本次研究的主要作者为 Zack J. Spica，其来自美国密歇根大学安娜堡分校地球与环境科学系，合作者包括 Kiwamu Nishida、Takeshi Akuhara、François Pétrélis、Masanao Shinohara 和 Tomoaki Yamada，他们分别隶属于东京大学地震研究所、法国巴黎高等师范学院、日本气象厅等机构。这项研究成果以论文《Marine sediment characterized by ocean-bottom fiber-optic seismology》为题，发表于2020年的《Geophysical Research Letters》期刊（接受日期为2020年8月8日，在线发表日期为2020年8月17日）。
该研究属于地球物理学与海洋地球科学交叉领域，具体聚焦于利用新兴的分布式声学传感（Distributed Acoustic Sensing, DAS）技术对海底浅层沉积物结构进行高分辨率成像。研究的学术背景在于，准确获取海洋沉积物的横波（S波）速度结构对于理解海底地质过程、评估海底工程地质条件（如海上平台与管道建设的基底稳定性、地震放大效应）以及改进多分量地震数据的处理算法（如转换波静校正、波场分离）都具有至关重要的意义。然而，传统获取海底沉积物横波速度的方法面临诸多挑战：主动源地震勘探在水中难以高效激发显著的横波体波；基于海底地震仪（Ocean Bottom Seismometer, OBS）的被动源观测网络虽能覆盖较大区域，但分辨率较低且部署成本高昂、观测时间有限。因此，亟需一种能够长期、实时、低成本且高分辨率地观测海底结构的技术。
DAS技术作为一种革命性的测量手段，为上述问题提供了极具潜力的解决方案。它通过向光纤中发射激光脉冲并分析其后向散射光的干涉信号，可以将现有的通信光纤转化为成千上万个连续分布的地震应变传感器。这项技术此前已在陆上环境和初步的海底原型实验中展示了其监测地震与海洋动力过程的潜力。本研究的目标，则是首次系统性地验证并展示利用部署于海底的既有通信光缆结合DAS技术，仅依赖被动记录的环境地震场（Ambient Seismic Field, ASF），实现对海底浅层沉积物横波速度结构的高分辨率二维成像，并探索其揭示地下构造细节（如沉积层-基底界面、低速微盆地、断层带）的能力。其最终目的在于开辟一条未来可大规模、低成本进行海底地震成像与勘探的新途径。
研究的工作流程主要包含五个紧密衔接的步骤，环环相扣，共同构建了对海底浅层结构的全面认识。
第一步：数据采集与实验设置。 研究团队利用日本三陆地区一条已布设的、用于支撑海底地震与海啸观测台的120公里长通信光缆。这条光缆的大部分区段被埋藏在海底下60-70厘米的沉积物中，确保了光纤与海底的良好耦合。研究人员在光缆的陆上端接入了一台DAS询问器（AP Sensing N5200A），将前100公里光缆转化为约19,000个空间采样间隔为5米的地震应变传感器通道。数据采集于2019年2月13日开始，采样率为500 Hz。本研究主要分析使用40米计量长度的数据，并专注于光缆被埋藏的前约48公里段落，以获取最可靠的海底耦合信号。在实验期间，原有的OBS系统也同步工作，为后续的交叉验证提供了可能。
