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歐美大地 公司新聞
分布式光纖聲波傳感器在天然地震監測中的應用
發布時間:2023-12-22 瀏覽次數:8316 來源:歐美大地
DAS地震監測
分布式光纖聲波傳感器( Distributed Acoustic Sensing,DAS) 是近年來興起的超密集地震觀測系統,具有一系列觀測密度高、觀測成本低、耐受惡劣環境等優勢,在油氣行業得到了廣泛應用,也引起了天然地震學界的關注。本文簡要回顧了DAS系統的測量原理、發展歷程、技術方案、介紹了測量原理及其響應特性,然后圍繞多個觀測實驗,介紹淺部結構成像、深部結構探測和地震監測三個方向的典型應用實例

本文來源:張麗娜,任亞玲,林融冰,等. 2020. 分布式光纖聲波傳感器及其在天然地震學研究中的應用. 地球物理學進展,35(1) : 0065-0071,doi: 10. 6038 /pg2020DD0384.


光纖傳感器

光纖是由高純度的玻璃或塑料制成的,為了實現極低的傳輸損耗,一般采用純度極高的材料制作,但是制作過程中的溫壓條件變化和材料中的極少量的雜質也會造成光纖內部的不均勻體,在入射激光作用下形成散射,其中的后向散射正是分布式光纖傳感的基礎。光纖內部散射可以分為彈性和非彈性散射,彈性散射不改變光的波長,分布式光纖聲波傳感器利用的瑞利(Rayleigh)散射就是彈性散射,非彈性散射的波長與入射光不同,常用的布里淵(Brillouin)和拉曼(Raman)散射都是非彈性散射。
最早基于Rayleigh散射信號,1970年代發明了光時域反射儀(Optical Time Domain Reflectiometer),注入一系列光脈沖信號,在光纖內部的后向散射信號強度隨著距離的增加而減小,通過觀測衰減曲線的斜率可以得到光纖的損耗分布曲線,其中的跳變可以用于斷點定位(Barnoski and Jensen,1976; Barnoski et al.,1977 )。后續也發展一系列基于Brillouin和Raman散射的OTDR,但本文討論的技術方案主要基于Rayleigh散射信號的OTDR。光纖的微小變形也改變了光纖內部散射體間距和折射系數,進而引起Rayleigh后向散射信號強度的變化,當光脈沖信號很窄時,這一強度變化只與變形段相關,可以實現光纖全段的振動探測(Taylor and Lee,1990; Ju?kaitis,1994)。這一技術被稱為分布式振動傳感器(Distributed Vibration Sensing,DVS),廣泛應用于入侵檢測。雖然DVS的探測靈敏度很高,當空間分辨率為10m,可達約數十納應變,但是其只利用了后向散射信號的強度信息,且后向散射信號對應變的響應是非線性的,無法應用于地震學研究中。如果應變加載在光纖的某一處,那么在加載點之前和之后的后向散射信號的變化差只與加載段的應變有關,這兩個信號的相對相位對應變的響應是線性的,可以用于測量應變信號(圖1),被稱為相差式分布式振動傳感器(Differential phase measurement DVS),因為其包含了準確的應變相位信息,為了與DVS區分,也被成為分布式聲波傳感器(Distributed Acoustic Sensing,DAS)。這兩個用于計算相位差的散射點間距被稱為標距(Gauge length),光脈沖信號有一定寬度,這一寬度決定了標距的下限,一般為數米。
/ 圖1 DAS測量原理簡化圖 /

DAS技術方案有多種,根據相位解調的區分,常見的技術方案可以分為:
  • 雙脈沖方案(Dual-pulse DAS)
  • 干涉相位解調方案(Interferometric phase recovery DAS)
  • 外差相干檢測方案(Heterodyne DAS)(Masoudi and Newson,2016)。
雙脈沖方案采用時間間隔極短(約數十納秒)的兩個頻率不同的光脈沖信號,直接解調得到相位信息,計算極短時間內的相位差變化得到應變信號(Dakin and Lamb,1990)。干涉相位解調方案利用單脈沖信號,直接測量兩個后向散射信號的相位差,對比兩個測量時間的相位差得到應變率信息(Posey et al.,2000)。外差相干檢測方案中單脈沖探測信號與后向散射信號進行相干檢測獲得散射信號的相位信息,然后計算相位差得到應變信息。

