通过光纤聆听海底的声音

编译 王晓涛

对海底地震运动的测量使我们对地震和海啸的危害、深地结构、板块构造、海底火山活动以及海洋与地球固态物质之间的相互作用有了清晰的认识。然而，海底地震仪（OBS）和观测站非常稀缺：尽管地球表面约70%被水覆盖，但全球永久性宽频地震观测站网络中，只有不到1%安装在海底。

新兴的光纤测震领域为海底仪器的布局提供了一个很有前景的新思路：采用分布式传感而不是点状传感。用于洲际通信和电力传输的海底光缆横跨全球海洋，这可用于分布式传感器网络。当地震波和海浪在海底拉伸和压缩光纤时，穿过它们的光对有价值的信息进行了编码。通过分布式声传感（DAS）测量和其他新的光纤测震方法，可以将这些信息用于地球物理的监测。

分布式声传感是什么？

通信电缆中的单个光纤会有幅度较小的固有密度波动，这些波动会局部扰乱折射率并导致瑞利散射。当光脉冲沿着电缆传播时，每个散射点都会沿着光纤反射出极少量的光。来自众多散射点的光的积累构成了可测量的反向散射轨迹。从该轨迹中，可以将光的到达时间映射到其在光纤中的散射位置。

虽然存在许多DAS的实现方式，但所有这些方式的一般原理都是相似的。仪器从询问器单元开始，定期将激光脉冲传输到光纤中，并且每个脉冲的相应反向散射迹线都由光电探测器记录，频率通常为1～10 kHz。通过比较连续的迹线，我们可以提取背散射光从一个脉冲到下一个脉冲的相位变化，作为沿光纤距离的函数。散射体的数量和分布是由光纤的制造工艺预先确定的，因此反向散射光相位的变化仅由散射体之间光程长度的变化引起。这样一来，光纤中的任何内部变形都可以通过简单的线性关系从差分相中计算出来。

分布式声传感（DAS）利用了光纤电缆本身的微小缺陷，这些缺陷在光通过电缆传播时出现。其中一些光沿着光纤散射回去，其行进时间是光纤随时间变化或应变的测量指标。海底DAS阵列（黑色电缆）可能观测到的地球物理和环境现象包括：①地震；②来自海洋-地球固态物质相互作用的环境地震噪声；③海洋学信号，比如表面重力波；④内部重力波；⑤航运交通信号；⑥海洋哺乳动物的声音信号

在光纤沿线数千个位置和每秒数千次测量的应变或应变速率的二维数据集中，我们可以得到结果。DAS类似传统地震仪的密集线性阵列，不同之处在于每个通道测量具有一定距离上的分布式变形，而不只是单个点的粒子运动。迄今为止，陆地上的DAS网络记录了自然和人为产生的地震，探测了冰川上的冰震，对地下地质结构进行了成像，为岩土分析提供了土壤特征，甚至监测了城市交通模式。现在，科学家们正在将海洋作为光纤测震的下一个前沿领域。

从点传感到分布式传感网络

1935 年 9 月，莫里斯·尤因（Maurice Ewing）在亚特兰蒂斯号上进行了将地震仪安装在海底的开创性工作。在1 280米长的地震仪器穿过了大约5公里深的海水落到大西洋底部后，尤因和同事引爆了几枚炸药，试图产生足够的地震波。在这以后，将地震仪器带到海底的努力因第二次世界大战的爆发而推迟。直到20世纪60年代，监测国际核试验计划的需求才重新点燃了人们对海洋地震观测站的兴趣。正是这种兴趣产生了今天仍在使用的OBS的基本蓝图。

大多数现代宽频OBS的部署时间是一到两年。在此期间，它们会自主运行：利用海底的电池组的电力，将其数据记录到存储设备上。在部署结束时，声学应答器会提示 OBS返回到地面，在那里恢复并重新配置以用于新的部署。这种方法的一个好处是，多个研究小组可以利用相同的仪器来研究不同的海底环境。

然而，临时运行的框架限制了OBS应用于永久性地面地震网络的可能。在部署期间，全球范围内仅会发生少量大型（7.0级以上）地震，典型的OBS阵列包含的仪器则少于30个。较小且更频繁的地震产生的波传播的距离较短，因此OBS阵列可以获得的穿越地球深处的地震波路径的数量很少。此外，由于数据在实验期间只能存储在海底，因此临时OBS无法整合到可以提供地震和海啸预警的实时系统中。

在过去的二十年中，我们在开发解决这些难题的替代传感网络方面已经进行了大量工作。最成功的方法之一是建立有线观测台。安装在海底的地震仪通过专用电缆连接到陆地，该电缆为地震仪提供充足的功率并将实时数据传输回操作员。然而，安装和维护这种观测站的高昂费用使它们难以获得全球规模的应用。

光纤测震为监测海底环境提供了一个完全不同的方法。单个DAS解调仪单元连接到其着陆站的海底光纤电缆上，激光脉冲用数千个有效传感器照亮光纤，实时记录海底的振动。由于仪器本身位于陆地上，因此部署持续时间不受限制，并且数据遥测以光速进行。这两个优点都使DAS能够集成到地震和海啸预警系统中。虽然DAS系统的采集范围目前仅限于距离解调仪不超过100公里的信号区间，但其他正在开发的光纤测震方法，如基于偏振的传感，可以跨越整个海洋盆地中数千公里的距离。

海底DAS测量的分布式性质导致了地震数据处理的新方法的诞生。传统的OBS网络很稀疏，车站的间距通常超过10公里。这些网络使用多组分仪器（即三个正交定向的地震仪和一个压力表）来区分海洋信号和地球固体物质信号，并推断地震波场的性质。而DAS网络十分密集（1～10米信道间距），但它们只记录每个传感位置的海底运动的单个测量值。因此，DAS网络本质上是和空间环境保持一致的。它们呈现的数据非常适合通过基于图像的算法进行分析，这些算法可以消除数据中的噪声、分离波场分量并自动执行地震检测。

架起地震学和海洋学之间的桥梁

在过去的四年中，从比利时北海的风力发电场到加利福尼亚近海的蒙特雷峡谷，地震学家在不同地点构建了海底DAS阵列。这些实验探测到的地震包括了各个震级，从震源距离大约90公里的1.9级地震到超过16 000公里的8.2级地震。他们利用散射波确定了以前未被识别的海上断裂带，并通过断层扫描绘制了浅层地壳的速度结构。

最有趣的发现与海底无关，而与海洋有关。波浪和潮汐产生的压力扰动和热强迫会使海底的光纤电缆变形。DAS可以将它们记录下来。自20世纪30年代以来，地震学家已经知道，海浪是地球平静时声音的主要来源，我们称其为环境地震噪声或微震。但是，其生成机制仍然是一个争议颇多的话题，主要原因是我们缺乏实地的观察。在2019年发表的三项独立的研究中，实验人员都用海底DAS观测到了海洋中的表面重力波，并证明了海浪与同一阵列上记录的环境地震噪声之间存在明显的联系。

迄今报告的其他海洋学观测包括：来自遥远风暴的海浪；涌潮和内波断裂；波与流的相互作用（DAS可以测量洋流）；来自船舶交通、远处地震和海洋哺乳动物的声信号。识别和分离这些不同的信号，在传统的OBS网络上通常无法做到，而海底DAS阵列由于其密集和分布式特性可以完成这些任务。

虽然光纤测震仍然是一个新兴领域，但这些早期实验的成功使得地球物理学界离实现跨洋的永久性地震遥测和海洋学监测更近了一步。

资料来源 Physics Today