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利用暗光纤进行近地表特征和宽频地震事件探测的分布式声传感

发布:laserline阅读:1731时间:2019-2-16 01:03:42

水文地质和地震数据收集是两个领域,缺乏高时空分辨率数据对描述近地表土壤性质、地下水系统和地震事件的能力有重大影响。即使是相对基本的地下水文参数,如地表含水层的地下水位深度,在空间和时间上都存在严重的欠采样。虽然受到密集监控的盆地通常有许多井提供地下通道,但这些井既不是均匀分布的,也不是经常监控的,从而导致需要手动质量控制、管理和分析的异构数据集通常基于卫星遥感技术的少数流域范围的水文地质数据来源仅提供土壤水分等地表性质估算,集成应变响应,或低分辨率立体数据集,这些数据集需要与点测量同化,以提供精细的解决方案。由于卫星通过频率的原因,遥感测量经常会出现时间欠采样。最近,地震环境噪声干涉被用来提供更广泛的地下水储存信息;不幸的是,有限的永久地震网络对这些方法提出了挑战。同样,使用现有永久性台网收集的地震数据通常具有空间区域,这些区域存在显著的空间欠采样,特别是在远离主要板块边界的区域,因此在试图探测和定位小型自然和诱发事件时,会遇到挑战。小规模诱发事件的情况尤其存在问题,因为发生油气生产、废水注入和二氧化碳封存的盆地通常远离历史上的地震断层和相关的永久地震网络。网络稀疏性增加了检测的最小事件的水平,导致目录中的统计偏差,并大大增加了局部事件的深度不确定性。最近对加利福尼亚州地震目录完整性的研究已经确定,使用现有的台站,在萨克拉门托和圣华金盆地的大部分地区甚至不能检测到M2事件。


图1 环境噪声干涉测量数据处理流程图。(a)通过8秒时间切片显示的列车噪声示例。(a)中的红色框的阵列子部分用于(b)的噪声相关性聚类,(c)色散分析和(d)剪切波速度(VS)曲线的反演。(c)中的黑色和白色标记分别表示观察到的和模型预测的多峰色散曲线。在(d)中,黄色虚线表示蒙特卡洛采样中使用的参数空间的上限和下限;粗体红线表示最佳拟合Vs剖面。

这些时空欠采样问题,无论是水文测量还是地震测量,都可以通过重新设计已经大规模部署的无所不在的传感平台来解决。最近这种方法的一个例子是,利用智能手机加速度计测量强烈的地面运动,作为地震预警应用的一部分;另一种方法是利用已构建环境的组件作为分布式传感器网络。在这种情况下,将使用备用的地下光纤电缆(由于它们不用于数据传输,因此通常被称为“暗光纤”)和分布式声学传感(DAS)来提供这样一个空间广泛的传感平台。


图2 在(a)时空域,(b)频率-速度域,以及(c)从模型域获得的地下水位方面的环境噪声分析的延时可重复性演示。红色,绿色和蓝色的颜色序列表示监测期的时间顺序。在(c)中,中位数、最小-最大范围和百分位数是根据与监测周期相关的所有最顶端最佳拟合模型计算的。

分布式声传感(DAS)是近年来发展起来的一种利用相干光时域反射法精确测量光纤振动相位和振幅的技术。这项技术利用了拉伸应变引起的瑞利散射变化;这些测量现在已经定量地与中低频点地震记录进行了比较,并被用于许多任务,包括垂直地震剖面、近地表土壤性质估计、表面折射层析成像和地震学。DAS通过在高频(kHz范围)、大距离(数十公里)和精细空间采样(小到1 m)的组合下进行地震测量,创造了应用地球物理学的最新范式转变,这种组合以前无法以适中的成本与传统传感器相结合。需要注意到,DAS不同于远程光学干涉测量方法,它提供更大的测量距离但牺牲了空间定位;这类技术最近被证明是利用跨洋电缆进行地震探测的一种方法。虽然先前的研究已经令人信服地证明了密集网络在地震成像和其他一系列用途上的价值,但长期以来与大规模节点部署相关的高成本已经阻止了它们在许多情况下的使用。


图3 萨克拉门托暗光纤DAS阵列记录的地震示例。记录的数据在乘以标距长度(10 m)后绘制为应变率,转换为与速度成比例的单位(1e-6 m/s),并在100 m的线性光纤长度(50个记录道)上取平均值,然后在0.1-0.4 Hz范围内对区域事件进行带通滤波,对于远震则为0.01-0.1 Hz。通过增加萨克拉门托的震中距离对事件进行排序。秘鲁和洪都拉斯事件的地震振幅由括号中的因素决定。

美国劳伦斯伯克利国家实验室提出了第一个案例研究,证明了在区域非光纤通信基础设施(暗光纤)上部署分布式声学传感,用于近地表土壤性质和地震学的宽带地震监测。作者在从加利福尼亚州西萨克拉门托延伸至加利福尼亚州伍德兰的27 km暗光纤路段上记录了7个月的被动地震数据,并以2 m的间距进行了密集采样。利用环境噪声干涉技术对该数据集进行处理,提取地表波速信息;利用所得的Vs剖面图绘制浅层构造剖面和地下水深度,从而证明利用该技术可以解决流域水文状态的尺度变化。利用同一阵列探测区域地震和远震地震,并利用墨西哥恰帕斯8.1级地震记录(2017年9月8日)对长期响应进行评估。这两组观测结果的结合最终证明,区域范围广泛的光纤网络可以有效地用于许多以前无法达到的规模和分辨率的地球科学观测任务。这种结合可能是一个新的前沿领域,它利用对已建基础设施的投资,大大扩展现有永久监测网络的范围和样本。相关内容以《Distributed Acoustic Sensing Using Dark Fiber for Near-Surface Characterization and Broadband Seismic Event Detection》为题发表在《Scientific Reports》杂志上。


图4 墨西哥恰帕斯8.1级地震的2017-09-08远震DAS记录。(a)黑色轨迹是一个位置,红色和蓝色是所有位置的地震数据,距离为0.0-7.6 km,间距为2 m(总共4001个轨迹);右上方的插图显示了到达阵列的[黑色]南和[粉红色]北端位置的表面波,左下方插图显示了在两个位置同时到达的体波。(b)堆叠400米或200个连续DAS信道,颜色由用于强调宽频观测的带通滤波器编码(1–100秒)。灰色背景轨迹显示对造成显著差异的情况进行的单记录道记录。每条迹线归一化为峰值幅度。

来源: Scientific Reports

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