基于分布式光纖聲波傳感器的冰川微地震監測和地震波傳播研究

　　【儀表網 儀表研發】在過去10到20年里，傳感器和數采技術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進行地震監測也越來越可行。相比于地殼地幔等傳統的地震學研究對象，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測，具有極高的時間分辨率，但只有密集的傳感器網絡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往往難以滿足地質災害的早期預警和科學研究的需求。
 

　　分布式聲波傳感技術(Distributed Acoustic Sensing，簡稱DAS)是一種全新的地震儀，它的出現顛覆性地改變了地震監測臺網的覆蓋范圍。DAS技術使用光纖作為傳感單元，向其中注入一系列激光脈沖，該信號在光學內部產生的后向散射信號以轉化為沿光纖每隔幾米采樣的應變率記錄。因此，DAS可以在準靜態到萬赫茲間的頻帶內記錄地震波在幾十公里長的光纖上產生的動態應變信號(Parker et al., 2014)。
 

　　瑞士蘇黎世聯邦理工學院的Walter等人利用DAS技術在阿爾卑斯山冰川上開展了微地震信號以及環境噪聲觀測研究。在2019年3月的5天時間里，該團隊在冰川表面的布設光纜組成一個單邊長220 m的等邊三角形臺陣，用于監測冰川粘滑活動、巖崩以及冰震。他們使用了SILIXA iDAS分布式光纖傳感系統，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，厚度數據來自探地雷達剖面(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15 s的落石信號。結合地震儀記錄分析，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千赫茲，而作者卻發現，相比于地震儀記錄，DAS記錄中信號在100-200 Hz以上逐漸變弱，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，進而導致爆炸源產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果散布較大 (圖3b中的青色點云)。而對于使用數量更多、觀測密度更大的DAS數據得到了更為準確的定位結果(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(顏色對應海拔)和粘滑事件的定位結果，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觀測到的數據，進行波形對比、震相識別、以及事件定位等研究，表明DAS觀測技術能夠記錄冰川流動引發的微震事件，甚至是落石等更小規模的物質運移事件。與布設在冰川和周邊山體的地震儀相比，DAS技術具有明顯的優勢，使我們能夠更好地監測冰川及其周圍環境的靜態和動態運動。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技術在監測冰川動態和阿爾卑斯山物質運移活動中具有巨大的潛力。通過簡單的部署程序，基本上包括鋪設一條光纜，就有數百個地震觀測點，其體力勞動相當于在冰面上安裝少量地震儀，但這些地震儀產生的關于冰川內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技術可以利用阿爾卑斯山脈地區大量既有的光纜進行監測，將有效提高這一地區的地質災害預警能力。
 

　　原文標題：基于分布式光纖聲波傳感器的冰川微地震監測和地震波傳播研究