信光纖DAS記錄分析美國加州2019年Rridgecrest地震的余震時，也發(fā)現(xiàn)光纖下方有幾處類似信號，推測存在未知隱伏斷裂帶.

圖8 美國加州Monterey灣區(qū)的MARS DAS實驗. （a）MW3.4 Gilory地震的DAS波形記錄和預(yù)測的地震震相到時（不同顏色線條）. 海岸在距離為0處. （b）B區(qū)已知斷裂波形的放大. （c）MARS光纜、已知斷層和Gilroy地震分布圖.DAS只有其中20 km光纜（粉色）. （d）疊加VS反演和反向散射Scholte 波偏移的綜合結(jié)果. 背景灰度圖顯示自然偏移結(jié)果；正面彩色圖像為VS結(jié)果；藍(lán)色虛線代表Kirchof 偏移結(jié)果. 黑色虛線表示從自相關(guān)圖像觀察到的水平不連續(xù)性. 注意此圖海岸在左邊[（a～c）修改自Lindsey et al., 2019；（d）修改自Cheng et al., 2021]Fig. 8 MARS DAS experiment in Monterey Bay, CA. (a) Full array observation (0 indicates the shore) with predicted seismic phase arrivals (colored lines). (b) Inset shows scattering with recently mapped submarine fault locations (white arrows). (c) The map shows MARS cable (DAS, pink portion), mapped faults, Gilroy earthquake. (d) Integrated results using VS inversion and backscattered Scholte wave migration. The gray background image shows the natural migration result; the front color image shows the VS inversion profile; the blue dashed line represents the Kirchhoff migration result. The black dashed lines indicate the observed horizontal discontinuity from the autocorrelation image. The shore is at the left side of the figlet [ (a～c) modified from Lindsey et al., 2019; (d) modified from Cheng et al., 2021]

DAS在淺層速度結(jié)構(gòu)探測中具有明顯的應(yīng)用優(yōu)勢. 地下水平鋪設(shè)的光纖，相當(dāng)于密集的單分量水平檢波器陣列，適用于現(xiàn)有的各種主動、被動源面波和體波勘探方法. 通常使用小孔徑臺陣處理方法（如多道面波分析方法，MASW），利用落錘、汽車通過等主動震源激發(fā)的面波、天然地震激發(fā)的面波（Luo et al., 2020b; 宋政宏等, 2020; Yuan et al.,2020）或背景噪聲互相關(guān)提取的短周期面波頻散曲線（Zeng et al., 2017; 林融冰等, 2020），反演臺陣下方淺層數(shù)十米至數(shù)百米的S波速度結(jié)構(gòu). 在有少量三分量地震儀同步觀測的基礎(chǔ)上，還可以構(gòu)造出DAS的噪聲H/V（水平與垂直分量譜比）曲線，與頻散曲線聯(lián)合約束S波速度結(jié)構(gòu)（Spica et al.,2020）. 由于DAS可以幾十千米長距離同時采集，利用已有的光纖，它探測成像效率要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于常規(guī)的檢波器探測手段.

DAS寬頻帶性能有助于提高淺層勘探深度.Yuan等（2020）將背景噪聲和地震信號聯(lián)合來獲得更寬頻帶的面波頻散曲線，提高S波速度結(jié)構(gòu)反演深度和分辨率. Shragge等（2021）用近海城市光纜記錄噪聲提取了低頻面波信號（0.04～1.80 Hz），認(rèn)為通過DAS噪聲分析能夠獲得深達(dá)500 m的淺層結(jié)構(gòu)信息. 因此，利用已有的光纜和DAS長距離密集采集，將能夠大幅度降低淺層探測野外工作成本，提高探測空間分辨率，更廉價快速地獲得城市高分辨率的淺層結(jié)構(gòu)圖像，為地震場地分類、城市地下空間探查等應(yīng)用服務(wù).

