發布時間：2022-01-19所屬分類：科技論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要：地震波場可分解為三分量平動和三分量旋轉運動. 旋轉分量包含重要的波場梯度信息，是地震波場重建的關鍵要素，但過去由于缺乏穩定的高靈敏度旋轉測量儀器，它在不同的地震學應用中常被忽略. 光纖旋轉地震儀是率先打破測量儀器缺乏困境、最先實現商業化的旋轉地震
摘要：地震波場可分解為三分量平動和三分量旋轉運動. 旋轉分量包含重要的波場梯度信息，是地震波場重建的關鍵要素，但過去由于缺乏穩定的高靈敏度旋轉測量儀器，它在不同的地震學應用中常被忽略. 光纖旋轉地震儀是率先打破測量儀器缺乏困境、最先實現商業化的旋轉地震儀，也是目前最有發展前景的地震波旋轉直接測量設備. 光纖旋轉地震儀基于 Sagnac 效應，并依托成熟的光纖陀螺技術實現振動的旋轉分量測量. 它具有純光電傳感不受平動影響的測量優勢;并且能夠在高靈敏度和寬頻帶旋轉測量的基礎下實現設備的小型化，有利于旋轉測量的應用推廣. 因此，光纖旋轉地震儀和傳統的地震儀將形成互補，實現旋轉和平動六分量(6C)的觀測，更好地提取地震波場特征，提高振動監測能力，有效改善震源過程反演、地下結構成像和地震破壞機理研究等應用. 本文主要介紹光纖旋轉測量的基本原理、旋轉地震學的應用及其潛在應用前景.
關鍵詞：旋轉和平動;旋轉測量;光纖振動傳感;光纖旋轉地震儀;旋轉地震學
0 引 言
地震學的發展建立在觀測基礎上. 無論是地震、塌陷、滑坡等天然事件，還是爆破或錘擊等人工事件，都會產生包含平動和旋轉的矢量振動波場，在介質中傳播、散射和衰減. 地震觀測的目的，就是在地下或地表有限觀測空間中完整地記錄介質中傳播的振動波場，通過反演或成像，動態跟蹤介質活動(如震源研究與地震監測)或精細探測介質結構(如淺層地震勘探和深部結構成像)(Sheriff and Geldart, 1995; Yilmaz, 2001; Aki and Richards, 2009). 因此，地震觀測的首要任務是基于研究目標選擇合適的地震儀器類型和數量，保障記錄波場在空間(密集程度)、時間(采樣率和持續時間)、振動矢量(單分量、三分量還是六分量)和頻帶等方面的采集需求.
目前地下介質動態監測和結構探測使用的地震儀，基本屬于(彈簧)質量塊慣性測量儀器(Havskov and Alguacil, 2016)，單臺只能測量平動. 其中地震長期監測和殼幔深部結構研究主要使用成本高的電容位移換能地震計(圖 1a)，具有靈敏度高、動態范圍大、頻帶寬、穩定性和低頻性能好的優點. 淺層地震勘探則主要使用動圈電磁換能高頻檢波器，雖然靈敏度、動態范圍、頻帶、穩定性和低頻性能都遠遠不如前者，但造價低、重量輕和體積小，容易大批量布設，適合于非常密集但運行時間不長的勘探應用. 近幾年出現的廉價低功耗三分量節點式地震儀(王肅靜等，2015;吳鐵軍， 2011)，將檢波器、電池和數字采集器等部件集成于一體，可以讓空間密集采集能夠連續觀測一段時間.
