從1D 到4D：煤田地震勘探的技術(shù)進(jìn)步及啟示

程建遠(yuǎn)，張憲旭，蔣必辭,2，王 盼,3，單 蕊

(1.中煤科工西安研究院(集團(tuán))有限公司，陜西 西安 710077；2.煤炭科學(xué)研究總院，北京 100013；3.西安科技大學(xué) 地質(zhì)與環(huán)境學(xué)院，陜西 西安 710054)

1949 年我國(guó)原煤產(chǎn)量?jī)H3 432 萬(wàn)t，加快煤田地質(zhì)勘探成為建國(guó)初期的重要任務(wù)[1]。1955 年，為了加快煤炭資源勘查的步伐，第一支煤田地震勘探隊(duì)在北京成立后，立即開赴河北唐山開平煤田，放響了新中國(guó)煤田地震勘探的第一炮[2]。經(jīng)過近70 年的發(fā)展，煤田地震勘探歷經(jīng)了從光點(diǎn)地震儀到數(shù)字遙測(cè)地震儀、從折射地震方法到反射地震方法、從單次覆蓋到多次覆蓋技術(shù)、從二維地震到三維地震、從縱波地震到多波地震、從構(gòu)造勘探到巖性勘探的技術(shù)發(fā)展階段，在煤炭資源地質(zhì)勘查、采區(qū)地質(zhì)條件精細(xì)探測(cè)、隱蔽致災(zāi)地質(zhì)因素探測(cè)等方面發(fā)揮了重要作用，成為煤礦安全高效開采地質(zhì)保障的核心技術(shù)之一。武喜尊[3]從煤炭地震勘探發(fā)展的時(shí)間維度，將我國(guó)煤炭地震發(fā)展歷程劃分為起步階段(20 世紀(jì)50—60 年代)、發(fā)展階段(20 世紀(jì)70 年代)、數(shù)字化階段(20 世紀(jì)80 年代)、采區(qū)地震勘探(20 世紀(jì)90 年代)以及三維地震勘探(20 世紀(jì)90 年代至今)五大階段；程建遠(yuǎn)[4-5]從煤田地震勘探儀器、方法技術(shù)以及解決地質(zhì)問題的能力等方面回顧了地震勘探的技術(shù)進(jìn)步，提出了煤田地震勘探的三次重大技術(shù)飛躍，即從模擬地震到數(shù)字地震、從資源勘探到生產(chǎn)勘探、從二維地震到三維地震的技術(shù)飛躍；王懷洪等[6]從煤田地質(zhì)勘查模式演變的角度，以我國(guó)東部礦區(qū)煤炭數(shù)字地震勘探的技術(shù)發(fā)展為例，指出地震勘探的技術(shù)進(jìn)步促進(jìn)了煤田地質(zhì)勘查模式從“鉆探為主，地震配合”，轉(zhuǎn)變?yōu)椤暗卣鹣刃?，鉆探驗(yàn)證”，并進(jìn)一步上升到“地震主導(dǎo)，多手段配合” “精細(xì)地震，綜合勘探”的全數(shù)字化新階段；魏子榮等[7]從煤礦采區(qū)地震勘探的地質(zhì)效果角度，系統(tǒng)總結(jié)了1991—1997 年全國(guó)煤礦采區(qū)地震勘探工作的成效，認(rèn)為在地震地質(zhì)條件好和較好的地區(qū)地震成果的吻合率達(dá)80%以上、條件一般及較差地區(qū)的吻合率也達(dá)70%以上，初步測(cè)算采區(qū)地震的投入產(chǎn)出比1∶33；吳有信等[8]從“雙高礦井”建設(shè)的角度，指出煤礦采區(qū)地震勘探技術(shù)在高產(chǎn)高效礦井建設(shè)中發(fā)揮了重要作用，但是地震勘探未來的技術(shù)發(fā)展仍存在一些瓶頸問題。目前，傳統(tǒng)的高分辨率三維地震勘探技術(shù)已經(jīng)趨于成熟，煤礦采區(qū)地震勘探技術(shù)開始轉(zhuǎn)向巖性地震勘探的全新領(lǐng)域[9-11]；近十年來，高密度全數(shù)字三維地震勘探新技術(shù)顯著提高了三維地震構(gòu)造探測(cè)精度，在解決特殊地質(zhì)問題上也有了長(zhǎng)足的進(jìn)步[12]；煤炭四維地震正在從萌芽階段走向試驗(yàn)、示范階段，實(shí)現(xiàn)了對(duì)采煤擾動(dòng)過程中采空區(qū)變化的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，并在陜西榆林大柳塔礦和韓城桑樹坪礦進(jìn)行了技術(shù)示范[13-14]。