DAS在測量應變方面具有多方面的優勢。
  • 噪聲水平低,在5~150Hz頻段,系統噪聲約為mrad量級,折合應變約為納應變量級,不同實現方案可能存在一定的差異(Hartog et al,2014; Parker et al.,2014)。
  • 有效頻帶寬,實驗測試表明高頻可以到數十kHz,低頻可以到mHz級別,也有加載實驗表明具備探測固體潮頻段(半日潮)信號的能力(Becker and Coleman,2019)。
  • 觀測密度高,一般常用的標距可以小至1m,由于光學系統的原始采樣率可以高達數十kHz,空間分辨率可以小至0.25m(Parker et al.,2014)。
  • 觀測成本低,體現在兩個方面,首先單個解調儀一般可以支持數十千米的傳感光纜,包含數萬個觀測點,一次性覆蓋較大區域,另一個方面,可以利用既有光纜,有效降低布設成本。
  • 耐受惡劣環境,比如高達160℃的井中(Miller et al.,2018)。

ODH5X詢問器單元 
為大型地震應用提供了無與倫比的DFS(分布式光纖傳感)/DAS(分布式光纖聲波傳感)性能。創新的新型結構設計為用戶進行長距離的監測的性能水平帶來了階梯式的提升,在100km長度水平的監測范圍內,能夠提供10000個優化定量監測通道。
傳感能力:
50km(在給定的30.8m標距長度條件下);
100km(在205.4m標距長度條件下)。
詢問速率:0.5kHz~10kHz
空間分辨率:2.05 m ~ 205.4 m 標距長度
*(并非所有空間分辨率參數都能夠在全光纖長度下使用)

DAS本質上測量的是沿光纖軸向的應變信號,可以等效為高密度的連續布設的伸縮應變儀(Benioff,1935) 。早期人們認為應變儀的頻率響應特性是平坦的,所以認為可能被廣泛應用于地震監測臺網中,但是實際響應并非如此(Lomnitz,1997)。簡單平面波入射情況下位移、應變和應變記錄可以表示為:
其中k=ω/c為光纖軸向的波數,L為標距。當L為小量時,式2第一項可以忽略??梢远xDAS的振幅響應為R=ε/ε*,代表DAS測量值與真實值的比值,這一比值為波長和標距的函數。圖2給出了近似計算下的DAS振幅響應,隨著波長的增大,振幅響應趨于平坦(圖2紅線) ,在短波長部分,振幅響應迅速下降。波長一定情形下,響應曲線呈現多峰(圖2黑線)。值得注意的波長為光纖軸向的視速度折算而來,所以在實際應用中入射角度的變化也改變了波長,因此在波速和頻率不變的情況下,振幅響應也可以看作為入射角度的函數。最簡單的P波入射情況下,垂直入射的信號振幅為0,簡單近似公式為,而S波的情況更為復雜( Benioff,1935)。

/ 圖2 DAS振幅響應圖 /

顏色代表振幅響應,紅線代表標距為25m的響應曲線,黑線代表波長為25m響應曲線,紅線振幅放大50 倍,黑線放大5 倍且坐標為對數。

DAS天然地震學應用實例

DAS早期主要應用于井中觀測,用于VSP研究中(Mestayer et al.,2011),然后拓展到4D VSP(Mateeva et al.,2017)、水力壓裂監測( Jin and Roy,2017 )、微地震監測(Karam et al.,2013)、地下水水位監測(Becker et al.,2017)等研究領域。一般井中觀測需要協調較多的資源,因此在天然地震學研究領域開展的比較少。2012年美國勞倫斯伯克利國家實驗室在澳大利亞開展了一次地表DAS觀測實驗,記錄了大型落錘震源激發的面波信號,提取得到了面波頻散曲線(Daley et al.,2013),Telsa Exploration Ltd。在加拿大也開展了類似的實驗(Kendall,2014),此后DAS地表觀測開始引起天然地震學界的關注。近年來開展一系列地表DAS觀測實驗和應用研究工作,本文圍繞多個有代表性的觀測實驗,按淺部結構、深部結構和地震監測三個方向介紹部分典型應用實例。