1.3.4 地震監(jiān)測和深部結(jié)構(gòu)成像

除了油氣井的監(jiān)測，DAS已經(jīng)開始應(yīng)用于斷 裂 帶（Lellouch et al., 2019b, 2019c）、火 山（Nishimura et al., 2021)、海洋（Lior et al., 2021）、冰川（Booth et al., 2020; Walter et al., 2020）和城市（Martin et al., 2017）等的地震監(jiān)測中. 不同區(qū)域的DAS野外實驗，沿光纖記錄到本地、區(qū)域或遠(yuǎn)距離地震的波形信號，與相同位置傳統(tǒng)地震儀的記 錄 高 度 相 關(guān)（Lindsey et al., 2017; Wang et al.,2018）. 利用DAS頻帶和密集監(jiān)測的優(yōu)勢，可以克服單分量測量和靈敏度低的不足，改善震源反演、深部成像和介質(zhì)動態(tài)變化監(jiān)測等方面的應(yīng)用（Fernández-Ruiz et al., 2020; Zhan et al., 2020）.

對斷裂帶進行井下—地表立體地震監(jiān)測來探測斷裂帶內(nèi)部活動，是斷裂帶監(jiān)測的發(fā)展方向. 井下觀測儀器故障率高、風(fēng)險大，如美國加州San Andreas斷裂帶的SAFOD井下觀測項目投入巨資，因井下檢波器串故障，只維持了幾年的運行時間（http://www.ncedc.org/safod/）. Lellouch 等（2019b,2019c）利用DAS和井內(nèi)原有的光纖，使SAFOD井下地震觀測在一定程度上得以“復(fù)活”. 這些研究也進一步顯示出DAS的應(yīng)用優(yōu)勢：如檢測到被地表監(jiān)測遺漏的眾多小震；反演得到比原來的區(qū)域模型更高分辨率的P波速度模型；發(fā)現(xiàn)P波和S波三個顯著的波速分段以及VP/VS淺部異常.

在火山、海底和城市等強背景噪聲區(qū)的地震監(jiān)測方面，DAS也展示出突出的應(yīng)用潛力. Nishimura等（2021）將DAS應(yīng)用于日本Azuma火山研究，證實DAS在火山監(jiān)測方面的優(yōu)勢：傳感部件光纖全埋在地下，耐高溫，不受火山爆發(fā)和火山灰的影響；密集的波形相關(guān)解決了火山地震的初至難以識別的問題，將震源定位到火山區(qū)約1 km深度的淺部；用地震波振幅獲得了場地放大效應(yīng)信息，與以前巖漿流動特征和火山高程分布有很好的相關(guān)性.Lior 等（2021）對地中海三條不同的海底通信光纜進行DAS測試，并認(rèn)為使用海底光纜DAS觀測對地震的檢測能力要優(yōu)于陸地光纜，處于與寬頻帶地震觀測相似的水平；其監(jiān)測能力主要與噪聲水平、光纖響應(yīng)和光纖所處區(qū)域地下介質(zhì)的視速度有關(guān)，海底DAS在海洋地震監(jiān)測方面發(fā)展?jié)摿薮? 在高背景環(huán)境噪聲環(huán)境下，利用DAS包含的豐富波場信息，通過頻率、波數(shù)等參數(shù)分析以及疊加去噪等手段，也可以做到地震信號的有效提?。‵ernández-Ruiz et al., 2020）.

震后快速及時的加密監(jiān)測，對于發(fā)震構(gòu)造與地震序列判斷、強余震預(yù)測和后續(xù)深入研究是非常重要的. Li等（2021）在2019年Ridgecrest的M7.1地震后，利用震源區(qū)周邊4條總長達(dá)55 km的通信光纜，三天內(nèi)建立了約6 000個接收點的DAS密集監(jiān)測網(wǎng)絡(luò). 基于震后3個月DAS數(shù)據(jù)，利用其中一條10 km長的光纖DAS觀測以及波形模板匹配方法，檢測到數(shù)量6倍于加州地震目錄的余震，這些余震大量分布在主震和M6.4前震所在的多條交錯斷層. 該研究結(jié)果顯示的DAS良好的震后快速響應(yīng)和監(jiān)測能力，為今后強震應(yīng)急加密觀測提供了重要參考.

