吳志勇， 錢榮毅， 馬振寧， 張俊， 劉旭

(中國地質(zhì)大學(xué)(北京)地球物理與信息技術(shù)學(xué)院， 北京 100083)

主動(dòng)源地震勘探是獲取地下介質(zhì)信息的一種高分辨率方法，震源是保證地震勘探數(shù)據(jù)采集質(zhì)量最重要的裝備之一。在不同介質(zhì)條件下，特定震源所產(chǎn)生的地震信號(hào)受到炮點(diǎn)附近地表及地下情況影響[1-2]，因此根據(jù)不同地質(zhì)條件選擇合適的震源至關(guān)重要。

地震勘探中有著多種類型的勘探震源，為了獲得不同震源的屬性參數(shù)，前人開展了大量的震源對(duì)比實(shí)驗(yàn)，為不同介質(zhì)條件下的勘探震源選擇提供了參考[1-5]。在眾多震源中，炸藥震源和可控震源在地震勘探中使用最為廣泛。然而，炸藥震源對(duì)環(huán)境的破壞性大、危險(xiǎn)性高、鉆孔成本高；可控震源價(jià)格昂貴，難以進(jìn)入地形起伏大、空間狹小的區(qū)域內(nèi)[6-7]。近年來隨著人們越發(fā)重視環(huán)境保護(hù)和減少能源消耗，許多環(huán)境友好型、低消耗的震源得以研發(fā)和使用[8-9]。

現(xiàn)代地震勘探常要面對(duì)高山、戈壁懸崖、河流沼澤等復(fù)雜而具有危險(xiǎn)性的勘探區(qū)域[10]，復(fù)雜多變的地震地質(zhì)條件對(duì)傳統(tǒng)震源的使用造成了極大的限制。特別是在水域、沼澤等人員難以涉足的場地，勘探工作難以開展，造成數(shù)據(jù)資料缺失，對(duì)實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的地震勘探數(shù)據(jù)采集非常不利。然而，現(xiàn)今還沒有滿足陡峭山地、沼澤濕地、湍急河流及高覆蓋率森林區(qū)域的環(huán)保、高效和低成本的震源。

無人機(jī)可搭載攝像機(jī)等外部設(shè)備進(jìn)行工作，在地震勘探的測量定位和選線中已得到了廣泛應(yīng)用，如通過無人機(jī)航拍攝影獲得地面圖像，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)踏勘，結(jié)合地形高程數(shù)據(jù)等獲得地面地形特征等[11-12]、通過無人機(jī)獲得測區(qū)內(nèi)斷崖、河流岸線等信息，實(shí)現(xiàn)無人機(jī)放線[13]，使用無人機(jī)搭載無線設(shè)備在測區(qū)范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸[14]等。Greenwood 等[15]關(guān)注到無人機(jī)經(jīng)濟(jì)高效、不受地形限制的特點(diǎn)，利用無人機(jī)攜帶重物在15 m以下的低空條件下進(jìn)行幾組采集實(shí)驗(yàn)。然而，僅在一片平坦空曠的場地下完成了小能量的面波激發(fā)實(shí)驗(yàn)，無法驗(yàn)證該方法能否應(yīng)用于對(duì)震源能量要求更高的反射波地震勘探。

為了得到更大的震源激發(fā)能量，現(xiàn)將沖擊單元的質(zhì)量提升至4 kg，飛行高度提升至500 m，在高空中大質(zhì)量的沖擊單元具有更大的重力勢能，以擁有更大的激發(fā)能量。為了探究無人機(jī)遙控震源的能量輸出和在不同地質(zhì)條件下的勘探性能，在河北洋河實(shí)驗(yàn)區(qū)開展無人機(jī)遙控震源不同激發(fā)能量的采集實(shí)驗(yàn)、與5臺(tái)可控震源車的對(duì)比實(shí)驗(yàn)和水體內(nèi)激發(fā)采集實(shí)驗(yàn)，分析地震單炮記錄在反射波的能量、頻帶和信噪比等方面的特征和差異。

