光纤振动传感之二：基于散射或透射光的本征传感及其地震学应用

王伟君，陈 凌，王一博，彭 菲

1 中国地震局地震预测研究所，北京 100036

2 中国科学院地质与地球物理研究所 岩石圈演化国家重点实验室，北京 100029

3 中国科学院大学地球与行星科学学院，北京 100049

4 中国科学院地质与地球物理研究所 油气资源研究院重点实验室，北京 100029

0 引 言

高密度地震观测的主要目的，一是可以空间保真地采集高频地震波场，提高地下成像分辨率和可信度；二是能够改进震源参数的反演精度、微震活动和介质微弱变化的跟踪能力. 合理的空间采样间隔应根据探测介质的不均匀性尺度、监测介质活动的空间变化程度等因素而定.

地震勘探领域，特别是油气勘探，对观测密度的要求极高. 油气勘探对象从常规向非常规油气资源的转变，带来了研究目标日趋复杂的挑战，也促进了采集技术的快速发展和采集理念的巨大转变.“以记录波场为中心”的理念逐步替代了传统的追求共中心点叠加次数的采集思想（吴伟等，2015）. 随着百万道级实时同步采集系统等新型观测技术的发展以及相关数据处理技术的变革（Ourabah et al., 2020; Poole et al., 2020），地下结构成像分辨率和成像品质大幅度提高. 但是应该看到，现有的高密度采集所需的高额设备和运行费用，除了油气勘探，仍难被地震学其它应用行业接受.

和地震勘探短时采集不同，地震监测需要长时持续运行和不断的运维费用. 目前，全球地震监测台网比较稀疏：在陆地台站间距通常为数十至数百千米，而海洋大部分区域仍无台站覆盖. 对于微震监测、地震活动性和地球深部结构等研究，改善地震台网密度很有必要. 中国地震局在未来的地震台网发展规划中，将提高地震监测密度、改善地震监测能力作为其中一个重要目标（《中国测震站网规划（2020—2030年）》，https://www.cea.gov.cn/cea/zwgk/zcjd/5526499/index.html）. 该规划主要基于一定数量的传统地震仪和强震仪，实施后大部分台站间距仍将在数十千米之间.

更高密度（如接近地震勘探的米级密度）的长时连续监测，将具有高空间和时间分辨率的地下介质变化监视能力，在中小尺度区域研究中有着广泛的应用需求，特别是对地震断裂带、水库库区、滑坡地带和油气开采等的精细四维（4D）动态监测.例如断层的密集监测，是认识地震孕育、发生和破裂过程的关键. 但对于狭长（宽几米至几千米，长几十至上千千米）的断裂带，常规的点式密集监测需要大量的设备投入和后期巨大运维支撑. 因此，只有降低监测设备成本和运行成本，才能真正推动高密度4D地震监测的发展.

本文是介绍光纤振动传感的第二篇文章. 在第一篇文章中（王伟君等，2022），我们指出光纤本征振动传感将可能是未来密集长时振动监测的主要技术. 本文将阐述基于散射光或透射光的两类光纤本征传感的基本原理、实际应用和未来的发展前景.

1 基于散射光的光纤分布式振动传感和应用

1.1 基于散射光的分布式光纤传感

光纤散射是光在光纤中传播损耗的一个重要原因，不仅与光纤介质的纯度或不均匀性、光与光纤介质的电磁相互作用有关，而且与光纤外部环境（如温度和压力）变化有一定的关系.

光纤散射机理较多，最为显著的三种为瑞利（Rayleigh）散射、拉曼（Ramman）散射和布里渊（Brillouin）散射（如张旭苹，2013）. 散射光的传播方向是随机的，但在光纤中最终将汇集成与入射光传播方向相同的前向散射和相反的背向散射. 散射光的频率、强度响应特征与入射光、温度和应变的关系如图1所示. 瑞利散射光是最强的散射光，它的能量比入射光低约53 dB[相当于入射光的（4～5）×10-6，在一定的激光波长和光纤折射率情况下]（张旭苹，2013）；拉曼散射的能量比瑞利散射低约18 dB（Masoudi and Newson,2016）. 在近红外频带，瑞利散射可以让光纤中光的 衰 减 达0.1～0.2 dB/km（Lindsey and Martin,2021）. 对于温度和应变变化，不同散射光的灵敏度和响应模式存在显著差别：瑞利和布里渊散射对温度和应变都有响应，但瑞利散射仅有振幅响应，布里渊散射频率和振幅都有响应；拉曼散射的频率偏移与材料有关，振幅变化与温度有关.

拉曼散射和布里渊散射属于非弹性散射，即光子在散射过程中有能量交换. 如果散射光子吸收能量，其频率向高频偏移（称为反斯托克斯漂移，Anti-Stokes shift）；如释放能量，则向低频偏移（斯托克斯漂移，Stokes shift）. 拉曼散射是光子和光纤介质粒子在碰撞过程中交换能量的产物，其偏移频率、强度与光纤介质粒子的热运动（即温度）有关，反斯托克斯拉曼散射对温度更敏感（图1）.布里渊散射是光波与光纤介质物质波相互作用形成的. 物质波是光纤变形或光纤介质宏观热运动所产生的光纤晶格波动或介质折射率波动，和入射光波结合后产生散射，并具有类似多普勒频移现象：散射光传播方向与热振动方向同向时，散射光频率增高；反之则频率降低.

瑞利散射属于弹性散射. 光的弹性散射和地震波的弹性散射类似，与传播介质的不均匀性（如密度、成分或折射系数的差异）有关. 弹性散射时光子的能量几乎没有损耗（频率不漂移）（图1），但运动方向被重新分配. 当散射粒子直径远小于光波波长时，产生瑞利散射，其特征是散射光强与入射光波长的四次方成反比，并与散射角度有关，其中背向散射最强.

图1 光纤几种散射光的频率和强度分布示意图. T：温度；ε：应变Fig. 1 The diagram of frequency and intensity distributions of scattered lights in optical fiber. T: temperature; ε: strain

散射在光纤内连续发生，利用不同散射区不同散射机理产生的散射光，可以实现温度和应变的连续（分布式）传感. 分布式光纤传感（distributed fiber optic sensing, DFOS）的想法在1970年代开始提出，其发展历史和详细原理可以参考张旭苹（2013）和Hartog（2018）的专著. 其中，1982年推出第一个分布式温度传感系统（distributed temperature sensing, DTS; Hartog and Payne,1982），在过去的几十年DFOS更多地聚焦于温度和应变测量研究，即DTS和DSS（distributed strain sensing）（Masoudi and Newson, 2016）. 分布式光纤振动传感（distributed vibration/accoustic sensing, DVS/DAS; DVS常被代指早期非精确振动测量的系统，这里不作区分）在1990年代开始研究，但直到Posey等（2000）提出时分复用（time-division multiplexing, TDM）测量方案，高频应变（振动）测量才步入可应用阶段. 随着商业化发展，DAS逐渐在周界入侵检测、油气管道泄漏监测、大型结构健康监测、油气开采监测和天然地震监测等多个领域崭露头角. DAS在地震学最早的应用是2009年Shell公司将光纤用于井下水力压裂监测（Molenaar et al., 2012）；随后近十年也主要活跃于油气开采监测；直到最近几年，才开始大量出现在天然地震监测等非油气相关应用研究中（如Jousset et al.,2018; Zhan, 2020; Lindsey and Martin, 2021）.

