分布式光纖地震傳感技術(shù)在成像研究中的應(yīng)用進(jìn)展

張麗娜，謝 軍，遲本鑫，劉紅平，包 豐*

1 中國地震局地震研究所，武漢 430071

2 中國科學(xué)院精密測量科學(xué)與技術(shù)創(chuàng)新研究院 大地測量與地球動力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430077

0 引 言

觀測一直是地震學(xué)研究的基礎(chǔ)，儀器技術(shù)的每一次變革都對地震學(xué)研究起到了重要的推動作用.現(xiàn)代地震儀的發(fā)展可以追溯到Nicholas Cirillo在1731年發(fā)明的擺式地震儀，該儀器記錄到了1947年發(fā)生在Naples的一次地震（Dewey and Byerly,1969）.當(dāng)代地震儀的物理實(shí)現(xiàn)原理已經(jīng)有了較大變化，除了傳統(tǒng)擺式地震儀，壓電式、渦流式、壓阻式等，新型地震儀也發(fā)展起來（例如，陳瑛和宋俊磊，2013），如高頻 GNSS（Global Navigation Satellite Systems）等也可以用作地震儀（例如, Guo et al., 2019）.從拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)看，上述地震儀都是單點(diǎn)式儀器，記錄觀測點(diǎn)的質(zhì)點(diǎn)位移、速度或者加速度.近年來，基于光纖傳感器或短周期節(jié)點(diǎn)地震儀的密集地震臺陣技術(shù)已發(fā)展成為低成本、高分辨觀測的重要手段，在高精度事件檢測和高分辨率結(jié)構(gòu)成像方面受到越來越多的關(guān)注（例如, Bao et al.,2019; 包豐等, 2022）.

隨著光電技術(shù)的發(fā)展，基于物理場對光信號的作用機(jī)理發(fā)展起來的光纖傳感技術(shù)為地震觀測提供了新的解決方案.光纖在地震波場作用下折射率發(fā)生變化，通過探測背向散射信號的強(qiáng)度、相位變化，可以獲得地震波場的信息，由此發(fā)展了分布式應(yīng)變傳感（Distributed Strain Sensing）、分布式振動傳感（Distributed Vibration Sensing）、分布式聲波傳感（Distributed Acoustic Sensing, DAS）等技術(shù)（Hartog, 2017）.分布式聲波傳感技術(shù)可以提供高精度的地震波形信息（例如, Parker et al., 2014），因此近年來被廣泛應(yīng)用于天然地震學(xué)、工程地震學(xué)和勘探地震學(xué)中，成為高密度地震學(xué)觀測的重要技術(shù)，為了與聲學(xué)研究區(qū)分，也可以稱為分布式光纖地震傳感技術(shù)（Distribute Fiber-optic Seismic Sensing, DFSS）.

DFSS具有多重優(yōu)勢：第一，它利用光纖本體作為傳感單元，可以連續(xù)采樣光纖沿線的地震波場，不再是單點(diǎn)觀測；第二，光纖本體耐極端溫度和抗強(qiáng)電磁干擾等，且供電、存儲和傳輸?shù)榷技捎诠饫w一端的解調(diào)儀中，運(yùn)維成本大幅度降低，也有利于在惡劣環(huán)境下施工；第三，DFSS不僅可以利用專門布設(shè)的特種傳感光纜，如微結(jié)構(gòu)光纜，也可以利用已有的城市、海底通信光纜或其他傳感光纜，從而降低了野外布設(shè)成本.鑒于上述優(yōu)勢，通過布設(shè)于豎直或水平鉆井中的光纜，該技術(shù)已應(yīng)用到石油及地?zé)豳Y源勘察開發(fā)中；利用城市通訊光纜或以淺溝填埋方式布設(shè)的光纜，該技術(shù)還應(yīng)用到地震滑坡監(jiān)測和地殼結(jié)構(gòu)成像研究中；利用海底光纜也可以探測海底沉積層的結(jié)構(gòu)，而將光纜布設(shè)于極低或冰川的冰面上，可以研究全球變化和冰川消融（圖1），因此，DFSS技術(shù)是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)和前沿（ Lindsey and Martin, 2021; Zhan, 2020）.由于DAS/DFSS的應(yīng)用范圍廣，新進(jìn)展多，本文主要聚焦于地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)成像方面的應(yīng)用，其他方面的應(yīng)用建議閱讀相關(guān)綜述文獻(xiàn)（例如, 茍量等,2022; Li, 2021; 王偉君等, 2022; 張麗娜等, 2020）.