現有介質監測或結構探測體系的一個明顯不足，是缺乏高靈敏度振動旋轉分量測量. 地震波的旋轉分量，即經典彈性波動理論中的位移場旋度(Aki and Richards, 2009)，與平動相比，可能更加微弱，但 卻 是 完 整 地 震 波 場 的 不 可 或 缺 部 分 . Forbes (1844)制造出第一臺有現代意義的地震儀時，就和同事提出測量角運動(旋轉)的想法. 然而直到 100 多年后，才出現真正意義上可以測量地表旋轉的地震儀(Nigbor, 1994; Sollberger et al., 2020). 雖 然 不 斷 有 不 同 的 旋 轉 測 量 儀 器 被 提 出 ( 如 Jaroszewicz et al., 2016)， 包 括 六 分 量 地 震 儀(Brokešová et al., 2021; 圖 1b)，但目前商業化的旋轉地震儀仍寥寥無幾，旋轉測量遠未得到充分重視和廣泛應用. 在缺乏觀測的情況下，地震波的旋轉分量在過去地震學研究中基本被忽略;對其在震源過程中的激發、在地震波能量中的占比、在介質中傳播的特性和對建筑物的破壞等均缺乏深入認識.
現有地震觀測體系的另外一個不足是缺乏可以長期持續密集監測的廉價設備. 很多應用領域都有高分辨率 4D 監測的強烈需求，如對斷裂帶、水庫、滑坡和油氣開采區等區域監測. 目前稀疏的地震臺網難于滿足 4D 精細監測的要求;而密集、持續的監測，即使是基于廉價節點式地震儀的密集觀測，需要巨大的設備成本和維護成本. 在一些油氣田應用中，常用間隔一段時間的重復 3D 地震勘探替代 4D 監測(如 Jack, 2017; Sambo et al., 2020). 這種觀測方式可以達到較高的空間分辨率，但缺乏時間分辨率.
微機電系統(micro-electro-mechanical system, MEMS)的應用是未來廉價密集振動測量的一個發展方向. MEMS 的研發始于 1960 年代，它利用與集成電路相似的制造和精加工技術，將傳感器集成至毫米—微米級的硅片上，具有體積小、重量輕、功耗低、可靠性高、易于集成和廉價等優點(Zhu et al., 2020). 現有技術可以將三分量平動(基于質量塊慣性原理)和三分量旋轉(基于科里奧利力效應)振動測量集成到一個芯片上(圖 1c)，常用于手機和運動手表等日常設備的振動和姿態檢測;或通過集成內嵌，應用于建筑結構健康監測(Bońkowski et al., 2020)和傳統地震計姿態的感知和矯正(D'Alessandro and D'Anna, 2014). 靈敏度和低頻性能是 MEMS 在目前地震學應用的主要障礙. 通過靈敏度改進(Wang et al., 2020)，目前已開始將 MEMS 應用于地震勘探領域，助力于百萬 道 級 高 密 度 地 震 淺 層 勘 探 目 標 的 實 現 ( 如 https://www.sercel.com/products/Pages/DSU1- 508.aspx). 實驗研究表明，MEMS 也可用于強震監測和地震預警，但目前尚不適用于常規的地震監測(D'Alessandro et al., 2019).
光纖傳感是伴隨著光纖加工和光纖通信技術的發展而成長起來的新型傳感技術，已在很多應用領域取得了成功(方祖捷等, 2013; 張旭蘋, 2013; Hartog, 2018). 光在光纖中傳播，除了向前透射傳播，還會產生向前(前向)和向后(背向)傳播的散射光. 外部環境引起透射光或散射光走時、振幅或極性(偏振)等的變化，是實現光纖傳感的基礎. 光纖傳感通常分為兩類(張旭蘋，2013)：以引導激光進行傳感測量(如激光干涉)的非本征傳感和以光纖為傳感部件的本征傳感. 光纖振動傳感是光纖傳感的一個分支，應用于地震觀測已有幾十年的發展歷史. 自 1980 年代以來，已提出多種不同的光纖振動測量方案并開展了相關實驗(Davis, 1987; Gardner et al., 1987)，目的就是希望在測量參數、性能、尺寸或價格等方面能夠超越傳統的地震計.
