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分布式光纤声波传感系统在近地表成像中的应用Ⅰ:主动源高频面波

时间:2020年06月10日 所属分类:科学技术论文 点击次数:

摘要近年来发展的新型地震观测系统分布式光纤声波传感器(DAS,DistributedAcousticSensing)可以实现低成本高密度观测,有望提高浅层结构成像的精度以及分辨率.最近国内研发了一系列具有自主知识产权的DAS设备,为验证国产设备在浅层结构研究中的可行性以及应

  摘要近年来发展的新型地震观测系统———分布式光纤声波传感器(DAS,DistributedAcousticSensing)可以实现低成本高密度观测,有望提高浅层结构成像的精度以及分辨率.最近国内研发了一系列具有自主知识产权的DAS设备,为验证国产设备在浅层结构研究中的可行性以及应用效果,2018年7月我们开展了一次DAS观测实验.实验采集了50kg落锤震源激发的地震信号,并采用多道面波分析方法提取了8~20Hz频段的主动源Rayleigh波相速度频散曲线,得到了实验区浅层30m的S波速度结构.获得的主动源面波频散曲线与共址检波器的结果吻合,也与背景噪声提取的结果具有较好的一致性,表明国产设备的可靠性和DAS在浅层结构主动源面波成像研究中的可行性.

  关键词主动源;分布式光纤声波传感器;多道面波分析方法;浅层结构

光纤与电缆及其应用技术

  0引言

  浅部数十米的地震波(特别是S波)速度结构在强地面振动、地震勘探、地下空间利用以及滑坡体识别等方面具有重要意义(如Borcherdt,1994).面波成像方法是浅层S波速度结构成像的主要方法之一(Fotietal.,2011),该类方法主要基于高频面波信号开展.高频面波数据的采集对观测密度要求较高,在较大区域开展高密度高频面波观测面临着一系列的现实困难,包括仪器布设、仪器安全等.近年来,随着光纤传感技术的发展,一种新的地震观测系统———分布式光纤声波传感器(DistributedAcousticSensing,简称DAS,如Hartogetal.,2013,张丽娜等,2020)得到应用,该系统能够以较低的成本实现超密集的观测,有望提高浅层速度结构成像的精度.

  DAS系统由两部分组成,一部分是解调仪,包括了光学系统和信号采集系统,一部分是用于传感的普通光纤或特种光纤.DAS的采集原理是通过探测激光脉冲在光纤内部散射体产生的Rayleigh后向散射信号的相位变化,实现光纤轴向应变的测量.光纤的每一小段可以等效为一个单分量应变仪(Benioff,1935),用于探测地震波场引起的应变.基于单个解调仪,采用多个双向放大器能够以0.25m的道间距实现几千到几十千米范围内的观测,极大地降低了观测成本(Parkeretal.,2014).

  同时实验室测试表明其测量精度可达纳应变级别,应变信号频段覆盖了常规地震信号频带(约100s~49.5kHz,Parkeretal.2014),实际应用环境中也可以记录到该频带内的各种信号.DAS首先在地震勘探领域中得到应用(Mestayeretal.2011),之后逐渐推广到其他地震学研究领域中(Willisetal.2017).国际上,地震学界开展了一系列的研究工作探讨DAS在天然地震学研究(Lindseyetal.2017)、浅层结构成像(Zengetal.2017)、介质变化监测(Mateevaetal.2017)等方面的应用.

  DAS的高观测密度优势在浅层结构面波成像中可以得到很好的应用(如Zengetal.,2017;Douetal.2017),但目前国内相关研究仍有待开展,因此2018年7月我们在白家疃北京国家地球观象台开展了一次DAS观测实验.实验中,我们使用国产DAS设备采集落锤震源激发产生的地震波信号,采用多道面波分析方法提取了高频面波频散数据.通过与光纤记录的背景噪声计算结果和共址的检波器主动源地震数据计算结果对比,验证了DAS的可靠性,并在此基础上反演得到了实验区的浅层S波速度结构,探讨其在浅层结构研究中的应用.

