通過(guò)光纖聆聽(tīng)海底的聲音

編譯 王曉濤

對(duì)海底地震運(yùn)動(dòng)的測(cè)量使我們對(duì)地震和海嘯的危害、深地結(jié)構(gòu)、板塊構(gòu)造、海底火山活動(dòng)以及海洋與地球固態(tài)物質(zhì)之間的相互作用有了清晰的認(rèn)識(shí)。然而，海底地震儀（OBS）和觀測(cè)站非常稀缺：盡管地球表面約70%被水覆蓋，但全球永久性寬頻地震觀測(cè)站網(wǎng)絡(luò)中，只有不到1%安裝在海底。

新興的光纖測(cè)震領(lǐng)域?yàn)楹５變x器的布局提供了一個(gè)很有前景的新思路：采用分布式傳感而不是點(diǎn)狀傳感。用于洲際通信和電力傳輸?shù)暮５坠饫|橫跨全球海洋，這可用于分布式傳感器網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)?shù)卣鸩ê秃＠嗽诤５桌旌蛪嚎s光纖時(shí)，穿過(guò)它們的光對(duì)有價(jià)值的信息進(jìn)行了編碼。通過(guò)分布式聲傳感（DAS）測(cè)量和其他新的光纖測(cè)震方法，可以將這些信息用于地球物理的監(jiān)測(cè)。

分布式聲傳感是什么？

通信電纜中的單個(gè)光纖會(huì)有幅度較小的固有密度波動(dòng)，這些波動(dòng)會(huì)局部擾亂折射率并導(dǎo)致瑞利散射。當(dāng)光脈沖沿著電纜傳播時(shí)，每個(gè)散射點(diǎn)都會(huì)沿著光纖反射出極少量的光。來(lái)自眾多散射點(diǎn)的光的積累構(gòu)成了可測(cè)量的反向散射軌跡。從該軌跡中，可以將光的到達(dá)時(shí)間映射到其在光纖中的散射位置。

雖然存在許多DAS的實(shí)現(xiàn)方式，但所有這些方式的一般原理都是相似的。儀器從詢問(wèn)器單元開(kāi)始，定期將激光脈沖傳輸?shù)焦饫w中，并且每個(gè)脈沖的相應(yīng)反向散射跡線都由光電探測(cè)器記錄，頻率通常為1～10 kHz。通過(guò)比較連續(xù)的跡線，我們可以提取背散射光從一個(gè)脈沖到下一個(gè)脈沖的相位變化，作為沿光纖距離的函數(shù)。散射體的數(shù)量和分布是由光纖的制造工藝預(yù)先確定的，因此反向散射光相位的變化僅由散射體之間光程長(zhǎng)度的變化引起。這樣一來(lái)，光纖中的任何內(nèi)部變形都可以通過(guò)簡(jiǎn)單的線性關(guān)系從差分相中計(jì)算出來(lái)。

分布式聲傳感（DAS）利用了光纖電纜本身的微小缺陷，這些缺陷在光通過(guò)電纜傳播時(shí)出現(xiàn)。其中一些光沿著光纖散射回去，其行進(jìn)時(shí)間是光纖隨時(shí)間變化或應(yīng)變的測(cè)量指標(biāo)。海底DAS陣列（黑色電纜）可能觀測(cè)到的地球物理和環(huán)境現(xiàn)象包括：①地震；②來(lái)自海洋-地球固態(tài)物質(zhì)相互作用的環(huán)境地震噪聲；③海洋學(xué)信號(hào)，比如表面重力波；④內(nèi)部重力波；⑤航運(yùn)交通信號(hào)；⑥海洋哺乳動(dòng)物的聲音信號(hào)

