【化工儀器網(wǎng) 科技前沿】 在過(guò)去10到20年里，傳感器和數(shù)采技術(shù)的進(jìn)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(jìn)行地震監(jiān)測(cè)也越來(lái)越可行。相比于地殼地幔等傳統(tǒng)的地震學(xué)研究對(duì)象，這些觀測(cè)更聚焦于近地表的動(dòng)力過(guò)程。阿爾卑斯山脈開(kāi)展的地震學(xué)研究催生了環(huán)境地震學(xué)、冰凍圈地震學(xué)等新的學(xué)科方向。
 　　盡管地震儀可以提供亞秒級(jí)的地面振動(dòng)監(jiān)測(cè)，具有極高的時(shí)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(yùn)動(dòng) (Dietze et al., 2017; Poli et al., 2017)，較為稀疏的固定地震臺(tái)網(wǎng)往往難以滿足地質(zhì)災(zāi)害的早期預(yù)警和科學(xué)研究的需求。
 　　分布式聲波傳感技術(shù)(Distributed Acoustic Sensing，簡(jiǎn)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(cè)臺(tái)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(hào)在光學(xué)內(nèi)部產(chǎn)生的后向散射信號(hào)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(zhǔn)靜態(tài)到萬(wàn)赫茲間的頻帶內(nèi)記錄地震波在幾十公里長(zhǎng)的光纖上產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)應(yīng)變信號(hào)(Parker et al., 2014)。
 　　瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的Walter等人利用DAS技術(shù)在阿爾卑斯山冰川上開(kāi)展了微地震信號(hào)以及環(huán)境噪聲觀測(cè)研究。在2019年3月的5天時(shí)間里，該團(tuán)隊(duì)在冰川表面的布設(shè)光纜組成一個(gè)單邊長(zhǎng)220 m的等邊三角形臺(tái)陣，用于監(jiān)測(cè)冰川粘滑活動(dòng)、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(shí)間采樣率為500 Hz，空間采樣間隔為4 m，同時(shí)在冰川中心流線附近布設(shè)了三臺(tái)地震儀，形成邊長(zhǎng)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(tái)地震儀(圖1a)。
 　　圖1 羅納格萊切觀測(cè)點(diǎn)示意圖。(a)冰川厚度分布，厚度數(shù)據(jù)來(lái)自探地雷達(dá)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(yíng)地(Walter et al., 2020)
 　　作者通過(guò)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(hào)。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(dòng)軌跡為逆進(jìn)橢圓的Rayleigh波，而冰川粘滑事件信號(hào)頻率較高，且以P波和S波信號(hào)為主，缺乏顯著的Rayleigh信號(hào)。實(shí)際上，DAS的有效頻帶可以高達(dá)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(hào)在100-200 Hz以上逐漸變?nèi)酰髡哒J(rèn)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(duì)高頻信號(hào)具有較強(qiáng)的衰減作用，進(jìn)而導(dǎo)致爆炸源產(chǎn)生的高頻反射信號(hào)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(diǎn)都位于在南邊頂點(diǎn)(RA53和D620)，d中的波形記錄點(diǎn)在西邊頂點(diǎn)(RA52和D904)，為了方便顯示，a-c中 DAS 和地震儀記錄的時(shí)間軸略有偏移(Walter et al., 2020)
 　　作者進(jìn)一步分析觀測(cè)期間的粘滑信號(hào)，并在DAS記錄上識(shí)別出了粘滑事件的直達(dá)P波、S波以及其他相位的波(圖3a)。另外他們通過(guò)二維射線方程計(jì)算理論到達(dá)時(shí)間(Rutishauser et al., 2016)，并與實(shí)際記錄剖面作對(duì)比(圖3b)，結(jié)果表明P波既包含直達(dá)波, 也包含穿過(guò)底層基巖的折射波。S波也是類似，但在偏移距超過(guò)270 m時(shí)，直達(dá)波和折射波之間的分離清晰可見(jiàn)。在折射S波之前有一個(gè)小的震相，可以通過(guò)兩次反射的P波來(lái)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(shí)際上，如果沒(méi)有DAS提供的高密度觀測(cè)，這些震相就更難解釋。作者還利用冰上地震儀與DAS記錄對(duì)該粘滑事件進(jìn)行定位。由于地震速度模型和到達(dá)時(shí)間選取的不確定性以及非線性反演問(wèn)題，只使用三個(gè)冰上地震儀記錄進(jìn)行定位結(jié)果散布較大 (圖3b中的青色點(diǎn)云)。而對(duì)于使用數(shù)量更多、觀測(cè)密度更大的DAS數(shù)據(jù)得到了更為準(zhǔn)確的定位結(jié)果(圖3b中的黑色點(diǎn)云)。
 　　圖3 (a)粘滑事件的完整DAS記錄；(b)基巖地形(顏色對(duì)應(yīng)海拔)和粘滑事件的定位結(jié)果，黑色和青色點(diǎn)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(dá)時(shí)間(Walter et al., 2020)
 　　作者通過(guò)對(duì)DAS觀測(cè)到的數(shù)據(jù)，進(jìn)行波形對(duì)比、震相識(shí)別、以及事件定位等研究，表明DAS觀測(cè)技術(shù)能夠記錄冰川流動(dòng)引發(fā)的微震事件，甚至是落石等更小規(guī)模的物質(zhì)運(yùn)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(shì)，使我們能夠更好地監(jiān)測(cè)冰川及其周?chē)h(huán)境的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)。盡管光纜覆蓋的面積與3個(gè)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(shí)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(tái)陣來(lái)識(shí)別，所以以前只在較厚的極地冰蓋中被少量觀測(cè)到。
 　　DAS技術(shù)在監(jiān)測(cè)冰川動(dòng)態(tài)和阿爾卑斯山物質(zhì)運(yùn)移活動(dòng)中具有巨大的潛力。通過(guò)簡(jiǎn)單的部署程序，基本上包括鋪設(shè)一條光纜，就有數(shù)百個(gè)地震觀測(cè)點(diǎn)，其體力勞動(dòng)相當(dāng)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(kāi)展的研究，在不遠(yuǎn)的未來(lái)，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(jìn)行監(jiān)測(cè)，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(biāo)題：基于分布式光纖聲波傳感器的冰川微地震監(jiān)測(cè)和地震波傳播研究