CC BY
9ВКВО-2023- ДАТЧИКИ
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РЕГИСТРАЦИИ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЙ С ПОМОЩЬЮ КОГЕРЕНТНЫХ РЭЛЕЕВСКИХ РЕФЛЕКТОМЕТРОВ
1 4* 12 1
Никитин С.П. ' , Спиридонов Е.П. , Кислов К.В. , Старовойт Ю.О. , Бенгальский Д.М. 1, Харасов Д.Р. 1, Фомиряков Э.А. 1, Наний О.Е. 13,
Трещиков В.Н. 1
1 ООО "Т8", г. Москва
2 Институт теории прогноза землетрясений и математической геофизики РАН, г. Москва 3Московский государственный университет им М. В. Ломоносова, физический факультет, г. Москва
4 ООО "ФемтоВижн ", г. Москва *E-mail: [email protected] DOI 10.24412/2308-6920-2023-6-282-283
В настоящее время большое внимание уделяется возможностям использования распределённых акустических сенсоров (Distributed Acoustic Sensors, "DAS"), использующих оптическое волокно в качестве чувствительного элемента, в широком диапазоне геофизических и сейсмических применений. Для этого обычно используются вибро-акустические волоконные датчики на основе фазочувствительной когерентной рефлектометрии рассеяния Рэлея (Ф-OTDR). По сравнению с обычными сейсмодатчиками, DAS отличается простотой развёртывания как на суше, так и на дне водоёмов, нечувствительностью к электромагнитным помехам, высокой естественной точностью синхронизации сигналов при большом объёме данных, получаемых с волоконных линий протяженностью до нескольких десятков километров. К недостаткам DAS можно отнести сложность абсолютной калибровки регистрируемых сигналов, трудности с реализацией 3-х компонентного приёма и снижение чувствительности датчика на высоких частотах вследствие усреднения сигналов на базе измерения [1].
Для изучения возможностей DAS в области телесейсмометрии в период с 1 по 28 февраля 2023 г. был проведён международный эксперимент "Global DAS month", в ходе которого регистрировались сигналы DAS в течение ~60 мин. после всех землетрясений на Земле c магнитудой M>5. Кроме того, в случайно выбранную организаторами дату 14 февраля 2023 г. все участники эксперимента осуществляли 24-часовую запись. В эксперименте использовались несколько десятков систем DAS различных изготовителей, размещённых в самых разнообразных географических условиях.
В данном эксперименте принимала участие компания «Т8 Сенсор» с использованием программно-аппаратного комплекса «Дунай» собственного производства, подключённого к изолированному одномодовому волокну длиной ~750 м, используемого в Кавказской Горной Обсерватории ГАИШ МГУ, в районе г. Кисловодск. Данные, собранные участниками эксперимента доступны на сайте www.globus.org в директории DAS-Month-02.2023/ [2]. В ходе эксперимента произошло более 150 землетрясений c M > 5, в том числе 6 февраля 2023 года на юго-востоке Турции вблизи г. Кахраманмараш произошли два мощных землетрясения c магнитудами 7,8 и 7,5, повлёкшие катастрофические последствия. Сейсмические волны от этих землетрясений были зарегистрированы системами DAS, расположенных на нескольких континентах [3].
