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主要作者及机构

本研究的主要作者包括林融冰、曾祥方、宋政宏等，分别来自中国科学院测量与地球物理研究所大地测量与地球动力学国家重点实验室、中国科学院大学、中国科学技术大学地球和空间科学学院以及中国地震局地球物理研究所。该研究于2020年4月发表在《地球物理学报》（Chinese Journal of Geophysics）第63卷第4期。

学术背景

随着城市化进程的加速，城市地球物理学逐渐成为地球物理学研究的重要方向。地震成像是构建城市地下空间三维或四维图像的重要手段，但传统地震观测方法成本较高。近年来，分布式光纤声波传感系统（Distributed Acoustic Sensing, DAS）作为一种高密度地震观测系统，在地震层析成像中展现了其优势，既能提高成像分辨率，又能降低观测成本。本研究旨在验证国产DAS设备在地震背景噪声成像中的可行性，并探索其在浅层结构成像中的应用。

研究流程

本研究的主要流程包括以下几个步骤：

1. 实验设计与数据采集
   实验在北京白家疃国家地球观象台进行，采用国产DAS设备，使用480米长的埋地光缆记录了13小时的背景噪声数据。同时，为了对比，沿光缆布设了120台10Hz竖直分量检波器和9台地震仪（Guralp 3EPS地震仪和Reftek 130数据采集器）。实验的道间距为2米，基线长度为2米，采样率为2000Hz。

2. 数据处理与噪声互相关函数计算
   研究团队采用每30秒的连续记录降采样到100Hz，并进行时间域和频率域归一化处理，计算噪声互相关函数（Noise Cross-Correlation Functions, NCFs）。通过叠加提高面波信号的信噪比，最终获得可靠的高频Rayleigh面波信号。

3. 频散曲线提取与速度结构反演
   采用多道面波分析方法（Multiple-Channel Analysis of Surface Wave, MASW）提取相速度频散曲线，并通过遗传算法反演得到研究区内的二维S波速度剖面。频散曲线的可用频段为3~14Hz，反演模型的总厚度为100米，浅部层厚为10米，深部为20米。

4. 结果验证与对比
   研究团队将DAS记录的噪声互相关函数与检波器记录的结果进行对比，发现两者在重合频段较为一致。此外，与主动源观测结果相比，背景噪声互相关函数能够提取到更低频的面波信号，有助于约束更深部结构。

主要结果

1. 噪声互相关函数与面波信号
   通过长时间的叠加，研究团队获得了高质量的噪声互相关函数，并从中提取到了高频Rayleigh面波信号。信噪比随着叠加时间的增加迅速提高，并在15000秒后趋于稳定。

2. 频散曲线与速度结构
   频散曲线显示出明显的正频散特征，低频段的拾取精度较低，高频段较高。研究区内的S波速度剖面显示，浅部数米的回填土速度较低，厚度变化明显；回填土下方的泥土和卵石混合物速度约为250~350 m/s；30米以深部分主要为风化石和块石，速度显著增加。

3. 对比验证结果
   DAS记录的噪声互相关函数与检波器记录的结果在重合频段较为一致，但DAS记录的高频段信号更为清晰。与主动源观测结果相比，背景噪声互相关函数能够提取到更低频的面波信号，有助于提高浅层结构成像的精度和采样深度。

结论

本研究初步验证了国产DAS设备在地震背景噪声成像中的可行性。通过高密度观测，研究团队成功获得了高质量的噪声互相关函数，并提取到了高频Rayleigh面波信号。频散曲线和速度结构反演结果表明，研究区内的浅层结构存在较强的横向不均匀性。该研究为城市浅层结构的高分辨率成像提供了新的技术手段，具有重要的科学和应用价值。

研究亮点

1. 国产DAS设备的首次验证
   本研究首次验证了国产DAS设备在地震背景噪声成像中的可行性，为国产设备的推广应用提供了重要依据。

2. 高密度观测与高频信号提取
   通过高密度观测，研究团队成功提取到了高频Rayleigh面波信号，显著提高了浅层结构成像的分辨率。

3. 多方法对比与验证
   研究团队将DAS记录的结果与检波器和主动源观测结果进行了对比，验证了DAS设备在地震背景噪声成像中的可靠性。

其他有价值的内容

研究团队还探讨了DAS设备在城市地球物理学中的应用前景，指出其在浅层结构成像中的潜力。通过结合地震背景噪声成像技术，DAS设备有望在较短的观测时间内实现大范围的高横向分辨率浅层速度结构成像。

本研究为城市浅层结构的高分辨率成像提供了新的技术手段，具有重要的科学和应用价值。