基于分布式聲波傳感陣列的地震動事件定位可行性研究

劉威，朱鴻鵠,2,3，張漢羽，王濤,3，于大勇，李杰，施斌

(1. 南京大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京，210023；2. 南京大學(xué)(蘇州) 高新技術(shù)研究院，江蘇 蘇州，215123；3. 南京大學(xué) 大地探測與感知研究院，江蘇 南京，210023；4. 中國科學(xué)院 深海科學(xué)與工程研究所，海南 三亞，572000)

密集地震臺陣監(jiān)測技術(shù)因其記錄的資料豐富、信噪比高，在地震震源定位、近地表結(jié)構(gòu)成像及地球深部結(jié)構(gòu)探測等領(lǐng)域扮演著重要角色[1-3]。但由于密集地震臺陣的部署和維護成本很高，因此，該技術(shù)通常只用于短期探測。近年來，蓬勃發(fā)展的分布式光纖聲波傳感(distributed acoustic sensing，DAS)技術(shù)為長時間、高密度的地震監(jiān)測提供了新的技術(shù)方法。該技術(shù)以傳感光纜為探測元件，通過解調(diào)沿光纜背向傳播的瑞利散射光，實現(xiàn)光纜沿線動態(tài)應(yīng)變(震動、聲波)的長距離、分布式、實時定量監(jiān)測[4]。與傳統(tǒng)的節(jié)點式地震儀相比，傳感光纜價格低廉、體積小、后期維護成本低，并且具有極強的環(huán)境適應(yīng)性(如抗電磁干擾、耐腐蝕、防水等)[5-7]，因此，可以部署于海底[8-9]、冰川[10-11]等傳統(tǒng)地震儀無法大規(guī)模布設(shè)的惡劣場景中。此外，DAS 還具有長距離、密集空間采樣的優(yōu)勢，即它能將1根數(shù)十公里的光纜變成一連串以一定間距排列的“地震儀”，其空間分辨率可根據(jù)需要在數(shù)米至數(shù)十厘米之間調(diào)整。DAS 自20 世紀(jì)90 年代問世以來廣受關(guān)注，并在VSP 采集、天然地震觀測、近地表結(jié)構(gòu)探測等領(lǐng)域得到成功應(yīng)用[12-15]。若將地震儀替換為DAS 陣列，則可以捕獲更加豐富的波場記錄。然而，DAS 和傳統(tǒng)地震儀在測量參數(shù)、響應(yīng)頻帶、儀器敏感度、方向敏感性等方面存在著較大差異，一些傳統(tǒng)的地震數(shù)據(jù)處理方法難以直接用于處理DAS 數(shù)據(jù)。這成為DAS應(yīng)用于地球物理探測的一個巨大障礙。

作為一種地震數(shù)據(jù)處理技術(shù)，頻率-波數(shù)分析(F-K 分析)通過對各地震儀記錄的震動數(shù)據(jù)進行聚束(beam forming)處理，能準(zhǔn)確、快速地獲得震動波的背方位角和慢度，進而較準(zhǔn)確地判斷出地震動事件所處的方位。這種數(shù)據(jù)處理技術(shù)為DAS 應(yīng)用于地震動事件定位提供了可能。近年來，基于DAS 的震動事件定位研究逐漸受到研究者的關(guān)注[16-17]。LIANG 等[16]利用開展的小型模型試驗，成功定位多個具有相同頻率的窄帶信號源，展示出DAS 震動事件定位的能力，但由于其試驗的尺度較小，工況較為簡單，因此，定位的效果還需在復(fù)雜的工況下通過大型現(xiàn)場試驗來進一步驗證。本文基于在云南省賓川縣開展的DAS 現(xiàn)場試驗，探究頻率-波數(shù)分析技術(shù)應(yīng)用于DAS陣列數(shù)據(jù)處理的可行性，通過對比DAS 陣列和附近檢波器陣列的聚束結(jié)果，驗證DAS F-K 分析技術(shù)的應(yīng)用可行性，并提出減小聚束定位誤差的幾種思路。

1 基本原理及方法

1.1 DAS原理

DAS 是一種利用相干瑞利散射光的相位信息測量應(yīng)變率(應(yīng)變)的技術(shù)，它由解調(diào)儀和傳感光纖2部分組成。解調(diào)儀不斷地向連接的光纖發(fā)射激光脈沖，由于光纖內(nèi)部存在不均勻的散射體，部分入射的脈沖光會發(fā)生散射。其中，沿光纖背向傳播的瑞利散射光是DAS 測量的基礎(chǔ)。當(dāng)光纖某個位置受外界擾動而產(chǎn)生應(yīng)變時，該處光纖的折射率會發(fā)生改變，導(dǎo)致背向瑞利散射光的相位也會發(fā)生改變。解調(diào)儀通過分析光纖各個位置背向瑞利散射光的相位信息，得到應(yīng)變率(應(yīng)變)信息，其傳感原理如圖1所示。