根據應用情景，我們可以將光纖振動傳感分為如下四類(圖 1d～1h)：(1)傳統彈簧—質量塊慣性平動地震儀的的光纖換能測量改進(Huang et al., 2018; 圖 1e);(2)基于 Sagnac 效應(或Sagnac 干涉，用法國物理學家 Georges Sagnac 名字命 名 ， https://en.wikipedia.org/wiki/Sagnac_effect)的光纖旋轉測量(Bernauer et al., 2018; 圖 1f);(3)基于背向散射光的光纖分布式振動傳感(distributed acoustic sensing，DAS，張旭蘋，2013; Hartog, 2018; Zhan et al., 2020; 圖 1g);(4)基于透射光相位(Marra et al., 2018; 圖 1d)或偏振狀態(Zhan et al., 2021;圖 1h)變化的光纖振動傳感. 前兩類屬于非本征光纖傳感，后兩類屬于本征光纖傳感.
第一類光纖傳感主要用布拉格光柵等光纖設備替代傳統的電容位移換能裝置，提高地震儀的溫壓耐受能力或其它性能需求(Huang et al., 2018). 后面三類振動傳感機理和傳統地震儀完全不同：它們沒有傳統的慣性檢測單元，是純光電設備. 其中第二和第三類是目前最為成功的兩類光纖振動傳感技術. 光纖旋轉地震儀被認為是目前最有發展前景的旋轉測量設備(Jaroszewicz et al., 2016). DAS 以普通光纖為傳感部件，利用光纖不同區段的散射光變化進行振動傳感;一根光纖可以相對廉價地實現萬道以上米級間隔的密集采集，有望成為未來密集長時監測的主力軍. 第四類是近幾年新提出的方法，利用光纖振動導致的透射光傳播相位(走時)微弱變化或極性旋轉檢測振動，有長距離光纖監測的潛勢(可超上萬千米, Zhan et al., 2021b)，但目前缺乏對振動的空間分辨能力.
可以看到，光纖振動傳感是目前最有希望突破現有觀測體系兩大不足的觀測技術;它們的改進和應用推廣，對于地震學的未來發展非常重要. 因此，我們將用兩篇文章分別介紹后三類光纖振動傳感技術. 本文主要針對光纖旋轉傳感技術的基本原理、旋轉地震學的應用及其潛在前景進行闡述和討論.
1.2 旋轉分量的測量方法
傳統三分量地震儀的彈簧質量塊被約束在三個正交坐標軸軸線內(即三個自由度)，對質點運動的測量，相當于將它們投影到測量軸上，而原位旋轉在測量軸沒有投影，因此無法實現對旋轉分量的測量(圖 2a). 在過去的幾十年中，基于機械扭矩、聲學、電化學、磁流體和光學等原理，陸續提出了不 同 構 架 的 旋 轉 測 量 儀 器 ( Jaroszewicz et al., 2016). 但由于實際研究對旋轉地震儀的靈敏度、穩定性和動態范圍等性能要求較高，大部分儀器仍然是實驗室測試的原型機、野外樣機或無法流動觀測的大型設備(Jaroszewicz et al., 2016).
1.2.1 間接測量 ADR 方法
在沒有旋轉地震儀的情況下，可以用小孔徑平動地震儀臺陣間接測量介質旋轉(array derived rotations, ADR. Spudich et al., 1995; Huang, 2003).
基于這種臺陣間接測量的思想，Rotaphone 設備將多個水平和垂直分量檢波器立體或平面排列組合安裝在一個剛性三維框架或平面底盤上(圖 1b 為其中一個最新的平面排列設計)，利用三軸檢波器和檢波器對的平動差分，實現原位三分量平動和三分量旋轉測量(Brokešová and Málek, 2010, 2020). Rotaphone 是目前少見的六分量(6C)一體化地震儀，但目前仍未商業化. 它將臺陣微型化到較小的尺寸(直徑 44.5 cm，高 11.2 cm)，安裝和攜帶性大幅提高，同時降低了場地和平動干擾的影響，但低頻性能也有所損失;最近測試結果表明(Brokešová et al., 2021)，Rotaphone 旋轉測量分辨率可達 0.042 nrad/s，頻率范圍 1～20 Hz，動態范圍達 120 dB，可以較好地滿足地震高頻旋轉監測需求.