1 無人機(jī)遙控震源

無人機(jī)遙控震源的原理是由多旋翼無人機(jī)攜帶沖擊單元飛行至高空，利用沖擊單元在高空中所具有的重力勢能在下落過程中轉(zhuǎn)化為動(dòng)能并在落地時(shí)沖擊地面，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)能量的地震波激發(fā)。無人機(jī)遙控震源如圖1所示，主要由載重多旋翼無人機(jī)、懸掛投擲系統(tǒng)以及沖擊單元三部分組成。大疆經(jīng)緯M600型無人機(jī)作為震源的載重工具，為震源的升空、定位等提供動(dòng)力支持，其最大載重為6 kg，最大飛行高度為500 m；懸掛投擲系統(tǒng)連接載重?zé)o人機(jī)及沖擊單元；沖擊單元實(shí)現(xiàn)地震波激發(fā)。

圖1 無人機(jī)遙控震源

無人機(jī)遙控震源使用時(shí)，首先在低空中對(duì)震源進(jìn)行精確定位并垂直上升到指定高度，減小在高空中由于定位不準(zhǔn)確可能造成的定位偏差。當(dāng)無人機(jī)遙控震源上升到炮點(diǎn)上方指定高度，地面操作人員控制懸掛系統(tǒng)打開開關(guān)，投擲沖擊單元實(shí)現(xiàn)精確的炮點(diǎn)激發(fā)。

在高山戈壁、河流沼澤等復(fù)雜環(huán)境下，震源設(shè)備的布置和地面車輛交通常受到地表地質(zhì)條件的限制，造成震源設(shè)備難以到達(dá)、人員受險(xiǎn)等問題。無人機(jī)遙控震源發(fā)揮了空中作業(yè)的優(yōu)勢，由實(shí)驗(yàn)人員在遠(yuǎn)處操縱設(shè)備進(jìn)行工作，避免人員進(jìn)入危險(xiǎn)區(qū)域。無人機(jī)起飛后可在空中進(jìn)行位置遷移并投擲沖擊單元激發(fā)地震波，擺脫了場地環(huán)境的限制，避免由于地面環(huán)境可能造成的數(shù)據(jù)缺失，對(duì)復(fù)雜環(huán)境下的高質(zhì)量地震勘探具有重要意義。

2 實(shí)驗(yàn)區(qū)概況

實(shí)驗(yàn)區(qū)位于河北省張家口市涿鹿縣洋河流域，如圖2所示，位于懷涿盆地，第四系在盆地內(nèi)部及河流、溝谷一帶廣泛分布，為河湖相堆積。下伏河湖相黏土層、砂層及礫石層；上覆坡洪積黃土，局部夾礫石層[16-17]。實(shí)驗(yàn)區(qū)地表情況如圖3所示，主要為沙地介質(zhì)，局部出露卵石層、水體等，地面蘆葦、灌木叢等植被生長密集，炸藥震源和落錘震源等傳統(tǒng)震源的使用和地面儀器布置都受到了限制，并且無法在該水體內(nèi)部實(shí)現(xiàn)勘探激發(fā)。無人機(jī)遙控震源操作簡單，在高空中投擲沖擊單元并實(shí)現(xiàn)地表地震波激發(fā)，不受限于地面復(fù)雜多變的場地條件，能夠?qū)崿F(xiàn)水中勘探激發(fā)；實(shí)驗(yàn)區(qū)內(nèi)開闊空曠的場地環(huán)境也確保了無人機(jī)遙控震源使用的安全性。河湖相堆積的卵石層是實(shí)驗(yàn)區(qū)內(nèi)一勘探難點(diǎn)。一方面，沙地、卵石層交織發(fā)育對(duì)數(shù)據(jù)的吸收衰減影響嚴(yán)重，造成地震數(shù)據(jù)反射波能量弱、主頻低、頻帶范圍窄以及干擾波發(fā)育等問題；另一方面，卵石層堆積結(jié)構(gòu)復(fù)雜，層內(nèi)潛水面深度不一，難以確定合適的成井深度[18]。

圖2 實(shí)驗(yàn)區(qū)位置圖

圖3 實(shí)驗(yàn)區(qū)地表情況

3 野外采集實(shí)驗(yàn)

在實(shí)驗(yàn)中使用無人機(jī)遙控震源搭配Aries地震采集系統(tǒng)，測線橫跨洋河河道，如圖2所示，道間距為20 m。在實(shí)驗(yàn)區(qū)內(nèi)，首先開展了無人機(jī)遙控震源不同激發(fā)能量的采集實(shí)驗(yàn)，由無人機(jī)攜帶2 kg及4 kg的沖擊單元分別進(jìn)行采集實(shí)驗(yàn)，探究不同質(zhì)量的沖擊單元對(duì)震源勘探效果的影響；緊接著開展了無人機(jī)遙控震源與5臺(tái)可控震源車之間的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，探究無人機(jī)遙控震源在實(shí)際工作中的勘探效果；最后，開展了水體內(nèi)的無人機(jī)遙控震源采集實(shí)驗(yàn)，探究其在淺水區(qū)域的勘探性能。

