阵列式光纤地震仪在西藏易贡湖地区的浅层探测实验研究

随着野外观测数据的累积和地震成像技术的发展,对地球内部结构的探测范围越来越大,精度越来越高.利用新的技术手段获得更多的观测数据,不仅填补了研究区观测数据的空白,还有助于提高地下结构的探测精度.利用光纤地震仪耐极端环境和易于布设等优势,本研究使用自主研发的阵列式光纤地震仪在西藏易贡湖地区进行野外试验,首次获得了青藏高原地区主动源和背景噪声的光纤地震数据(包含一条水下测线的数据).利用背景噪声成像手段得到了易贡湖岸近地表S波速度结构,但未获得湖底的速度结构.经分析认为,湖水的流动对架设于湖底的探头造成了干扰.本次试验初步验证了阵列式光纤地震仪在极端野外环境中(尤其是水下)进行数据采集的可行性,为未来在极端环境下的数据采集提供了新思路.

光纤地震仪研究进展

光纤地震仪的传感部分和信号传输链路无电子器件,具有环境适应性强、分布式组网观测等优势,有望为深井、海底、火山等极端环境高密度地震观测提供新的技术手段。然而,现有光纤地震仪在拾振结构设计、系统传递函数研究、噪声水平抑制、频带拓宽等方面仍然存在挑战。本文根据不同的传感结构,分别综述了加速度型、位移型、应变型、旋转型四种光纤地震仪的基本原理、面临的问题以及国际上的典型案例,探讨了各种光纤地震仪的优缺点,并在此基础上对光纤地震仪的发展前景进行了展望。

光纤振动传感之一:旋转测量技术及其地震学应用

地震波场可分解为三分量平动和三分量旋转运动.旋转分量包含重要的波场梯度信息,是地震波场重建的关键要素,但过去由于缺乏稳定的高灵敏度旋转测量仪器,它在不同的地震学应用中常被忽略.光纤旋转地震仪是率先打破测量仪器缺乏困境、最先实现商业化的旋转地震仪,也是目前最有发展前景的地震波旋转直接测量设备.光纤旋转地震仪基于Sagnac效应,并依托成熟的光纤陀螺技术实现振动的旋转分量测量.它具有纯光电传感不受平动影响的测量优势;并且能够在高灵敏度和宽频带旋转测量的基础下实现设备的小型化,有利于旋转测量的应用推广.因此,光纤旋转地震仪和传统的地震仪将形成互补,实现旋转和平动六分量(6C)的观测,更好地提取地震波场特征,提高振动监测能力,有效改善震源过程反演、地下结构成像和地震破坏机理研究等应用.本文主要介绍光纤旋转测量的基本原理、旋转地震学的应用及其潜在应用前景.

利用分布式光纤声传感设备开展青藏高原易贡湖浅层结构探测

地震数据是利用地震学方法探测地下结构的基础条件,然而传统地震仪器难以获得极端环境地区(水下、高原等)的长时间、高密度连续数据。较之国际仪器厂商,国内的DAS研制相对较晚。自2016年起,国产DAS逐步应用于石油测井和城市区域地下结构探测,而运用在极端环境下的探测工作尚未见报道。中国科学院半导体研究所与青藏高原研究所经过多年合作研究,于2021年4月将自主研发的DAS系统首次应用于青藏高原的野外数据采集。本次试验同时记录了地面和水下的连续背景噪声和重锤数据。该研究利用背景噪声成像技术,获得了西藏易贡湖地区地表70 m以内的横波速度结构。本次研究为极端环境下的低成本、高密度数据采集和地下结构探测提供了理论和试验依据。

云南漾濞M_(S)6.4地震信号的旋转和平动分量面波记录分析研究

旋转分量是地震波场的重要组成部分,可以为地球内部结构成像和震源参数测定等研究提供基础信息,然而缺少高精度的观测仪器,其应用受限.新发展的高精度光纤陀螺为测量旋转分量提供了一个较为可行的方案,其性能需要进一步验证.为此,武汉大地测量国家野外科学观测研究站利用两个光纤陀螺和一个宽频带地震仪组成了多分量观测系统,并开展了观测工作,记录到了云南漾濞地震的Love波信号.基于Love波信号的垂向旋转速度记录和切向加速度记录,开展了Love波视速度和到达方位角度测算分析.结果表明视速度存在明显频散特性,测算值与其他方法测算值相当,到达方位角接近大圆路径预测值,尾波部分到达角偏离较大.由此表明高精度的光纤陀螺可以用于区域震监测,结合地震仪可形成多分量观测系统,为地震学研究提供有效数据.

Fiber Optic 3-Component Seismometer

An all-metal 3-component optical fiber seismometer was proposed and experimentally demonstrated. The theoretical analysis was given based on the electro-mechanical theory. Calibration results showed that the axis sensitivity was about 41 dB （re： 0dB=1rad/g） with a fluctuation ＋2dB in the frequency bandwidth of 5 Hz - 400 Hz. A transverse sensitivity of about -40 dB was achieved. The fluctuation of the acceleration sensitivity for the three accelerometers in the seismometer was within ±2.5 dB. The minimum phase demodulation detection accuracy of the phase-generated cartier （PGC） was 10-Srad/√Hz, and the minimum detectable acceleration was calculated to be 90 ng/√Hz.