第二步：环境地震场分析及频波数分析提取面波频散曲线。 这是获取横波速度剖面核心数据的关键步骤。研究人员首先选取了连续记录的24小时环境地震场数据，并去除了大地震事件。为了提取揭示地下结构的 Scholte 波（在流体-固体界面传播的瑞利型波），他们采用了频率-波数（Frequency-Wavenumber, FK）分析方法。具体流程是：沿光缆以滑动窗口（例如，每次选取以某个通道为中心的1000个通道，对应约5公里长度）的方式截取2小时时长的应变记录；对每个窗口的二维（时间-空间）数据进行二维傅里叶变换，将其转换到频率-波数域，得到功率谱。在此功率谱中，可以清晰地区分出不同来源的相干信号，例如低频的海洋表面重力波（产生初级微震）和本研究关注的、频率更高的 Scholte 波。Scholte 波在频散图像上表现为一条条分散的波包。研究团队通过图形用户界面，人工拾取了这些分散波包中能量最强的局部极大值，从而获得了不同频率对应的 Scholte 波相速度，即频散曲线。这一过程在沿光缆的45个位置（间隔约1公里）重复进行，当数据中存在明显的高阶模式时也一并提取。拾取误差由选取最大值时所使用的频率-速度分档大小决定。通过这一步骤，研究获得了沿光缆分布的一系列多模式（基阶和高阶）Scholte 波相速度频散曲线，这些曲线蕴含了其传播路径下方介质横波速度随深度变化的信息。
第三步：横波速度结构反演。 在获得频散曲线后，研究团队通过反演来获取地下的横波速度模型。首先，他们使用多项式函数对拾取的频散曲线进行重采样。随后，采用模拟退火算法与非线性优化程序（梯度法）相结合的迭代反演策略来最小化观测数据与理论合成数据之间的失配。反演的初始模型基于研究区域已知的地质信息和初步分析进行约束（例如，利用文献中该区域新生代沉积层的纵波速度约2400 m/s，以及横波速度与纵波速度之比约为4的假设来估算初始横波速度）。为构建二维速度剖面，沿光缆的反演采用顺序平滑的方式进行：即一个位置的反演结果作为下一个相邻位置反演的初始模型。反演参数设定为两层覆盖在半空间之上的模型，反演变量是各层的厚度和横波速度。通过对沿光缆45个位置的频散曲线逐一进行反演，并将结果整合，最终生成了一条沿光缆延伸方向的二维横波速度剖面。
第四步：基于自相关方法的反射成像。 这是揭示地下界面反射特征的独立而互补的方法。研究利用相同的24小时环境地震场数据，计算了前约10,000个通道（对应约50公里）的自相关函数。数据处理流程包括：将数据降采样至25 Hz；使用30秒滑动窗口（50%重叠）计算每个通道的自相关函数；采用相位加权叠加方法对各个时间窗口的自相关结果进行叠加，以提高信噪比。为了增强横向结构变化的显示并削弱源效应的影响，研究团队对每个通道的自相关结果进行了“源项反褶积”处理，即用该通道周围500个通道自相关的滑动平均作为估计的源函数，并将其从原始自相关中去除。最后，将处理后的所有通道自相关结果按通道顺序排列，并经过0.8-4.5 Hz的带通滤波，形成了一幅二维反射图像。这幅图像展示了来自地下不同界面的反射信号随双程走时的变化。
第五步：地震波场分析与建模验证。 为了进一步验证和解释上述被动源方法得到的结果，研究团队还分析了由DAS记录到的本地地震事件（一个矩震级Mw=3.0的地震）的波场。他们观察了横波（S波）波前沿光缆的传播特征，发现波前在特定区域（对应反演出的低速区）出现延迟，这直接证实了低速沉积层的存在。此外，他们还利用二维有限差分方法（使用软件包如Li et al., 2014）进行了数值模拟，模拟了一个与观测地震参数相似的点源在包含真实海底地形和人工添加的浅层低速层模型中产生的地震波场。合成记录不仅再现了观测到的波前延迟现象，还揭示了可能由沉积盆地边缘散射产生的复杂波场特征，这有助于理解自相关图像中观察到的某些复杂模式。
研究的核心结果在各个步骤中逐步呈现，并相互印证，最终拼凑出一幅清晰的海底浅层地质图景。
从频散反演得到的二维横波速度剖面显示，沿光缆的浅层沉积物横波速度存在显著的横向变化。总体而言，从西向东（即从近岸向海盆方向），沉积层有增厚的趋势。浅层沉积物的平均横波速度在大部分区域为500-700 m/s。然而，在通道~3000附近的区域（距离海岸约15公里处），反演结果显示顶层沉积物的横波速度异常低，仅约300 m/s，而其下的基岩横波速度平均约为2100 m/s，形成了极强的波阻抗对比。这一低速薄层区域恰好对应于环境地震场能量图中Scholte波能量最强的区段。
