Детальная информация

В долгосрочной перспективе землетрясения, оползни и проседания грунта постоянно представляют собой значительные геологические опасности, угрожая как человеческим жизням, так и имуществу. Среди этих опасностей землетрясения имеют широкий диапазон воздействия и высокую разрушительность. Обычно мы используем сейсмическую интенсивность для выражения степени ущерба, причиненного землетрясениями. Сейсмическая интенсивность зависит от различных факторов, включая параметры сейсмического источника (такие как магнитуда землетрясения, глубина источника и решения фокального механизма), эпицентральное расстояние и геологические условия рельефа. Как правило, области вблизи сейсмического источника испытывают более серьезные повреждения. Поскольку землетрясения тесно связаны с тектоникой разломов, зонирование сейсмической интенсивности и оценки потенциальных сейсмических катастроф часто фокусируются на крупных разломах на тектонических границах или открытых поверхностных разломах. Однако многие умеренные и сильные землетрясения также происходят на скрытых или недавно образованных разломах, что приводит к значительным катастрофам1. Кроме того, для данного землетрясения сейсмическая интенсивность обычно постепенно уменьшается с увеличением эпицентрального расстояния. Однако локальные аномалии интенсивности могут возникать из-за специфических условий на месте. Например, эпицентр землетрясения в Мехико 1985 года находился в сотнях километров от тихоокеанского побережья, однако интенсивность сначала снизилась, а затем возросла по мере приближения к Мехико. Это явление в основном объяснялось мягкими слоями почвы под Мехико, которые значительно отличались по скорости сейсмической волны от коренной породы. Сейсмические волны, проходя через эту среду, подвергались многократным отражениям, что усиливало их амплитуду и увеличивало продолжительность тряски, в конечном итоге вызывая серьезные повреждения. Неглубокие подповерхностные скоростные структуры играют решающую роль в выявлении скрытых разломов и надежном моделировании сейсмических движений грунта, предоставляя научные рекомендации по предотвращению и смягчению последствий землетрясений. В последние годы участились инциденты с проседанием городских дорог, характеризующиеся небольшими скрытыми обрушениями, которые имеют значительные социальные последствия. Эти инциденты часто являются результатом неадекватных геологических исследований во время первоначального городского строительства, что приводит к неопределенностям, связанным с подземными объектами, такими как скрытые реки и пещеры. Кроме того, утечка воды из труб может привести к материальной потере дорожного полотна, что приводит к образованию подземных пустот и последующим обрушениям дорог. Высокоразрешающая неглубокая подповерхностная визуализация необходима для обнаружения структурных аномалий под городами и поддержки работы городской инфраструктуры. Кроме того, по мере расширения городов использование подземных пространств зависит от точных неглубоких структурных изображений для планирования и проектирования. Методы сейсмической томографии анализируют сигналы сейсмических волн, генерируемые естественными землетрясениями или искусственными взрывами, для реконструкции физических свойств подземных пород. В зависимости от используемой информации о сейсмических волнах эти методы включают прямую визуализацию объемных волн, визуализацию отраженных волн, визуализацию преломленных волн, метод горизонтально-вертикального спектрального отношения, визуализацию поверхностных волн и визуализацию полной формы волны. Хотя фиксированные сети сейсмических станций достигли неглубокой подповерхностной визуализации, для получения структурной визуализации высокого разрешения по-прежнему требуются плотные сети наблюдений. Достижения в области инструментов сейсмических наблюдений открыли новые возможности для получения изображений с высоким разрешением. Плотные массивы, состоящие из короткопериодных сейсмометров, такие как MESO-net в бассейне Канто, Япония, успешно извлекли основные и более высокие порядковые сигналы поверхностных волн для неглубокой структурной визуализации. Исследователи также разместили 5200 короткопериодных сейсмометров в пределах площади 7 км × 10 км в Лонг-Бич, Калифорния, получив подробные подземные структуры и скрытые распределения разломов. Несмотря на эти достижения, дальнейшее улучшение разрешения изображений требует еще более плотных наблюдений. Мелкомасштабные исследования с использованием метрового расстояния между сейсмическими датчиками могут обеспечить получение структурных изображений с высоким разрешением, но их покрытие ограничено. Для решения этой проблемы в сейсмические исследования была внедрена технология распределенного волоконно-оптического зондирования на основе OTDR (оптическая рефлектометрия во временной области). Эта технология преобразует оптические волокна в сверхплотные сейсмические детекторы, обеспечивая экономически эффективные, крупномасштабные и высокоплотные долгосрочные наблюдения. Подводя итог, можно сказать, что структурная визуализация неглубоких подземных пространств имеет решающее значение для предотвращения геологических опасностей и планирования городских подземных пространств. Необходимы постоянные усилия для повышения разрешения изображений и расширения охвата наблюдений, используя новые технологии, такие как распределенное волоконно-оптическое зондирование.