圖1 DFSS主要應(yīng)用場景示意圖（修改自Lindsey and Martin, 2021）Fig.1 Typical environments where DFSS is applied (modified from Lindsey and Martin, 2021)

1 被動源成像

地震學(xué)成像采用的被動源信號主要包括天然地震和背景噪聲信號.天然地震信號長期以來是開展大尺度地震成像的主要數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上發(fā)展的體波成像、面波成像、接收函數(shù)、波形擬合等方法被廣泛應(yīng)用于各種尺度的地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)探測中.地震背景噪聲成像理論和實(shí)踐在過去20年得到了長足進(jìn)步，地震學(xué)界利用包括地球嗡鳴（hum）、地脈動（microseism）和人類活動激發(fā)的高頻噪聲等開展了從全球尺度到數(shù)十米尺度的結(jié)構(gòu)探測監(jiān)測工作.這些被動源信號在DFSS的有效頻段也被記錄到，包括遠(yuǎn)震體波（例如, Williams et al., 2019）、遠(yuǎn)震面波（Yu et al., 2019）、區(qū)域地震體波和面波信號（例如, Lindsey et al., 2017; Wang et al., 2020）、地方震信號（例如, 包豐等, 2022; Li et al., 2021;Zeng et al., 2022a）和各類型交通信號（例如, Ajo-Franklin et al., 2019; 林融冰等, 2022），甚至是雷電等產(chǎn)生的高頻信號（例如, Zhu and Stensrud, 2019）.在此基礎(chǔ)上，多種被動源成像方法被成功應(yīng)用于DFSS數(shù)據(jù)中，尤其是在淺層結(jié)構(gòu)成像工作中.

面波成像是淺層結(jié)構(gòu)探測的重要方法之一（例如, Foti et al., 2011; 汪利民等, 2022; 張明輝等,2019）.利用DFSS開展淺層面波成像工作，一方面可以發(fā)揮高密度觀測的優(yōu)勢，另一方面可以結(jié)合已有光纜節(jié)約成本，因此得到了多方面的應(yīng)用.Zeng等（2017）利用背景噪聲記錄的互相關(guān)函數(shù)提取得到了5～25 Hz的高頻Rayleigh面波信號，并將其頻散曲線與其他數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行了對比，初步驗(yàn)證了利用DFSS開展背景噪聲成像的可行性.Dou等（2017）提取得到了高階面波信號，構(gòu)建了淺部20 m的S波速度結(jié)構(gòu).Zeng等（2021）利用8.7 km的光纜，構(gòu)建了某地?zé)崽餃\層三維S波速度結(jié)構(gòu)，揭示了熱煙囪等小尺度異常體.曹衛(wèi)平等（2021）則利用短時間交通噪聲記錄開展成像工作，Shao等（2022）利用了高鐵信號、雷宇航等（2021）利用FJ變換提高了頻散提取效率獲得了高階面波信號.上述工作使用專門鋪設(shè)的傳感光纜采集數(shù)據(jù)，Song等（2021c）使用已有的通信光纜開展了城市下方的淺層結(jié)構(gòu)成像工作，構(gòu)建了光纜沿線100 m以前的S波速度結(jié)構(gòu)，初步展現(xiàn)了結(jié)合DFSS和通信光纜服務(wù)城市地下空間探測的潛力（圖2）.基于交通噪聲的背景噪聲成像工作探測深度受限于較短的面波波長，一般在百米量級.為了探測更大深度，需要利用更長周期的噪聲信號，Shragge等（2021）利用風(fēng)暴期間的低頻噪聲（0.04～1.8 Hz）記錄，構(gòu)建了500 m以淺的結(jié)構(gòu).Yang等（2022）利用DAS噪聲成像技術(shù)獲得了亞公里尺度的地下結(jié)構(gòu)非均勻性.

