地震探測無人機遙控震源實驗研究

吳志勇， 錢榮毅， 馬振寧， 張俊， 劉旭

(中國地質(zhì)大學(北京)地球物理與信息技術學院， 北京 100083)

主動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)生的地震信號受到炮點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比實驗，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，炸藥震源對環(huán)境的破壞性大、危險性高、鉆孔成本高；可控震源價格昂貴，難以進入地形起伏大、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高山、戈壁懸崖、河流沼澤等復雜而具有危險性的勘探區(qū)域[10]，復雜多變的地震地質(zhì)條件對傳統(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，對實現(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。

無人機可搭載攝像機等外部設備進行工作，在地震勘探的測量定位和選線中已得到了廣泛應用，如通過無人機航拍攝影獲得地面圖像，實現(xiàn)精準踏勘，結(jié)合地形高程數(shù)據(jù)等獲得地面地形特征等[11-12]、通過無人機獲得測區(qū)內(nèi)斷崖、河流岸線等信息，實現(xiàn)無人機放線[13]，使用無人機搭載無線設備在測區(qū)范圍內(nèi)實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸[14]等。Greenwood 等[15]關注到無人機經(jīng)濟高效、不受地形限制的特點，利用無人機攜帶重物在15 m以下的低空條件下進行幾組采集實驗。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)實驗，無法驗證該方法能否應用于對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，在河北洋河實驗區(qū)開展無人機遙控震源不同激發(fā)能量的采集實驗、與5臺可控震源車的對比實驗和水體內(nèi)激發(fā)采集實驗，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 無人機遙控震源

無人機遙控震源的原理是由多旋翼無人機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)化為動能并在落地時沖擊地面，實現(xiàn)強能量的地震波激發(fā)。無人機遙控震源如圖1所示，主要由載重多旋翼無人機、懸掛投擲系統(tǒng)以及沖擊單元三部分組成。大疆經(jīng)緯M600型無人機作為震源的載重工具，為震源的升空、定位等提供動力支持，其最大載重為6 kg，最大飛行高度為500 m；懸掛投擲系統(tǒng)連接載重無人機及沖擊單元；沖擊單元實現(xiàn)地震波激發(fā)。

圖1 無人機遙控震源

無人機遙控震源使用時，首先在低空中對震源進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確可能造成的定位偏差。當無人機遙控震源上升到炮點上方指定高度，地面操作人員控制懸掛系統(tǒng)打開開關，投擲沖擊單元實現(xiàn)精確的炮點激發(fā)。

在高山戈壁、河流沼澤等復雜環(huán)境下，震源設備的布置和地面車輛交通常受到地表地質(zhì)條件的限制，造成震源設備難以到達、人員受險等問題。無人機遙控震源發(fā)揮了空中作業(yè)的優(yōu)勢，由實驗人員在遠處操縱設備進行工作，避免人員進入危險區(qū)域。無人機起飛后可在空中進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，對復雜環(huán)境下的高質(zhì)量地震勘探具有重要意義。

2 實驗區(qū)概況

實驗區(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]。實驗區(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)部實現(xiàn)勘探激發(fā)。無人機遙控震源操作簡單，在高空中投擲沖擊單元并實現(xiàn)地表地震波激發(fā)，不受限于地面復雜多變的場地條件，能夠?qū)崿F(xiàn)水中勘探激發(fā)；實驗區(qū)內(nèi)開闊空曠的場地環(huán)境也確保了無人機遙控震源使用的安全性。河湖相堆積的卵石層是實驗區(qū)內(nèi)一勘探難點。一方面，沙地、卵石層交織發(fā)育對數(shù)據(jù)的吸收衰減影響嚴重，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)構復雜，層內(nèi)潛水面深度不一，難以確定合適的成井深度[18]。

圖2 實驗區(qū)位置圖

圖3 實驗區(qū)地表情況

3 野外采集實驗

在實驗中使用無人機遙控震源搭配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。在實驗區(qū)內(nèi)，首先開展了無人機遙控震源不同激發(fā)能量的采集實驗，由無人機攜帶2 kg及4 kg的沖擊單元分別進行采集實驗，探究不同質(zhì)量的沖擊單元對震源勘探效果的影響；緊接著開展了無人機遙控震源與5臺可控震源車之間的對比實驗，探究無人機遙控震源在實際工作中的勘探效果；最后，開展了水體內(nèi)的無人機遙控震源采集實驗，探究其在淺水區(qū)域的勘探性能。

3.1 無人機遙控震源采集實驗

沙地介質(zhì)下無人機遙控震源攜帶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，通過計算地震單炮記錄中近偏移距的最大絕對振幅平方值之和表征震源能量[19]，采用該方法計算得到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能量的反射波信號，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時窗內(nèi)的反射波信號清晰，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940 m，可識別650 ms時窗內(nèi)的反射波信號。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偏移距信號的連續(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，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)無人機遙控震源地震單炮記錄及其頻譜

實驗表明，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940 m，可識別650 ms雙程旅行時的反射波信號，具有良好的勘探性能。