圖1 DAS技術(shù)的傳感原理圖Fig. 1 Basic principle of DAS

1.2 F-K分析技術(shù)原理

F-K分析是一種地震陣列處理技術(shù)，常被用于估算地震波入射陣列的方向(背方位角)[18-19]。由于各監(jiān)測臺站的空間位置不一(圖2(a))，因此，當(dāng)?shù)卣鸩ǖ竭_陣列時，各監(jiān)測臺站記錄的地震波到達時間會不同，即波形記錄之間存在時移(圖2(b))。這種時移與地震波在臺站下方傳播的慢度矢量(速度矢量的倒數(shù))和臺站間的位移矢量密切相關(guān)。F-K分析技術(shù)通過設(shè)定不同的地震波入射方向及傳播速度，利用已知的臺站空間間距計算時移，然后，對各監(jiān)測臺站的波形記錄進行時移疊加(圖2(c))，最后，基于疊加后的能量估算地震波入射陣列的方向和在陣列中的傳播速度。

圖2 F-K分析原理圖Fig. 2 Basic principle of F-K analysis

假定陣列幾何中心的臺站為參考臺站，其記錄的地震信號為s(t)，則陣列中第i個臺站記錄的地震信號xi(t)可以表示為

式中：ri為連接參考臺陣到第i個臺站的位移矢量；u0為地震波的水平慢度矢量。

若已知地震波的入射方向及傳播速度，則基于式(1)可對陣列中的N個臺站記錄進行時移疊加，其疊加結(jié)果b(t)可以表示為

由式(2)可知，疊加結(jié)果與慢度矢量和臺站間的位移矢量有關(guān)。當(dāng)?shù)卣鸩ǖ娜肷浞较蚝蛡鞑ニ俣仍浇咏鎸嵵禃r，其疊加的能量越強，聚束的效果越好。雖然地震波的入射方向和傳播速度是未知量，但是可以假定入射角和傳播速度的大致區(qū)間，即假定不同的地震波慢度矢量，通過計算疊加能量，搜索最佳的入射角和傳播速度組合，該組合即為F-K分析的最終結(jié)果。其中，聚束能量E可用式(3)來計算：

式中：S(ω)為地震信號s(t)的傅里葉變換式；k0為真實地震波的波數(shù)矢量；k為假定的波數(shù)矢量；u0為真實地震波的慢度矢量；u為假定的慢度矢量。

1.3 地震動事件定位方法

地震動事件定位主要基于DAS 和F-K 分析技術(shù)。對于F-K分析而言，陣列的孔徑、臺站的數(shù)目和臺站的間距均會影響聚束的效果。一般而言，陣列孔徑越大、臺陣數(shù)目越多、臺站間的距離越小，則聚束的分辨率越高、旁瓣數(shù)越少[18,20]。DAS技術(shù)具備的探測優(yōu)勢(如測量范圍廣、空間采樣密度高等)能很好地提高聚束的分辨率，將DAS技術(shù)與F-K分析技術(shù)相結(jié)合能更準(zhǔn)確地對地震動事件進行定位。

地震動事件定位的基本流程如圖3所示。首先，從DAS記錄中拾取待分析的波形記錄；其次，對波形記錄進行預(yù)處理操作，過濾掉部分噪聲記錄；然后，進行F-K分析，根據(jù)聚束的能量可以大致判斷出地震波的入射方向；最后，基于多個不同位置DAS陣列的聚束結(jié)果，對地震動事件進行定位。

圖3 地震動事件定位的流程圖Fig. 3 Flow chart for locating seismic events

2 現(xiàn)場試驗

2.1 場地概況

本試驗場地位于云南省大理州賓川縣東部郊外區(qū)域(圖4)，地理位置為100°35′E，26°00′N，海拔約1 600 m，屬于高原季風(fēng)氣候區(qū)，干濕季明顯。該區(qū)域位于滇中高原與橫斷山脈的交接地區(qū)，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜。該區(qū)域總體地貌類型為山高谷深，地形起伏變化大，侵蝕切割強烈。地勢呈現(xiàn)為東西高，中部低，南部地勢略高于北部，山區(qū)面積占比約為85%。其中，山區(qū)出露的地層為碎屑巖，巖性為砂巖夾泥巖、砂巖、泥巖互層，平原區(qū)出露的地層為第四系殘坡積或沖洪積層內(nèi)的堆積土[21-22]。