目前DAS數(shù)據(jù)應(yīng)用于地殼、地幔等深部結(jié)構(gòu)成像的研究相對較少. Trainor-Guitton等（2019）利用移動可控震源、井下固定光纖組合開展內(nèi)華達(dá)州Brady地?zé)?D監(jiān)測，并結(jié)合地震勘探數(shù)據(jù)，對地?zé)釘鄬舆M行三維反射率成像，識別出地下三條斷層的位置和形態(tài). Yu等（2019）基于長約20 km光纖記錄的一個遠(yuǎn)震數(shù)據(jù)評估了DAS深部應(yīng)用的可能性；借助附近一個常規(guī)地震臺，他們獲得了DAS接收函數(shù)，有效識別了Moho面Ps轉(zhuǎn)換波；提取了部分震相（如大振幅面波）的密集走時信息以及20～50 s的路徑平均瑞利波群速度. 這些工作表明，DAS在深部結(jié)構(gòu)研究領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景.

1.3.5 時變動態(tài)監(jiān)測

DAS在地下介質(zhì)時變動態(tài)監(jiān)測中應(yīng)用廣泛，但大部分集中于井下VSP光纖，主要用于1.3.1節(jié)中所描述的井下油氣開采的儲藏變化和水壓致裂介質(zhì)變化監(jiān)測，或CO2固化和地下存儲監(jiān)測（如Pevzner et al., 2021; Yavuz et al., 2021）. 通常這些井下時變監(jiān)測會配備主動震源，如地表軌道振源（surface orbital vibrators, SOV），結(jié)合單井或多井光纜觀測，獲得介質(zhì)地震屬性的變化（Pevzner et al., 2021）.

水平鋪設(shè)光纜的DAS時變動態(tài)監(jiān)測應(yīng)用相對較少，這應(yīng)該與水平光纜DAS觀測起步較晚、應(yīng)用場景和數(shù)據(jù)積累較少有關(guān). Dou（2017）等利用二百多米L型布設(shè)的光纖噪聲記錄，監(jiān)測三個星期內(nèi)的淺層介質(zhì)變化. 她們認(rèn)為這個觀測系統(tǒng)可以較好地約束淺層20 m深度范圍內(nèi)S波速度，并且可重復(fù)性地監(jiān)測到2%的速度變化，足于反應(yīng)淺層含水量或凍土比例的變化. 而Ajo-Franklin等（2019）采用短期DAS噪聲數(shù)據(jù)，卻沒能提取出與實際水位變化有關(guān)的淺層30 m范圍內(nèi)的速度變化.

Fang等（2020）利用13.3 km外采石場的重復(fù)爆炸，通過信號處理降低DAS測量噪聲、噪聲場變化和震源小波的影響，監(jiān)測到光纖附近地下室挖掘引起的近地表速度的顯著變化（13.2%）. Tsuji等（2021）開發(fā)了一種基于小型震源和DAS的新型連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng). 他們使用部署在陸上地?zé)崽锖徒^(qū)域的光纖電纜，大面積（多庫區(qū)）、高精度（時變監(jiān)測誤差小于0.01%）、高空間分辨率連續(xù)監(jiān)測到地?zé)嶙鳂I(yè)和降雨引起的孔隙壓力變化. 圖9是其中一條光纖DAS記錄的主動震源信號和受降雨影響的介質(zhì)速度變化，密集監(jiān)測能夠看到小尺度空間內(nèi)變化的差異和共性，更有利于異常變化的可靠性判斷和成因分析.