1.2 基于散射光的分布式光纤振动传感（DAS）

与温度变化和应变不同，振动通过动态应变（应变率）间接测量获得. 对应变敏感的两种散射机理中（图1），虽然布里渊散射在空间分辨率上具有应用优势（Masoudi and Newson, 2016），但瑞利散射的散射能量更强，振动探测距离和频率范围更大，因此被主流商业DAS产品所采用. 本节只讨论基于瑞利散射的振动传感. DAS测量时，因为温度变化相对缓慢，对于高频应变测量影响不大.但对于低频振动测量或在温度快速变化环境中，温度会对DAS产生较大的影响（如Ide et al., 2021）.

DAS系统如图2示意，使用瑞利背向散射光（RBS），不仅能量强、受入射光干扰小，而且发射和接收可以单端集成而简化仪器和野外工作. 通常将激光生成器、光调制器、光解调器和环形器等集成称为调制解调器（interrogator unit, IU），一根光纤和一个调制解调器即可组成DAS系统. 光纤作为传感部件，可以使用普通的单模或多模（仅部分调制解调器支持）光纤，无须额外的电力供应，具有架设简单、环境耐受性好（宽泛的工作温度、防水和抗强电磁干扰等）、寿命长（不低于20年）和廉价等优点.

DAS调制解调器有多种硬件架构，但大致可分为光时域反射法（optical time domain reflectometry, OTDR）和光频率域反射法（optical frequency domain reflectometry, OFDR）两大类. 它们在激光调制和RBS解调有比较大的差别，如OTDR一般使用脉冲激光，OFDR使用扫频或白光（宽频）激光，然后分别在时间域或频率域，利用RBS的振幅、偏振、频率、相位或相关性获得光纤应变或温度变化（如Fan, 2018）. 不同的架构对DAS的灵敏度、测量距离、频带范围等参数有一定的影响，目前市场主流DAS产品主要使用相位信息测量振动，常用的方法为相干光时域反射法（coherent OTDR, C-OTDR）、相位敏感光时域反射法（phase-sensitive OTDR,φ-OTDR）或者相关光频率域反射法（coherent OFDR, C-OFDR）等三种.

下面简单介绍用散射光相位变化测量振动的基本原理. 光源产生的连续激光经过调制器后生成高度相关的窄带脉冲光（时间宽度为τ），并通过环形器重复注入光纤，形成类似一个光柱在光纤中向前传播. 光柱的长度为L0=τc（c是光纤折射光的视光速），称为DAS的空间分辨率. 光柱（L0）越窄空间分辨率越高，但散射光能量也越弱，会影响探测距离. 在一个探测脉冲周期内，t1和t2时刻光柱的位置分布在t1c和t2c（图2中A和B），它们光柱所在位置产生的背向散射光分别在2t1和2t2时刻返回光纤起点. 光柱须在一个探测周期内完成整条光纤的传播，因此把一个探测周期内的时间称为快轴时间，可用于确定光柱（或散射）所在的位置.

图2 分布式光纤振动传感（DAS）系统示意图. 背向瑞利散射光能够测量光纤应变和温度的变化，振动是通过高频测量应变（或应变率）而获得. L0表示DAS的空间分辨率，是光脉冲在光纤内的光柱长度. 散射在光柱内是随机分布的；c是光纤光速，A和B为t1和t2两个时刻光柱所在位置；深红色和浅红色箭头分别指示透射光和背向散射光的传播方向Fig. 2 The diagram of the fiber-optic distributed acoustic sensing (DAS) system. The Rayleigh back-scattering lights can sense the changes of strain and temperature in fiber, and the vibration is obtained from high frequent strain (or strain rate)measurements. L0 is spatial resoltuion of DAS, which is the length of light plus in the fiber. The scattering is random distributed. c is light speed in fiber-optic; A and B are locations of fiber sections for light in the time of t1 and t2; the dark and light red arrows indicate the direction of transmitted light and back-scattering light respectively

周期发射探测激光，得到的散射光信号如图3a示例. 发射探测激光的时间称为慢轴时间，散射信号可以转变为时间（慢轴）和空间（快轴）二维序列（图3b）. 散射光振幅整体是随着距离的增加而衰减，但由于散射体是随机分布的，因此散射光的振幅和相位会存在起伏涨落（图3）. 在光源稳定，光纤所处环境没有变化的情况下，散射光是稳定的，不同时间相同位置的相对相位不会变化；但如果光纤受到应变扰动，散射体位置的微弱变化使散射光的振幅和相位都会发生相应变化. 其中相位的变化与应变关系更为线性，常被用于振动的精准测量. 为了提高探测灵敏度，DAS往往将相隔一定距离Lg（标距）的两个散射区（如图2中A、B和图3b中红黑点）的散射光进行组合，测量标距长度内的应变或动态应变.

图3 （a）背向瑞利散射光信号的振幅—时间序列. （b）将时间序列按快慢轴重排后的二维时间序列. 红点和黑点分别对应光纤上的两个采样区段（修改自Masoudi and Newson, 2016）Fig. 3 (a) Amplitude-time series of the RBSs. (b) Rearranged the time series into 2D time series according to the fast and slow axis. The red dot and the black dot correspond to the two sampling sections on the fiber (modified from Masoudi and Newson, 2016)

标距间的散射相位变化 Δφ和光纤长度变化（ Δx）、折射率变化（ Δn） 、激光频散（ Δλ）和标距间光纤轴向应变 εDAS有（Hartog, 2000; Lindsey et al., 2020a）：

式中，相位的单位为弧度（rad），n为光纤折射率，λ为激光的波长，ξ为单模光纤玻璃的Pockels系数（和光纤材料有关）. 由于使用1 550 nm激光和带通滤波，频散影响可以忽略不计. 温度和应变都能引起折射率的变化，但高频采集时，温度的变化远慢于应变变化，可以忽略；因此应变本身和它对折射率的影响（综合为ξ系数），是导致相位变化的主要因素. 对于λ=1 550 nm入射激光，掺杂GeO2的包皮单模光纤ξ=0.735，n=1.445，10 m标距光纤轴向应变εDAS为（Lindsey et al., 2020a）：

DAS有不同的相位变化测量方案：从相同空间不同时间的RBS信号中测量（图3b，沿慢轴的差分），或者从同一测量脉冲相邻空间的RBS信号中获得（图3b，沿快轴方向）. 沿着快轴，被测量的是光学相位（即应变）. 沿慢轴，被测量的是两个脉冲间隔的相位变化（即应变率）.