1.2.2 直接測量陀螺技術
陀螺是目前應用最為廣泛的旋轉直接測量技術，它的主要用途是慣性自主導航，因其自包含性強，不受外界干擾，是軍事、航天和無衛星導航信號環境下的重要導航技術. 陀螺技術種類繁多，目前光纖陀螺技術較為成熟(圖 3，薛連莉等，2020)，在 旋 轉 地 震 儀 中 使 用 最 為 廣 泛 . Jaroszewicz 等(2016)對常見的各種旋轉測量設備進行了比較，認為光學(特別是光纖)陀螺儀最適合于地震學觀測應用，更有地學應用前景. 成熟的高精度和高穩定性光纖陀螺技術，促進了小型化旋轉地震儀的商業化進程，將有助于旋轉測量在全球的應用和推廣，為地震學的發展帶來深遠的影響(Schmelzbach et al., 2018; Sollberger et al., 2020).
2 光纖旋轉地震儀
光學陀螺基于光速不變原理，利用 Sagnac 效應測量旋轉運動. 由于光子無質量，Sagnac 效應不受平動影響，可以測量凈旋轉分量. Sagnac 干涉測量示意圖和原理如圖 1f 和圖 4 所示，將一束光分成傳播路徑相同、方向相反的兩束光，最后返回到發射點形成干涉圖像. 當光束所在平臺沒有轉動時，兩束光的到達時間相同、無相位差(圖 4a);如果平臺發生轉動，與旋轉同向的一束光走的路程要大于另外一束光(ΔL)，兩束光出現走時差(ΔT)，它們的干涉條紋出現相位差(圖 4b).
光纖旋轉地震儀主要性能指標繼承于光纖陀螺儀，但性能要求高于普通導航. 主要的參數如自噪聲(和靈敏度有關)、動態范圍和響應頻率范圍等除了度量單位外，類似于平動地震儀. 較特殊的參數是儀器的零偏、零漂和標度因子. 其中儀器標度因子是指不同頻率輸入和輸出角速率的比值，類似于傳統地震儀的儀器響應曲線. 零偏是輸入角速度為零(即陀螺靜止)時陀螺儀的輸出量，理想情況下應該為地球自轉角速度的分量. 零漂即為零偏穩定性，表示當輸入角速率為零時，陀螺儀輸出量圍繞其零偏均值的離散程度. 溫度和光纖偏振態是影響標度因子、零偏和零漂的主要因素. 通常需要溫度控制或者溫度補償來改善測量精度，同時采用偏振濾波或保偏光纖消除偏振對零漂的影響.
Bernauer 等(2018)提出可實用的旋轉地震儀至少應該滿足動態范圍、自噪聲、穩定性和標度因子等方面的 8 個要求. 表 1 對比了幾種光纖旋轉地震儀的參數，可以看到 G-Ring 在自噪聲、動態范圍等方面優勢明顯，但設備面積太大難于廣泛應用. 這些設備中，BlueSeis-3A 性能并非最佳，但卻是全球首個(或目前僅有的)商業化可流動觀測寬頻三分量旋轉地震儀(圖 1f). Bernauer 等(2018)對該設備的多個指標進行實驗室測試，認為可滿足地震學應用要求，但存在過重、功耗過大等不足. Izgi 等(2021)進一步在室內用 6 臺 BlueSeis-3A 做了一致性測試，認為它們的相關噪聲、自噪聲和震源方向等方面能夠獲得可靠和一致的結果，滿足野外應用需求. 目前光纖旋轉地震儀應用推廣的主要障礙還是在于它相對昂貴的價格(數倍于傳統寬頻地震儀)，還有待更多成熟商業化旋轉地震儀的推出和競爭.
3 旋轉地震學應用
旋轉分量通常和平動分量組合應用. 包含旋轉和平動的 6C 地震波矢量信息，能夠有效地改善傳統地震監測的性能，拓展平動觀測的應用領域，從而在震源定位、震源機制和破裂過程等震源參數反演、地下結構成像、建筑抗震和健康監測等工程應用中發揮重要的作用.