圖4 試驗場地概況圖Fig. 4 Sketch of the test site

2.2 場地布設(shè)

本試驗選擇地勢較為平坦的區(qū)域作為測試場地。沿著北東—南西向開挖長約600 m、寬約15 cm、深約30 cm 的溝槽。將通訊光纜埋置于溝槽底部，并用細砂混合泥土進行回填。通訊光纜的基本技術(shù)指標(biāo)及結(jié)構(gòu)如表1所示。由前人的研究可知，光纜與周邊巖土體的耦合效果會極大地影響記錄數(shù)據(jù)的質(zhì)量[23-25]。在本試驗中，為了保證通訊光纜與周邊土體之間具有較好的耦合效果，在回填時對土體進行了充分壓實。為了驗證DAS 監(jiān)測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，在光纜埋設(shè)位置附近還布設(shè)了數(shù)臺地震檢波器。DAS 解調(diào)儀與檢波器的基本技術(shù)指標(biāo)如表2所示。

表1 光纜的基本技術(shù)指標(biāo)及結(jié)構(gòu)Table 1 Basic parameters and structure of optical cable

表2 DAS解調(diào)儀與檢波器的基本技術(shù)指標(biāo)Table 2 Basic parameters of DAS units and geophones

2.3 地震動事件模擬及數(shù)據(jù)采集

近年來，大容量氣槍震源的發(fā)展引起了研究者的廣泛關(guān)注[26-27]。與人工震源(炸藥、落錘等)相比，氣槍震源具有能量大、頻率低、可重復(fù)性高、近/源場破壞小等優(yōu)點，是一種理想的綠色環(huán)保震源[28-29]。一些科研人員利用氣槍震源對地下介質(zhì)的波速變化展開了研究[30-31]。本文利用氣槍震源在測試場地進行了震動激發(fā)試驗。氣槍的激發(fā)位置及如圖4(c)所示，氣槍的沉放深度為10 m，激發(fā)的壓力穩(wěn)定在7.5 MPa。為了捕捉完整的震動信號，DAS 及檢波器均設(shè)為連續(xù)記錄模式。DAS 上每個傳感通道的空間位置已通過事先的敲擊試驗獲知。

3 試驗結(jié)果分析與討論

3.1 試驗結(jié)果

圖5 所示為氣槍震源激發(fā)前后DAS 陣列及檢波器陣列的記錄。從圖5可見：DAS陣列和檢波器陣列均能清晰地記錄氣槍震源激發(fā)的地震波信號(縱波到時、傳播速度以及面波信號等)。與檢波器記錄的信號相比，單道DAS 記錄的信號信噪比較低。特別是在靠近氣槍震源的部分傳感通道，由于該處光纜與周邊土體的耦合質(zhì)量不佳，導(dǎo)致震動信號無法較清晰地被DAS捕獲。

圖5 DAS和檢波器陣列的波形記錄Fig. 5 Waveform recording of DAS and geophone array

為了進一步驗證DAS 記錄數(shù)據(jù)的可靠性，對比了單道DAS 與周邊檢波器的波形記錄。因為兩者記錄的參數(shù)不同(應(yīng)變率與速度)，為方便比較，將振幅信息進行了歸一化處理。同時，為了展現(xiàn)信號的頻率特征，對兩者數(shù)據(jù)進行了時頻分析，結(jié)果如圖6(a)和圖6(b)所示。從圖6(a)和圖6(b)可見：兩者記錄的頻率信息較為一致，且縱波的到時也具有一致性，略微不同的是DAS 記錄的主頻(1～80 Hz)要比檢波器記錄的主頻(1～60 Hz)寬，且DAS對尾波的響應(yīng)敏感性不如檢波器。圖6(c)和圖6(d)所示為經(jīng)過濾波處理(濾波頻帶1～20 Hz)后的波形記錄。從圖6(c)和圖6(d)可見：DAS記錄與檢波器記錄在相位上具有較好的一致性，兩者的互相關(guān)系數(shù)為0.82，說明DAS 能較準(zhǔn)確地記錄震動波的相位信息。

圖6 DAS與鄰近檢波器數(shù)據(jù)記錄的對比Fig. 6 Comparison of recorded data between DAS and nearby geophone