测量到的应变或应变率并非直接对应地面运动. 假设平面地震波u(t)=Ae−iωt以一定角度入射到光纤（图4a），光纤中的点应变和应变率为：

图4 P和S波DAS响应函数. （a）平面入射波以一定角度交汇于光纤；（b）P波和（c）S波的DAS响应函数. 其中标距L=10 m，VP=2 500 m/s，VS=1 560 m/s（修改自https://motionsignaltechnologies.com/what-is-das-and-what-is-it-measuring/）Fig. 4 DAS response functions for P and S waves. (a) Waves incident into optical fiber with angle; and the DAS responses for P wave (b) and S wave (c). Where gauge length L=10 m, VP=2 500 m/s, VP =1 560 m/s (modified from https://motionsignaltechnologies.com/what-is-das-and-what-is-it-measuring/)

式中，c是视慢度，u˙为地震波传播速度. 应变（率）极性反映振动的压缩和拉张，和振动的传播方向无关. DAS测量的是标距长度内的线应变（率），在均匀介质而且波长远大于标距的情况下，与地震波速度关系如下（Bakku, 2015; Wang et al., 2018）：

式（4）表明，可以用标距两端的地震仪观测模拟DAS观测. 在标距顺序相连的情况下，光纤应变率和波速的关系如下：

式中，应变率和速度的位置分别对应标距的中心和两端. 右侧反演参数要多于观测数据，是欠定方程组，需要在一定的假设条件下才能求解. 更为直接和可靠的转换方法是用地震仪同位观测对比标定（Bakku, 2015; Lior et al., 2021），如Lindsey等（2020a）用宽频地震仪对比拟合DAS的仪器响应，可从中提取更真实的地面运动.

DAS标距测量模式及其仅对光纤轴向应变敏感的特点，导致不同频率、不同入射角和不同类型的地震波对DAS观测有很大的影响. DAS测量的应变(εDAS） 和同点的应变(εgeo）有如下关系（Bakku, 2015）：

式中，kapp和 λapp分别是振动波的视波数和视波长.sinc是递减的振荡函数，输入为0时振幅最大，为nπ时振幅为0. 由于P波和S波的质点运动极性不同，它们的DAS响应函数存在明显差异（图4）：P波和S波的最佳入射角度分别是与光纤平行和斜交45°；当光纤走向发生变化或非平面波入射，将会使密集观测振幅出现较大的起伏，不利于数据分析.

因此，和传统地震仪相比，DAS像是一长串单分量检波器，其分量方向与光纤的展布方向有关：如果是垂直向下布设，它就是垂直向检波器；水平布设，就是水平向检波器，并且方向随着光纤的弯曲而变化. 因此可以利用光纤良好的几何可塑性，将一条或多条光纤构架成一定的几何形态，如特定的螺旋/直线几何组合，就可以实现多分量（如6C）分布式振动测量（Ning and Sava, 2017, 2018）. 该方法的可行性获得了理论和数值分析的证明，但由于结构的严苛和复杂，实际应用比较困难.

DAS系统的性能由调制解调器与传感光纤两个部分决定，调制解调器对性能影响较大，测量性能指标主要包括：

（1）最大测量距离. 目前DAS产品都是基于背向散射光的单端探测构架，最大测量距离在100 km左右. 测量距离主要与光纤散射系数和光纤双程衰减有关. 增强探测激光是提高测距的一个方法，但受限于强激光对光纤的非线性效应；其它的方法包括解调方法的改进（He et al., 2020）、双向光放大器（van Putten et al., 2019）和强散射光纤的应用（主要应用于尾端, Cedilnik et al., 2019）等.

（2）应变分辨率（灵敏度）. 可测量的最小应变值取决于返回光信号的载信噪比. 载波电平信号强度主要由光信号的幅度决定，而噪声则是多种来源的组合，包括激光噪声、电子噪声和检测器噪声.

（3）时间采样率. 需要考虑光纤长度和探测激光脉冲宽度. 时间采样周期需要大于激光脉冲时宽，并且保证激光可以完成光纤两端的往返. 因此提高测量距离，将增大采样周期（即降低时间采样率）. 对100 km长的光纤，最大采样率不能超过1 kHz，已经能够满足大部分地震勘探和天然地震的波形频率需求.

（4）空间分辨率和空间采样率. 如前所述，空间分辨率主要取决于发射脉冲的持续时间，即相当于探测激光光柱的长度. 探测激光的能量和脉冲宽度成正比，增加脉冲宽度提高探测光的强度，也即可提高DAS的测距，但会降低空间分辨率. 此外，由于标距测量模式，DAS的空间分辨率也受标距的影响，长标距可以提高测量灵敏度，但将降低空间分辨率. 空间采样率在DAS系统中一般能够灵活设置，可以大于也可以小于空间分辨率；小于空间分辨率时，产生的信号会彼此不独立.

和地震仪类似，DAS的主要性能指标还包括动态范围和频带范围等. 在应变分辨率确定的情况下，DAS的动态范围与光纤允许的最大变形和相位变化的跟踪范围[公式（1）]有关. DAS的频带范围优势比较突出，在高频可优于声波（如大于或等于20 kHz），在低频端已有应用发现可低于0.001Hz（Becker et al., 2017; Becker and Coleman,2019）. 这意味着DAS在频带上有潜力覆盖从高频岩石微裂隙发育的声发射至低频慢事件（如断层蠕滑、裂隙开合）的监测.

DAS的应用面很广，设备的发展也非常迅速，从早期的定性测量，应用于周界入侵、油气管道、输电线路和铁路等安全监测，发展为精确的定量测量，可应用于地震学不同领域. 目前，国内外商业化DAS产品众多，由于不同行业对性能的关注点不同，DAS性能也可以根据应用进行调整；因此，针对地震学应用，对不同DAS产品进行系统的测试对比、并制定性能评测标准是非常有必要的，但目前尚未有相应工作.

1.3 分布式光纤振动传感的地震学应用

DAS在地震学应用的优势主要表现在三个方面：可持续的密集采样、大量的冗余可用光纤资源和强大的环境适用性. 与节点地震仪密集监测相比，DAS有更低的单点采集平均成本以及运维成本. 单台DAS价格昂贵（1～2百万元），但一台DAS可以带动上万个测点；此外，DAS观测无需考虑每个测点的供电、数据传输和巡视等运维问题，长期运行时优势显著.

目前全球光缆的覆盖率已经达到了惊人的地步，大量的通信或安保光缆分布在城市、城际、铁路沿线、油气管道沿线和海洋等地区，这些地区往往也是地震监测薄弱的区域. 光缆一般由几至几百芯光纤组成，通常都有冗余备用光纤（dark fiber），只要能够部分利用已有光缆的冗余光纤，就可以快速而且廉价地搭建密集的振动监测网络.