3.1 無人機(jī)遙控震源采集實(shí)驗(yàn)

沙地介質(zhì)下無人機(jī)遙控震源攜帶2 kg和4 kg沖擊單元采集的地震單炮記錄及其頻譜如圖4所示，其中自動(dòng)增益控制(automatic gain control, AGC)參數(shù)為300 ms，濾波參數(shù)為20～25～100～120 Hz。沖擊單元質(zhì)量增加，震源的輸出能量和探測深度得到了明顯提升?？紤]地震波的能量與其平方振幅成正比，通過計(jì)算地震單炮記錄中近偏移距的最大絕對(duì)振幅平方值之和表征震源能量[19]，采用該方法計(jì)算得到4 kg沖擊單元的輸出能量約為2 kg沖擊單元的1.6倍。在地震單炮記錄中，二者在淺層均獲得了強(qiáng)能量的反射波信號(hào)，深層能量有所減弱。如圖4(a)所示的2 kg沖擊單元地震單炮記錄中，初至波傳播距離為900 m，450 ms時(shí)窗內(nèi)的反射波信號(hào)清晰，圖4(b)所示的4 kg沖擊單元地震單炮記錄中，初至波傳播距離達(dá)940 m，可識(shí)別650 ms時(shí)窗內(nèi)的反射波信號(hào)。相較于2 kg沖擊單元，4 kg沖擊單元地震單炮記錄的初至波傳播距離并沒有明顯提升，但這一結(jié)果受到了低頻噪聲和排列長度的影響。由于測線經(jīng)過了大范圍的村莊，數(shù)據(jù)中存在大量的低頻噪聲，在地震單炮記錄中都有不同程度的體現(xiàn)。2 kg沖擊單元地震單炮記錄中遠(yuǎn)偏移距信號(hào)的連續(xù)性差，4 kg沖擊單元地震單炮記錄中數(shù)據(jù)的抗干擾性強(qiáng)，同相軸連續(xù)性好，數(shù)據(jù)信噪比更高，可見增加沖擊單元質(zhì)量同樣提升了數(shù)據(jù)信噪比。如圖4(c)和圖4(d)的頻譜中，4 kg沖擊單元地震單炮記錄頻譜20～40 Hz以及60～100 Hz頻段內(nèi)的數(shù)據(jù)振幅明顯高于2 kg沖擊單元。

圖4 沙地介質(zhì)無人機(jī)遙控震源地震單炮記錄及其頻譜

實(shí)驗(yàn)表明，增加沖擊單元質(zhì)量能夠有效提升震源的能量、頻帶和信噪比。4 kg沖擊單元地震單炮記錄的初至波傳播距離達(dá)940 m，可識(shí)別650 ms雙程旅行時(shí)的反射波信號(hào)，具有良好的勘探性能。

3.2 與5臺(tái)可控震源車對(duì)比實(shí)驗(yàn)

為了探究無人機(jī)遙控震源在實(shí)際勘探工作中的使用效果，開展了與5臺(tái)可控震源車之間的對(duì)比實(shí)驗(yàn)。無人機(jī)遙控震源攜帶的沖擊單元質(zhì)量為4 kg，飛行高度為500 m。如圖5所示，5臺(tái)可控震源車組合激發(fā)，激發(fā)時(shí)輸出頻帶為5～80 Hz，掃描時(shí)間和監(jiān)聽時(shí)間分別為15 s和8 s。兩種震源激發(fā)的地震單炮記錄及其頻譜如圖6所示，其中AGC增益參數(shù)為300 ms，濾波參數(shù)為20～25～80～100 Hz。

