摘要近年來發展的新型地震觀測系統———分布式光纖聲波傳感器(DAS，DistributedAcousticSensing)可以實現低成本高密度觀測，有望提高淺層結構成像的精度以及分辨率.最近國內研發了一系列具有自主知識產權的DAS設備，為驗證國產設備在淺層結構研究中的可行性以及應用效果，2018年7月我們開展了一次DAS觀測實驗.實驗采集了50kg落錘震源激發的地震信號，并采用多道面波分析方法提取了8～20Hz頻段的主動源Rayleigh波相速度頻散曲線，得到了實驗區淺層30m的S波速度結構.獲得的主動源面波頻散曲線與共址檢波器的結果吻合，也與背景噪聲提取的結果具有較好的一致性，表明國產設備的可靠性和DAS在淺層結構主動源面波成像研究中的可行性.

　　關鍵詞主動源;分布式光纖聲波傳感器;多道面波分析方法;淺層結構

　　0引言

　　淺部數十米的地震波(特別是S波)速度結構在強地面振動、地震勘探、地下空間利用以及滑坡體識別等方面具有重要意義(如Borcherdt，1994).面波成像方法是淺層S波速度結構成像的主要方法之一(Fotietal.，2011)，該類方法主要基于高頻面波信號開展.高頻面波數據的采集對觀測密度要求較高，在較大區域開展高密度高頻面波觀測面臨著一系列的現實困難，包括儀器布設、儀器安全等.近年來，隨著光纖傳感技術的發展，一種新的地震觀測系統———分布式光纖聲波傳感器(DistributedAcousticSensing，簡稱DAS，如Hartogetal.，2013，張麗娜等，2020)得到應用，該系統能夠以較低的成本實現超密集的觀測，有望提高淺層速度結構成像的精度.

　　DAS系統由兩部分組成，一部分是解調儀，包括了光學系統和信號采集系統，一部分是用于傳感的普通光纖或特種光纖.DAS的采集原理是通過探測激光脈沖在光纖內部散射體產生的Rayleigh后向散射信號的相位變化，實現光纖軸向應變的測量.光纖的每一小段可以等效為一個單分量應變儀(Benioff，1935)，用于探測地震波場引起的應變.基于單個解調儀，采用多個雙向放大器能夠以0.25m的道間距實現幾千到幾十千米范圍內的觀測，極大地降低了觀測成本(Parkeretal.，2014).

　　同時實驗室測試表明其測量精度可達納應變級別，應變信號頻段覆蓋了常規地震信號頻帶(約100s～49.5kHz，Parkeretal.2014)，實際應用環境中也可以記錄到該頻帶內的各種信號.DAS首先在地震勘探領域中得到應用(Mestayeretal.2011)，之后逐漸推廣到其他地震學研究領域中(Willisetal.2017).國際上，地震學界開展了一系列的研究工作探討DAS在天然地震學研究(Lindseyetal.2017)、淺層結構成像(Zengetal.2017)、介質變化監測(Mateevaetal.2017)等方面的應用.

　　DAS的高觀測密度優勢在淺層結構面波成像中可以得到很好的應用(如Zengetal.，2017;Douetal.2017)，但目前國內相關研究仍有待開展，因此2018年7月我們在白家疃北京國家地球觀象臺開展了一次DAS觀測實驗.實驗中，我們使用國產DAS設備采集落錘震源激發產生的地震波信號，采用多道面波分析方法提取了高頻面波頻散數據.通過與光纖記錄的背景噪聲計算結果和共址的檢波器主動源地震數據計算結果對比，驗證了DAS的可靠性，并在此基礎上反演得到了實驗區的淺層S波速度結構，探討其在淺層結構研究中的應用.

　　1數據與方法

　　目前DAS觀測采用的布設方式有多種，井下可采用自由懸掛或者附著于井壁/管壁等方式，地表可以采用淺埋、冰凍、水泥澆注等方式.本次實驗采用淺埋的方式布設了約600m的四芯光纜，光纜內包括四根普通通信單模1550nm光纖，實驗觀測中采用了其中約500m部分.數據采集過程中道間距設為2m，采樣率為2000Hz，主動源信號采用觸發記錄模式.此外還在實驗區內布設了120個10Hz檢波器(俊峰30dx-10)和9臺寬頻帶地震儀(GuralpCMG-3ESP+Reftek130B)用于對比研究.本次實驗以落錘作為主動源，提升高度約為2m，下落時間約0.6s，激發信號認為脈沖信號.炮間距設置為20m，沿光纜26個位置進行激發，本文將基于這次實驗采集的主動源地震數據展開研究.

