前沿进展|光纤分布式声学传感助力远程监测火山事件

为了更好地理解和预测火山活动，需要更好地了解所涉及的各种地下过程。一种探测这类过程的新方法是使用光纤光缆作为传感器。近日，德国波茨坦地球科学研究中心的Philippe Jousset和意大利国家火山研究所的Gilda Currenti（共同通讯）采用光纤的分布式声学传感(distributed acoustic sensing, DAS)，将一根1.3公里长的光纤光缆埋置在在埃特纳火山的火山渣层中，距离火山口约2公里，并测量了各种火山活动造成的光缆的应变变化。该方案可以实现远程观测火山事件，并对隐藏在近地表的火山结构特征进行成像。当光缆因振动而变形时，对其散射光的分析，使人们能够非常精确地确定西西里岛Etna火山的火山特征。它具有较高的灵敏度和准确性，是改进火山监测和危险评估的基础。该研究成果以“Fibre optic distributed acoustic sensing of volcanic events”为题发表在Nature Communications。

火山爆发经常造成人员伤亡、财产损失，并可能对空中交通造成重大破坏。目前，全世界有约十分之一的人口生活在具有火山潜在灾害影响区域。虽然近年来人们对火山喷发之前和喷发期间的物理过程的理解有了一定的提高。然而，不确定的地下结构会导致观察到的信号被扭曲以及影响火山内部活动过程的完整探测，这使火山学家无法推断出火山现象的微妙触发机制。一方面，测量方法的精度不足以探测和识别火山内部的所有过程，另一方面，未知的地下结构使观测到的测量信号发生较大的偏差。

然而，在预测和评估火山爆发的危险时，即使是对微弱活动的了解也可能是对评价火山事件起决定性作用。例如，在西西里岛的Etna火山，欧洲最大、最活跃、游客最多的火山，有超过100万人居住在它的附近地区。Etna火山活动的特点是频繁的爆炸性喷发和熔岩排放。因此，实现对火山多参数观测可以帮助人们更好的理解火山喷发的过程，并及时发出预警来最大限度的降低损失。

由于光纤光缆具有至少几十公里的远程探测能力，问询器可以安装在偏远的地方，这使得光纤观测比传统的传感器阵列更容易和安全，后者需要遥测、现场供电和定期维护。所以，采用光纤的分布式声学传感，连续的光脉冲发送到光纤上。当纤维变形或拉伸时，光的传播时间会发生变化。例如，由于微小的地面运动、声波或温度变化，通过这种方式，这些事件可以被探测到。人们已经知道，光纤DAS可以用来记录地震:德国波茨坦地球科学研究中心的研究人员于2018年在冰岛已经证明了这一点，监测地震活动已经美国、瑞士、日本等地进行，并且该技术已被应用于其他地球科学应用来用于测量地面运动或振动。

DAS的应变率测量通过常规传感器(地震检波器、宽带地震仪、次声传感器)的测量进行验证。这种局部密集的测量方法是其他方法无法实现的，它可以探测和表征火山爆发以及当时传播的声波与近地表火山渣层的非线性相互作用，从而触发地下的共振现象。研究人员通过识别在火山地震中微小的火山事件，并以更高的分辨率来确定局部地下结构、扩展破译火山现象的能力和灵敏度，这为了解火山岩的非线性响应提供了依据。研究人员通过DAS记录了来自Etna火山(意大利)火山活动的地震声波，该方法使用的是部署在活火山火山口安全距离上的专用光纤光缆。(图1)在DAS记录中，研究人员观察和分析两个应变速率序列，从而可以推断地下结构和解释地面响应特征。

图1 在Etna火山封顶和Valle dell Bove谷附近，光纤光缆、地震仪和次声传感器的位置和部署的数字高程模型。

通过解析地震声波场，可以分析来自不同火山过程和结构的信号。光纤光缆在一次测量中，可以记录不同物理过程的宽频率范围的波场。研究人员采用波场分离来充分评价DAS记录的丰富信息内容。波场分离应用于爆炸记录增强了诱导声波波场(图2)，便于自动拾取声波到达时间，通过到达时间的差异来定位事件发生坐标。

图2. 相干波场的增强与分离用于火山爆发记录.a.地震和次声波波场的分离；b. 前向和后向传播波场的分离；c. 将观测到的应变率到达时间与理论到达时间进行了比较。

由于DAS数据的高信息量，可以成功地对火山事件进行连续监测。DAS应变速率数据揭示了频繁的瞬变现象,在地震阵列数据中几乎看不到。(每小时约30 ~ 35个事件，每个事件长5 ~ 15 s，振幅~5 × 10⁻⁷ s⁻¹)为了推断其特征，研究人员采用连续监测检测方法应用于两周的数据。这些方法探测到很多事件(图3)，但是并不是检测到所有的事件。研究人员发现了两种类型的瞬态事件（图4）：1）STP (Single Tremor pulse, 0.1~5 Hz)，通道间DAS信号具有很强的相干性，采用相似法可以更好地监测到；2）DG事件(Degassing events, 1~15 Hz),通道间相干性较低，通过STA-LTA或叠加方法可以更好地监测到。DG和STP事件与可检测的次声信号没有关联，这与火山活动水平较低是一致的，只能通过DAS记录来识别。

图3. 对弱火山活动的连续探测。a. 30分钟应变速率数据实例；b. 整个采集周期内检测到的事件之间的时间的直方图；c. 按平均事件率R缩放后，DAS检测到的事件间时间Δt的分布。

图4. DAS检测小瞬变。

发现火山结构的隐藏特征，了解地面对火山过程的反应，将有助于破译复杂的信号，揭示火山爆发的过程动力学和灾害前兆。采用DAS技术的光缆为火山结构的表征和定量评估以及监测提供了一种补充工具。在活火山上应用DAS的一个挑战可能是缺乏可用的基础设施。光纤通讯基础设施已显示一定的优势，有助于人们认识到和接受DAS的实际工作能力。一旦有多根光纤的光缆部署，它不仅可以用于数据传输而且可以实现各种光学传感技术的应用。由于其远程探测能力(目前至少有几十公里)，问询器可以安装在偏远的地方，使光纤观测比传统的传感器阵列更容易和安全，后者通常需要遥测、现场供电和定期维护。在可能的情况下，从火山峰顶向偏远地区部署一根或多条光纤光缆，这将有机会加深对地面反应的了解，包括估计路径影响，并旨在更好地了解火山现象的起源。

由于监测过程产生了大量的数据，创新的数据管理方法和大数据范式将有助于通过DAS促进火山研究和监测。作者预计，光纤技术将成为火山研究和监测的标准，特别是对于地震定位、小信号检测、详细的结构成像和对岩浆过程背后的动力学理解。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-022-29184-w

科学编辑|佚名

编辑|金梦菲菲