圖2 城市通信光纜沿線速度結(jié)構(gòu)圖（修改自Song et al.,2021c）Fig.2 Diagram of 2D velocity structure created using data acquired along a telecom fiber-optic cable (modified from Song et al., 2021c)

城市環(huán)境下利用DFSS開展淺層面波成像的主要優(yōu)勢在于低成本，而在其他環(huán)境下，DFSS則展現(xiàn)了一定程度的不可替代性.長期以來海洋地震觀測依賴于海底地震儀等設(shè)備，由于布設(shè)運(yùn)維成本高，空間覆蓋和觀測時間都遠(yuǎn)不如陸地.海底通信光纜結(jié)合遠(yuǎn)距光纖傳感技術(shù)構(gòu)建海洋地震觀測網(wǎng)成為一個有益的嘗試（Marra et al., 2018; Zhan et al.,2021）.此外DFSS的高空間分辨率在海底沉積層結(jié)構(gòu)探測方面具有獨(dú)特優(yōu)勢.與陸地DFSS記錄的人類活動相關(guān)高頻噪聲不同，海底DFSS記錄的主要是海浪運(yùn)動激發(fā)的地脈動信號（Williams et al.,2019）.Spica等（2020a）利用F-K變換，從連續(xù)記錄中提取得到了0.2～75 Hz的Scholte波頻散數(shù)據(jù)，構(gòu)建了日本外海約48 km長的二維S波速度結(jié)構(gòu)模型，最大深度超過了2 000 m.Cheng等（2021a）則從背景噪聲互相關(guān)函數(shù)中提取1～4 Hz的Scholte波頻散數(shù)據(jù)，構(gòu)建250 m以淺的速度模型.Lior等（2022）和Williams等（2021）也開展了類似的工作，Williams等（2021）還發(fā)現(xiàn)了與海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)相關(guān)的噪聲信號.除了海洋環(huán)境，高寒環(huán)境也是DFSS具備一定應(yīng)用優(yōu)勢的場景，Walter等（2020）在冰川實(shí)驗(yàn)中，獲得了較為清晰的Rayleigh面波信號，有望用于約束冰川底部基巖結(jié)構(gòu).

除了面波信號，DFSS的背景噪聲記錄也被用于提取其他震相信號，進(jìn)而探測淺層結(jié)構(gòu).自相關(guān)函數(shù)（ACF）被認(rèn)為是類似自激自收的反射記錄，可以用于探測界面信息，Spica等（2020a）從ACF剖面中追蹤到了一組連續(xù)信號，認(rèn)為是海底沉積層與基巖的分界面有關(guān)，并且呈現(xiàn)了較強(qiáng)的橫向變化.Tonegawa等（2022）從互相關(guān)函數(shù)（NCF）中提取得到了P波信號，認(rèn)為該信號主要是低氣壓活動期間觀測到，并非是強(qiáng)海浪活動期間.井中光纜的NCF也可以提取P波信號用于約束淺層P波速度結(jié)構(gòu)（圖3）.

圖3 井中DFSS噪聲數(shù)據(jù)提取的P波信號（修改自Lellouch et al., 2019），灰色虛線表示3 200 m/s的P波理論到時Fig.3 P-wave signals emerging on a section of the recorded noise cross-correlation function in SAFOD (modified from Lellouch et al., 2019); the gray line depicts the average 3 200 m/s P wave velocity