　　當激發點與傳感光纜處于一條直線，傳感光纜可以等效于一個徑向分量應變儀，能夠記錄到P、SV波和Rayleigh面波信號，因此提取得到的面波信號為Rayleigh波.本文選取一道記錄進行時頻分析，其中面波(約為0.3～0.7s)的能量主要集中在5～30Hz頻段.為避免近場效應，Stokoe等(1994)推薦的最小偏移距為面波波長的一半左右，考慮到松軟土層中S波速度約為100～300m·s-1(夏江海，2015)，結合面波頻段，本文選擇偏移距大于40m的記錄用于分析.接收排列的長度決定了用于分析的面波最大波長，也限制了能探測的最大深度，一般推薦值為波長的一倍，可以探測的最大深度約0.5～0.67倍的波長(ParkandCarnevale，2010).

　　本文采用的排列長度為60m，體波信號較為清晰，灰色虛線和灰色實線分別表示150m·s-1和400m·s-1的時距曲線.體波的速度要高于400m·s-1，而面波的速度介于150～400m·s-1之間，這一范圍與前人在同一地點獲得的結果相近(張維等，2012).為了去除體波等其他信號對面波分析的影響，根據面波的頻段，首先進行5～30Hz頻段的帶通濾波，然后在150～400m·s-1的速度范圍進行f-k濾波.帶通濾波以及f-k濾波同時使用對噪聲的控制效果較好，主要能量的視速度約為260m·s-1.

　　主動源信號的頻散曲線提取方法主要有兩種：面波譜分析法(SpectralAnalysisofSurfaceWave，SASW)和多道面波分析方法(Multi-channelAnalysisofSurfaceWave，MASW).SASW方法基于兩個接收器間的互功率譜相位，計算得到相速度.該方法需要進行相位解纏，而噪聲容易引起相位跳躍進而影響測量精度，同時該方法需要多次激發，數據采集時間較長(Fotietal.，2011).Park等(1999)發展的MASW方法，利用線性臺陣記錄的單次激發面波信號，在頻率域根據相速度和距離計算相位差，然后進行傾斜疊加(slantstack)以壓制噪聲.該方法不需要進行相位解纏，避免了相位跳變，從而有效提高了頻散曲線提取精度.

　　2結果

　　利用MASW方法得到的頻率-速度域能量疊加圖.從能量疊加圖中可以提取得到清晰的8～20HzRayleigh面波頻散曲線，這一頻段的相速度處于250～350m·s-1間，對應的波長約為10～40m.一般說來，在淺層結構研究中面波的探測深度約為其波長的0.5～0.67倍，本文所用頻段的面波可能探測的最深處約為20～30m.我們選取了前人研究得到的實驗區Rayleigh面波頻散曲線(張維等，2012)，構建了一個一維速度模型，在此基礎上計算了Rayleigh面波相速度的敏感核函數.

　　根據敏感核函數，本文所用頻段內的面波相速度數據主要對淺層30m以內的S波速度結構敏感.一般而言面波頻散受S波速度(VS)的影響較P波速度大，因此只反演S波速度結構，P波速度(VP)由如下經驗公式換算得到(Brocher，2005)：VP(km·s-1)=0.9409+2.0947VS-0.8206V2S+0.2683V3S-0.0251V4S.(5)在反演過程中，我們設置層厚為2m，與光纖道間距一致(夏江海，2015)，對應不同的α，計算模型殘差二范數與模型長度二范數的對應關系.由于反演問題為非線性，L曲線不夠穩定，因此以散點的形式表示.

　　對應的α值為0.1，認為該取值下，可以對模型殘差以及解的長度進行折中，因此下文將利用α=0.1的一階正則化約束進行反演.展示了計算的2500組模型中誤差最小的100組模型，誤差增大對應顏色逐漸變淡.100組模型的范圍可以認為是解的波動范圍，大約波動±50m·s-1，且隨深度增加，波動越大.為驗證計算結果的可靠性，本文計算該段反演結果的一維后驗概率密度分布函數.比較反演結果與后驗概率密度分布函數的峰值，部分后驗概率密度的峰值較為明顯，且與反演結果對應，但大部分后驗概率密度函數較平，可能是由于低頻段測量偏少，因此頻散曲線對解的約束性較低.選取沿傳感光纜的26個主動源激發點，根據上文給出的最小偏移距(40m)和接收臺陣總長(60m)選取數據進行頻散測量以及速度結構反演，構建實驗區內2D速度結構.