3.2 與5臺可控震源車對比實驗

為了探究無人機遙控震源在實際勘探工作中的使用效果，開展了與5臺可控震源車之間的對比實驗。無人機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臺可控震源車組合激發(fā)，激發(fā)時輸出頻帶為5～80 Hz，掃描時間和監(jiān)聽時間分別為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臺可控震源車

如圖6(a)所示無人機遙控震源地震單炮記錄中，初至波傳播距離可達1 260 m，500 ms時窗內(nèi)的反射波信號清晰。由于340～360道及260～300道測線范圍經(jīng)過當?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。5臺可控震源車850 ms時窗內(nèi)的反射波同相軸連續(xù)，初至波在整個排列中都清晰可見，在測線經(jīng)過村莊的范圍內(nèi)，5臺可控震源車的數(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，無人機遙控震源在淺層的反射波信號與5臺可控震源車相似，波組數(shù)量更多且能量更強，深層能量明顯低于5臺可控震源車，無法辨析800～850 ms時窗內(nèi)的強反射波信號。在頻譜中，無人機遙控震源在20～40 Hz和60～80 Hz內(nèi)的能量要明顯弱于5臺可控震源車。

圖6 地表激發(fā)地震單炮記錄及其頻譜

在對比實驗中，無人機遙控震源地震單炮記錄中初至波傳播距離達1 260 m，500 ms時窗內(nèi)的反射波信號清晰，淺層反射波波組數(shù)量多且能量強，但深層能量弱。

3.3 水體內(nèi)激發(fā)采集實驗

江水河流等淺水區(qū)域是地震勘探的一大難點所在，一方面由于大多數(shù)傳統(tǒng)陸地震源無法在水中實現(xiàn)激發(fā)，另一方面水中勘探震源的使用成本高，運輸困難，對水域通行條件要求高，受湍急水流影響大，且經(jīng)濟效益低。無人機遙控震源不僅可以實現(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)濟可靠的震源選擇。無人機遙控震源攜帶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)，初至波在整個排列中同相軸連續(xù)，能量很強，傳播距離達1 660 m，如紅色框所示，在150～700 ms時窗內(nèi)可識別清晰的反射波信號，1 100～1 200 ms時窗內(nèi)仍可辨析反射波信號，但數(shù)據(jù)受低頻噪聲干擾嚴重，遠偏移距同相軸連續(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 水中無人機遙控震源地震單炮記錄及其頻譜

在水中的激發(fā)采集實驗中，無人機遙控震源初至波傳播距離達1 660 m，150～700 ms和1 100～1 200 ms時窗內(nèi)反射波信號清晰，遠偏移距數(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 無人機遙控震源應用效果

在洋河實驗區(qū)的一系列實驗中，發(fā)現(xiàn)無人機遙控震源還展現(xiàn)出了經(jīng)濟環(huán)保的優(yōu)點。無人機遙控震源在500 m高空中投擲沖擊單元，對地表僅會造成可修復性的淺坑，對環(huán)境的破壞性小。其工作過程中僅有升降時必要的電能消耗，在地表激發(fā)對沖擊單元并不會造成消耗，但不排除沖擊單元在堅硬介質(zhì)下可能引起的損壞以及在水體等介質(zhì)中的丟失問題。因此無人機遙控震源的使用成本即為無人機自身價格、無人機遙控震源升降時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，無人機遙控震源顯然是一款經(jīng)濟環(huán)保型的勘探震源。

在效率方面，無人機遙控震源單炮激發(fā)耗時為無人機震源的升空時間、沖擊單元下落時間以及無人機返航時間的總和。以大疆經(jīng)緯M600無人機、500 m投擲高度為例，無人機遙控震源激發(fā)單炮所耗費的時間約為4.5 min，包含震源升空時間100 s，沖擊單元下落時間10 s和返航時間170 s。在實際工作中，還可通過使用高爬坡速度的無人機、采用大載重無人機攜帶多個沖擊單元等方法，減少無人機在升空及返航方面所耗費的時間，進一步提高無人機遙控震源的效率。

4 結(jié)論

在河北洋河實驗區(qū)開展的一系列采集實驗表明，無人機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)濟環(huán)保、適用性強的特點，是復雜環(huán)境下合適的勘探震源選擇。

實驗區(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)的五臺可控震源車地震單炮記錄中可清晰識別850 ms時窗內(nèi)的反射波信號；無人機遙控震源地震單炮記錄中最深可識別650 ms雙程旅行時的反射波信號，淺層反射波信號波組多且能量強，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別1 200 ms雙程旅行時的反射波信號，初至波在排列中的傳播距離達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。無人機遙控震源對環(huán)境的破壞小，實驗中僅消耗了無人機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)時刻的記錄十分重要，而在此次實驗中未能準確記錄炮點激發(fā)時刻。后續(xù)將通過在沖擊單元中嵌入振動開關及無線電傳輸裝置，由地面GPS系統(tǒng)接收記錄沖擊單元落地激發(fā)的時刻信號。

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