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- 地震學(xué)家將光纜視為地震傳感器的未來
- 來源：賽斯維傳感器網(wǎng) 發(fā)表于 2021/11/16
埋入式光纜中的每根細如發(fā)絲的玻璃纖維都包含微小的內(nèi)部缺陷——這對于正在尋找從繁忙的市中心到偏遠冰川等地收集地震數(shù)據(jù)的新方法的科學(xué)家來說是一件好事。
在Seismological Research Letters 中，加州理工學(xué)院地震學(xué)家 Zhongwen Zhan 描述了人們對這種稱為分布式聲學(xué)傳感的方法及其潛在應(yīng)用日益增長的興趣。他的論文是該期刊 Emerging Topics 系列的一部分，其中作者受 SRL 編輯的邀請，探索正在塑造地震學(xué)和地震科學(xué)各個領(lǐng)域的發(fā)展。
DAS 的工作原理是將長光纖的微小內(nèi)部缺陷用作沿數(shù)十公里光纖電纜的數(shù)千個地震傳感器。一端的儀器沿電纜發(fā)送激光脈沖，并收集和測量每個脈沖從內(nèi)部光纖缺陷反射時的“回聲”。
當(dāng)光纖受到溫度、應(yīng)變或振動變化的干擾時（例如由地震波引起），散射回 DAS 儀器的激光的大小、頻率和相位會發(fā)生變化。地震學(xué)家可以利用這些變化來確定可能推動光纖的地震波的種類，即使只是幾十納米。
詹說，DAS 儀器的靈敏度在過去五年中顯著提高，為其部署開辟了新的可能性�！办`敏度越來越好，以至于幾年前，如果將光纖部分的波形與地震檢波器的波形進行比較，它們看起來非常相似�！�
它們的性能使其適合在各種環(huán)境中使用，尤其是在建立更敏感或更密集的地震網(wǎng)絡(luò)過于昂貴的地方。研究人員還可以利用電信公司和其他公司以前鋪設(shè)的大量未使用或“暗”光纖。詹說，從一根較大的電纜上取下幾股線，就可以滿足地震學(xué)家的需要。
詹說，石油和天然氣行業(yè)一直是新方法的最大推動力之一，因為他們使用電纜在鉆孔中監(jiān)測深水油田以及水力壓裂和廢水注入過程中的流體變化。
DAS 研究人員認為，該方法特別適用于南極洲或月球等惡劣環(huán)境中的地震監(jiān)測。詹解釋說，有了常規(guī)的地震儀網(wǎng)絡(luò)，科學(xué)家們“需要保護網(wǎng)絡(luò)中儀器的每個節(jié)點并為其供電”。“對于 DAS，你鋪設(shè)一根長長的光纖，它相當(dāng)堅固，你所有的敏感儀器都只在光纖的一端。”
“你可以想象，在月球或其他行星上，在高輻射或高溫情況下，電子設(shè)備可能無法在那種環(huán)境中存活那么久，”他補充道。“但纖維可以。”
科學(xué)家們已經(jīng)在使用 DAS 來探測永久凍土和冰川的融化和凍結(jié)循環(huán)，以更好地描述冰流和在基巖上滑動的動態(tài)運動，這可以幫助研究人員更多地了解氣候變化驅(qū)動的冰川融化如何導(dǎo)致海平面上升.
目前，大多數(shù) DAS 系統(tǒng)的范圍是 10 到 20 公里。研究人員希望在不久的將來將其擴展到 100 公里，詹說，這可能有助于海底環(huán)境的地震覆蓋，包括近海俯沖帶。
DAS 也非常適合地震后的快速響應(yīng)，特別是在暗光纖眾多且地震學(xué)家已事先安排使用光纖的地區(qū)。例如，在 2019 年加利福尼亞州南部的里奇克萊斯特地震之后，詹和他的同事迅速采取行動，使用 DAS 監(jiān)測該地區(qū)的余震序列�！拔覀冊谌靸�(nèi)將大約 50 公里的電纜變成了 6,000 多個傳感器，”他說。
詹說，如果地震學(xué)家在識別和請求訪問光纖方面提前做好了工作，那么 DAS 系統(tǒng)可以在地震發(fā)生后的幾個小時內(nèi)部署。
使用光纖的一項挑戰(zhàn)是準(zhǔn)確了解它在地下的位置。使用 DAS 方法，研究人員知道特定傳感器沿光纖鋪設(shè)多遠，但如果光纖電纜盤繞、彎曲或下垂，則計算可能會出錯。為了解決這個問題，地震學(xué)家有時會進行“輕敲測試”——用 GPS 將大錘在電纜上方的地面上的沖擊映射到地圖上，因為這些沖擊會從光纖上產(chǎn)生回響，從而形成一種其曲折的聲納圖像。
與傳統(tǒng)地震傳感器相比，DAS 傳感器還包含更多的“自噪聲”——可能干擾地震識別的背景地震信號，“但坦率地說，我們并不確切知道為什么，”詹說。一些噪聲可能來自詢問激光脈沖（可能不穩(wěn)定）或來自電纜本身。一些電纜在它們的隧道中松散，而另一些電纜有多個光纖連接器，這可能會產(chǎn)生光信號的反射和損失。
“雖然仍處于起步階段，但 DAS 已經(jīng)表明自己是一種有價值的新型地震偵聽工具的工作心臟——或者可能是耳鼓，”詹總結(jié)道。
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