圖9 DAS系統(tǒng)（離震源1.75 km）的監(jiān)測結(jié)果. （a）由垂向震源得到的轉(zhuǎn)換函數(shù)（左邊）和617道的時間變化（中間和右邊）；（b）10月10日至11月4日615～650道的P波速度變化，以10月22日為零. （c）615～650道平均速度變化（黑色）和降雨量（藍(lán)色）. Oct：十月；Nov：十一月（修改自Tsuji et al., 2021）Fig. 9 Monitoring results derived from the DAS system ～1.75 km from the source system. (a) Transfer functions at all receiver channels derived from vertical source motion (left) and temporal variation of channel 617 (middle and right). (b) Temporal variation of P-wave velocity for channels #615～#650 from 10 October to 4 November. The velocity change is defined by using the velocity on 22 October as zero. (c) The velocity change averaged from channel #615～#650 results (black), and the precipitation from rain events (blue) (modified from Tsuji et al., 2021)

2 基于前向透射光的光纖振動傳感及其應(yīng)用

洋中脊擴張區(qū)和板塊俯沖帶是全球地震最活躍的地區(qū)，也是探索板塊運動動力來源的重要區(qū)域，然而由于傳統(tǒng)海底地震觀測難度較大，目前海洋地區(qū)是地球表面地震監(jiān)測能力最薄弱的區(qū)域. 另一方面，全球現(xiàn)今海底通信光纜總長已超過100萬千米，并且還在不斷增加中，把海洋豐富的光纖資源轉(zhuǎn)化為地震監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，將會給海洋地震學(xué)和地球動力學(xué)研究帶來前所未有的發(fā)展機遇. 基于背向散射光的DAS只有百千米量級的測距，與跨度上萬千米的大洋相比遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠. 透射光強度約是散射光的百萬倍，具有更長的傳播距離，是長距離振動傳感的一個重要方向，目前已經(jīng)在兩個方面有所突破.

一是利用透射光偏振（polarization，或極化）狀態(tài)變化實現(xiàn)振動傳感. 光波是一種橫波，它的光矢量與傳播方向垂直，偏振指示了光矢量的角度.光在光纖中傳播，輸入端光的偏振態(tài)（state of polarization, SOP）和輸出端是不一樣的；如果光纖沒有受到干擾，輸出端SOP是穩(wěn)定的（圖10a中的A圖）；但如果受到影響，偏振會不斷變化（圖10a中的C圖）. 電信公司通過監(jiān)視輸出端SOP的變化，檢測光纜狀態(tài)或校正信號失真. 陸地光纜的SOP比較混亂，與陸地溫差大、環(huán)境噪聲強有關(guān)，海底光纜的SOP則相對比較穩(wěn)定. 谷歌公司對海底光纜的長期監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，光纜的SOP有時會發(fā)生顯著變化，Zhan等（2021）研究發(fā)現(xiàn)這是由于海浪或地震波的應(yīng)力擾動造成的，并發(fā)展出從中檢測地震和應(yīng)力變化的方法（圖10a）. 他們從谷歌公司長上萬千米海底通信光纜的SOP數(shù)據(jù)中，在10 mHz～5 Hz頻帶檢測到了海底中強地震以及海水漲落引起的應(yīng)力變化.

二是利用透射光的相位變化進行振動傳感. 振動引起的光纖形變，也會影響透射光的傳播時間（即相位變化）. Marra等（2018）基于超穩(wěn)定的激光干涉技術(shù)實現(xiàn)了透射光相位振動傳感. 他們利用海底光纖鏈路，將相位超穩(wěn)定的1 Hz窄帶激光注入光纖一端，在光纖盡頭經(jīng)另外一根光纖回路返回發(fā)射端，與入射光進行干涉處理，檢測相位變化（圖10b）. 由于使用了超穩(wěn)定激光和用于下一代原子鐘時鐘比測的高精度頻率計量干涉技術(shù)（frequency metrology interferometric techniques,FMIT），該方法可以確保傳播時間變化完全來自于光纖擾動產(chǎn)生的相位延時. 目前，整條光纖只能解調(diào)出一條波形記錄，能夠清楚地辨識出地震的P波和S波信號；測試的光纖鏈路最長達(dá)535 km，可以探測到25～18 500 km外的強震；可以通過不同鏈路的地震信號，實現(xiàn)地震定位.