3.1 地震監測性能改善
旋轉測量可以在多個方面改善現有的地震監測性能. 首先是旋轉可用于平動地震儀器的傾斜、去噪和方位校正. 傳統地震儀對傾斜非常敏感. 在凍土、海底或火山等區域，地表隆起或下陷經常發生，導致儀器傾斜影響記錄，甚至無法正常工作. 除了靜態的傾斜變形，還有動態的傾斜影響. 風能夠引起極低頻(10～100 mHz)的傾斜變化(Venkateswara et al., 2017). 地震波的旋轉分量，特別是在低頻范圍，會產生類似的動態傾斜，改變平動地震儀水平分量的重心投影，使它們的波形發生微弱的變化. 對火山地區的研究發現(van Driel et al., 2015)，雖然動態傾斜效應導致的大多數地震臺站記錄的波形變化并不明顯，但卻顯著影響了活火山近場超長周期(10 s 以上)事件的震源張量反演. 而通過理論模擬測試發現，將旋轉分量數據加入反演，可以大幅度改善震源張量反演結果的準確性.
Lindner 等(2017)發現海底地震儀(OBS)受洋流或海底形變影響，5～13 s 水平分量被旋轉振動嚴重干擾. 他們利用 OBS 內置光纖陀螺儀測量出旋轉分量，去除交叉耦合，發現 10 s 水平分量的噪聲頻譜幅度降低可以超過 11 dB. Bernauer 等(2020a)觀測到從實驗室到野外環境下儀器傾斜對加速度測量的嚴重影響，并提出了兩種利用旋轉地震儀記錄校正平動信號的方法. 他們認為火山、海底、近斷層和城市地震工程應用中非常有必要使用 6C 振動監測.
旋轉測量也可以解決井下地震儀和 OBS 絕對水平方位角的問題. D'Alessandro 等(2014)利用廉價的 MEMS 陀螺儀，在井下地震儀安裝下降過程中同時進行旋轉測量，在大部分情況下，可以將安裝方位角誤差控制在 2°以內.
旋轉與平動的結合，將具有更強的波場矢量特征拾取能力，顯著提升現有地震臺站的監測性能. 單臺 6C 記錄能夠實現類似小孔徑臺陣的功能，獲得地震波瞬態的傳播速度、方向和極性等波場特征，對于解決震源定位、事件分離等很多地震監測性能相關的問題非常有益.
例如，當有不同事件的波形在相近的時間經過地震臺站時，單臺 3C 觀測基本無法區分這些信號，將會把這些事件當成一個事件對待，造成誤判(圖 5a, 5d). 利用提取的方位角和速度信息，6C 觀測能夠很好地分辨出從不同方位入射而且時間重疊的多個事件(如圖 5b, Sollberger et al., 2017). 在地震臺站分布稀疏的地區，常使用單臺方法定位地震. 但 3C 平動數據測量背方位角存在 180°混淆的問題，只能推測其中一個方位再進行定位. 旋轉信息不僅可以更好地約束區分方位相位，甚至還可以提高方位測量精度. 如 Taylor 等(2021)使用臺陣 ADR 方法通過旋轉信息估算誘發地震的背方位角，發現可以比臺陣 S 波波束方法減少約 40% 的擬合誤差.
6C 觀 測 還 可 以 更 可 靠 地 識 別 波 形 類 型(Sollberger et al., 2017; Yuan et al., 2020). 如 P 波和 S 波的質點運動在 3C 觀測系統中都是線性的，無法區別;而在 6C 觀測中，利用 S 波有旋轉分量這個特征，就可以實現波場震相分離或濾波(Sollberger et al., 2020). 如果將波場分離功能應用到地震波形后續震相(如深度震相，深部界面的反射、轉換震相等)，將可以更多地提取地震波走時信息，改善地震定位或層析成像地下介質的射線覆蓋.
Li 等(2017)提出了利用旋轉信息進行地震事件自動定位的逆時反投影方法，通過旋轉運動附帶的速度空間梯度信息和基于能量流的聚焦準則，解決了局部化問題，提高了地震定位和發震時刻反演的精度. Donner 等(2016)則提出更直接的方法，利用單臺 6C 地震記錄頻散曲線提取速度結構，再通過射線參數確定地震的位置和深度. 這些研究為有效利用 6C 觀測開展震源研究提供了基本的思路和實踐依據.
