基于分布式光纤声波传感器的冰川微地震监测和地震波传播研究

　　【仪表网 仪表研发】在过去10到20年里，传感器和数采技术的进步提高了地震仪器的便携性。因此，在交通不便的阿尔卑斯山脉和极地地区进行地震监测也越来越可行。相比于地壳地幔等传统的地震学研究对象，这些观测更聚焦于近地表的动力过程。阿尔卑斯山脉开展的地震学研究催生了环境地震学、冰冻圈地震学等新的学科方向。
 

　　尽管地震仪可以提供亚秒级的地面振动监测，具有极高的时间分辨率，但只有密集的传感器网络才能够精确定位物体的运动 (Dietze et al., 2017; Poli et al., 2017)，较为稀疏的固定地震台网往往难以满足地质灾害的早期预警和科学研究的需求。
 

　　分布式声波传感技术(Distributed Acoustic Sensing，简称DAS)是一种全新的地震仪，它的出现颠覆性地改变了地震监测台网的覆盖范围。DAS技术使用光纤作为传感单元，向其中注入一系列激光脉冲，该信号在光学内部产生的后向散射信号以转化为沿光纤每隔几米采样的应变率记录。因此，DAS可以在准静态到万赫兹间的频带内记录地震波在几十公里长的光纤上产生的动态应变信号(Parker et al., 2014)。
 

　　瑞士苏黎世联邦理工学院的Walter等人利用DAS技术在阿尔卑斯山冰川上开展了微地震信号以及环境噪声观测研究。在2019年3月的5天时间里，该团队在冰川表面的布设光缆组成一个单边长220 m的等边三角形台阵，用于监测冰川粘滑活动、岩崩以及冰震。他们使用了SILIXA iDAS分布式光纤传感系统，其时间采样率为500 Hz，空间采样间隔为4 m，同时在冰川中心流线附近布设了三台地震仪，形成边长为220 m的等边三角形(图1b)，并在冰川边缘几十米内的花岗岩基岩上布置了另外三台地震仪(图1a)。
 

　　图1 罗纳格莱切观测点示意图。(a)冰川厚度分布，厚度数据来自探地雷达剖面(冰流由北向南)，其中三角形表示基岩地震仪，黑色箭头指向图b的区域；(b)地震仪和光缆的布局；(c)雪地中的光缆照片(箭头)和野外营地(Walter et al., 2020)
 

　　作者通过DAS记录到各种各样的地震记录(图2所示)，其中包括一次地表冰震、一次冰川粘滑事件、一次爆炸源以及持续15 s的落石信号。结合地震仪记录分析，可以看到地表冰震记录以10-50 Hz为主，振动轨迹为逆进椭圆的Rayleigh波，而冰川粘滑事件信号频率较高，且以P波和S波信号为主，缺乏显著的Rayleigh信号。实际上，DAS的有效频带可以高达数千赫兹，而作者却发现，相比于地震仪记录，DAS记录中信号在100-200 Hz以上逐渐变弱，作者认为这是由于地震仪与光缆之间的耦合差异：一方面地震仪布设于冰层中的钻孔，并紧紧地冻在其中，与冰层完美地耦合在一起；另一方面，光缆架设在冰川表面2 m多厚的松散积雪上，与冰层的耦合性差。由于松散积雪对高频信号具有较强的衰减作用，进而导致爆炸源产生的高频反射信号同样在DAS记录中缺失。
 

　　图2 微地震事件(垂直地震仪记录为灰色，DAS记录为黑色)。(a)地表冰震；(b)粘滑事件；(c)爆炸；(d)落石；a-c中的波形记录点都位于在南边顶点(RA53和D620)，d中的波形记录点在西边顶点(RA52和D904)，为了方便显示，a-c中 DAS 和地震仪记录的时间轴略有偏移(Walter et al., 2020)
 

　　作者进一步分析观测期间的粘滑信号，并在DAS记录上识别出了粘滑事件的直达P波、S波以及其他相位的波(图3a)。另外他们通过二维射线方程计算理论到达时间(Rutishauser et al., 2016)，并与实际记录剖面作对比(图3b)，结果表明P波既包含直达波, 也包含穿过底层基岩的折射波。S波也是类似，但在偏移距超过270 m时，直达波和折射波之间的分离清晰可见。在折射S波之前有一个小的震相，可以通过两次反射的P波来解释(图3c)。图3a中0.3秒左右的箭头指示两次反射的S波。实际上，如果没有DAS提供的高密度观测，这些震相就更难解释。作者还利用冰上地震仪与DAS记录对该粘滑事件进行定位。由于地震速度模型和到达时间选取的不确定性以及非线性反演问题，只使用三个冰上地震仪记录进行定位结果散布较大 (图3b中的青色点云)。而对于使用数量更多、观测密度更大的DAS数据得到了更为准确的定位结果(图3b中的黑色点云)。
 

　　图3 (a)粘滑事件的完整DAS记录；(b)基岩地形(颜色对应海拔)和粘滑事件的定位结果，黑色和青色点云分别表示使用DAS和地震仪记录得到的定位概率密度；(c)粘滑事件地震波传播的示意图；(d)记录剖面和理论到达时间(Walter et al., 2020)
 

　　作者通过对DAS观测到的数据，进行波形对比、震相识别、以及事件定位等研究，表明DAS观测技术能够记录冰川流动引发的微震事件，甚至是落石等更小规模的物质运移事件。与布设在冰川和周边山体的地震仪相比，DAS技术具有明显的优势，使我们能够更好地监测冰川及其周围环境的静态和动态运动。尽管光缆覆盖的面积与3个冰上地震仪相同，但记录通道的数量和密度大大改善了粘滑事件的定位精度。此外，得益于DAS提供的极小空间采样间隔，识别了多重反射和临界折射波。这些震相不能用稀疏的传统地震仪台阵来识别，所以以前只在较厚的极地冰盖中被少量观测到。
 

　　DAS技术在监测冰川动态和阿尔卑斯山物质运移活动中具有巨大的潜力。通过简单的部署程序，基本上包括铺设一条光缆，就有数百个地震观测点，其体力劳动相当于在冰面上安装少量地震仪，但这些地震仪产生的关于冰川内部和附近的地震源和波传播的信息要少得多。除了本文所开展的研究，在不远的未来，DAS技术可以利用阿尔卑斯山脉地区大量既有的光缆进行监测，将有效提高这一地区的地质灾害预警能力。
 

　　原文标题：基于分布式光纤声波传感器的冰川微地震监测和地震波传播研究