DAS:感知中的地震位移

在冰岛西南部的雷克雅内斯半岛，一条15公里长的光缆通常被用来从一个地方向另一个地方发送数据，就像世界上其他任何一根光纤一样，这用于两个地热发电厂之间传输数据。但是在2015年，位于波茨坦的GFZ德国地球科学研究中心的研究人员们惊讶地发现，他们可以利用光线的不同端来探测地震的地震波，从而绘制包括地质断层在内的地下特征。其原理是，当任何声波或地震波穿过光纤所附着的地面时，都会轻微地拉伸和压缩光纤。

研究人员们的发现归功于一种被称为分布式声传感(DAS)的技术。这涉及到测量激光脉冲相位的微小变化，这些激光脉冲从光纤的多个点反射而来，揭示在这些点上光纤被通过的声波或地震波拉伸或压缩了多少。通过分析沿一公里长的光纤上数千或数万个点反射的脉冲，DAS可以提供常规地震仪无法以任何合理的成本获得的丰富信息。

目前，已经从其他地震带特别是美国的加利福尼亚州获得了与冰岛类似的结果。关于地震位置的可靠数据，以及关于附近断层的信息，实际上已经可以从陆地和海底的光纤中收集。由于全世界至少有100万公里的光缆部署，许多研究人员看到了一个新的全球光地震仪网络的潜力，它可以将地震监测扩大到最偏远的地区。

但DAS绝非只会一招。该技术之前由化石燃料行业开发，用于监测钻孔和油气沉积的图像，目前正在研究其他一系列应用，通过从地面振动中提取信息，可实现边境监测到交通监测。它甚至可以通过揭示冰川如何平稳或以其他方式移动来完善人类对全球变暖影响的认知。 研究人员表示。“考虑到光纤线路部署的广泛程度，这项技术可能有很多应用。这对社会及研究都有巨大的益处。”

相移

分布式传感技术包含了许多技术，这些技术旨在用一个长连续传感器取代单个、离散的测量设备。每一种技术都需要将光纤的一端连接到一个被称为解调器的设备上，该设备会发出连续的激光脉冲序列，然后记录下每一个脉冲沿着光纤散射到多个点时产生的微弱反射。

所谓的分布式温度传感(DTS)包括测量拉曼散射激光脉冲的频率，以测量沿光纤的温度变化。除其他外，这项技术已被用于探测管道泄漏导致的地面冷却或监测井眼中的流体流动。

DAS涉及到更难测量的阶段变化。它依赖于在标准光纤中自然出现的结构缺陷对脉冲的瑞利散射。其原理是，当任何声波或地震波穿过光纤所附着的地面时，都会轻微地拉伸和压缩光纤，每个散射点的光脉冲相位对应于光纤长度的变化。因此，每个点就像一个微型麦克风或地震仪，通过测量反射光完成其往返行程所需的时间来确定其沿光纤的距离。脉冲频率在千赫兹范围内，传感器之间的间隔只有一米，该技术提供了沿光纤在空间和时间上随应力变化的非常细致的记录。

DAS解调器大约在20年前首次出现在市场上，通过探测附近可疑的震动来保护灵敏的基础设施。石油和天然气管道的所有者是最大的买家之一，DAS供应商OptaSense已经测量了超过2.5万公里的管道，包括横跨土耳其的1850公里的横贯安纳托利亚天然气管道。

然而，自2010年以来，由于光电信息技术的进步，DAS的市场已经扩大，使得一段光纤不仅仅是一个干扰检测器，而是一个复杂的应变传感器。OptaSense的研究人员特别指出，能源公司一直在大力推动在井眼中利用该技术。虽然单个传感器的灵敏度低于传统的检波器，但DAS可以提供更密集的采样，更坚固，也更容易安装。

为了改善耦合效果，光纤可以被密封在套管中或与井筒的金属套管相连，光纤可以测量流体流动引起的应变信号，以监测流体的注入或去除如何改变地下地质状况。另外，传感器还可以通过记录地震勘探的回声来绘制地下资源图，这些地震勘探是使用大型车载振动器或其他主动震源进行的。

聚焦地震

DAS最大的吸引力之一是它可以用现有的商业光纤进行。因为在铺设新电缆时挖沟的成本很高，电信公司倾向于部署比所需更多的光纤。这就留下了大量未使用的“暗光纤”，这些光纤有可能被购买或租用来创建分布式传感网络。