光纤作为传感器，廉价（多芯的户外铠装光缆为几千元/千米），而且具有防水、防电磁干扰和耐高温高压等特性. 以温度为例，普通光纤工作温度在-40～60 ℃，有特殊涂层的光纤在DTS中工作温度可高达1 200 ℃（Xu et al., 2016），在DAS中可稳定工作温度高达150～210 ℃（Westbrook et al., 2020; Wu et al., 2020）；而电容换能地震计工作温度普遍在-20～40 ℃（CMG-6T可达-40～75 ℃， Bashilov et al., 2018）. 因此，在火山、深井、冰川、海洋、沼泽或强电磁场干扰等常规地震仪无法工作的恶劣环境，都可以用DAS实现观测覆盖.

1.3.1 井下油气开采监测

井下监测是DAS最早的地震学应用（图5）.垂直布设的井下光纤类似于单分量垂向检波器串，但具有更强的环境适应性和更高的空间采集密度；此外光纤可以一缆多用，实现振动、温度和应变综合分布式传感（Karrenbach et al., 2019）. 因此光纤传感有逐渐取代检波器的趋势. 井下DAS应用可分为垂直地震剖面（vertical seismic profiling, VSP）、地震监测和储层特性研究三类（Mateeva et al.,2014; Lellouch et al., 2021）.

图5 水压致裂操作过程中监测井DAS记录到的低频响应（修改自Jin and Roy, 2017）Fig. 5 Low-frequency DAS response at an offset well during hydraulic-fracturing operation (modified from Jin and Roy, 2017)

利用主/被动源进行井下精细介质结构成像或介质时变分析的DAS VSP应用，目前在成像方面已经优于传统手段（Lellouch et al., 2021），能够胜任对CO2存储和油气开采等过程中的地下介质时 变 监 测（Mateeva et al., 2017; Isaenkov et al.,2021）. 井下地震监测可以避免地表浅层复杂介质对地震波的影响，而且更接近震源区，有利于微震检测，用于发现压裂诱发的地下裂隙发育. 对比研究表明（Lellouch et al., 2020a），井下DAS能识别的微震数量要优于地表观测，但少于井下检波器串观测：DAS完备震级可以到-1.4，而检波器串可以至-1.7；检测差异与DAS灵敏度和检测方法有关. 得益于密集空间采集，DAS检测的微震定位精度要优于检波器串（Webster et al., 2016）. 利用观测的几何分布、传统地震仪的标定辅助等措施，特别是多井和地表联合观测，井下DAS能够测定地震震源机制和震级，并进一步改进结构成像、介质动态监测以及地震事件检测等的精度和可靠性（Grandi et al., 2017; Molteni et al., 2017; Cole and Karrenbach, 2019）.

DAS宽频传感特性结合时空密集采集，给地下油气储层特性研究带来了前所未有的机遇（Lellouch et al., 2021）. 非常规油气开采中为了提高油气的渗透性，通过作业井在地下深部泵入高压泥浆制造裂隙. 为跟踪裂隙发育状态和过程，传统方法利用微震分布、应力标度或化学示踪等手段，但仍较难实时捕捉裂隙发育细节. 而通过DAS观测，Jin和Roy（2017）发现0.05 Hz以下DAS低频信号的时间进程可以分辨出泥浆注入的阶段，并清楚地展示出压裂过程中裂隙的开与合、应力阴影的产生与松弛等特征（图6）；利用机器学习，DAS低频信号能够用于裂隙发育的自动探测（Jin et al.,2019）. Ichikawa等（2020）采用低于0.5 Hz的DAS低频分量构建应变率和累积应变图，估计多个作业井裂缝的位置、发育时间和连通情况；利用高于10 Hz的高频DAS数据，更精确地获得破裂时间，由破裂位置和破裂时间估算裂缝的传播方向和速度；结合同光缆的DTS观测，检测到伴随压裂响应的温度变化.

由于DAS能够有效记录振动源激发的井下管波（tube wave，或称为Scholte波）和导波（guided wave）. 管波是一种沿钻孔圆柱状流体固相边界传播的界面波，其基阶也称Stoneley波，可用于确定井眼附近岩层的物理属性. 当管波穿过与井眼相交的开放裂缝时，受到扰动后产生从裂缝向上和向下沿井筒行进的二次管波. 因此管波可用于定位开放性裂缝，基于波形特征定性可评估裂缝的 长 度 和 宽 度（Bakku, 2015; Nakata et al., 2019;Borodin and Segal, 2020; Hunziker et al., 2020;Schumann and Jin, 2020）. 导波是地震波进入低速裂隙后，能量被围陷在其中沿裂隙传播的界面波.当振动源在裂隙内或附近时，能够产生能量很强的导波；反之导波能量较弱. DAS可记录到频率高达700 Hz的裂隙穿孔导波，能够用于储层精细结构或微小裂隙研究（Lellouch et al., 2019a, 2020b; Luo et al., 2020a）.

1.3.2 主动源地震勘探

为了获得地下三维结构高分辨率图像，地震勘探装备总体是朝着更“轻便”和更“密集”的方向发展. 从最初的检波器—线缆集中采集，发展到目前陆地流行的节点式地震仪密集采集，野外采集的自由度得到改善，但增加了采集的设备成本和运维成本. DAS的应用使地震观测又回到了线缆时代，但不再需要逐点安装检波器，野外采集更为简洁和轻便.

野外测试 表 明（Daley et al., 2013; Freifeld et al., 2017; Spikes et al., 2019; Bakulin et al., 2020），DAS具备应用于地震勘探的潜力. 特别是在铺设光缆相对容易的区域，如在沙漠、冰川，海洋或可开展非地埋拖缆施工的场地，DAS的便捷优势更为突 出（Urosevic et al., 2018; Alajmi et al., 2019;Bakulin et al., 2020）. 对海底50 km长光纤记录的主动源气枪信号进行分析（图7, Matsumoto et al.,2021），结果显示DAS类似于水听器，对于10-1至几十赫兹范围内的水声信号比较敏感；观测到的水声信号相位至少在几千米长度内具有很好的相关性. DAS在地震勘探中应用的优势在于它具有可低至0.25 m的近连续空间采样；在布设好的光纤中，道间距可以根据浅层和深部结构成像需求灵活配置；目前主要问题是灵敏度低和反射P波受入射方位角影响较大，如图6e和6f中远距离的地震P波入射角近垂直，接收信号能量不明显.