  1数据与方法

  目前DAS观测采用的布设方式有多种,井下可采用自由悬挂或者附着于井壁/管壁等方式,地表可以采用浅埋、冰冻、水泥浇注等方式.本次实验采用浅埋的方式布设了约600m的四芯光缆,光缆内包括四根普通通信单模1550nm光纤,实验观测中采用了其中约500m部分.数据采集过程中道间距设为2m,采样率为2000Hz,主动源信号采用触发记录模式.此外还在实验区内布设了120个10Hz检波器(俊峰30dx-10)和9台宽频带地震仪(GuralpCMG-3ESP+Reftek130B)用于对比研究.本次实验以落锤作为主动源,提升高度约为2m,下落时间约0.6s,激发信号认为脉冲信号.炮间距设置为20m,沿光缆26个位置进行激发,本文将基于这次实验采集的主动源地震数据展开研究.

  当激发点与传感光缆处于一条直线,传感光缆可以等效于一个径向分量应变仪,能够记录到P、SV波和Rayleigh面波信号,因此提取得到的面波信号为Rayleigh波.本文选取一道记录进行时频分析,其中面波(约为0.3~0.7s)的能量主要集中在5~30Hz频段.为避免近场效应,Stokoe等(1994)推荐的最小偏移距为面波波长的一半左右,考虑到松软土层中S波速度约为100~300m·s-1(夏江海,2015),结合面波频段,本文选择偏移距大于40m的记录用于分析.接收排列的长度决定了用于分析的面波最大波长,也限制了能探测的最大深度,一般推荐值为波长的一倍,可以探测的最大深度约0.5~0.67倍的波长(ParkandCarnevale,2010).

  本文采用的排列长度为60m,体波信号较为清晰,灰色虚线和灰色实线分别表示150m·s-1和400m·s-1的时距曲线.体波的速度要高于400m·s-1,而面波的速度介于150~400m·s-1之间,这一范围与前人在同一地点获得的结果相近(张维等,2012).为了去除体波等其他信号对面波分析的影响,根据面波的频段,首先进行5~30Hz频段的带通滤波,然后在150~400m·s-1的速度范围进行f-k滤波.带通滤波以及f-k滤波同时使用对噪声的控制效果较好,主要能量的视速度约为260m·s-1.

  主动源信号的频散曲线提取方法主要有两种:面波谱分析法(SpectralAnalysisofSurfaceWave,SASW)和多道面波分析方法(Multi-channelAnalysisofSurfaceWave,MASW).SASW方法基于两个接收器间的互功率谱相位,计算得到相速度.该方法需要进行相位解缠,而噪声容易引起相位跳跃进而影响测量精度,同时该方法需要多次激发,数据采集时间较长(Fotietal.,2011).Park等(1999)发展的MASW方法,利用线性台阵记录的单次激发面波信号,在频率域根据相速度和距离计算相位差,然后进行倾斜叠加(slantstack)以压制噪声.该方法不需要进行相位解缠,避免了相位跳变,从而有效提高了频散曲线提取精度.

  2结果

  利用MASW方法得到的频率-速度域能量叠加图.从能量叠加图中可以提取得到清晰的8~20HzRayleigh面波频散曲线,这一频段的相速度处于250~350m·s-1间,对应的波长约为10~40m.一般说来,在浅层结构研究中面波的探测深度约为其波长的0.5~0.67倍,本文所用频段的面波可能探测的最深处约为20~30m.我们选取了前人研究得到的实验区Rayleigh面波频散曲线(张维等,2012),构建了一个一维速度模型,在此基础上计算了Rayleigh面波相速度的敏感核函数.

  根据敏感核函数,本文所用频段内的面波相速度数据主要对浅层30m以内的S波速度结构敏感.一般而言面波频散受S波速度(VS)的影响较P波速度大,因此只反演S波速度结构,P波速度(VP)由如下经验公式换算得到(Brocher,2005):VP(km·s-1)=0.9409+2.0947VS-0.8206V2S+0.2683V3S-0.0251V4S.(5)在反演过程中,我们设置层厚为2m,与光纤道间距一致(夏江海,2015),对应不同的α,计算模型残差二范数与模型长度二范数的对应关系.由于反演问题为非线性,L曲线不够稳定,因此以散点的形式表示.

  对应的α值为0.1,认为该取值下,可以对模型残差以及解的长度进行折中,因此下文将利用α=0.1的一阶正则化约束进行反演.展示了计算的2500组模型中误差最小的100组模型,误差增大对应颜色逐渐变淡.100组模型的范围可以认为是解的波动范围,大约波动±50m·s-1,且随深度增加,波动越大.为验证计算结果的可靠性,本文计算该段反演结果的一维后验概率密度分布函数.比较反演结果与后验概率密度分布函数的峰值,部分后验概率密度的峰值较为明显,且与反演结果对应,但大部分后验概率密度函数较平,可能是由于低频段测量偏少,因此频散曲线对解的约束性较低.选取沿传感光缆的26个主动源激发点,根据上文给出的最小偏移距(40m)和接收台阵总长(60m)选取数据进行频散测量以及速度结构反演,构建实验区内2D速度结构.