在冰岛，德国的研究人员们最初并不确定那里已经存在的光纤是否能够满足他们的需求。首先，他们不知道它是否能检测到高于背景噪声的亚赫兹频率的地震活动(考虑到油气勘探通常依赖于至少5Hz的地震波)。但他们很幸运，发现它们既能识别海浪微震的信号，也能识别远距离大地震的信号。

研究人员还发现，他们可以确定地震特征，如震源位置和断层方向，这需要以上所有三种笛卡尔坐标的信息。考虑到他们依赖的是一根本质上是一维的光纤，这一点在一开始也远非明确。但是，由于电缆沿其路线的一两次方向的变化，他们发现，可以在相当密集的本地地震仪阵列所识别的位置的几百米范围内定位到一个小的局部震动。

2016年，美国科学家也取得了类似的成功，尽管他们使用的是特殊铺设的光纤。加州劳伦斯伯克利国家实验室的研究人员们安装了两个DAS传感器阵列，一个200米长l形的在里士满的路上，另一个更广泛的包含4公里光纤的电网在阿拉斯加州的费尔班克斯。使用后一种方法，他们发现可以探测到150公里外的3.8级地震，就像将地震仪放置在阵列附近一样。

更重要的是，参与同一研究的其他科学家也能够利用放置在塑料电信管道中的光纤来探测地震。当时在美国加州斯坦福大学的研究人员在校园里使用2.5公里长的8字阵列进行了观察。由于光纤和土壤之间缺乏直接的耦合，他们原本预计装置只会产生噪音，但最终，他们检测到了一些小规模的局部地震，以及大约2000公里外的俄克拉何马州发生的5.8级地震。

Ajo-Franklin的团队继续在加州萨克拉门托郊区使用27公里长的现有暗光纤，记录当地和偏远地区的地震，并利用附近铁路的环境噪音来绘制当地的地下水位。研究小组随后将注意力转向海洋，发现在加州蒙特雷湾(Monterey Bay)海底传输数据的20公里长的电缆段可以探测到当地3.4级的地震。

故障查找和其他危险

这些结果提出了建立覆盖陆地和海洋的密集地震监测网的前景，对于后者尤其重要，因为常规地震仪的覆盖范围是不完整的，安装新仪器的费用也是最贵的。这种网络的一个潜在用途是作为地震预警系统。这种系统所依赖的事实是：在离震中一定距离的地方，初级纵波(P波)比次级横波(S波)和滚动表面波(通常更具破坏性)提前几秒到达。

然而，Ajo-Franklin警告说，由于标准光纤测量拉伸拉力，它们对直接从下面到达的P波的敏感性较低。(使用这些技术可以更容易地检测S波和面波。)此外，他补充说，如果与地面的耦合不确定，那么DAS将很难估计地震的强度。

DAS有助于减少大地震带来的威胁的地方是其对地震危害的基础研究。拥有更密集的探测器阵列可以提高科学家对断层破裂前内部发生的过程以及帮助或阻碍地震波传播的机制的理解。 研究人员们在冰岛的雷克雅内斯半岛发现了一个可能隐藏的断层，他们证明了地震波在穿越一个已知的断层带时来回反弹，并且速度变慢，这已经在其他地方也才出现了类似的现象。 再往上60米。同样地，Ajo-Franklin的研究小组发现，海底电缆记录的地震波在穿越蒙特里湾下方的断层带时减慢了速度，在穿过未绘制的断层带时也是如此，这再次表明了以前未知的断层的存在。

研究人员认为，这些发现可能对旧金山、东京或墨西哥城等地震易发地区拥有密集光纤网络的大城市尤其有效。如果来自交通和其他来源的噪音可以被过滤掉，也许在机器学习的帮助下，地震数据可以帮助识别未知的断层和更好地跟踪断层内部的应力积累。他补充说，这些数据还可能揭示沉积物和其他放大地面运动的地质特征。

除了地震，科学家们也开始使用DAS研究其他自然灾害。在意大利西西里岛的埃特纳火山附近安装了超过1公里的光纤后，包括意大利国家地球物理和火山研究所的研究人员显示，他们可以记录下包括爆炸在内的一系列火山现象相关的应变变化。他们还发现地震波在已知和推测的火山断层带中减慢。

与此同时，日本的研究人员已经证明，DAS可以用来监测其他方面难以观测的海底火山。日本海洋地球科学技术机构的研究人员们测量了海底50公里长的光纤所产生的信号，这些信号是由安装在船上的气枪发出的。他们发现，这些传感器可以做出宽带的、连贯的测量，这是记录水下喷发所需要的。