图6 日本四国岛Muroto光缆DAS实验. （a）50 km长光缆接收到的气枪信号（在光缆20.8km附近），其中小图显示地震（五角星）、OBS（三角）和光缆（红线）的相对位置；（b）气枪源附近DAS信号放大；（c）20.8 km处单道DAS气枪信号和频谱；（d）附近OBS接收的气枪信号和频谱；（e）DAS接收到的地震信号；（f）20.8 km处单道DAS地震信号和频谱（修改自Matsumoto et al., 2021）Fig. 6 The DAS experiments on "Muroto cable" in Shikoku Island, Japan. (a) The airgun (near the location of cable length at 20.8 km) signals received by the 50 km fiber cable section. The inset shows the locations of earthquakes (star), OBS (triangle) and cable (red line); (b) The enlarged signals near the source; (c) Airgun signal and its time-frequency spectra of single DAS channel at 20.8 km; (d) Airgun signal recorded by nearby OBS and its time-frequency spectra; (e) Signals from M1.7 earthquake nearby received the 50 km fiber cable section; (f) Earthquake signal and time-frequency spectra of single DAS channel at 20.8 km (modified from Matsumoto et al., 2021)

1.3.3 浅层结构和城市地下空间探测

浅层结构和人类的生存与发展密切相关，特别是城市的浅层空间，对于城市安全、可持续发展至关重要. 城市地震小区划、活断层探测、地面沉降与塌陷监测、地下空间开发和城市规划等，都迫切需要地下浅层数百米内的清晰结构图像. 浅层探测并非易事，特别是在城市区域，传统勘探受到建筑阻挡、噪声干扰，探测成本高、探测效果差.

DAS给浅层勘探和城市地震学工作的开展带来了新的机遇. 城市光纤资源最为丰富，大量光缆（主要是通信光缆）充斥于道路、桥梁和楼宇等建筑之下，为DAS的应用提供了可利用的密集观测网. 虽然城市地下光缆大多是套管铺设的，但实验表明这些非理想耦合套管光缆可以用于地震学研究：Ajo-Franklin等（2019）利用地震事件对比了不同安装环境的光纤，发现耦合良好的光纤DAS记录频带更宽，甚至包含近地表高频散射波能量；而套管光纤在0.1～10 Hz频带的信号和密切耦合光纤记录相似；主动源实验结果也表明，套管光纤能够有效记录高频气枪信号（王宝善等，2021）.

此外，DAS密集采集使它拥有强大的台阵分析能力，能更有效应对人文复杂噪声环境，识别和分离有用信号等. 例如，城市具有复杂的交通噪声源，对于单台地震仪，其记录就是一片噪声信号，难以提取有效信息；但在DAS监测下则可以展示出有序的速度、方向等移动矢量，进而可以获得通行量或车型等信息（图7）（Ajo-Franklin et al.,2019; Jakkampudi et al., 2020; Lindsey et ～al., 2020b;Wang et al., 2020, 2021）. 城市异常声源，如打雷诱发的地面运动（Zhu et al., 2019），可以被DAS系统有效跟踪和分析. 非法侵入安保、油气水管线泄漏检测等早期的DAS应用，随着AI技术的引入（如Jakkampudi et al., 2020），对振动类型或属性（如挖掘、车辆等）的识别和区分更为快速可靠，进一步展示出DAS在浅层空间探测的应用潜力（Zhu et al., 2021）.

图7 斯坦福大学DAS-2实验. （a） DAS光纤路线（黑线）分布图；（b）DAS记录的交通轨迹. 波形被0.1～1 Hz带通滤波以便突出车辆经过时高质量的路基变形响应. 每辆车辆均被编号（修改自Lindsey et al., 2020b）Fig. 7 Stanford DAS-2 experiment Array. (a) Map of optical fiber path used for DAS (black line); (b) Vehicle observations from Stanford DAS-2 experiment. Waveforms are bandpassed around 0.1～1 Hz to highlight the high-quality geodetic strain responses of the roadbed due to vehicle loading. Individual vehicles are numbered (modified from Lindsey et al., 2020b)

DAS可以在城市活断层探测中发挥重要的作用. 城市活断层探测工程，在中国已经实施了多年，需要在不同城市开展大量的主动源地震勘探，确定断层位置，再辅助钻孔测井等手段进行深入探测.城市物探开展相对比较困难，能够覆盖的区域有限，需要大量的人力、物力和财力支持. 目前已有多个使用现成通信光缆的DAS观测实验，发现能够记录到与断层结构相关的独特地震波信号，有助于发现和定位断裂带.

通过冰岛15 km通信光缆的DAS记录，Jousset等（2019）最先发现本地地震和地脉动噪声波形在一些位置存在振幅、持续时间和相位的异常，记录了断裂带激发的断层围陷波. 他们估算出其中最显著的断裂破碎带的宽度在60 m左右，地震波在其中的视传播速度为340 m/s，低于围岩约30%～40%.根据类似波形特征他们还发现了几条新的断裂带.Lindsey 等（2019）利用加州近海20 km的通信光缆接收到小震波场，也发现类似的异常波形，其中一些位置与已知的断裂位置吻合；由此他们推断该区域存在多处未知的断裂带（图8a～8c）. Cheng等（2021）用该光缆的噪声记录，提取了 Scholte 波多阶频散曲线，反演出海底浅部沉积的高分辨率二维横波速度图像，获得浅层断层带和海底沉积特征，及其显著的横向差异信息（图8d）. Li等（2021）用10 km长的通信光纤DAS记录分析美国加州2019年Rridgecrest地震的余震时，也发现光纤下方有几处类似信号，推测存在未知隐伏断裂带.

图8 美国加州Monterey湾区的MARS DAS实验. （a）MW3.4 Gilory地震的DAS波形记录和预测的地震震相到时（不同颜色线条）. 海岸在距离为0处. （b）B区已知断裂波形的放大. （c）MARS光缆、已知断层和Gilroy地震分布图.DAS只有其中20 km光缆（粉色）. （d）叠加VS反演和反向散射Scholte 波偏移的综合结果. 背景灰度图显示自然偏移结果；正面彩色图像为VS结果；蓝色虚线代表Kirchof 偏移结果. 黑色虚线表示从自相关图像观察到的水平不连续性. 注意此图海岸在左边[（a～c）修改自Lindsey et al., 2019；（d）修改自Cheng et al., 2021]Fig. 8 MARS DAS experiment in Monterey Bay, CA. (a) Full array observation (0 indicates the shore) with predicted seismic phase arrivals (colored lines). (b) Inset shows scattering with recently mapped submarine fault locations (white arrows). (c) The map shows MARS cable (DAS, pink portion), mapped faults, Gilroy earthquake. (d) Integrated results using VS inversion and backscattered Scholte wave migration. The gray background image shows the natural migration result; the front color image shows the VS inversion profile; the blue dashed line represents the Kirchhoff migration result. The black dashed lines indicate the observed horizontal discontinuity from the autocorrelation image. The shore is at the left side of the figlet [ (a～c) modified from Lindsey et al., 2019; (d) modified from Cheng et al., 2021]

DAS在浅层速度结构探测中具有明显的应用优势. 地下水平铺设的光纤，相当于密集的单分量水平检波器阵列，适用于现有的各种主动、被动源面波和体波勘探方法. 通常使用小孔径台阵处理方法（如多道面波分析方法，MASW），利用落锤、汽车通过等主动震源激发的面波、天然地震激发的面波（Luo et al., 2020b; 宋政宏等, 2020; Yuan et al.,2020）或背景噪声互相关提取的短周期面波频散曲线（Zeng et al., 2017; 林融冰等, 2020），反演台阵下方浅层数十米至数百米的S波速度结构. 在有少量三分量地震仪同步观测的基础上，还可以构造出DAS的噪声H/V（水平与垂直分量谱比）曲线，与频散曲线联合约束S波速度结构（Spica et al.,2020）. 由于DAS可以几十千米长距离同时采集，利用已有的光纤，它探测成像效率要远远高于常规的检波器探测手段.