在光纖沿線數(shù)千個(gè)位置和每秒數(shù)千次測(cè)量的應(yīng)變或應(yīng)變速率的二維數(shù)據(jù)集中，我們可以得到結(jié)果。DAS類(lèi)似傳統(tǒng)地震儀的密集線性陣列，不同之處在于每個(gè)通道測(cè)量具有一定距離上的分布式變形，而不只是單個(gè)點(diǎn)的粒子運(yùn)動(dòng)。迄今為止，陸地上的DAS網(wǎng)絡(luò)記錄了自然和人為產(chǎn)生的地震，探測(cè)了冰川上的冰震，對(duì)地下地質(zhì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了成像，為巖土分析提供了土壤特征，甚至監(jiān)測(cè)了城市交通模式。現(xiàn)在，科學(xué)家們正在將海洋作為光纖測(cè)震的下一個(gè)前沿領(lǐng)域。

從點(diǎn)傳感到分布式傳感網(wǎng)絡(luò)

1935 年 9 月，莫里斯·尤因（Maurice Ewing）在亞特蘭蒂斯號(hào)上進(jìn)行了將地震儀安裝在海底的開(kāi)創(chuàng)性工作。在1 280米長(zhǎng)的地震儀器穿過(guò)了大約5公里深的海水落到大西洋底部后，尤因和同事引爆了幾枚炸藥，試圖產(chǎn)生足夠的地震波。在這以后，將地震儀器帶到海底的努力因第二次世界大戰(zhàn)的爆發(fā)而推遲。直到20世紀(jì)60年代，監(jiān)測(cè)國(guó)際核試驗(yàn)計(jì)劃的需求才重新點(diǎn)燃了人們對(duì)海洋地震觀測(cè)站的興趣。正是這種興趣產(chǎn)生了今天仍在使用的OBS的基本藍(lán)圖。

大多數(shù)現(xiàn)代寬頻OBS的部署時(shí)間是一到兩年。在此期間，它們會(huì)自主運(yùn)行：利用海底的電池組的電力，將其數(shù)據(jù)記錄到存儲(chǔ)設(shè)備上。在部署結(jié)束時(shí)，聲學(xué)應(yīng)答器會(huì)提示 OBS返回到地面，在那里恢復(fù)并重新配置以用于新的部署。這種方法的一個(gè)好處是，多個(gè)研究小組可以利用相同的儀器來(lái)研究不同的海底環(huán)境。

然而，臨時(shí)運(yùn)行的框架限制了OBS應(yīng)用于永久性地面地震網(wǎng)絡(luò)的可能。在部署期間，全球范圍內(nèi)僅會(huì)發(fā)生少量大型（7.0級(jí)以上）地震，典型的OBS陣列包含的儀器則少于30個(gè)。較小且更頻繁的地震產(chǎn)生的波傳播的距離較短，因此OBS陣列可以獲得的穿越地球深處的地震波路徑的數(shù)量很少。此外，由于數(shù)據(jù)在實(shí)驗(yàn)期間只能存儲(chǔ)在海底，因此臨時(shí)OBS無(wú)法整合到可以提供地震和海嘯預(yù)警的實(shí)時(shí)系統(tǒng)中。

在過(guò)去的二十年中，我們?cè)陂_(kāi)發(fā)解決這些難題的替代傳感網(wǎng)絡(luò)方面已經(jīng)進(jìn)行了大量工作。最成功的方法之一是建立有線觀測(cè)臺(tái)。安裝在海底的地震儀通過(guò)專用電纜連接到陸地，該電纜為地震儀提供充足的功率并將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸回操作員。然而，安裝和維護(hù)這種觀測(cè)站的高昂費(fèi)用使它們難以獲得全球規(guī)模的應(yīng)用。

光纖測(cè)震為監(jiān)測(cè)海底環(huán)境提供了一個(gè)完全不同的方法。單個(gè)DAS解調(diào)儀單元連接到其著陸站的海底光纖電纜上，激光脈沖用數(shù)千個(gè)有效傳感器照亮光纖，實(shí)時(shí)記錄海底的振動(dòng)。由于儀器本身位于陸地上，因此部署持續(xù)時(shí)間不受限制，并且數(shù)據(jù)遙測(cè)以光速進(jìn)行。這兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)都使DAS能夠集成到地震和海嘯預(yù)警系統(tǒng)中。雖然DAS系統(tǒng)的采集范圍目前僅限于距離解調(diào)儀不超過(guò)100公里的信號(hào)區(qū)間，但其他正在開(kāi)發(fā)的光纖測(cè)震方法，如基于偏振的傳感，可以跨越整個(gè)海洋盆地中數(shù)千公里的距離。

