新知丨光纤是如何探测地震的?

作者: 王苻欢

来源: 中国科学院半导体研究所

发布日期: 2019-06-23 08:00:00

本文介绍了地震的定义、地震波的探测方法以及光纤激光型传感器在地震监测中的应用前景。

什么是地震?就在6月17日,宜宾市长宁县(四川省)又发生了6.0级地震。地震经常给人类造成巨大的财产损失,有的家庭甚至因此而变得支离破碎。所以我们科研工作者也一直在不松懈的努力,争取早一天让人类可以逃离地震这个梦魇的诅咒。地震其实频频发生在我们身边,据中国地震台统计,中国近6个月,每个月都有数十次的地震发生。

地震是地球表层或表层下的振动所造成的地面震动,可由自然现象如地壳运动、火山活动及陨石撞击引起,亦可由人为活动如地下核试验造成,不过历史上主要的灾害性地震都由地壳的突然运动所造成。地震的影响力涵盖岩石圈及水圈──当地震发生时,可能会连带引发地表断裂、大地震动、土壤液化、山崩、余震、海啸、甚至是火山活动,并影响人类的生存及活动。

如何探测地震呢?想了解如何探测地震首先我们要了解什么是弹性回跳理论。

弹性回跳理论(又称弹性反跳理论)是一个解释发生地震原因的理论。即假设地壳为弹性体,则受到应力行为时,会不断的变形并且累积应变能量。当应变能量累积到超过岩体中弱面强度时,岩体就会沿着此弱面滑动造成地震。此弱面就是一般所称的断层。根据上述的弹性回跳理论,造成地震的原因是岩石中断层的破裂。当断层破裂时,两侧的岩体会相对移动并释放出累积的能量。

虽然其中大部分的能量在都克服摩擦力中损失为热能,但是剩下的部分则转换为动能,并以弹性波的形式散发出去,这些波称为地震波。地震波是地震的直接表现,因此,研究地震波的到来时间、大小、振动方式等,就可以了解一个地震的发生时间、大小、发生机制等,进而研究地震。

在地震学中,研究地震波一直是探测地球内部结构最有效的手段。那么什么是地震波?如何研究它?

地震波(又叫Seismic Wave)是指以地震为能量来源的波动。当地震发生时,人们通常会因为地震波的传播而感觉到地面“摇晃”。地震波是一种由震源发出,在地球内部传播的波。地震波主要分为三种:实体波、面波和尾波。科研工作这通常研究的是实体波,实体波又被分为“纵波”(“P波”),“横波”(“S波”)。现代地震仪通过探测地震波, 得到地震记录来研究震源、地球内部结构和地震波本身,并实现临震预报。

但是, 传统的地震波探测系统普遍存在着灵敏度低、动态范围小、漏电、供电困难等问题,限制了地震预报技术的发展。

而一种基于分布反馈的(DFB)光纤激光器作为传感元件的地震波传感器具有极大的应用前景。那么什么是光纤激光型传感器呢?我们都知道光纤具有体积小,重量轻,本征绝缘和抗电磁干扰等优点,普遍应用于光通信和光传感领域。

之所以光纤可以传感,一般是因为科研工作者们在光纤上加工了特殊的结构,这种特殊的结构对光波的传输起到了滤波的左右(可以理解为反射或者投射一部分信号光用于传感)。比如加了周期性折射率变化的结构就制成了光纤光栅(FBG)。分布式反馈光纤激光器具有极窄的线宽,结合高分辨率的干涉式波长位移解调技术,能够得到极高的探测分辨率。

光纤激光型地震检波器既具有光纤光栅检波器波长编码(即可以实现单纤16波长DFB光纤激光器阵列作业)、抗干扰能力强、探头尺寸小、易于组网的优点,又具有干涉型检波器灵敏度极高的优点,因而有望在地震监测中担当重任。

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