新安煤矿是一座年产煤400万吨的大型现代化煤矿，由于新安煤矿井田地质构造复杂，只采用传统的勘探方式（钻探）很难满足煤炭开采的需要，迫切需要通过三维地震勘探进一步探明采区的构造发育情况。然而，新安煤矿采区地面基本为湖水覆盖，以往传统的三维地震勘探一般只能在陆地上进行，因此，如何在水上进行三维地震勘探成了该项目能否顺利完成的关键。

相较于传统的陆地三维地震勘探，水上三维地震勘探的重点和难点主要集中在野外数据采集方面^[1]，地震勘探野外数据采集主要包括地震测线布置、地震波的激发和接收。地震测线布置采用GPS进行，与陆地三维地震勘探基本一致。地震波的激发通过震源药柱井中激发，接收通过检波器、电缆线、地震仪器进行^[2]。在水上三维地震勘探前，需要重点研究如何在水面上进行打孔操作，同时还要保证孔的位置与设计一致，孔的深度达到设计要求；如何让检波器、电缆线在水下正常工作，不出现检波器漏电而无法正常工作的现象。为了解决上述问题，本文从勘探区实际地面为滨湖浅水地形的基础研究工作着手，利用防水检波器，结合自主开发的水上钻井平台，设计科学的观测系统和施工工艺，最终很好地完成了该项目野外数据采集工作。

新安煤矿位于滕北煤田中部，区内地势平坦，东部陆地为滨湖冲积平原，西部大部分为湖区，地面标高+35.50～+36.35 m，湖底标高+32 m左右，为地势东高西低的湖泊和滨湖冲积平原，地形地面坡度为0.4‰左右。矿井北部有北沙河，河水自东北向西南流入独山湖；南部有小荆河，由东向西流入独山湖，均属季节性河流。矿井西侧为昭阳湖、独山湖，与南阳湖、微山湖连成统一水体（统称南四湖）^[3]。湖区中部水深在2 m左右，枯水季节水深一般小于1 m，汛期可达3.5 m，冬季结冰封冻。边缘地带多为杂草、芦苇丛生的沼泽地，水深一般0.5～1.0 m，旱季无水或有少量积水。

三维地震勘探区位于独山湖和昭阳湖区，地面施工区域全部被湖水覆盖。湖底地形起伏不大，总体东北高，西南低，湖底标高+31.29～+32.80 m。水深一般2 m左右，湖内水草丛生，饲养鱼虾的网箱分布密集，地表条件复杂。测区主要目的层石炭二叠系3煤层厚度较大，一般在5～8 m，煤层较稳定，能形成较好的反射波，深层地震地质条件较好。

水上三维地震勘探野外施工时检波器的插置和炮点的布置误差要比陆地施工大^[4]，并且很难避免，所以水上三维地震勘探野外施工不宜采用小道距、小线距的观测系统，在满足目的层有效覆盖次数的前提下尽量采用大道距、大线距的观测系统，同时考虑到野外施工的困难程度，排列不宜过大。经计算和分析，该项目野外施工采用8线12炮观测系统，道距20 m，线距60 m，炮距20 m (横向)×80 m (纵向)，384道接收，24次覆盖次数（图1）。通过观测系统的改变，能大大提高施工效率，同时尽量减少系统误差。

图  1  适合水上施工的8线12炮观测系统

普遍使用的陆地检波器，因雨淋或放置于潮湿的环境中很容易进水或受潮而发生漏电现象^[5]，更不适于水中使用。水上三维地震勘探要想顺利实施，首先要解决的是检波器的防水问题。普遍使用的检波器一般由内部的电子元件、与地面直接接触的金属尾椎、保护电子元件的外壳以及连接线组成，为了使检波器能像在陆地上一样正常工作，重点要做的是加强检波器外壳的防水性。通过对检波器实际结构的分析，相关技术人员对检波器进行了改造，给检波器加上防水的金属外壳，同时在线与金属外壳之间加装防水护垫，并在空隙内注满玻璃胶以使检波器内的电子元件与外部环境隔绝，达到密闭防水防潮的特性。同时考虑到湖底淤泥层较厚，一般陆地用检波器尾椎较短，为保证数据采集时检波器与地面耦合良好，在对检波器进行防水改造的同时还需要给检波器另外加焊一个50 cm左右长的尾椎。

相对于陆地勘探，如何在水上成孔是水上三维地震勘探的重点及难点之一。能否在设计的炮点位置打到预定的深度是决定能否获得高品质资料的前提。以往施工方法采用两船并排，施工人员站在两船之间进行打井操作的方法进行钻井^[6]，由于两船在水上很难同时固定，同时水流的运动也使得两船难以协调一致。利用这样的打井方法不仅效率低下，也很难在设计炮点位置成孔。针对此问题，项目组对原来作为钻井平台的小木船进行了改造，在船中心开凿了一个直径10 cm左右的圆孔，并在该圆孔上安装一个同样大小的铁管，铁管高出船舱，以保证水不会进入船舱内。另外在船左右靠近船头和船尾处各焊接上一个圆环，用于钻井过程中船体的固定。通过该方法对船体进行改造，一个安全实用的钻井平台就诞生了，利用该钻井平台进行打井操作，不仅大大提高了工作效率，同时也节约了成本(图2)。