海底DAS測(cè)量的分布式性質(zhì)導(dǎo)致了地震數(shù)據(jù)處理的新方法的誕生。傳統(tǒng)的OBS網(wǎng)絡(luò)很稀疏，車(chē)站的間距通常超過(guò)10公里。這些網(wǎng)絡(luò)使用多組分儀器（即三個(gè)正交定向的地震儀和一個(gè)壓力表）來(lái)區(qū)分海洋信號(hào)和地球固體物質(zhì)信號(hào)，并推斷地震波場(chǎng)的性質(zhì)。而DAS網(wǎng)絡(luò)十分密集（1～10米信道間距），但它們只記錄每個(gè)傳感位置的海底運(yùn)動(dòng)的單個(gè)測(cè)量值。因此，DAS網(wǎng)絡(luò)本質(zhì)上是和空間環(huán)境保持一致的。它們呈現(xiàn)的數(shù)據(jù)非常適合通過(guò)基于圖像的算法進(jìn)行分析，這些算法可以消除數(shù)據(jù)中的噪聲、分離波場(chǎng)分量并自動(dòng)執(zhí)行地震檢測(cè)。

架起地震學(xué)和海洋學(xué)之間的橋梁

在過(guò)去的四年中，從比利時(shí)北海的風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)到加利福尼亞近海的蒙特雷峽谷，地震學(xué)家在不同地點(diǎn)構(gòu)建了海底DAS陣列。這些實(shí)驗(yàn)探測(cè)到的地震包括了各個(gè)震級(jí)，從震源距離大約90公里的1.9級(jí)地震到超過(guò)16 000公里的8.2級(jí)地震。他們利用散射波確定了以前未被識(shí)別的海上斷裂帶，并通過(guò)斷層掃描繪制了淺層地殼的速度結(jié)構(gòu)。

最有趣的發(fā)現(xiàn)與海底無(wú)關(guān)，而與海洋有關(guān)。波浪和潮汐產(chǎn)生的壓力擾動(dòng)和熱強(qiáng)迫會(huì)使海底的光纖電纜變形。DAS可以將它們記錄下來(lái)。自20世紀(jì)30年代以來(lái)，地震學(xué)家已經(jīng)知道，海浪是地球平靜時(shí)聲音的主要來(lái)源，我們稱其為環(huán)境地震噪聲或微震。但是，其生成機(jī)制仍然是一個(gè)爭(zhēng)議頗多的話題，主要原因是我們?nèi)狈?shí)地的觀察。在2019年發(fā)表的三項(xiàng)獨(dú)立的研究中，實(shí)驗(yàn)人員都用海底DAS觀測(cè)到了海洋中的表面重力波，并證明了海浪與同一陣列上記錄的環(huán)境地震噪聲之間存在明顯的聯(lián)系。

迄今報(bào)告的其他海洋學(xué)觀測(cè)包括：來(lái)自遙遠(yuǎn)風(fēng)暴的海浪；涌潮和內(nèi)波斷裂；波與流的相互作用（DAS可以測(cè)量洋流）；來(lái)自船舶交通、遠(yuǎn)處地震和海洋哺乳動(dòng)物的聲信號(hào)。識(shí)別和分離這些不同的信號(hào)，在傳統(tǒng)的OBS網(wǎng)絡(luò)上通常無(wú)法做到，而海底DAS陣列由于其密集和分布式特性可以完成這些任務(wù)。

雖然光纖測(cè)震仍然是一個(gè)新興領(lǐng)域，但這些早期實(shí)驗(yàn)的成功使得地球物理學(xué)界離實(shí)現(xiàn)跨洋的永久性地震遙測(cè)和海洋學(xué)監(jiān)測(cè)更近了一步。

資料來(lái)源 Physics Today