На Рис.1 изображена карта, где красным кружком отмечен эпицентр землетрясения с M = 7,5 в Турции (38,0155° с.ш. 37,2056° в.д.), произошедшее 6 февраля в 13:24:50 (MSK), а также расположения некоторых систем DAS: белый кружок - г. Стамбул, Турция (772 км от эпицентра, 40,96° с.ш., 29,07° в.д., оборудование: Silixa iDAS, оператор Высшая Техническая школа Цюриха , Швейцария), оранжевый треугольник - обсерватория ГАИШ вблизи г. Кисловодск, РФ (~784 км от эпицентра, 43,74° с.ш., 42,66° в.д., оборудование: DAS T8 «Дунай», оператор ООО T8 / ГАИШ, МГУ, РФ) и зеленый квадрат - окрестность г. Эскдейлмьюир, Шотландия (~3565 км от эпицентра, 55,33° с.ш. 3,15° з.д., оборудование: DAS Febus A1-R, оператор Унив. Лидса, Великобритания). На Рис.2(а) показаны сигналы, зарегистрированные указанными системами DAS сразу после землетрясения. На Рис 2 (б) показаны амплитудные спектры, полученные обработкой записей сигналов
ВКВ0-2023- ДАТЧИКИ
продолжительностью 24 часов, записанных 14 февраля 2023 г в Кисловодске и Эскдейлмьюире, и 15 февраля в Стамбуле. При этом 14 февраля произошли три землетрясения с магнитудой M > 5, наиболее крупное из них - в Румынии с М = 5,6; в то время как 15 февраля произошло десять землетрясений с магнитудой M > 5, причем ближайшее к Стамбулу имело эпицентр в районе Срединно-Атлантического хребта и магнитуду M = 5,3, а наиболее крупное с магнитудой M = 6,1 произошло на Филиппинах.
Из приведённых данных видно, что волоконно-оптические системы DAS уверенно регистрируют сильные землетрясения (М>7) на расстояниях в несколько тысяч километров. Уровень собственных шумов DAS в области высоких частот (> 10 Гц) обычно составляет несколько пикострейн/Гц12, что соответствует анализу шумов Ф-OTDR, проведённому ранее [4, 5].
Рис. 2. Сигналы DAS, зарегистрированные после землетрясения в Турции 06.02.2023 на единой временной шкале, где T = 0 соответствует началу землетрясения в 13:24:50 MCK. Красная кривая - Стамбул; зелёная - Кисловодск; синяя - Эскдейлмьюир (а). Амплитудные спектры сигналов продолжительностью 24 часа, записанные в этих же местах, 14 февраля в Кисловодске и Эскдейлмьюире и 15 февраля в Стамбуле (b)
В случае с iDAS Silixa, расположенного в черте города Стамбул, уровень шума на высоких частотах существенно выше этого значения и, вероятно, соответствует фоновому шуму города. Во всех трёх случаях наблюдается фликкер-шум на частотах менее 10 Гц. Такое поведение спектра может быть вызвано частотным шумом зондирующего лазера [6], что можно компенсировать техническими методами [7] либо дрейфом температуры зондируемого волокна [8]. Поскольку при распространении сейсмических волн высокие частоты быстро затухают, основной интерес для телесейсмометрии представляет диапазон частот <10 Гц и поиск методов подавления фликкер-шумов в этом диапазоне является важной задачей. Одним из эффективных способов подавления фликкер-шумов является использование волокон с массивом искусственных рефлекторов (МИР-волокна) [4, 9]. Другим подходом к решению этой задачи является непрерывный мониторинг температуры волоконной линии с последующей пост-обработкой фазового сигнала рефлектометра.
Авторы выражают благодарность коллегам из ГАИШ (МГУ им. Ломоносова), предоставившим волоконную линию, место для размещения оборудования и обеспечившим его техническое обслуживание во время эксперимента «Global DAS month-2023».
Литература
"Distributed acoustic sensing in geophysics: Methods and applications. Vol. 268."; Ed. Yingping L.,
Karrenbach M., andAjo-Franklin J., Hoboken, NJ: John Wiley & Sons, 2022
Spica, Zack J., et al. Seismological Society of America 94.2A (2023): 983-998
Jousset P., et al, Copernicus Meetings. EGU23-17618 (2023)
Fomiryakov E.A., et al., Optoelectron. Instrument. Proc. 59, 77-99 (2023)
Gorshkov B.G., et al, Sensors 23, 5402-11 (2023)
Fomiryakov E., et al Journal of Lightwave Technology, 39, 5191-5196 (2021) Gorshkov B.G., et al, Appl. Opt. 61, 8308-8316 (2022)
Никитин С.П. и др., Приборы и техника эксперимента, 5, (2023), в печати
Shatalin S., Parker T. and Farhadiroushan M. in "Distributed acoustic sensing in geophysics: Methods and applications" (2021): 1-32. Hoboken, NJ: Wiley