图  2  改装过的钻井平台结构示意图

通过前文的分析，采用改造过的防水检波器进行野外数据接收，利用自主研发的钻井平台进行水面成孔，使得水上三维地震勘探就能像陆地三维地震勘探一样方便可靠了。具体的施工方法如下：

水上测量采用全球定位系统GPS测量仪器，相较于传统的全站仪，GPS具有灵活方便，测量精度高等优点，本次测量分2个班组同时进行，每个班组配备1艘机船和2艘小木船，进入工区后由测量人员乘坐小木船进行测量，并由专人插设代表检波点和炮点位置的竹竿，以保证测量点在哪里竹竿就插在哪里，为了使测量结果表现清晰，竹竿必须露出水面1 m以上，同时每个竹竿上贴好测线号和桩号。并且检波线与炮线系上不同颜色的布条加以区别（红色表示炮线，白色表示检波线），力求湖区内测量定线的标记明显、整齐有序，避免施工中出现测线混淆不清的问题。

成孔下药是地震勘探野外数据采集中极其重要的一环，同时也是决定野外资料品质的关键因素，在实际生产过程中，不仅要求孔深达到设计的深度，还要求成孔的位置尽量打在设计点上。根据以往的施工经验，只要打孔的时候能固定好钻机并保持平衡就能像陆地上一样操作，因此我们采用了改造过的中间有孔、两端能固定的小木船作为简易的钻井平台，打孔人员使用与陆地上施工相似的钻井设备在上面进行打孔操作（图3a）。当打到预定深度后由打孔人员使用塑料套管下放震源药柱，待药柱下放到预定深度后拔出套管并在炮线上系好记有炮点桩号的浮漂，至此，该工序就完成了。

图  3  水上打孔及检波器插置

采用加长尾椎的特制防水检波器，铺设检波器时由放线班使用专门制造的插检波器的夹子工具^[7]，把检波器插入水下的淤泥中，并保证检波器插直插紧。同时把检波线与大线连接的一端拉出水面与采集站连接，大线和采集站用绳子绑定在测量时插置的竹竿上，必须保证捆绑结实，同时竹竿也要插紧插实，以防止放炮时水面震动而导致采集站掉入水中的现象发生（图3b）。

检波器铺设完成后，通过仪器电缆线把各个检波器按顺序连接到数字地震仪上，并通过仪器建立好排列，在此过程中，要注意检查电缆线上的各个采集站是否全部梆牢在竹竿上，同时检查排列上的检波器是否有漏电现象。待仪器检查排列正常后，设置好接收参数后便可以放炮采集数据了。

通过对检波器的防水处理，在实际施工过程中基本没有出现检波器的漏电进水现象，保证了野外施工的顺利进行。通过对检波器进行加长尾椎的改造，使检波器与湖底耦合良好，施工中没有出现放炮过程中由于湖水的震荡检波器倒伏、随意震动影响资料品质的现象。通过对水上钻井平台的改造，大大加强了炮点位置的准确性，同时提高了效率，节约了成本。地震野外施工完成后，按照规范对单炮记录进行评价，甲级率为65.81%，远远高于规范中复杂地区甲级率不低于40%的要求^[8]。图4为水上施工获得的单炮记录，从单炮记录上可以看出检波器空道死道现象较少，主要目的层反射波区域虽然有些杂乱，但能量突出，通过拾取初至波并进行静校正后煤层反射波同相轴能清晰地显示出来。

图  4  野外原始单炮记录

对原始记录进行资料叠加偏移处理。获得的三维数据体（图5a）地质现象反映清晰，煤系地层构造褶曲一目了然，时间剖面（图5b）信噪比、分辨率较高，各主要层位反射波清晰可见，说明该项目野外数据采集效果良好。

图  5  处理及解释成果

通过采用合理的观测系统，对水上检波器、钻井平台的研究与改进，很好地解决了新安煤矿三维地震勘探水上施工的问题，并取得了良好的资料。说明利用先进的施工工艺，在水上也能取得较高品质的三维地震资料。该项目通过对水上检波器、钻井平台的研究与应用，为水上三维地震勘探在类似地区开展工作提供了经验，具有一定的借鉴价值。本次水上三维地震勘探技术适用于地面为浅水覆盖的一些矿区的野外数据采集作业，同时包括内陆湖泊地区及一些较浅的滨海地区，具有较好的推广应用前景。