為了定位地震動事件，選取18:02:44至18:02:45的波形記錄，基于圖3所示的處理流程分別對DAS及檢波器陣列進行分析。F-K分析的參數(shù)設(shè)定如表3所示。在給定慢度和背方位角的搜索范圍下，不斷地對慢度和背方位角進行網(wǎng)格搜索，基于式(3)計算不同慢度和背方位角組合下的聚束能量。DAS 陣列和檢波器陣列聚束后的結(jié)果如圖7 所示，圖7 中，圓心位置表示傳感陣列幾何中心的位置，徑向刻度為慢度，五角星表示真實的地震動事件所在方向。由圖7可見：DAS陣列聚束得到的背方位角為88°，真實的背方位角為90.37°，聚束誤差為2.37°；檢波器陣列聚束得到的背方位角為82°，真實背方位角為85.46°，聚束誤差為3.46°。

表3 F-K分析的參數(shù)設(shè)定Table 3 Parameter settings of F-K analysis

圖7 DAS陣列和檢波器陣列F-K分析結(jié)果Fig. 7 F-K analysis results of DAS array and geophone array

3.2 分析與討論

上述結(jié)果表明，無論是DAS 陣列還是檢波器陣列，均可以通過F-K分析技術(shù)判斷地震動事件的大致方向。相較于檢波器陣列，DAS 陣列聚束的誤差更小，這是因為DAS 陣列能在空間上密集采樣，捕獲更豐富的地震波場信息。盡管DAS 單道記錄的信噪比要比檢波器記錄的低，但由于DAS具備密集空間采樣的優(yōu)勢，因此，可以通過疊加多道鄰近的DAS記錄來提升數(shù)據(jù)的質(zhì)量。

雖然DAS 陣列采集了豐富的地震數(shù)據(jù)，但其聚束的結(jié)果與真實情況相比還存在一定偏差，其偏差可能來源于以下幾個方面。

1) 纜-土耦合效果。光纜與周邊巖土體之間的耦合性一直被視為影響DAS 數(shù)據(jù)質(zhì)量的關(guān)鍵因素之一。當(dāng)光纜與周邊介質(zhì)之間耦合較差時，光纜無法準(zhǔn)確地捕獲介質(zhì)震動信息，進而對數(shù)據(jù)分析造成影響[32-34]。本試驗中，盡管事先已經(jīng)通過壓實回填土來增強光纜與周邊土體的耦合效果，但由于光纜的鋪設(shè)距離較長(約600 m)，部分光纜沒有能很好地與周邊巖土體耦合，其記錄數(shù)據(jù)的信噪比明顯低于其他的傳感通道記錄的數(shù)據(jù)的信噪比。這些低信噪比的數(shù)據(jù)對F-K 分析產(chǎn)生了一定影響，使得聚束出現(xiàn)了一定誤差；此外，本試驗所選用的光纜為松套結(jié)構(gòu)的通訊光纜，盡管松套結(jié)構(gòu)的光纜能降低信號在傳輸過程中的光損，但也極大地影響了應(yīng)變之間的傳遞，使得DAS 無法準(zhǔn)確地捕獲周邊巖土體的震動信息，這也是影響聚束效果的因素之一。

2) 陣列幾何形狀。聚束的分辨能力與陣列的幾何形狀密切相關(guān)。一般而言，陣列中需要存在相交的線性陣列才能較準(zhǔn)確地約束地震波的入射方向(如“L”型)。當(dāng)僅有1 組線性的陣列時，陣列對平行于陣列方向傳播的地震波約束較好，而對于其他方向入射的地震波，由于僅有單一方向的波形記錄，陣列的聚束效果較差，旁瓣數(shù)較多。在本試驗中，DAS 陣列及檢波器陣列均為近北東—南西向的布設(shè)，因此，在進行F-K分析時，對于垂直于陣列方向的約束較弱。從圖7可見，平行于陣列方向的分辨率要遠遠高于垂直于陣列方向的分辨率。陣列布設(shè)的單向性使得F-K分析的方向分辨率偏低，導(dǎo)致最終聚束的結(jié)果出現(xiàn)誤差。

3) 方向敏感性。方向敏感性是DAS 對不同方向入射地震波的一種響應(yīng)特性。與傳統(tǒng)的擺式地震儀不同，DAS 只對沿光纖軸向方向傳播的縱波以及與光纖成45°夾角的橫波高度敏感，但對其他方向入射的地震波敏感性微弱[35]。因此，當(dāng)用DAS 采集震動數(shù)據(jù)時，對于部分方向入射的地震波，其波場信息可能會在DAS 記錄中缺失，這對聚束定位的結(jié)果會產(chǎn)生較大的影響。在本試驗中，由于光纜各個位置的布設(shè)方向存在差異(圖4(c))，因此，各個傳感通道對入射地震波的敏感性也會不一致。部分傳感通道記錄的震動數(shù)據(jù)會受到方向敏感性的干擾，當(dāng)進行F-K分析時，這些受干擾的數(shù)據(jù)會影響聚束定位的分辨率，使得最終聚束的結(jié)果出現(xiàn)偏差。