圖10 光纖透射光的振動傳感. （a）基于透射光偏振狀態(tài)（SOP）的振動傳感（修改自Zhan et al., 2021）. 輸入端的SOP是穩(wěn)定的，接收端會一直監(jiān)視SOP，正常情況下輸入和輸出SOP關(guān)系是穩(wěn)定的（A）. 但當(dāng)光纜受到來自地震和海浪產(chǎn)生的振動和應(yīng)力（B），輸出端的SOP會出現(xiàn)異常（C），從中可以檢測出地震或海浪. SOP通常被旋轉(zhuǎn)到北極以便于分析. （b）基于透射光相位變化的振動傳感（修改自Marra et al., 2018）. 穩(wěn)定的1 Hz激光被注入光纖，并通過回路從另外一根光纖中返回，進行干涉相位測量Fig. 10 Principles of fiber sensing of transmitted lights. (a) Polarization-based on transmitted light sensing (modified from Zhan et al., 2021). The state of polarization (SOP) at the receiver is monitored routinely while the input SOP stays stable. The output SOP is generally robust, owing to relatively minimal perturbations along most of its path in the deep ocean (A). The SOP anomalies (C) produce by shaking or pressuring the cable are used to detect earthquakes or ocean waves (B). The SOPs are rotated to the north pole for analyzing (D). (b) Phase-based of transmitted light sensing (modified from Marra et al., 2018).Stable lasers are injected into one fiber, and then returned to sender from another fiber for Interferometric phase measurement

無論是基于相位還是偏振狀態(tài)的透射光振動傳感，目前都無法實現(xiàn)分布式探測. 激光向前傳播時，光纖上的振動同時對散射光和前向透射光產(chǎn)生影響，但散射光是不斷產(chǎn)生的，并且每束散射光都有位置標(biāo)識（即快軸時間）；前向傳播的光只有一束，而且不同位置振動的影響都被疊加到了一起，很難判斷光纖哪個區(qū)域有振動以及它對透射光變化有多大貢獻. Marra等（2018）的傳感方法需要相位超穩(wěn)定的激光，獨占兩條光纖，成本相對較高；但由于有兩條傳感光纖同時接收振動，具有冗余信息，也許將來可以發(fā)展實現(xiàn)分布式傳感. Zhan等（2021）的SOP方法只使用單條通信光纖的偏振狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)，更難實現(xiàn)分布式傳感；但它不需要獨占光纖，不涉及通信數(shù)據(jù)安全，數(shù)據(jù)量小，無額外的硬件成本，可傳感距離更長；這些優(yōu)勢將有助于將它應(yīng)用于低成本大范圍海嘯預(yù)警. 因為光纜在海底不易受破壞，而且檢測事件更快速，因此，光纖SOP振動傳感有可能會比現(xiàn)有海嘯預(yù)警系統(tǒng)更可靠、更快速地發(fā)出海嘯預(yù)警（Zhan et al., 2021）.

3 光纖振動傳感的地震學(xué)發(fā)展前景

我們先后用兩篇文章介紹了光纖振動傳感，包括光纖陀螺旋轉(zhuǎn)測量、散射光和透射光振動傳感.它們具有全新的振動測量機理，并有潛力改變現(xiàn)有的地震勘探模式或地震監(jiān)測格局. 在迫切需要密集監(jiān)測的地震地質(zhì)災(zāi)害高風(fēng)險區(qū)，和在缺乏有效監(jiān)測手段的海洋、火山、城市甚至外太空行星等地區(qū)，應(yīng)用光纖傳感有其獨特的優(yōu)勢，也是當(dāng)前推動它們發(fā)展的最好契機.