  由于MASW计算的频散曲线为排列下的均值,因此将30道光纤计算的一维速度结构作为排列中点处的速度结构.计算每次移动20道,保持20m的重叠长度,得到2D速度剖面.整体上S波速度为200~450m·s-1,浅地表速度约为200~250m·s-1,30m深处约为400m·s-1.10m以浅存在一系列低速夹层,第220道下30m处速度和周围相比较低,西段(120~160道)速度整体上比东段(230~270道)速度高,很好地体现了高频面波在浅层成像的精细程度.

  3讨论

  沿传感光缆布设了120个垂直分量的10Hz检波器,道间距约为5m.为验证DAS数据的采集质量,本文选择邻近的光缆与检波器数据,统一采用多道面波分析方法提取出两者的频散曲线.测试光缆选择30道(60m)进行计算,对应的检波器有12道.由于检波器没有采用触发记录,我们根据手动拾取的初至将两组记录对齐.由于两套设备的观测量不同(速度与应变),波形有所不同,但是主要面波信号的到时变化趋势较为一致.基于MASW的频散曲线测量结果,黑色为检波器根据叠加最大能量提取的频散曲线和90%最大能量范围的误差棒,灰色线为DAS计算结果.同一频率下DAS提取的相速度相比检波器提取的相速度较高,最大值误差在20m·s-1左右.

  对比两者的90%最大能量误差棒,可以看出两者有一部分重合的范围,同时DAS的误差棒相对于检波器更小,有助于获得更准确的频散曲线.两者的差异可能由两部分造成:首先,由于检波器道间距较大,相同排列长度上道数较少,叠加能量较弱,可能造成结果上与DAS存在一定的差异;其次,两套观测系统的空间展布存在一定差异,基于GPS的定位可能引入了系统性偏差.正如图10a所示,DAS较高的观测密度可以有效提高波数域的分辨率,有助于分离高阶面波(Fotietal.2011).基阶和高阶面波的传播速度在高频段较小,观测密度不足时,两者的频散曲线出现交叉,引入误差.

  虽然本次实验未观测到高阶面波,但是在其他研究中已经较为常见(如Douetal.,2017).在实验中,DAS除了记录了主动源激发的信号,还进行了13.5h的背景噪声记录.利用DAS提取的背景噪声数据反演浅层速度结构已经较为成熟(Zengetal.,2017),本文选取同一段光纤排列下主动源与背景噪声两种方法提取的频散曲线对比.

  背景噪声在低频部分能量较强,在高频部分能量较弱,而主动源则相反.对比10Hz左右的主动源和背景噪声提取的频散曲线相速度,可以看出两者相差较小(~10m·s-1),也说明主动源数据质量的可靠性.利用主动源提取的频散曲线与背景噪声提取的频散曲线结合,可以分别弥补主动源和背景噪声对于低频和高频部分的不足,计算出更大的深度以及更精细的浅层速度结构(如Luoetal.,2018).

  4结论

  本文采用落锤作为主动源,利用普通通信光缆作为传感器开展了地震波场的高密度观测,利用MASW方法提取了可靠的Rayleigh面波相速度频散曲线,并利用遗传算法获得了光缆下方浅层30m范围内二维S波速度结构.通过与同址检波器采集的主动源地震记录提取的频散曲线以及光纤采集的背景噪声数据提取的频散曲线对比,显示了分布式光纤声波传感器获得的观测记录具有较高的精度以及可靠性.DAS具有廉价、便捷和海量数据传输能力等高密度和超高密度观测优势,在城镇等人口密集区和跨断层区高密度观测段重点研究区域实现高精度探测具有广阔的应用前景.

  作者:宋政宏1,2,曾祥方1*,徐善辉3,胡久鹏3,孙天为3,王宝善2,3

  通信论文投稿刊物:《光纤与电缆及其应用技术》(双月刊)创刊于1967年,由中国电子科技集团公司第二十三研究所主办。本刊为全国创办最早的光纤与电缆专业期刊之一。在该领域享有很高的声誉,主要报道有关光纤、光缆、光无源器件、光通信系统、通信电缆、射频电缆、特种成缆和微波传输成及其连接器等研究和应用方面的论文和技术动态综述。