光纤电缆具有成为地震传感器的巨大优势

据外媒报道,加州理工学院地震学家詹忠文在《地震研究快报》中描述了对DAS(分布式声学传感)及其潜在应用的兴趣。

  据外媒报道,加州理工学院地震学家詹忠文在《地震研究快报》中描述了对DAS(分布式声学传感)及其潜在应用的兴趣。埋入式光缆中的每根纤细的玻璃纤维都包含微小的内部缺陷,这对科学家来说是一件好事,他们正在从繁忙市区到偏远冰川寻找新的方法来收集地震数据。而DAS的工作原理是利用一根长的光纤的微小内部缺陷作为数千个地震传感器沿着数十公里长的光缆。一端的仪器通过电缆发送激光脉冲,收集并测量每个脉冲在内部光纤缺陷反射时的“回声”。

  

  当光纤受到地震波引起的温度、应变或振动变化的干扰时,散射回DAS仪器的激光的大小、频率和相位都会发生变化。地震学家可以利用这些变化来确定可能会使光纤变弱的地震波的类型。

  詹忠文说,在过去的五年中,DAS仪器的灵敏度已显着提高,为它们的部署开辟了新的可能性。它们的性能使它们适合在各种环境中使用,特别是在建立更敏感或更密集的地震网络过于昂贵的地方。研究人员还可以利用以前由电信公司和其他公司铺设的大量未使用的“暗”光纤。从一根较大的缆绳上取几根绳子,就能达到地震学家的目的。

  石油和天然气行业一直是新方法的最大推动力之一,因为他们在深水油田、水力压裂和污水注入过程中使用电缆下井监测流体变化。DAS研究人员认为,该方法特别适合在南极洲或月球等恶劣环境中进行地震监测。,有了常规的地震仪网络,科学家需要保护网络中仪器的每个节点并为其供电,对于DAS,你要铺设一根相当坚固的长光纤,而所有敏感仪器都只在光纤的一端。”

  詹忠文补充说:“你可以想象在月球或其他行星上,在高辐射或高温的情况下,电子设备可能无法在这种环境中存活那么长时间。但纤维可以。”

  科学家们已经在使用DAS来探测冻土和冰川的融化和冻结周期,以更好地描述它们在冰流和基岩上滑动的动态运动,这将有助于研究人员进一步了解气候变化驱动的冰川融化是如何导致海平面上升的。目前,大多数DAS系统的射程为10到20公里。研究人员希望在不久的将来将这一范围扩大到100公里,这可能有助于海底环境(包括近海俯冲带)的地震覆盖。

  DAS也非常适合地震后的快速反应,特别是在暗纤维众多的地区,地震学家已经事先安排使用这种纤维。例如,在2019年南加州的脊脊脊地震之后,詹和他的同事迅速采取行动,使用DAS监测该地区的余震序列。

  詹忠文说,“我们在三天内把大约50公里长的电缆变成了6000多个传感器。如果地震学家提前做好了识别和请求光纤接入的准备工作,地震发生后几个小时内就可以部署DAS系统。”

  使用光纤的一个挑战是需要确切地知道光纤在地面上的位置。使用DAS方法,研究人员可以知道一个特定传感器沿光纤铺设多远,但如果光纤电缆是盘绕、弯曲或下垂的,则计算可能会出错。为了解决这个问题,地震学家有时会做一个“抽头测试”——用GPS在电缆上方的地面上绘制大锤击打,因为这些打击会从光纤上反射出来,会产生一种曲折的声纳图像。

  与传统地震传感器相比,DAS传感器还包含更多的“自噪声”——可能会干扰地震识别的背景地震信号,“但坦率地说,我们并不清楚确切的原因,一些噪声可能来自于不稳定的激光脉冲,或者来自电缆本身。一些电缆在隧道中散落,另一些电缆则有多个光纤连接器,这可能会产生反射和光信号的损失。”詹说。

  詹忠文总结道:“虽然DAS还处于初级阶段,但它已经显示出了它作为一种新的有价值的地震监听工具的重要的作用。”

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