斷裂帶光纖地震監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，大幅度加密已有地震臺網(wǎng)，有重要的科學(xué)意義和防震減災(zāi)實效. 斷裂帶是未來強震的潛在發(fā)生區(qū)域，密集臺網(wǎng)有利于捕獲地震孕育物理過程中前震活動、介質(zhì)變化和應(yīng)力遷移等特征，或探測斷裂帶精細(xì)介質(zhì)和應(yīng)力結(jié)構(gòu)；也能夠提高地震預(yù)警的成效：密布的臺站意味著臺站可能更加接近震中，將可以更早地檢測出地震，加快預(yù)警發(fā)出時間（圖11a），縮小預(yù)警盲區(qū)（圖11b）；也可以讓早期參與震源參數(shù)測定的臺站更多，降低預(yù)警誤判概率.

圖11 （a）地震預(yù)警的時間進程、不同臺間距強振動到達(dá)時間和預(yù)警盲區(qū). 假設(shè)P波和S波速度分布為5.8 km/s和3.4 km/s，tP 和 tS 分別是P波（藍(lán)線）與S波（紅線）的到達(dá)時間，tA是預(yù)警發(fā)出時間，介于tP 和 tS 之間. 虛豎線表示臺間距，不同灰色區(qū)對應(yīng)預(yù)警盲區(qū)，它和臺間距與系統(tǒng)處理時間有關(guān). 離震中臺站越遠(yuǎn)，發(fā)出預(yù)警所需時間越長；此外，預(yù)警盲區(qū)內(nèi)的振動和破壞往往比外圍區(qū)域更大（修改自Tajima and Hayashida, 2018）. （b）由6C臺站、DAS系統(tǒng)組成的斷裂帶光纖振動傳感網(wǎng)絡(luò). 3C臺站6C升級、沿斷裂帶鋪設(shè)分布式傳感光纖（黃線和紅點）、數(shù)據(jù)傳輸光纜中冗余光纖轉(zhuǎn)變?yōu)閭鞲泄饫w，將對活斷裂帶形成密集監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)（修改自http://www.seismo.ethz.ch/en/research-and-teaching/fields_of_research/earthquake-early-warning/）Fig. 11 (a) Diagram showing the time course of earthquake warnings, the arrival time of strong vibrations at different station spacing,and blind warnings areas. The blue line(tP) and red line(tS) are travel time curves for P- and S-waves, assuming 5.8 km/s for Pwave velocity and 3.4 km/s for S-wave velocity for the uppermost layer. tA is the warning alert time which is between tP and tS. Gray zones are the EEW shadow zones that failed to alert, and their sizes depend on the network station interval (Δx,vertical dash line) and system processing time. The further the site is from the epicenter, the longer the warning time is. On the other hand, the ground shaking is stronger and more damage may be caused in the gray zone than outside the zone(modified from Tajima and Hayashida, 2018). (b) Fiber vibrating sensing network composed of 6C stations and DAS systems. 6C stations updated from 3C stations, sensing fibers laid along the faults (yellow line and red dots) and sensing fibers converted from dark fiber in data transmission cables, will build a denser monitoring network for activate faults(modified from http://www.seismo.ethz.ch/en/research-and-teaching/fields_of_research/earthquake-early-warning/)

斷裂帶光纖傳感網(wǎng)絡(luò)有多種實現(xiàn)途徑. 可以沿斷裂帶走向鋪設(shè)光纜，開展井—地聯(lián)合觀測，或地埋改造原有臺站的數(shù)據(jù)傳輸光纜，利用其中冗余光纖，提高斷裂帶周邊的地震監(jiān)測密度和廣度（圖11b）. 對平動3C觀測臺站增配旋轉(zhuǎn)觀測，或者發(fā)展多分量DAS技術(shù)，實現(xiàn)斷裂帶周邊的6C監(jiān)測，進一步提升對斷層的地震監(jiān)測和解剖能力.