DAS宽频带性能有助于提高浅层勘探深度.Yuan等（2020）将背景噪声和地震信号联合来获得更宽频带的面波频散曲线，提高S波速度结构反演深度和分辨率. Shragge等（2021）用近海城市光缆记录噪声提取了低频面波信号（0.04～1.80 Hz），认为通过DAS噪声分析能够获得深达500 m的浅层结构信息. 因此，利用已有的光缆和DAS长距离密集采集，将能够大幅度降低浅层探测野外工作成本，提高探测空间分辨率，更廉价快速地获得城市高分辨率的浅层结构图像，为地震场地分类、城市地下空间探查等应用服务.

1.3.4 地震监测和深部结构成像

除了油气井的监测，DAS已经开始应用于断 裂 带（Lellouch et al., 2019b, 2019c）、火 山（Nishimura et al., 2021)、海洋（Lior et al., 2021）、冰川（Booth et al., 2020; Walter et al., 2020）和城市（Martin et al., 2017）等的地震监测中. 不同区域的DAS野外实验，沿光纤记录到本地、区域或远距离地震的波形信号，与相同位置传统地震仪的记 录 高 度 相 关（Lindsey et al., 2017; Wang et al.,2018）. 利用DAS频带和密集监测的优势，可以克服单分量测量和灵敏度低的不足，改善震源反演、深部成像和介质动态变化监测等方面的应用（Fernández-Ruiz et al., 2020; Zhan et al., 2020）.

对断裂带进行井下—地表立体地震监测来探测断裂带内部活动，是断裂带监测的发展方向. 井下观测仪器故障率高、风险大，如美国加州San Andreas断裂带的SAFOD井下观测项目投入巨资，因井下检波器串故障，只维持了几年的运行时间（http://www.ncedc.org/safod/）. Lellouch 等（2019b,2019c）利用DAS和井内原有的光纤，使SAFOD井下地震观测在一定程度上得以“复活”. 这些研究也进一步显示出DAS的应用优势：如检测到被地表监测遗漏的众多小震；反演得到比原来的区域模型更高分辨率的P波速度模型；发现P波和S波三个显著的波速分段以及VP/VS浅部异常.

在火山、海底和城市等强背景噪声区的地震监测方面，DAS也展示出突出的应用潜力. Nishimura等（2021）将DAS应用于日本Azuma火山研究，证实DAS在火山监测方面的优势：传感部件光纤全埋在地下，耐高温，不受火山爆发和火山灰的影响；密集的波形相关解决了火山地震的初至难以识别的问题，将震源定位到火山区约1 km深度的浅部；用地震波振幅获得了场地放大效应信息，与以前岩浆流动特征和火山高程分布有很好的相关性.Lior 等（2021）对地中海三条不同的海底通信光缆进行DAS测试，并认为使用海底光缆DAS观测对地震的检测能力要优于陆地光缆，处于与宽频带地震观测相似的水平；其监测能力主要与噪声水平、光纤响应和光纤所处区域地下介质的视速度有关，海底DAS在海洋地震监测方面发展潜力巨大. 在高背景环境噪声环境下，利用DAS包含的丰富波场信息，通过频率、波数等参数分析以及叠加去噪等手段，也可以做到地震信号的有效提取（Fernández-Ruiz et al., 2020）.

震后快速及时的加密监测，对于发震构造与地震序列判断、强余震预测和后续深入研究是非常重要的. Li等（2021）在2019年Ridgecrest的M7.1地震后，利用震源区周边4条总长达55 km的通信光缆，三天内建立了约6 000个接收点的DAS密集监测网络. 基于震后3个月DAS数据，利用其中一条10 km长的光纤DAS观测以及波形模板匹配方法，检测到数量6倍于加州地震目录的余震，这些余震大量分布在主震和M6.4前震所在的多条交错断层. 该研究结果显示的DAS良好的震后快速响应和监测能力，为今后强震应急加密观测提供了重要参考.

目前DAS数据应用于地壳、地幔等深部结构成像的研究相对较少. Trainor-Guitton等（2019）利用移动可控震源、井下固定光纤组合开展内华达州Brady地热4D监测，并结合地震勘探数据，对地热断层进行三维反射率成像，识别出地下三条断层的位置和形态. Yu等（2019）基于长约20 km光纤记录的一个远震数据评估了DAS深部应用的可能性；借助附近一个常规地震台，他们获得了DAS接收函数，有效识别了Moho面Ps转换波；提取了部分震相（如大振幅面波）的密集走时信息以及20～50 s的路径平均瑞利波群速度. 这些工作表明，DAS在深部结构研究领域具有广阔的应用前景.

1.3.5 时变动态监测

DAS在地下介质时变动态监测中应用广泛，但大部分集中于井下VSP光纤，主要用于1.3.1节中所描述的井下油气开采的储藏变化和水压致裂介质变化监测，或CO2固化和地下存储监测（如Pevzner et al., 2021; Yavuz et al., 2021）. 通常这些井下时变监测会配备主动震源，如地表轨道振源（surface orbital vibrators, SOV），结合单井或多井光缆观测，获得介质地震属性的变化（Pevzner et al., 2021）.

水平铺设光缆的DAS时变动态监测应用相对较少，这应该与水平光缆DAS观测起步较晚、应用场景和数据积累较少有关. Dou（2017）等利用二百多米L型布设的光纤噪声记录，监测三个星期内的浅层介质变化. 她们认为这个观测系统可以较好地约束浅层20 m深度范围内S波速度，并且可重复性地监测到2%的速度变化，足于反应浅层含水量或冻土比例的变化. 而Ajo-Franklin等（2019）采用短期DAS噪声数据，却没能提取出与实际水位变化有关的浅层30 m范围内的速度变化.