3.2 震源參數反演和破裂過程研究
旋轉測量對于地震震源的研究非常重要. 地震波旋轉分量的產生和震源破裂過程有關. 僅考慮斷層面的對稱位錯，Bouchon 和 Aki(1982)針對地下走滑和傾滑斷層開展模擬，結果顯示地震激發的旋轉分量遠弱于平動分量(例如，長 30 km 的走滑斷裂位錯 1 m 產生的最大旋轉速度才 1.5×10−3 rad/s). Takeo(2006)利用類似的模擬試圖解釋 1997 年日本 Izu 半島的震群(最大震級 5.7)觀測記錄，發現模擬結果中的旋轉分量數倍低于實際觀測值，而地震矩卻大于觀測值二個數量. 由此可見，實際地震中的旋轉分量被嚴重低估，不能用簡單的地震破裂模型來模擬.
旋轉能量之所以被低估，可能與斷層滑移速度的空間變化或斷層的旋轉應變有關. 目前已提出多種較為復雜的地震破裂模型，如斷層幾何形態的彎曲、受斷層障礙體影響破裂滑移的轉向或模式轉換等(Aksenov, 2006; Majewski, 2006)，試圖定量解釋地震時旋轉分量的產生機理. 要有效地反演震源破裂過程或斷層內部的不均勻性，迫切需要開展震源周邊的旋轉與平動 6C 測量.
近年來一些在震源區的 6C 觀測也表明，旋轉觀 測 對 震 源 研 究 的 必 要 性 . Górski 和 Teisseyre (2006)發現冰川上的地震事件，特別在 0～5 Hz 的低頻范圍具有非常豐富的旋轉分量，攜帶著冰川對復雜應力反應的新信息. Wassermann 等(2020)在夏威夷火山開展的單臺 6C 觀測，在三個方向均清楚記錄到靜態旋轉，揭示出火山塌陷地震發生時介質復雜的運動軌跡. 從理論合成數據至野外實際數據，不同的研究都表明，如果能夠包含旋轉運動數據，震源反演精度，特別是矩張量和矩心深度的分辨率，將能夠得到顯著的提高(Bernauer et al., 2014; Donner et al., 2016; Reinwald et al., 2016);甚至可以從單臺 6C 觀測獲得震源矩張量信息(Donner et al., 2018). Donner 等(2020)用朝鮮半島的一個核爆和一個天然地震的合成數據，對比了 1D 和 3D 速度結構，3C 和 6C 數據 4 種組合下矩張量的反演，發現總體而言，6C 數據的參與可以改善反演結果;特別是當提高反演頻率范圍時， 3D 和 6C 組合會有更顯著的反演分辨率改善(圖 6).這給以高頻能量為主的 M<3.5 地震的矩張量可靠反演帶來希望.
Yuan 等(2021)利用 2D 和 3D 合成數據說明在已知斷層大概位置的情況下，僅用單臺 6C 觀測記錄就能夠恢復地震破裂路徑和破裂速度;而當有 2 個以上臺站的 6C 觀測時，可以在無斷層先驗知識的情況下恢復破裂的時空圖像. Yuan 等(2021)的研究并沒有使用傳統的 P 波信息，而是通過 6C 波場分離，示例使用 S 波記錄反演地震破裂過程. 他們還利用高速路上的汽車振動信號，驗證了單臺 6C 觀測反演的可行性(圖 7).
3.3 旋轉分量的傳播特征和地下介質結構成像
6C 觀測類似于臺陣功能的波場分解和重構能力，有益于地下結構方面的研究. 受各向異性、P/S 波相互轉換、波阻抗界面、散射體和場地的影響，地表接收到的地震波場往往比較復雜、相互干擾;有效的波場分離或壓制，能夠更好地分析波場傳播特征，或提高地震成像分辨率和可信度.——論文作者：王偉君1*，陳 凌2,3，王一博4，彭 菲1
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