自相关反射图像提供了地下界面反射特征的直接证据。图像揭示了几处关键特征：1）在通道~1200至~5000的范围内（即上述低速薄层区域），自相关函数显示出强烈、相干但复杂的波场，没有清晰的尖脉冲反射走时，这被解释为由于极低的沉积层速度与高速基岩之间的强烈波阻抗差，导致表面波在低速“微盆地”内发生多次混响和陷获。2）在通道~5500以东的区域，图像中在约4.9秒和9.8秒处出现了极性相反的双反射相位。结合该区域反演出的较厚沉积层（约1100-1400米）和约600 m/s的横波速度，研究人员将这些相位解释为来自沉积层-基底界面的横波反射双程走时和四程走时信号。界面反射信号的清晰可见，暗示了基底顶面并非绝对平坦，而是具有一定的粗糙度，这与该区域已有的主动源反射剖面数据吻合。3）图像中还识别出可能与断层带或强地形变化引起的波导效应、管波等相关的散射特征。
地震波场分析为低速区的存在提供了独立证据。观测到的地震事件记录显示，S波波前在低速区（图中绿色区域）的到达时间明显晚于相邻高速区（紫色区域），这与反演剖面预测的速度结构完全一致。此外，波场中还观察到了倒V形的能量扩散特征，这被认为是与低速度断层带或高度破碎介质相互作用的典型标志。
交叉验证进一步巩固了结论的可靠性。研究分析了由OBS系统（SOB3台站）记录的另一个地震事件（Mw=3.1）。在旋转至平行于光缆方向的水平分量上，清晰地观察到了一个P波到S波的转换波，其延迟时间约2.2秒。利用该走时和反演得到的约600 m/s的沉积层横波速度，可以推算出沉积层厚度约为1200米，这与反演模型和反射图像的解释自洽。
基于上述所有结果，研究得出了明确的结论：首次成功利用海底既有通信光缆和DAS技术，仅依靠一天的环境地震场记录，实现了对海底浅层沉积物结构的高分辨率二维成像。研究不仅获得了沿50公里光缆下方的横波速度剖面，还通过自相关方法获得了反射图像，揭示了沉积层-基底界面、低速微盆地、可能的断层带等多种地质构造细节。这些结果得到了地震波场直接观测和数值模拟的支持。该研究证实了海底DAS在浅层成像方面的卓越能力，其分辨率和空间覆盖范围是传统OBS阵列或主动源勘探难以企及的。
本研究的科学价值与应用价值显著。在科学上，它展示了DAS技术作为一种强大的新型地球物理工具，在海洋地球物理勘探领域的巨大潜力，特别是为研究海底沉积过程、构造活动、地震波在复杂海底地形中的传播等基础科学问题提供了前所未有的高分辨率数据。在应用上，该方法无需昂贵的海上专用勘探，只需连接DAS询问器即可利用现有光缆基础设施进行长期、实时、低成本的海底结构监测与成像，未来可广泛应用于海底地质灾害评估（如滑坡、液化）、资源勘探、海底工程场地调查以及全球海洋地震监测网络的补充与增强。
研究的亮点在于：1）方法的首次系统性验证：这是首次在海洋环境中，系统地利用海底DAS和环境地震场数据进行浅层结构高分辨率成像的完整研究。2）多方法融合与交叉验证：创新性地将频散曲线反演、环境噪声自相关反射成像、地震波场直接分析和数值模拟多种技术结合，相互印证，形成了坚实的证据链。3）高分辨率与低成本：利用DAS将光缆转化为数万个传感器，实现了传统方法难以达到的空间采样密度和分辨率，同时依托现有基础设施，极具成本效益。4）对复杂地质现象的揭示：不仅得到了平滑的速度模型，还成功识别并解释了如低速沉积微盆地内的能量陷获、基底界面的粗糙度等细微地质特征，展示了DAS揭示复杂地下结构的非凡能力。这项研究为未来在全球范围内利用庞大的海底通信光缆网络进行海洋地球物理探索铺平了道路。