上述研究成果初步展現(xiàn)了DFSS基于地震干涉技術(shù)提取有效信號用于探測地球結(jié)構(gòu)的巨大前景，但是DFSS只有光纖軸向一個分量的記錄，一些地震學(xué)方法應(yīng)用受限，因此學(xué)者們開展了一系列探索性研究.DFSS的單分量記錄不僅影響了對特定方位角信號的響應(yīng)，也不利于震相識別和分離，比如無法用傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)方式分離Rayleigh波和Love波記錄.Song等（2021a）提出不分離Rayleigh波和Love波信號用于測量各自頻散曲線，而直接用面波頻散譜代替頻散曲線用于反演成像，在一定程度上提高了反演精度.Luo等（2020）則通過布設(shè)相互垂直的光纜采集數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行Rayleigh波和Love波信號分離.除了單獨(dú)利用DFSS數(shù)據(jù)外，還有學(xué)者提出融合三分量地震儀記錄和DFSS噪聲記錄開展成像工作.Nayak等（2021）利用寬頻帶地震儀與DFSS的噪聲記錄計(jì)算噪聲互相關(guān)函數(shù)，通過旋轉(zhuǎn)地震儀的水平分量記錄分離了Rayleigh波和Love波信號，并且得益于寬頻帶地震儀的高質(zhì)量低頻噪聲數(shù)據(jù)，提取得到了低至0.1 Hz的信號.Spica等（2020b）則將共址寬頻帶地震儀的豎直分量記錄與DFSS的水平記錄融合，用于計(jì)算HV比，與面波頻散曲線聯(lián)合反演，獲得沿線速度結(jié)構(gòu).類似的思路在Yu等（2019）的研究中也得到應(yīng)用，利用寬頻帶地震儀記錄的豎直向遠(yuǎn)震P波信號與DFSS的記錄結(jié)合計(jì)算接收函數(shù)，獲得了莫霍面轉(zhuǎn)換震相.針對單分量的限制，直觀的硬件解決思路是發(fā)展三分量的DFSS，螺旋纏繞光纜提高方位角響應(yīng)的思路在2013年就被提出來了（Hornman et al., 2013; Hornman, 2017; Kuvshinov, 2016）.Lim Chen Ning和Sava（2018）的方案增加了一根直纜用于構(gòu)建全張量，在小規(guī)模測試中可以提供與三分量檢波器一致性高的記錄（例如, Takekawa et al.,2022）.但是專門設(shè)計(jì)的光纜一定程度上提高了布設(shè)成本，因此實(shí)際研究成果的報道還比較少.

與背景噪聲信號相比，天然地震激發(fā)的信號更強(qiáng)，其波場與各種小尺度結(jié)構(gòu)的相互作用產(chǎn)生豐富的信號，可以用于探測精細(xì)結(jié)構(gòu).DFSS提供的高密度波場記錄有利于各類震相的識別與成像.Wang等（2018）利用共址地震儀臺陣與DFSS的區(qū)域地震波形記錄進(jìn)行了對比，發(fā)現(xiàn)DFSS可以提供可靠的地震波形記錄.Jousset等（2018）在冰島的地震觀測中，在跨已知斷層的光纜段觀察到了斷層內(nèi)部多次反射的信號.Lindsey等（2019）在海底光纜的地震波場記錄中發(fā)現(xiàn)了多組正反雙向傳播的信號，其形態(tài)類似三角形，他們認(rèn)為是由于斷層面發(fā)生體波與面波的轉(zhuǎn)換，據(jù)此認(rèn)為沿線存在多個前人研究中未發(fā)現(xiàn)的斷層.類似的現(xiàn)象在其他觀測中也有報道，包豐等（2022）在2022年門源地震的余震記錄中也觀測到類似信號（圖4），提出了一種新的解釋.新的解釋認(rèn)為這種信號是由于入射的P波信號在斷層內(nèi)部散射為S波形成的，較好地解釋了雙向傳播，并且得到了正演驗(yàn)證.除此之外，利用SAFOD井下數(shù)據(jù)傳輸光纜開展的地震監(jiān)測活動獲得了豐富的近震資料，在此基礎(chǔ)上Lellouch等（2019）發(fā)展了多種方法構(gòu)建了淺部800 m的P波和S波分層速度結(jié)構(gòu).Spica等（2022）從海底光纜記錄的地震波場中提取了高頻Scholte波信號用于研究極淺部的沉積層結(jié)構(gòu).

圖4 斷層散射波（FZSW）產(chǎn)生機(jī)理及觀測實(shí)例（修改自包豐等，2022）.（a）FZSW產(chǎn)生機(jī)理；（b）實(shí)際觀測的FZSW震相（黑色虛線），并推測斷層位置Fig.4 Sketch showing fault-zone scattering wave and FZSWs emerging on a seismic wavefield recorded in Menyuan,China (modified from Bao et al., 2022)