圖5 5臺(tái)可控震源車

如圖6(a)所示無人機(jī)遙控震源地震單炮記錄中，初至波傳播距離可達(dá)1 260 m，500 ms時(shí)窗內(nèi)的反射波信號(hào)清晰。由于340～360道及260～300道測線范圍經(jīng)過當(dāng)?shù)卮迩f，該區(qū)域數(shù)據(jù)質(zhì)量較差，但仍可辨析反射波信號(hào)。5臺(tái)可控震源車850 ms時(shí)窗內(nèi)的反射波同相軸連續(xù)，初至波在整個(gè)排列中都清晰可見，在測線經(jīng)過村莊的范圍內(nèi)，5臺(tái)可控震源車的數(shù)據(jù)并沒有受到明顯的低頻噪聲干擾，數(shù)據(jù)信噪比高。如紅色框所示，無人機(jī)遙控震源在淺層的反射波信號(hào)與5臺(tái)可控震源車相似，波組數(shù)量更多且能量更強(qiáng)，深層能量明顯低于5臺(tái)可控震源車，無法辨析800～850 ms時(shí)窗內(nèi)的強(qiáng)反射波信號(hào)。在頻譜中，無人機(jī)遙控震源在20～40 Hz和60～80 Hz內(nèi)的能量要明顯弱于5臺(tái)可控震源車。

圖6 地表激發(fā)地震單炮記錄及其頻譜

在對(duì)比實(shí)驗(yàn)中，無人機(jī)遙控震源地震單炮記錄中初至波傳播距離達(dá)1 260 m，500 ms時(shí)窗內(nèi)的反射波信號(hào)清晰，淺層反射波波組數(shù)量多且能量強(qiáng)，但深層能量弱。

3.3 水體內(nèi)激發(fā)采集實(shí)驗(yàn)

江水河流等淺水區(qū)域是地震勘探的一大難點(diǎn)所在，一方面由于大多數(shù)傳統(tǒng)陸地震源無法在水中實(shí)現(xiàn)激發(fā)，另一方面水中勘探震源的使用成本高，運(yùn)輸困難，對(duì)水域通行條件要求高，受湍急水流影響大，且經(jīng)濟(jì)效益低。無人機(jī)遙控震源不僅可以實(shí)現(xiàn)水中地震波激發(fā)，其成本僅為在水中丟失的沖擊單元，是水中勘探的一經(jīng)濟(jì)可靠的震源選擇。無人機(jī)遙控震源攜帶4 kg沖擊單元(飛行高度500 m)在水體中采集的地震單炮記錄及其頻譜如圖7所示，其中AGC增益參數(shù)為300 ms，濾波參數(shù)為5～10～45～50 Hz。由于測線跨過水體而炮點(diǎn)位置位于水體內(nèi)部，初至波形態(tài)呈現(xiàn)弧狀。如圖7(a)所示的地震單炮記錄中，無人機(jī)遙控震源在水中同樣獲得了連續(xù)的反射波地震數(shù)據(jù)，初至波在整個(gè)排列中同相軸連續(xù)，能量很強(qiáng)，傳播距離達(dá)1 660 m，如紅色框所示，在150～700 ms時(shí)窗內(nèi)可識(shí)別清晰的反射波信號(hào)，1 100～1 200 ms時(shí)窗內(nèi)仍可辨析反射波信號(hào)，但數(shù)據(jù)受低頻噪聲干擾嚴(yán)重，遠(yuǎn)偏移距同相軸連續(xù)好、信噪比高。該水體深度僅5 m，水面、空氣和水底形成了阻抗界面，激發(fā)引起了地震單炮記錄中的多次波現(xiàn)象。沖擊單元入水過程中，水中阻力削弱了沖擊單元的能量，激發(fā)后水中噪聲水平高，造成數(shù)據(jù)信噪比偏低。如圖7(b)所示的頻譜中，數(shù)據(jù)的主頻為20 Hz且能量主要集中于20 Hz以下，能量衰減快且頻帶窄。

圖7 水中無人機(jī)遙控震源地震單炮記錄及其頻譜

在水中的激發(fā)采集實(shí)驗(yàn)中，無人機(jī)遙控震源初至波傳播距離達(dá)1 660 m，150～700 ms和1 100～1 200 ms時(shí)窗內(nèi)反射波信號(hào)清晰，遠(yuǎn)偏移距數(shù)據(jù)同相軸連續(xù)，在水中具有良好的勘探性能，由于水深僅5m，還存在多次波和低信噪比的問題。