淺層結構是地震工程研究的重要輸入參數,對其開展成像研究一般要求較高的觀測密度,可以較好地發揮DAS的高觀測密度優勢。2013年9月美國威斯康星大學麥迪遜分校研究組在美國加州Garner Valley強地面振動研究站布設了約762m的光纜,利用多種震源和傳統地震儀開展了觀測實驗(Lancelle,2016),在此基礎上開展了多種淺層結構成像方法研究。利用該次實驗記錄的數據,Lancelle(2016)采用多道面波分析方法測量了掃頻震源的面波信號頻散,獲得了2~10Hz的頻散曲線,并反演得到了淺部100m的S波速度結構。類似的主動源面波方法也被在其他觀測實驗中得到應用,用于淺層結構成像(Song et al.,2019)。利用小型掃頻震源車激發的信號,通過Source synchronous filter(Lord et al.,2016)處理后得到了較為清晰的P波信號,基于走時反演得到了實驗場地內潛水層頂部二維速度分布。Parker等(2018)綜合某地熱田內的高密度地震儀臺陣和DAS臺陣記錄上的主動源P波信號獲得了淺部250m的高分辨率三維P波速度結構,揭示了區內部分斷層的分布。Zeng等(2017)則利用連續噪聲記錄開展了地震背景噪聲成像的應用可行性驗證工作,成功提取得到了Rayleigh面波信號,并與加速度計、主動源面波、前人研究結果進行了對比,確認了可行性(圖3)。這一方法也被廣泛應用于其他觀測實驗研究中(Dou et al.,2017; Zeng et al.,2017b; Martin et al.,2017; Ajo-Franklin etal.,2019)。除了在三維結構研究之外,勞倫斯伯克利實驗室研究組還開展了基于小型可重復震源和背景噪聲源的速度變化監測研究,觀測到了淺層的速度變化(Ajo-Franklin etal.,2017; Tribaldos et al.,2019)。

/ 圖3 不同面波數據提取得到的頻散曲線 /
( 據Zeng et al., 2017)
實線為DAS噪聲互相關函數,虛線為地震儀SASW結果,圓圈為DAS主動源數據。

破壞性天然地震大多發生在數千米~數十千米的地殼深處,這一深度范圍也是地震層析成像研究的熱點區域。開展地殼深部結構探測研究,主要依賴于大型人工震源、天然地震和中長周期地震背景噪聲信號,經常依賴于較大規模的臺陣。2015年德國GFZ在冰島Jousset等(2018)利用15km長的通信光纜開展了為期9天的連續觀測。在這次觀測實驗中,利用當地小地震的記錄,發現了斷層破碎帶內部多次反射信號以及體波到時延遲現象。在較低頻噪聲互相關函數上(0.5~2Hz)上觀測到了清晰的Rayleigh面波信號及其波形變化與斷層等構造的關聯性,利用這一頻段的Rayleigh面波信號有望約束約1000m深部的速度結構。2017年和2018年加州理工學院和勞倫斯伯克利實驗室研究組在美國加州Goldstone利用約20km的通信光纜進行連續觀測,期間記錄到了2018年洪都拉斯M7.5地震的信號,測量得到了長周期(5~105s)面波頻散曲線,并結合鄰近的GSC地震臺的豎直向記錄提取得到了接收函數,得到了清晰的Moho面Ps和PpPs轉換波信號,這一研究成果展示了DAS的天然地震記錄可以用于約束莫霍面乃至上地幔速度結構(Yu et al.,2019)。
除了應用于結構研究之外,DAS由于其可以實現大區域高密度觀測,有望提升地震臺網的監測能力。在早期的研究中,比如Garner Valley實驗中已經有報道記錄到20km外的M 2.0地震信號。Lindsey等(2017)綜合了勞倫斯伯克利研究組和斯坦福研究組布設的三個DAS臺陣觀測數據,從中得到了各種類型地震的記錄,展現了DAS用于天然地震監測的巨大潛力。Wang等(2018)則利用同一區域布設的密集地震臺陣和DAS臺陣,基于區域地震信號,發展了多種方法實現了兩種不同觀測量的轉換和對比,結果表明DAS可以提供可靠的地震波形記錄?;谕粋€臺陣觀測,Li和Zhan(2018)應用模板匹配方法,成功監測到了區內大量微地震,比當地小口徑固定臺網的目錄增加了約20倍。Jousset等(2018)也初步測試了基于DAS臺陣的小震定位結果,相關研究人員也開始開展了基于DAS記錄的地震震源機制解研究(Mellors et al.,2019)。


/ 圖4 Brady Hot Spring臺陣記錄的區域地震信號 /
(a) 中藍線為傳感光纜,黑色加號為地震儀;(b) 中紅線為地震儀(綠色三角) 記錄,藍線為DAS(紅線) 記錄(據Wang et al., 2018) 。


結論
經過多年的發展,分布式光纖聲波傳感器在天然地震學相關研究中的應用可行性已經得到了初步驗證。利用DAS的高觀測密度可以大幅改善淺層結構尤其是斷層區等復雜結構成像分辨率,利用DAS的耐受惡劣環境特性有望在深井、海底等特殊條件下開展地震學監測。通過開展相關觀測實驗有望推動這一新型觀測系統的應用。
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