通過光纖聆聽海底的聲音

編譯 王曉濤

對海底地震運動的測量使我們對地震和海嘯的危害、深地結構、板塊構造、海底火山活動以及海洋與地球固態物質之間的相互作用有了清晰的認識。然而，海底地震儀（OBS）和觀測站非常稀缺：盡管地球表面約70%被水覆蓋，但全球永久性寬頻地震觀測站網絡中，只有不到1%安裝在海底。

新興的光纖測震領域為海底儀器的布局提供了一個很有前景的新思路：采用分布式傳感而不是點狀傳感。用于洲際通信和電力傳輸的海底光纜橫跨全球海洋，這可用于分布式傳感器網絡。當地震波和海浪在海底拉伸和壓縮光纖時，穿過它們的光對有價值的信息進行了編碼。通過分布式聲傳感（DAS）測量和其他新的光纖測震方法，可以將這些信息用于地球物理的監測。

分布式聲傳感是什么？

通信電纜中的單個光纖會有幅度較小的固有密度波動，這些波動會局部擾亂折射率并導致瑞利散射。當光脈沖沿著電纜傳播時，每個散射點都會沿著光纖反射出極少量的光。來自眾多散射點的光的積累構成了可測量的反向散射軌跡。從該軌跡中，可以將光的到達時間映射到其在光纖中的散射位置。

雖然存在許多DAS的實現方式，但所有這些方式的一般原理都是相似的。儀器從詢問器單元開始，定期將激光脈沖傳輸到光纖中，并且每個脈沖的相應反向散射跡線都由光電探測器記錄，頻率通常為1～10 kHz。通過比較連續的跡線，我們可以提取背散射光從一個脈沖到下一個脈沖的相位變化，作為沿光纖距離的函數。散射體的數量和分布是由光纖的制造工藝預先確定的，因此反向散射光相位的變化僅由散射體之間光程長度的變化引起。這樣一來，光纖中的任何內部變形都可以通過簡單的線性關系從差分相中計算出來。

分布式聲傳感（DAS）利用了光纖電纜本身的微小缺陷，這些缺陷在光通過電纜傳播時出現。其中一些光沿著光纖散射回去，其行進時間是光纖隨時間變化或應變的測量指標。海底DAS陣列（黑色電纜）可能觀測到的地球物理和環境現象包括：①地震；②來自海洋-地球固態物質相互作用的環境地震噪聲；③海洋學信號，比如表面重力波；④內部重力波；⑤航運交通信號；⑥海洋哺乳動物的聲音信號

在光纖沿線數千個位置和每秒數千次測量的應變或應變速率的二維數據集中，我們可以得到結果。DAS類似傳統地震儀的密集線性陣列，不同之處在于每個通道測量具有一定距離上的分布式變形，而不只是單個點的粒子運動。迄今為止，陸地上的DAS網絡記錄了自然和人為產生的地震，探測了冰川上的冰震，對地下地質結構進行了成像，為巖土分析提供了土壤特征，甚至監測了城市交通模式。現在，科學家們正在將海洋作為光纖測震的下一個前沿領域。

從點傳感到分布式傳感網絡

1935 年 9 月，莫里斯·尤因（Maurice Ewing）在亞特蘭蒂斯號上進行了將地震儀安裝在海底的開創性工作。在1 280米長的地震儀器穿過了大約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的爆發而推遲。直到20世紀60年代，監測國際核試驗計劃的需求才重新點燃了人們對海洋地震觀測站的興趣。正是這種興趣產生了今天仍在使用的OBS的基本藍圖。

大多數現代寬頻OBS的部署時間是一到兩年。在此期間，它們會自主運行：利用海底的電池組的電力，將其數據記錄到存儲設備上。在部署結束時，聲學應答器會提示 OBS返回到地面，在那里恢復并重新配置以用于新的部署。這種方法的一個好處是，多個研究小組可以利用相同的儀器來研究不同的海底環境。

然而，臨時運行的框架限制了OBS應用于永久性地面地震網絡的可能。在部署期間，全球范圍內僅會發生少量大型（7.0級以上）地震，典型的OBS陣列包含的儀器則少于30個。較小且更頻繁的地震產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量很少。此外，由于數據在實驗期間只能存儲在海底，因此臨時OBS無法整合到可以提供地震和海嘯預警的實時系統中。

在過去的二十年中，我們在開發解決這些難題的替代傳感網絡方面已經進行了大量工作。最成功的方法之一是建立有線觀測臺。安裝在海底的地震儀通過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時數據傳輸回操作員。然而，安裝和維護這種觀測站的高昂費用使它們難以獲得全球規模的應用。

光纖測震為監測海底環境提供了一個完全不同的方法。單個DAS解調儀單元連接到其著陸站的海底光纖電纜上，激光脈沖用數千個有效傳感器照亮光纖，實時記錄海底的振動。由于儀器本身位于陸地上，因此部署持續時間不受限制，并且數據遙測以光速進行。這兩個優點都使DAS能夠集成到地震和海嘯預警系統中。雖然DAS系統的采集范圍目前僅限于距離解調儀不超過100公里的信號區間，但其他正在開發的光纖測震方法，如基于偏振的傳感，可以跨越整個海洋盆地中數千公里的距離。

海底DAS測量的分布式性質導致了地震數據處理的新方法的誕生。傳統的OBS網絡很稀疏，車站的間距通常超過10公里。這些網絡使用多組分儀器（即三個正交定向的地震儀和一個壓力表）來區分海洋信號和地球固體物質信號，并推斷地震波場的性質。而DAS網絡十分密集（1～10米信道間距），但它們只記錄每個傳感位置的海底運動的單個測量值。因此，DAS網絡本質上是和空間環境保持一致的。它們呈現的數據非常適合通過基于圖像的算法進行分析，這些算法可以消除數據中的噪聲、分離波場分量并自動執行地震檢測。

架起地震學和海洋學之間的橋梁

在過去的四年中，從比利時北海的風力發電場到加利福尼亞近海的蒙特雷峽谷，地震學家在不同地點構建了海底DAS陣列。這些實驗探測到的地震包括了各個震級，從震源距離大約90公里的1.9級地震到超過16 000公里的8.2級地震。他們利用散射波確定了以前未被識別的海上斷裂帶，并通過斷層掃描繪制了淺層地殼的速度結構。

最有趣的發現與海底無關，而與海洋有關。波浪和潮汐產生的壓力擾動和熱強迫會使海底的光纖電纜變形。DAS可以將它們記錄下來。自20世紀30年代以來，地震學家已經知道，海浪是地球平靜時聲音的主要來源，我們稱其為環境地震噪聲或微震。但是，其生成機制仍然是一個爭議頗多的話題，主要原因是我們缺乏實地的觀察。在2019年發表的三項獨立的研究中，實驗人員都用海底DAS觀測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境地震噪聲之間存在明顯的聯系。

迄今報告的其他海洋學觀測包括：來自遙遠風暴的海浪；涌潮和內波斷裂；波與流的相互作用（DAS可以測量洋流）；來自船舶交通、遠處地震和海洋哺乳動物的聲信號。識別和分離這些不同的信號，在傳統的OBS網絡上通常無法做到，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。

雖然光纖測震仍然是一個新興領域，但這些早期實驗的成功使得地球物理學界離實現跨洋的永久性地震遙測和海洋學監測更近了一步。

資料來源 Physics Today