3.4 無人機(jī)遙控震源應(yīng)用效果

在洋河實(shí)驗(yàn)區(qū)的一系列實(shí)驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)無人機(jī)遙控震源還展現(xiàn)出了經(jīng)濟(jì)環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)。無人機(jī)遙控震源在500 m高空中投擲沖擊單元，對(duì)地表僅會(huì)造成可修復(fù)性的淺坑，對(duì)環(huán)境的破壞性小。其工作過程中僅有升降時(shí)必要的電能消耗，在地表激發(fā)對(duì)沖擊單元并不會(huì)造成消耗，但不排除沖擊單元在堅(jiān)硬介質(zhì)下可能引起的損壞以及在水體等介質(zhì)中的丟失問題。因此無人機(jī)遙控震源的使用成本即為無人機(jī)自身價(jià)格、無人機(jī)遙控震源升降時(shí)的電能消耗以及沖擊單元的丟失損耗。相較于昂貴的可控震源車等，無人機(jī)遙控震源顯然是一款經(jīng)濟(jì)環(huán)保型的勘探震源。

在效率方面，無人機(jī)遙控震源單炮激發(fā)耗時(shí)為無人機(jī)震源的升空時(shí)間、沖擊單元下落時(shí)間以及無人機(jī)返航時(shí)間的總和。以大疆經(jīng)緯M600無人機(jī)、500 m投擲高度為例，無人機(jī)遙控震源激發(fā)單炮所耗費(fèi)的時(shí)間約為4.5 min，包含震源升空時(shí)間100 s，沖擊單元下落時(shí)間10 s和返航時(shí)間170 s。在實(shí)際工作中，還可通過使用高爬坡速度的無人機(jī)、采用大載重?zé)o人機(jī)攜帶多個(gè)沖擊單元等方法，減少無人機(jī)在升空及返航方面所耗費(fèi)的時(shí)間，進(jìn)一步提高無人機(jī)遙控震源的效率。

4 結(jié)論

在河北洋河實(shí)驗(yàn)區(qū)開展的一系列采集實(shí)驗(yàn)表明，無人機(jī)遙控震源在卵石層介質(zhì)下的勘探性能良好，具有操作簡單、經(jīng)濟(jì)環(huán)保、適用性強(qiáng)的特點(diǎn)，是復(fù)雜環(huán)境下合適的勘探震源選擇。

實(shí)驗(yàn)區(qū)內(nèi)沙地、卵石層交織發(fā)育的地震地質(zhì)條件削弱了反射波數(shù)據(jù)能量。地表激發(fā)的五臺(tái)可控震源車地震單炮記錄中可清晰識(shí)別850 ms時(shí)窗內(nèi)的反射波信號(hào)；無人機(jī)遙控震源地震單炮記錄中最深可識(shí)別650 ms雙程旅行時(shí)的反射波信號(hào)，淺層反射波信號(hào)波組多且能量強(qiáng)，勘探性能良好；其在水體內(nèi)激發(fā)采集的地震單炮記錄中可識(shí)別1 200 ms雙程旅行時(shí)的反射波信號(hào)，初至波在排列中的傳播距離達(dá)1 660 m，是淺水區(qū)域優(yōu)質(zhì)的勘探震源，但由于水深僅5 m，地震單炮記錄中還存在多次波的問題。無人機(jī)遙控震源對(duì)環(huán)境的破壞小，實(shí)驗(yàn)中僅消耗了無人機(jī)飛行所需的電能和水中丟失的沖擊單元，是一款低成本的環(huán)境友好型震源。

震源激發(fā)過程中，激發(fā)時(shí)刻的記錄十分重要，而在此次實(shí)驗(yàn)中未能準(zhǔn)確記錄炮點(diǎn)激發(fā)時(shí)刻。后續(xù)將通過在沖擊單元中嵌入振動(dòng)開關(guān)及無線電傳輸裝置，由地面GPS系統(tǒng)接收記錄沖擊單元落地激發(fā)的時(shí)刻信號(hào)。

由于無人機(jī)震源的使用受到無人機(jī)機(jī)體載重和機(jī)體數(shù)量等方面的限制，可通過使用更大載重的無人機(jī)攜帶多個(gè)沖擊單元分別控制激發(fā)或多架無人機(jī)同時(shí)工作，減少在升空降落過程中的消耗、提升無人機(jī)遙控震源的使用效率。在復(fù)雜多變的野外環(huán)境下，可大規(guī)模普及使用無人機(jī)遙控震源，保證實(shí)驗(yàn)人員安全性、拓展復(fù)雜環(huán)境下的勘探面積。未來，實(shí)現(xiàn)批量化、工業(yè)化的無人機(jī)遙控震源勘探，對(duì)地震勘探走向現(xiàn)代化、輕便化具有重大意義。