中国科大为合肥南站地下空间“做B超”

铺设的光缆

光纤地震仪

4月7日，中国科学技术大学收到一封来自中国铁路上海局集团有限公司合肥站的感谢信。此前，中国科大利用一系列先进设备和技术，在未破坏南站地面的情况下，精准定位了南站内地埋地热管道漏水点。

记者联系到牵头该项工作的中国科大学地球和空间科学学院教授王宝善，一起来看看，这招“隔空探物”之技究竟如何实现？

中国科大收到感谢信

来自中国铁路上海局集团有限公司合肥站的感谢信，对此前中国科大相关团队综合利用多种自主研发的高性能地球物理仪器和先进的地下结构分析方法，在未破坏南站地面的情况下，成功定位南站内地埋地热管道漏水点一事表达了充分感谢。

中国铁路上海局集团有限公司合肥站在信中表示，经开挖验证，定位点准确无误。中国科大团队的工作对及时完成南站空调系统维修、保证南站运行安全等提供了十分巨大的帮助，充分展现了新时代“中国科大人”出色的专业素养和无私奉献的精神。

普通光纤化身监测信号的“神经”

在未破坏地面的情况下，准确无误定位埋地管道漏水点。听起来有些许不可思议，中国科大团队是如何做到的？科大教授王宝善向记者回忆起当时的情形。

2021年底，合肥南站方面发现部分用于空调系统的地下管线里的水抽不上来，之后，找寻多家公司希望维修，但并未解决，直至联系到中国科大专家团队。

“在接到合肥南站方面的监测需求后，我们立即勘探现场，着手准备方案，决定通过一系列高性能地球物理仪器，来对南站地下空间的情况进行监测。”王宝善说，今年1月初，团队携带了近两年来中国科大自主研发的多款先进仪器到现场进行监测、定位，包括光纤地震仪、4G地震仪、瞬变电磁仪等。这些仪器都有一个共同的特点，即只需在地表操作，便可对地下情况“一探究竟”。

“比如光纤地震仪，它就像是在地表给地下空间‘做B超’。”王宝善说，光纤地震仪使用中，只需在地表铺设光缆，之后将光纤地震仪与光缆相连接，就能对地下情况进行感知。“普通的光纤，就像是运送信号的‘血管’，而在光纤地震仪监测中，这些光纤就成为监测信号的‘神经’。”

王宝善介绍，当振动产生，振动波传播到光缆时，光纤会产生应变而被拉伸或压缩，而由于相干激光在光纤介质中的弹光效应，瑞利散射光的振幅和位相就会发生改变。在这些光纤附近，人踏步、车辆驶过，都会在光纤地震仪上出现相应的波形。因此，通过接收并解算光纤中瑞利散射光的变化，就可以获得振动波的一系列信息，辅助寻找振动源头。

“利用相干激光在光纤介质中的弹光效应来感知和传输外界的振动和声波信号，这是地震监测和地下结构成像的一种全新技术途径，目前，我们的技术已达到了国际先进水平。”

王宝善说，虽然光纤地震仪的工作原理并不复杂，但技术难度很高，尤其是光纤地震仪的接收设备，需要对这些光信号进行精准采集、接收和处理，也正是有了这样的接受设备，普通光纤才能成为一个个地震“传感器”。“目前，国内可实现光纤地震仪探测的机构并不多，除了拥有高灵敏探测系统和高保真解算系统，我们研制的地震仪系统还可以实时快速出结果。”

相关技术可应用于石油、天然气的管道监测

在多个先进高性能地球物理仪器的配合以及互相印证下，中国科大团队在未破坏南站地面的情况下，用了约5小时精准“探知”到南站内地埋地热管道漏水点。找到位置后，合肥南站工作人员也迅速解决了问题。

“因为需要减少来往车辆、人员产生的振动影响，同时，不影响人员正常出行，我们当天夜里12点开始工作，包括在地表铺设光缆等前期准备工作。凌晨5点确定了漏水点。”王宝善说，由于在南站的监测区域此前未曾设有光缆，所以为了监测，需在地表临时布设。而在许多地方，直接利用现有的通讯光缆就可以进行监测等工作，效率会更高。

这次的工作也是相关设备的一次应用验证，工作过程中，团队老师还带领学生们一同上阵。“也希望在整个实际监测的过程中，让学生们切身感受到，地球物理科学真正能做哪些事情，让他们的学习方向更加明确。”

一系列高性能地球物理仪器和先进的地下结构分析方法的应用场景非常广阔。“例如光纤地震仪，它可以应用在石油、天然气的管道监测、评估中，还能对城市地下空间进行探测。不过目前这尚属一个新的领域，还需逐步推广，我们也将不断改进升级相关技术。”王宝善表示。