Over the long term, earthquakes, landslides, and ground subsidence have consistently posed significant geological hazards, threatening both human lives and property. Among these hazards, earthquakes have a wide impact range and high destructiveness. We typically use seismic intensity to express the degree of damage caused by earthquakes. Seismic intensity depends on various factors, including seismic source parameters (such as earthquake magnitude, source depth, and focal mechanism solutions), epicentral distance, and geological terrain conditions. Generally, areas near the seismic source experience more severe damage. Since earthquakes are closely related to fault tectonics, seismic intensity zoning and potential seismic disaster assessments often focus on major faults at tectonic boundaries or exposed surface faults. However, many moderate to strong earthquakes also occur on concealed or newly formed faults, resulting in significant disasters1. Additionally, for a given earthquake, seismic intensity usually decreases gradually with increasing epicentral distance. However, local intensity anomalies may occur due to site-specific conditions. For instance, the 1985 Mexico City earthquake had its epicenter hundreds of kilometers away on the Pacific coast, yet the intensity exhibited an initial decrease followed by an increase as it reached Mexico City. This phenomenon was mainly attributed to the soft soil layers beneath Mexico City, which significantly differed in seismic wave velocity from the bedrock. The seismic waves passing through this medium underwent multiple reflections, amplifying their amplitude and prolonging the duration of shaking, ultimately causing severe damage. Shallow subsurface velocity structures play a crucial role in identifying concealed faults and reliable seismic ground motion simulations, providing scientific guidance for earthquake disaster prevention and mitigation. In recent years, urban road subsidence incidents have become more frequent, characterized by small-scale, hidden collapses that have significant societal impacts. These incidents often result from inadequate geological investigations during initial urban construction, leading to uncertainties related to underground features such as hidden rivers and caves. Additionally, water leakage from pipes can cause material loss in roadbeds, resulting in subsurface voids and subsequent road collapses. High-resolution shallow subsurface imaging is essential for detecting structural anomalies beneath cities and supporting the operation of urban infrastructure. Furthermore, as cities expand, utilizing underground spaces relies on accurate shallow subsurface structural images for planning and design. Seismic tomography techniques analyze seismic wave signals generated by natural earthquakes or artificial explosions to reconstruct subsurface physical properties. Depending on the seismic wave information used, these techniques include direct body wave imaging, reflection wave imaging, refraction wave imaging, horizontal-vertical spectral ratio method, surface wave imaging, and full waveform imaging. Although fixed seismic station networks have achieved shallow subsurface imaging, achieving high-resolution structural imaging still requires dense observation networks. Advancements in seismic observation instruments have introduced new possibilities for high-resolution imaging. Dense arrays composed of short-period seismometers, such as the MESO-net in the Kanto Basin, Japan, have successfully extracted fundamental and higher-order surface wave signals for shallow structural imaging. Researchers have also deployed 5200 short-period seismometers within a 7 km × 10 km area in Long Beach, California, obtaining detailed underground structures and concealed fault distributions. Despite these advances, further improving imaging resolution requires even denser observations. Small-scale studies using meter-scale spacing between seismic sensors can achieve high-resolution structural imaging, but their coverage is limited. To address this, distributed fiber-optic sensing technology based on OTDR (optical time-domain reflectometry) has been introduced to seismic research. This technology transforms optical fibers into ultra-dense seismic detectors, enabling cost-effective, large-scale, and high-density long-term observations. In summary, shallow subsurface structural imaging is crucial for preventing geological hazards and planning urban underground spaces. Continued efforts are needed to enhance imaging resolution and expand observation coverage, leveraging emerging technologies like distributed fiber-optic sensing.