Fang等（2020）利用13.3 km外采石场的重复爆炸，通过信号处理降低DAS测量噪声、噪声场变化和震源小波的影响，监测到光纤附近地下室挖掘引起的近地表速度的显著变化（13.2%）. Tsuji等（2021）开发了一种基于小型震源和DAS的新型连续监测系统. 他们使用部署在陆上地热田和近海区域的光纤电缆，大面积（多库区）、高精度（时变监测误差小于0.01%）、高空间分辨率连续监测到地热作业和降雨引起的孔隙压力变化. 图9是其中一条光纤DAS记录的主动震源信号和受降雨影响的介质速度变化，密集监测能够看到小尺度空间内变化的差异和共性，更有利于异常变化的可靠性判断和成因分析.

图9 DAS系统（离震源1.75 km）的监测结果. （a）由垂向震源得到的转换函数（左边）和617道的时间变化（中间和右边）；（b）10月10日至11月4日615～650道的P波速度变化，以10月22日为零. （c）615～650道平均速度变化（黑色）和降雨量（蓝色）. Oct：十月；Nov：十一月（修改自Tsuji et al., 2021）Fig. 9 Monitoring results derived from the DAS system ～1.75 km from the source system. (a) Transfer functions at all receiver channels derived from vertical source motion (left) and temporal variation of channel 617 (middle and right). (b) Temporal variation of P-wave velocity for channels #615～#650 from 10 October to 4 November. The velocity change is defined by using the velocity on 22 October as zero. (c) The velocity change averaged from channel #615～#650 results (black), and the precipitation from rain events (blue) (modified from Tsuji et al., 2021)

2 基于前向透射光的光纤振动传感及其应用

洋中脊扩张区和板块俯冲带是全球地震最活跃的地区，也是探索板块运动动力来源的重要区域，然而由于传统海底地震观测难度较大，目前海洋地区是地球表面地震监测能力最薄弱的区域. 另一方面，全球现今海底通信光缆总长已超过100万千米，并且还在不断增加中，把海洋丰富的光纤资源转化为地震监测网络，将会给海洋地震学和地球动力学研究带来前所未有的发展机遇. 基于背向散射光的DAS只有百千米量级的测距，与跨度上万千米的大洋相比远远不够. 透射光强度约是散射光的百万倍，具有更长的传播距离，是长距离振动传感的一个重要方向，目前已经在两个方面有所突破.

一是利用透射光偏振（polarization，或极化）状态变化实现振动传感. 光波是一种横波，它的光矢量与传播方向垂直，偏振指示了光矢量的角度.光在光纤中传播，输入端光的偏振态（state of polarization, SOP）和输出端是不一样的；如果光纤没有受到干扰，输出端SOP是稳定的（图10a中的A图）；但如果受到影响，偏振会不断变化（图10a中的C图）. 电信公司通过监视输出端SOP的变化，检测光缆状态或校正信号失真. 陆地光缆的SOP比较混乱，与陆地温差大、环境噪声强有关，海底光缆的SOP则相对比较稳定. 谷歌公司对海底光缆的长期监测发现，光缆的SOP有时会发生显著变化，Zhan等（2021）研究发现这是由于海浪或地震波的应力扰动造成的，并发展出从中检测地震和应力变化的方法（图10a）. 他们从谷歌公司长上万千米海底通信光缆的SOP数据中，在10 mHz～5 Hz频带检测到了海底中强地震以及海水涨落引起的应力变化.

二是利用透射光的相位变化进行振动传感. 振动引起的光纤形变，也会影响透射光的传播时间（即相位变化）. Marra等（2018）基于超稳定的激光干涉技术实现了透射光相位振动传感. 他们利用海底光纤链路，将相位超稳定的1 Hz窄带激光注入光纤一端，在光纤尽头经另外一根光纤回路返回发射端，与入射光进行干涉处理，检测相位变化（图10b）. 由于使用了超稳定激光和用于下一代原子钟时钟比测的高精度频率计量干涉技术（frequency metrology interferometric techniques,FMIT），该方法可以确保传播时间变化完全来自于光纤扰动产生的相位延时. 目前，整条光纤只能解调出一条波形记录，能够清楚地辨识出地震的P波和S波信号；测试的光纤链路最长达535 km，可以探测到25～18 500 km外的强震；可以通过不同链路的地震信号，实现地震定位.

图10 光纤透射光的振动传感. （a）基于透射光偏振状态（SOP）的振动传感（修改自Zhan et al., 2021）. 输入端的SOP是稳定的，接收端会一直监视SOP，正常情况下输入和输出SOP关系是稳定的（A）. 但当光缆受到来自地震和海浪产生的振动和应力（B），输出端的SOP会出现异常（C），从中可以检测出地震或海浪. SOP通常被旋转到北极以便于分析. （b）基于透射光相位变化的振动传感（修改自Marra et al., 2018）. 稳定的1 Hz激光被注入光纤，并通过回路从另外一根光纤中返回，进行干涉相位测量Fig. 10 Principles of fiber sensing of transmitted lights. (a) Polarization-based on transmitted light sensing (modified from Zhan et al., 2021). The state of polarization (SOP) at the receiver is monitored routinely while the input SOP stays stable. The output SOP is generally robust, owing to relatively minimal perturbations along most of its path in the deep ocean (A). The SOP anomalies (C) produce by shaking or pressuring the cable are used to detect earthquakes or ocean waves (B). The SOPs are rotated to the north pole for analyzing (D). (b) Phase-based of transmitted light sensing (modified from Marra et al., 2018).Stable lasers are injected into one fiber, and then returned to sender from another fiber for Interferometric phase measurement

无论是基于相位还是偏振状态的透射光振动传感，目前都无法实现分布式探测. 激光向前传播时，光纤上的振动同时对散射光和前向透射光产生影响，但散射光是不断产生的，并且每束散射光都有位置标识（即快轴时间）；前向传播的光只有一束，而且不同位置振动的影响都被叠加到了一起，很难判断光纤哪个区域有振动以及它对透射光变化有多大贡献. Marra等（2018）的传感方法需要相位超稳定的激光，独占两条光纤，成本相对较高；但由于有两条传感光纤同时接收振动，具有冗余信息，也许将来可以发展实现分布式传感. Zhan等（2021）的SOP方法只使用单条通信光纤的偏振状态监测数据，更难实现分布式传感；但它不需要独占光纤，不涉及通信数据安全，数据量小，无额外的硬件成本，可传感距离更长；这些优势将有助于将它应用于低成本大范围海啸预警. 因为光缆在海底不易受破坏，而且检测事件更快速，因此，光纤SOP振动传感有可能会比现有海啸预警系统更可靠、更快速地发出海啸预警（Zhan et al., 2021）.

3 光纤振动传感的地震学发展前景

我们先后用两篇文章介绍了光纤振动传感，包括光纤陀螺旋转测量、散射光和透射光振动传感.它们具有全新的振动测量机理，并有潜力改变现有的地震勘探模式或地震监测格局. 在迫切需要密集监测的地震地质灾害高风险区，和在缺乏有效监测手段的海洋、火山、城市甚至外太空行星等地区，应用光纤传感有其独特的优势，也是当前推动它们发展的最好契机.

