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《科学通报》

开博时间:2019-09-06 16:50:00

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通信光缆,也能监测地震?

2021-11-25 14:45:00

  在云南省宾川县,中国科技大学的研究者利用中国移动铺设的一条通信光缆,记录到了多种震动信号,这些信号来自城市交通、地震背景噪声、人工震源等。在近期发表于《科学通报》的文章中,王宝善教授等介绍了这项研究工作,并探讨了利用城市通信光缆进行地震观测研究的前景。

  地震监测、地下结构探测的常规方法是在地表密集布设地震观测仪器。然而在城市地区,建筑物密集、人类活动频繁,这样的布置非常困难。

  是否有其他的地震观测方法呢?有的,比如基于光纤的分布式声波传感(distributed acoustic sensing,DAS)技术,它可以测量光纤中后向散射光的相位变化,从而记录地震波场。而城市中遍布的通信光缆,为在城市地区开展低成本地震观测和结构探测提供了可能。

  为了验证这一设想的可行性,中国科技大学王宝善研究团队利用中国移动宾川县分公司提供的铺设于宾川县城金牛路和太和路边的一条通信光缆中的一根备用光纤开展实验。这条光缆全长约5.2千米,穿过预埋于地下(~30厘米)的穿线管,并每隔一段距离(~200米)经过一个检修口。


  (a) 通信光缆分布(红色和蓝色粗线),黄色数字表示道号。插图显示了气枪震源(红色五角星)和光缆(DAS array)的相对位置。白色三角形为短周期地震仪。(b) 通信光缆布设示意图。光缆(红色)松散地穿过穿线管(灰色),穿线管埋于土中,在检修口处穿线管由混凝土浇筑。

  在连续观测实验期间,团队记录到了多种不同来源的震动信号:

  (ⅰ) 交通信号。在随机选取的记录中,可以清楚识别出以~42和38 km/h移动的两组信号,这可能对应着太和路上北向移动的车辆。移动源还激发了速度~300 m/s的地震波(类似行船激起的波浪,下图绿色和蓝色虚线)。这表明了利用通信光缆进行交通监测的可能性。


  2018年12月30日下午15时12分通信光缆(道号100~550,主要位于太和路)观测到两组强振动信号(红色虚线表示),分别对应了以约42和38 km/h速度向北移动的信号(红色箭头所示)。同时移动源也激发了以~300 m/s(绿色及蓝色虚线)向两侧传播的信号,信号的传播速度与地表的面波速度接近。

  (ⅱ) 地震背景噪声。通过光纤记录的背景噪声互相关函数,可以反演得到地下200米的横波速度。结果显示,宾川盆地近地表横波速度在280~430 m/s,属于典型的沉积盆地横波速度。

  (ⅲ) 人工震源信号。在距离光纤约8千米处,研究者使用气枪震源制造人工震动,从而检验了光纤对小地震的记录能力。气枪震源重复性高,因此可以将波形记录进行叠加分析。如下图所示,在叠加记录中可以看到清晰的S波信号,在某些通道上光纤观测信号与共点的短周期地震仪记录具有很高的相似性。


  红色和黑色曲线分别为DAS和短周期地震仪记录的气枪震源信号(2~8 Hz)。拾取的到时与由区域速度结构模型计算的上地壳折射Pg(红色竖线)和Sg(蓝色竖线)的到时吻合

  与传统地震仪相比,通信光缆记录的信噪仍然偏低,但是单分布式光纤观测具有密度高、性能稳定、应用灵活等优点,可以为复杂(如城市、矿区)和极端条件(如海底、深井)下的地震观测,以及地下水位和城市交通监控提供新的选择。随着高速互联网和城市化的不断发展,通信光缆的覆盖范围和密度都将大大增加,这为DAS技术提供了更广阔的应用空间。

本文来自《科学通报》

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