　　由于MASW計算的頻散曲線為排列下的均值，因此將30道光纖計算的一維速度結構作為排列中點處的速度結構.計算每次移動20道，保持20m的重疊長度，得到2D速度剖面.整體上S波速度為200～450m·s-1，淺地表速度約為200～250m·s-1，30m深處約為400m·s-1.10m以淺存在一系列低速夾層，第220道下30m處速度和周圍相比較低，西段(120～160道)速度整體上比東段(230～270道)速度高，很好地體現了高頻面波在淺層成像的精細程度.

　　3討論

　　沿傳感光纜布設了120個垂直分量的10Hz檢波器，道間距約為5m.為驗證DAS數據的采集質量，本文選擇鄰近的光纜與檢波器數據，統一采用多道面波分析方法提取出兩者的頻散曲線.測試光纜選擇30道(60m)進行計算，對應的檢波器有12道.由于檢波器沒有采用觸發記錄，我們根據手動拾取的初至將兩組記錄對齊.由于兩套設備的觀測量不同(速度與應變)，波形有所不同，但是主要面波信號的到時變化趨勢較為一致.基于MASW的頻散曲線測量結果，黑色為檢波器根據疊加最大能量提取的頻散曲線和90%最大能量范圍的誤差棒，灰色線為DAS計算結果.同一頻率下DAS提取的相速度相比檢波器提取的相速度較高，最大值誤差在20m·s-1左右.

　　對比兩者的90%最大能量誤差棒，可以看出兩者有一部分重合的范圍，同時DAS的誤差棒相對于檢波器更小，有助于獲得更準確的頻散曲線.兩者的差異可能由兩部分造成：首先，由于檢波器道間距較大，相同排列長度上道數較少，疊加能量較弱，可能造成結果上與DAS存在一定的差異;其次，兩套觀測系統的空間展布存在一定差異，基于GPS的定位可能引入了系統性偏差.正如圖10a所示，DAS較高的觀測密度可以有效提高波數域的分辨率，有助于分離高階面波(Fotietal.2011).基階和高階面波的傳播速度在高頻段較小，觀測密度不足時，兩者的頻散曲線出現交叉，引入誤差.

　　雖然本次實驗未觀測到高階面波，但是在其他研究中已經較為常見(如Douetal.，2017).在實驗中，DAS除了記錄了主動源激發的信號，還進行了13.5h的背景噪聲記錄.利用DAS提取的背景噪聲數據反演淺層速度結構已經較為成熟(Zengetal.，2017)，本文選取同一段光纖排列下主動源與背景噪聲兩種方法提取的頻散曲線對比.

　　背景噪聲在低頻部分能量較強，在高頻部分能量較弱，而主動源則相反.對比10Hz左右的主動源和背景噪聲提取的頻散曲線相速度，可以看出兩者相差較小(～10m·s-1)，也說明主動源數據質量的可靠性.利用主動源提取的頻散曲線與背景噪聲提取的頻散曲線結合，可以分別彌補主動源和背景噪聲對于低頻和高頻部分的不足，計算出更大的深度以及更精細的淺層速度結構(如Luoetal.，2018).

　　4結論

　　本文采用落錘作為主動源，利用普通通信光纜作為傳感器開展了地震波場的高密度觀測，利用MASW方法提取了可靠的Rayleigh面波相速度頻散曲線，并利用遺傳算法獲得了光纜下方淺層30m范圍內二維S波速度結構.通過與同址檢波器采集的主動源地震記錄提取的頻散曲線以及光纖采集的背景噪聲數據提取的頻散曲線對比，顯示了分布式光纖聲波傳感器獲得的觀測記錄具有較高的精度以及可靠性.DAS具有廉價、便捷和海量數據傳輸能力等高密度和超高密度觀測優勢，在城鎮等人口密集區和跨斷層區高密度觀測段重點研究區域實現高精度探測具有廣闊的應用前景.

　　作者：宋政宏1，2，曾祥方1*，徐善輝3，胡久鵬3，孫天為3，王寶善2，3

　　通信論文投稿刊物：《光纖與電纜及其應用技術》(雙月刊)創刊于1967年，由中國電子科技集團公司第二十三研究所主辦。本刊為全國創辦最早的光纖與電纜專業期刊之一。在該領域享有很高的聲譽，主要報道有關光纖、光纜、光無源器件、光通信系統、通信電纜、射頻電纜、特種成纜和微波傳輸成及其連接器等研究和應用方面的論文和技術動態綜述。