基于上述分析，可采用以下3種方法來減小聚束的誤差，提升定位的精度。

1) 在纜-土耦合效果方面，由前人的研究可知，光纜的種類、結(jié)構(gòu)、錨固方式、土體圍壓、土體含水率等會影響纜-土之間的耦合效果[23,32,36-37]。因此，為了增強纜-土耦合效果，可以從以下幾個方面入手：一是選用特殊設(shè)計的光纜進行探測。由于DAS 的工作環(huán)境復(fù)雜，為了適應(yīng)不同的工況、延長光纜的使用壽命，所用的一般是松套結(jié)構(gòu)的光纜，但這種光纜會影響應(yīng)變之間的傳遞效率。為了提升應(yīng)變之間的傳遞效率，可以在光纜內(nèi)部填充油膏，這樣既能提升應(yīng)變之間的傳遞效率，又能夠防止水蒸氣進入纖芯，損害光纜。二是可以在光纜上以一定間距增設(shè)錨固點(如布設(shè)十字錨、錨板等)，以擴大光纜與周邊巖土體的接觸面積。三是在回填時選用優(yōu)質(zhì)的回填料，使光纜與回填料之間充分接觸，并且通過壓實回填料進一步增強纜-土之間的耦合效果。

2) 在布設(shè)DAS 陣列方面，應(yīng)盡量避免布設(shè)線性光纜，應(yīng)當(dāng)在多個方向布設(shè)光纜來提升聚束的分辨能力。單點式的檢波器布設(shè)簡單、方便，陣列的布設(shè)形態(tài)可靈活多變(如小刀形、棋盤形、環(huán)形等)，而分布式的光纜布設(shè)較為復(fù)雜。布設(shè)光纜既要考慮陣列對地震波的響應(yīng)能力，又要考慮施工的難度及布設(shè)的成本，其幾何形態(tài)不能過于復(fù)雜?；谏鲜龇治?，列舉了3 種光纜的布設(shè)形態(tài)，具體如圖8 所示。從圖8 可以看到：這3 種陣列的幾何形狀均較為簡單，能降低光纜布設(shè)的難度，且各陣列至少在3個方向上具有傳感通道，能對地震波的入射方向進行約束。

圖8 具有較好方向分辨率的光纜布設(shè)形態(tài)Fig. 8 Layout shapes of fiber optical cables with good directional resolution

3) 在光纜的方向敏感性方面，近年來不少研究者提出對光纜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行設(shè)計(如將光纜螺旋纏繞)來滿足多方向測量的需求[38-39]。雖然這種多分量傳感技術(shù)還處于發(fā)展階段，但其應(yīng)用的可行性已得到初步驗證。未來可以將這種螺旋纏繞光纜應(yīng)用于DAS陣列中，提高聚束的分辨能力。

4 結(jié)論

1) DAS 陣列以及檢波器陣列均能很好地捕獲地震波場信息。盡管單道DAS記錄受到纜-土耦合等多方面因素的影響，其數(shù)據(jù)質(zhì)量不如檢波器記錄，但由于DAS 能在空間上密集采樣，因此，可以疊加多道鄰近的DAS 記錄來提升數(shù)據(jù)質(zhì)量。此外，DAS 陣列捕獲的地震波場信息較檢波器陣列而言更為豐富，其F-K分析產(chǎn)生的誤差也更小。

2) 纜-土之間的耦合效果和陣列的幾何布設(shè)形態(tài)是導(dǎo)致本試驗聚束產(chǎn)生偏差的重要因素，光纖的方向敏感性也對聚束偏差有一定影響。

3) 使用特殊設(shè)計的光纜來提升應(yīng)變的傳遞效率、使用錨固點來增強纜-土之間耦合效果、改變DAS 陣列的幾何形態(tài)來捕獲多方向的震動信息等措施可減小聚束偏差。

4) 需要指出的是，單個DAS 陣列捕獲的波形記錄只能大致判斷出地震動事件所在的方向，如要定位地震動事件，還需結(jié)合其他DAS 陣列的波形記錄，通過進行F-K分析獲得多組方向信息，進而判斷出地震動事件的平面位置。