断裂带光纤地震监测网络，大幅度加密已有地震台网，有重要的科学意义和防震减灾实效. 断裂带是未来强震的潜在发生区域，密集台网有利于捕获地震孕育物理过程中前震活动、介质变化和应力迁移等特征，或探测断裂带精细介质和应力结构；也能够提高地震预警的成效：密布的台站意味着台站可能更加接近震中，将可以更早地检测出地震，加快预警发出时间（图11a），缩小预警盲区（图11b）；也可以让早期参与震源参数测定的台站更多，降低预警误判概率.

图11 （a）地震预警的时间进程、不同台间距强振动到达时间和预警盲区. 假设P波和S波速度分布为5.8 km/s和3.4 km/s，tP 和 tS 分别是P波（蓝线）与S波（红线）的到达时间，tA是预警发出时间，介于tP 和 tS 之间. 虚竖线表示台间距，不同灰色区对应预警盲区，它和台间距与系统处理时间有关. 离震中台站越远，发出预警所需时间越长；此外，预警盲区内的振动和破坏往往比外围区域更大（修改自Tajima and Hayashida, 2018）. （b）由6C台站、DAS系统组成的断裂带光纤振动传感网络. 3C台站6C升级、沿断裂带铺设分布式传感光纤（黄线和红点）、数据传输光缆中冗余光纤转变为传感光纤，将对活断裂带形成密集监测网络（修改自http://www.seismo.ethz.ch/en/research-and-teaching/fields_of_research/earthquake-early-warning/）Fig. 11 (a) Diagram showing the time course of earthquake warnings, the arrival time of strong vibrations at different station spacing,and blind warnings areas. The blue line(tP) and red line(tS) are travel time curves for P- and S-waves, assuming 5.8 km/s for Pwave velocity and 3.4 km/s for S-wave velocity for the uppermost layer. tA is the warning alert time which is between tP and tS. Gray zones are the EEW shadow zones that failed to alert, and their sizes depend on the network station interval (Δx,vertical dash line) and system processing time. The further the site is from the epicenter, the longer the warning time is. On the other hand, the ground shaking is stronger and more damage may be caused in the gray zone than outside the zone(modified from Tajima and Hayashida, 2018). (b) Fiber vibrating sensing network composed of 6C stations and DAS systems. 6C stations updated from 3C stations, sensing fibers laid along the faults (yellow line and red dots) and sensing fibers converted from dark fiber in data transmission cables, will build a denser monitoring network for activate faults(modified from http://www.seismo.ethz.ch/en/research-and-teaching/fields_of_research/earthquake-early-warning/)

断裂带光纤传感网络有多种实现途径. 可以沿断裂带走向铺设光缆，开展井—地联合观测，或地埋改造原有台站的数据传输光缆，利用其中冗余光纤，提高断裂带周边的地震监测密度和广度（图11b）. 对平动3C观测台站增配旋转观测，或者发展多分量DAS技术，实现断裂带周边的6C监测，进一步提升对断层的地震监测和解剖能力.

海洋光纤地震监测网络将能够显著改进海洋内部长期监测的不足. 传统设备，如海底地震仪（OBS）、海底电缆（OBC）、海底节点（OBN）和漂浮式地震仪（Sukhovich et al., 2015），存在观测成本、观测时长或观测效果的问题，在长期地震监测方面优势不如光纤传感. 以海岸、海岛和石油钻井平台向海洋辐射架设DAS监测网络，已经可以覆盖全球海洋大部分的板块俯冲或转换带区域，再结合廉价的透射光偏振状态振动传感（Zhan et al., 2021），光纤传感足于扭转海洋地震监测的不利局面，促进海啸预警、海洋地震活动、深部结构和板块动力学等发展.

城市光纤振动监测网络，将补齐智慧城市建设的重要短板. 城市有丰富的冗余光纤资源，发展光纤监测网络，建设难度和建设成本低，可行性高，同时也是应对城市复杂噪声环境，提高城市振动感知能力的关键. 城市光纤监测网络有更丰富的应用范畴，除了地下空间探查、地震地质灾害监测预防等城市地球物理学（陈颙等，2003）功能，还将能为智慧城市管理和决策提供新型的振动“触角”，探查城市异常振动事件、跟踪统计交通流量、监测建筑桥梁和生命线管网健康情况等，为城市安全、灾害防范和可持续发展保驾护航.

光纤振动传感的未来发展仍存在不少的挑战.光纤传感有一些固有的不足，如分布式传感中灵敏度低并受方位影响的问题，而且光纤传感和传统观测测量物理量有所不同，如旋转和平动、线应变率和质点速度. 因此，光纤传感目前并不能取代传统的观测系统，而是要和原来系统形成互补. 传统和光纤传感监测系统如何进行性价比最高的互补组合，需要进行更为系统的测试和评估. 如何融合不同的观测数据，以及它们对数据解释和联合反演的影响，需要更多的同址比测实验和数据处理技术开发.

随着光纤振动监测网络的展开，观测数据的传输、存贮和处理将会是巨大的挑战. 相同采样率的条件下，一个DAS以10 m间隔采集一条50 km的光缆，产生的数据量（5 000道）就可以远超中国大陆目前所有固定测震台站的数据（1 000多个台站，3 000多道）. 对于如此海量的数据，必将改变我们传统的数据处理方法，带动数据处理向并行化、云计算和智能化的新处理技术发展. 因此，光纤振动传感，将不仅带来地震数据采集的革命，也将带来地震数据挖掘和分析技术的全面进步.

致谢

衷心感谢陈颙院士、吴忠良研究员、张晓东研究员、李营研究员和邵志刚研究员对我们开展光纤地震学研究工作的指引和支持；感谢两位评审专家对本文内容和结构提出了非常有益的修改意见和建议.

附中文参考文献

陈颙，陈龙生，于晟. 2003. 城市地球物理学发展展望[J]. 大地测量与地球动力学，23（4）：1-4.

林融冰，曾祥方，宋政宏，等. 2020. 分布式光纤声波传感系统在近地表成像中的应用Ⅱ: 背景噪声成像[J]. 地球物理学报，63（4）：1622-1629.

宋政宏，曾祥方，徐善辉，等. 2020. 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[J]. 地球物理学报，63（2）：532-540.

王宝善，曾祥方，宋政宏，等. 2021. 利用城市通信光缆进行地震观测和地下结构探测[J]. 科学通报，66：1-6.

王伟君，陈凌，王一博，彭菲. 2022. 光纤振动传感之一：旋转测量技术及其地震学应用[J]. 地球与行星物理论评，53（1）：1-16.

吴伟，汪忠德，杨瑞娟，等. 2015. 地震采集技术发展动态与展望[J]. 石油科技论坛，33（5）：36-43.

张旭苹. 2013. 全分布式光纤传感技术[M]. 北京：科学出版社.