2 主動源成像

DFSS在地震勘探領(lǐng)域率先得到應(yīng)用，這一領(lǐng)域主要利用的是各類型人工震源信號.在石油勘探領(lǐng)域，DFSS應(yīng)用最多的是VSP采集，相比傳統(tǒng)檢波器，可以實(shí)現(xiàn)全井覆蓋，大幅縮減施工時間和成本（Lellouch and Biondi, 2021）.美國伯克利國家實(shí)驗(yàn)室和Shell公司較早開展了這方面的研究（Daley et al., 2013; Mateeva et al., 2014）.利用零偏移距垂直地震剖面法，固定偏移距垂直地震剖面法和變井源距垂直地震剖面法等采集方式獲得的高質(zhì)量信號，可以構(gòu)建井旁的速度結(jié)構(gòu)（例如, Henninges et al., 2020; Yu et al., 2016）.在海洋油氣勘探中利用DFSS開展的VSP采集相比OBN方式，所需要的主動源規(guī)模小得多，部署成本也低（Kiyashchenko et al., 2020）.井中DFSS與小型震源的結(jié)合也取得初步成功，獲得了清晰的P和S波反射信號，甚至在水平段觀測到了P-P反射信號（Cheng et al., 2021b）.

震源車也是廣為采用的主動源之一，Parker等（2018）利用地表DFSS臺陣和密集激發(fā)的主動源P波到時數(shù)據(jù)，構(gòu)建了研究區(qū)淺部數(shù)百米的P波速度結(jié)構(gòu)，揭示了該區(qū)域內(nèi)多個斷層.Song等（2018）利用同一套數(shù)據(jù)，測試了主動源面波成像，Lancelle等（2022）用的面波信號則來自小型固定掃頻震源.小型落體震源激發(fā)的面波也被用于研究淺層結(jié)構(gòu)，與被動源面波成像相比，可用頻段更高，一定程度上可以互補(bǔ)（林融冰等，2020；宋政宏等，2020）.Zeng等（2022b）則采用爆炸源和小型落體震源激發(fā)的P波到時資料開展了石灰?guī)r礦的成像研究.

上述主動源主要是服務(wù)于小區(qū)域的資源勘探或者工程勘探，較大尺度的研究則需要更大規(guī)模的震源.大容量氣槍震源已經(jīng)被廣泛用于海洋地震勘探，也可以利用陸地的大型水體，如河流、水庫激發(fā)（例如，楊微等，2021）.李孝賓等（2020）在云南賓川布設(shè)了長約180 m的小型臺陣，通過多次疊加提供信噪比，獲得了9.6 km外氣槍信號.Song等（2021b）采用賓川城區(qū)的5.2 km長的通信光纜開展研究，獲得了沿線間隔7.6 m的地震波場記錄，發(fā)現(xiàn)其中以S波信號為主（圖5），信噪比受交通噪聲、耦合效率等影響，并提出了多種增強(qiáng)信噪比的方法，提高了疊加效率，最優(yōu)情況下可以獲得單炮信號.Matsumoto等（2021）利用50 km長的海底通信光纜記錄海上氣槍震源激發(fā)的水聲信號，有效頻段約為0.1～10 Hz范圍，而且傳播范圍較陸地通信光纜遠(yuǎn)，單炮記錄可以到十余千米外.另外一種可以用疊加方式提高信噪比的震源是ACROSS, Tsuji等（2021）采用60 km長的海底光纜記錄陸地小型化ACROSS震源激發(fā)的信號，10 km距離上疊加1.5個月數(shù)據(jù)得到了P波和S波信號，在更短距離（1.66 km）的陸地光纜數(shù)據(jù)中疊加時間可以縮短到1天.

圖5 大容量氣槍震源觀測實(shí)例（修改自Song et al.,2021b），虛線分別表示P波和S波理論到時Fig.5 Record-section of a large-volume airgun signal,recorded by a telecom fiber-optic cable (modified from Song et al., 2021b)

3 發(fā)展與挑戰(zhàn)