苏黎世联邦理工学院团队成员在Rhône冰川铺设了光纤进行DAS测量。2020年夏天，研究人员沿着整个冰川铺设了一条9公里长的电缆。他们认为，随着冰雪覆盖的大部分消失，他们可以更好地结合光纤和冰。事实上，他们测量到的信号比冬天的信号更嘈杂。研究人员们正在试图找出原因，同时也在试图找出在电缆上下移动的异常的“非常丰富的”低频信号的来源。

DAS的另一个受欢迎的领域是对冰川的研究。瑞士的一个小组利用这种技术来测量“冰震”，也发现了岩崩。与此同时，英国的研究人员在一系列钻孔中降下电缆，以测量格陵兰岛一座冰川的地震特性。随着其他团队在南极和阿拉斯加部署光纤，瑞士的研究人员说：“似乎每个进行新的野外活动来研究冰流的人都在考虑使用DAS。”

丰富的数据

虽然研究人员的最终目标是创建一个全球范围内的光纤传感器网络，但更直接的目标是在区域范围内连接传感器。研究人员表示，将传感器以二维模式分布在相对较宽的区域的光纤阵列可以帮助克服与一维光纤的一些限制，比如更好地识别构造断层的几何形状。

研究人员已经将斯坦福大学最初2.5公里长的8字形阵列扩展为一个30公里的环路，在邻近城市的地下穿行。现在，他热衷于联合分析该网络和加州类似网络记录的数据。他希望在旧金山湾区的另一个城市建立一个阵列，而加州理工学院的科学家们已经在帕萨迪纳运行了一个网络，使用两股深色光纤(37公里和10公里长)在城市的相反方向运行。他解释说，市政府建立这种网络的主要动机是为了监控交通流量。有了用于这一目的的资金，地震监测也可以扩大。这两件事是相辅相成的。

美国加利福尼亚州帕萨迪纳市是该技术的试用地之一，在该市2020年的玫瑰游行期间，加州理工学院的研究人员们使用他们的DAS系统来跟踪花车和行进乐队的通道。与此同时，斯坦福的团队使用帕洛阿尔托地下的电缆监测了同年3月和4月的交通流量，发现在COVID-19行动限制后，交通流量大幅下降，并在通常繁忙的通勤路段记录到交通流量下降了50%。

在其他试验中，NEC的研究人员已经证明，在分离出传感器和电信数据后，使用“照明”光纤来监测交通是可能的。位于新泽西州普林斯顿的NEC美国实验室的研究团队在达拉斯和新泽西用这种光纤记录了汽车的速度，就像使用照相机一样精确。研究团队的负责人Giovanni Milione还是光纤传感协会智慧城市委员会的主席，他预计DAS将成为“智慧城市”不可或缺的一部分，不仅用于监控交通，还用于监测基础设施的健康状况，甚至温度。他说，摄像头将继续发挥作用，但相信光纤的广泛覆盖和节省布线和电力将使其在未来不可或缺。

数学家Douglas Miller曾是Schlumberger和DAS生产商Silixa的顾问。据他说，尚未真正创造出来的是专门建造的DAS装置，在这种装置中，光纤与地面相连接，目的是探测远程地震或相关危险。他认为，只有这样才有可能充分开发这项技术的潜力。他说：“这就像射电望远镜从商用接收器演变为专门建造的天文仪器一样。”

与此同时，也有研究人员认为如果DAS要完全商业化，就必须降低解调器的成本。尽管它们可以附着在越来越长的光纤上，但大约10万美元的价格让它们难以向市政议会等潜在买家出售。尽管如此，研究活动正在增加。据估计现在全球至少有六到七个小组在研究DAS的城市应用。与此同时，随着传感器在诸如监控铁路和在铁路上运行的火车以及边境监控等领域的不断发展，工业应用也在多样化。

Fabian Walter说，无论应用程序如何，DAS使用的增加都会带来一个令人头痛的问题：数据泛滥。他解释说，除了开发人工智能从嘈杂的海洋中筛选出信号外，还有一个基本问题就是如何存储数据。他估计，如果一家公司使用DAS来监测一条10公里长的道路上的岩崩或其他自然灾害，每天将产生高达1Tb的数据。因此，他认为，有必要系统地抛弃数据。但他相信这些问题是可以克服的，因为其他领域的研究人员已经开发出了筛选大量数据的方法。

图：DAS探测地震原理图

图：(左)加州大学伯克利分校的一名研究生正在为DAS实验修剪一根光纤。(右)伯克利团队在美国加州蒙特雷湾进行的一个项目中，用光纤电缆(粉色)进行地震监测揭示了以前未绘制的断层(黄色圆圈)的可能性。