海洋光纖地震監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)將能夠顯著改進海洋內(nèi)部長期監(jiān)測的不足. 傳統(tǒng)設(shè)備，如海底地震儀（OBS）、海底電纜（OBC）、海底節(jié)點（OBN）和漂浮式地震儀（Sukhovich et al., 2015），存在觀測成本、觀測時長或觀測效果的問題，在長期地震監(jiān)測方面優(yōu)勢不如光纖傳感. 以海岸、海島和石油鉆井平臺向海洋輻射架設(shè)DAS監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，已經(jīng)可以覆蓋全球海洋大部分的板塊俯沖或轉(zhuǎn)換帶區(qū)域，再結(jié)合廉價的透射光偏振狀態(tài)振動傳感（Zhan et al., 2021），光纖傳感足于扭轉(zhuǎn)海洋地震監(jiān)測的不利局面，促進海嘯預(yù)警、海洋地震活動、深部結(jié)構(gòu)和板塊動力學(xué)等發(fā)展.

城市光纖振動監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，將補齊智慧城市建設(shè)的重要短板. 城市有豐富的冗余光纖資源，發(fā)展光纖監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，建設(shè)難度和建設(shè)成本低，可行性高，同時也是應(yīng)對城市復(fù)雜噪聲環(huán)境，提高城市振動感知能力的關(guān)鍵. 城市光纖監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)有更豐富的應(yīng)用范疇，除了地下空間探查、地震地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)防等城市地球物理學(xué)（陳颙等，2003）功能，還將能為智慧城市管理和決策提供新型的振動“觸角”，探查城市異常振動事件、跟蹤統(tǒng)計交通流量、監(jiān)測建筑橋梁和生命線管網(wǎng)健康情況等，為城市安全、災(zāi)害防范和可持續(xù)發(fā)展保駕護航.

光纖振動傳感的未來發(fā)展仍存在不少的挑戰(zhàn).光纖傳感有一些固有的不足，如分布式傳感中靈敏度低并受方位影響的問題，而且光纖傳感和傳統(tǒng)觀測測量物理量有所不同，如旋轉(zhuǎn)和平動、線應(yīng)變率和質(zhì)點速度. 因此，光纖傳感目前并不能取代傳統(tǒng)的觀測系統(tǒng)，而是要和原來系統(tǒng)形成互補. 傳統(tǒng)和光纖傳感監(jiān)測系統(tǒng)如何進行性價比最高的互補組合，需要進行更為系統(tǒng)的測試和評估. 如何融合不同的觀測數(shù)據(jù)，以及它們對數(shù)據(jù)解釋和聯(lián)合反演的影響，需要更多的同址比測實驗和數(shù)據(jù)處理技術(shù)開發(fā).

隨著光纖振動監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的展開，觀測數(shù)據(jù)的傳輸、存貯和處理將會是巨大的挑戰(zhàn). 相同采樣率的條件下，一個DAS以10 m間隔采集一條50 km的光纜，產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量（5 000道）就可以遠(yuǎn)超中國大陸目前所有固定測震臺站的數(shù)據(jù)（1 000多個臺站，3 000多道）. 對于如此海量的數(shù)據(jù)，必將改變我們傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理方法，帶動數(shù)據(jù)處理向并行化、云計算和智能化的新處理技術(shù)發(fā)展. 因此，光纖振動傳感，將不僅帶來地震數(shù)據(jù)采集的革命，也將帶來地震數(shù)據(jù)挖掘和分析技術(shù)的全面進步.

致謝

衷心感謝陳颙院士、吳忠良研究員、張曉東研究員、李營研究員和邵志剛研究員對我們開展光纖地震學(xué)研究工作的指引和支持；感謝兩位評審專家對本文內(nèi)容和結(jié)構(gòu)提出了非常有益的修改意見和建議.

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