上述研究工作主要是聚焦于靜態(tài)結(jié)構(gòu)探測中，但是DFSS的一個優(yōu)勢是便于開展介質(zhì)結(jié)構(gòu)變化監(jiān)測工作.在工業(yè)界，井下光纜是長期布設(shè)，可用時間長達(dá)十余年，比如SAFOD井下光纜安裝于2005年，2017年仍然可用（Lellouch et al., 2019），大幅降低了開展4D VSP等工作的成本，在油氣儲層、CO封存等方面都得到了較為成功的應(yīng)用（Harris et al., 2017; Kiyashchenko et al., 2020）.結(jié)合SOV、ACROSS等高重復(fù)性震源，還可以大幅度提高結(jié)構(gòu)變化監(jiān)測的時間空間分辨率（例如,Cheng et al., 2021b; Tsuji et al., 2021）.在缺乏可重復(fù)主動源的情況下，一些被動源數(shù)據(jù)也可以用于獲取高重復(fù)信號.Fang等（2020）利用礦場爆破信號，發(fā)現(xiàn)了工程施工引起的地震波到時變化.Rodríguez Tribaldos和 Ajo-Franklin（2021）分析了5個月的DFSS噪聲互相關(guān)函數(shù)，觀測到2%～3%的速度變化，且速度變化與降水和河流水位變化較為一致（圖6）.Chang和Nakata（2022）則是利用了井下光纜的振蕩信號，提取速度變化信息，認(rèn)為其與井中溫度變化相關(guān).這些工作初步展現(xiàn)了DFSS在長期監(jiān)測方面的可行性和優(yōu)勢，可將其應(yīng)用于活斷層等重點(diǎn)關(guān)注區(qū)域，以獲得孕震區(qū)高分率動態(tài)成像結(jié)果.

圖6 河流水位與速度變化對比圖（修改自Rodríguez Tribaldos and Ajo-Franklin, 2021）Fig.6 River stage vs.seismic velocity changes (modified from Rodríguez Tribaldos and Ajo-Franklin, 2021)

DFSS在很多研究領(lǐng)域已經(jīng)得到了成功應(yīng)用，但是學(xué)者們在實(shí)際工作中也發(fā)現(xiàn)了一系列問題，其中影響較大的一個是信號質(zhì)量問題.早期的DFSS的信號可靠性是在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下測試得到的（例如, Parker et al., 2014）.學(xué)者們利用共址布設(shè)的檢波器、短周期地震儀和寬頻帶地震儀對DFSS的波形記錄進(jìn)行了比對，認(rèn)為可靠性較高（Daley et al.,2013; Lindsey et al., 2020; Paitz et al., 2021; Wang et al., 2018）.但是這些對比工作都是在光纜耦合條件較好的情況下進(jìn)行的，而實(shí)際中大量的工作利用的光纜并不具備較好的耦合條件.井中DFSS觀測中信號質(zhì)量最好的布設(shè)方式是在鉆孔套管（casing）外，其次是在油管（tubing）外，最差的采用懸掛方式布設(shè).懸掛方式布設(shè)可以便利地在無預(yù)鋪設(shè)纜的井中施工，但是面臨嚴(yán)重的振蕩（ringing）噪聲干擾（例如, Martuganova et al., 2021; Yu et al.,2018）.為了克服這部分干擾，學(xué)者們提出了一系列方法進(jìn)行克服，包括噪聲建模（Yu et al., 2016）、稀疏表示和字典學(xué)習(xí)（Chen et al., 2019）、CNN網(wǎng)絡(luò)（Zhao et al., 2020）等.利用已有通信光纜開展研究也面臨類似的問題，大量的光纜布設(shè)于各類型管廊、管道或PVC管中，存在大量的懸空段（例如, Song et al., 2021c），光纜與周邊介質(zhì)耦合差.雖然有研究表明，擺放于地面的弱耦合光纜也能記錄主被動源信號（林融冰等, 2022; Spike et al.,2019; Zeng et al., 2022b），但是波形可靠性還需要更深入的分析（圖7）.懸空等方式布設(shè)的光纜也面臨光纜振蕩產(chǎn)生的噪聲信號，通過濾波等方法也有可能降低影響（林融冰等，2022）.整體而言，DFSS的儀器響應(yīng)函數(shù)仍有待厘清，有必要綜合材料學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、地震學(xué)和光纖傳感技術(shù)等學(xué)科，對光纖傳感信號的保真度進(jìn)行系統(tǒng)性定量校正，以便更好地將其應(yīng)用于全波形反演等基于波形的研究方法（例如，劉輝等，2022）.

圖7 不同布設(shè)方式光纜記錄的交通噪聲信號波形差異（修改自林融冰等，2022），圖 (a-c)分別為水泥固結(jié)、路面擺放和懸空Fig.7 Traffic signals recorded by cables installed using three different methods (modified from Lin et al., 2022)

DFSS的高密度空間采樣產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量遠(yuǎn)超傳統(tǒng)地震監(jiān)測臺網(wǎng)，以美國PoroTomo項(xiàng)目的地表DFSS數(shù)據(jù)為例，每天產(chǎn)生約3 TB的數(shù)據(jù).如何存儲管理如此海量的數(shù)據(jù)也成為一個亟需解決的問題（Quinteros et al., 2021），近年來提出了商業(yè)云存儲服務(wù)（例如, Yu et al., 2021）和分布式數(shù)據(jù)中心（例如, Péquegnat et al., 2021）等方案，但是對數(shù)據(jù)格式、分發(fā)方式等問題仍需更多討論.海量數(shù)據(jù)的處理是一個典型的高通量計(jì)算（HTC），Dong等（2020）提出了一個專門的存儲和分析并行架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了包括噪聲互相關(guān)函數(shù)計(jì)算、局部相似性計(jì)算等任務(wù)，相比于基于MATLAB的算法，計(jì)算效率提高了約16倍.大量的經(jīng)典地震學(xué)算法基于單道或者單點(diǎn)記錄，比如經(jīng)典的STA/LTA算法、模板匹配算法等，雖然在DFSS數(shù)據(jù)處理中得到成功應(yīng)用（例如, Li and Zhan, 2018; Li et al., 2021; Zeng et al.,2022a），但是在計(jì)算效率、信息挖掘等方面仍有很大提升空間.近年來興起的以機(jī)器學(xué)習(xí)為代表的人工智能方法在海量地震數(shù)據(jù)處理方面得到了成功應(yīng)用，大幅提高了數(shù)據(jù)處理效率（例如, Kong et al., 2019），在DFSS數(shù)據(jù)處理方面也做了一些有益的嘗試（例如, Lv et al., 2022），具備了準(zhǔn)實(shí)時處理的能力.然而DFSS提供的高空間采樣的波場記錄的有效信息還比較少用于成像研究，也是后續(xù)值得發(fā)展的方向.因此，針對高密度、大數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，利用人工智能等手段提高計(jì)算機(jī)處理效率，從海量數(shù)據(jù)中挖掘震相到時、面波頻散等有效信息，是DFSS成像技術(shù)發(fā)展的方向.

4 結(jié) 論

DFSS是繼節(jié)點(diǎn)密集臺陣觀測技術(shù)之后，地震學(xué)觀測和研究的一個前沿方向，已在油氣勘察、地震監(jiān)測、結(jié)構(gòu)成像等諸多領(lǐng)域得到了成功的應(yīng)用.超高密度的觀測獲得了海量的數(shù)據(jù)，不但可以與經(jīng)典成像方法結(jié)合提高走時成像的分辨率，在鉆孔測井等方面取得新認(rèn)識，而且在發(fā)揮其低成本、耐受惡劣環(huán)境等優(yōu)勢后，還可以將其應(yīng)用到人口稠密的城市、科學(xué)鉆孔、極地和海洋等極端環(huán)境，探測活斷層、監(jiān)測全球變化及冰川活動.但是，傳感光纜的震動響應(yīng)還須結(jié)合材料學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)等開展系統(tǒng)性定量研究，這是提高光纖傳感信號質(zhì)量和保真度的基礎(chǔ)；須引進(jìn)人工智能的方法處理海量數(shù)據(jù)，挖掘其中用于成像的到時、頻散和高密度波場等信息，同時實(shí)現(xiàn)海量數(shù)據(jù)的高效存儲和共享分析等.這項(xiàng)技術(shù)將是傳統(tǒng)地震觀測和成像研究的重要補(bǔ)充.

致謝

感謝大地測量與地球動力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自主部署項(xiàng)目和中國科學(xué)院精密測量科學(xué)與技術(shù)創(chuàng)新研究院多學(xué)科交叉團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目支持，感謝編輯部和?？丶s主編徐濤研究員的邀請.