前人從地震勘探技術(shù)的發(fā)展歷史、方法技術(shù)、儀器裝備、地質(zhì)效果、勘查模式、存在問題以及未來發(fā)展等角度，系統(tǒng)回顧總結(jié)了我國(guó)煤田地震勘探的技術(shù)進(jìn)步。本文試圖從時(shí)間?空間維度變化這一新的視角，梳理我國(guó)煤田地震勘探的技術(shù)進(jìn)步歷程，由此提出了我國(guó)煤田地震勘探在從1D 到4D 的發(fā)展過程中衍生出的1.5D、2.5D 和3.5D 等過渡階段，指出從低維空間到高維空間、從空間維度到時(shí)空維度的數(shù)據(jù)升維過程，是煤田地震勘探技術(shù)不斷進(jìn)步的內(nèi)在邏輯。

1 空間?時(shí)間維度下的地震勘探階段

1.1 空間維度與時(shí)間維度的基本概念

在歐氏幾何中，描述一個(gè)對(duì)象常采用點(diǎn)、線、面、體來表達(dá)，并引入了空間維度的概念。維度(Dimensionality，D)又稱為維數(shù)，在數(shù)學(xué)中是指獨(dú)立參數(shù)的數(shù)目，在物理學(xué)中是指獨(dú)立的時(shí)空坐標(biāo)的數(shù)目。在笛卡爾三維直角坐標(biāo)系下的點(diǎn)、線、面、體四種幾何形態(tài)，可以分別抽象為零維(0D)、一維(1D)、二維(2D)和三維(3D)等不同維度的空間存在，并給出其特定的數(shù)學(xué)表達(dá)式。

零維(0D)是被抽象出來的一個(gè)無(wú)限小的點(diǎn)，它沒有大小、沒有維度，時(shí)間、空間都不存在；一維(1D)則只有長(zhǎng)度、沒有寬度與高度及時(shí)間，如線段；二維(2D)空間里的物體只有寬度和長(zhǎng)度，沒有高度與時(shí)間，如長(zhǎng)方形；而三維(3D)空間則可以有長(zhǎng)度、寬度與高度，但沒有時(shí)間，如立方體；更進(jìn)一步，如果三維幾何空間體外加一維時(shí)間變化，就構(gòu)成了包括時(shí)間?空間的四維時(shí)空體(4D)，它可以描述三維空間物體隨時(shí)間的變化，如采空區(qū)的時(shí)空演化等。

一個(gè)復(fù)雜地質(zhì)體在低維空間往往難以表征，而在高維空間卻能精確刻畫；低維空間是高維空間的基礎(chǔ)，低維空間可以向高維空間升維，如兩條一維(1D)的線段，其無(wú)論平行或交叉就能構(gòu)成二維空間(2D)；同樣，高維空間通過降維可以還原到低維空間，如一個(gè)立體圖(3D)通過不同方向的投影，可以輕而易舉地成為一個(gè)平面圖(2D)，實(shí)現(xiàn)從三維空間向二維空間的“降維”，降維的后果是被壓縮的一維空間的信息被認(rèn)為不存在變化。對(duì)于與空間維度相互獨(dú)立的時(shí)間維度而言，它適合描述在某一空間隨時(shí)間變化的地質(zhì)體；時(shí)間維與空間維是相互獨(dú)立的“兩極”，即使高維空間也無(wú)法描述一維時(shí)間域的變化，反之亦然；而空間?時(shí)間共同構(gòu)成的時(shí)?空維度，則可以在四維描述復(fù)雜的地質(zhì)體及其變化。

低維空間在高一維度方向的量是為零的，且低維空間從高維度方向來看，其為零的維度可以視為是均勻的、通透的；而低維空間在沿高一維度方向補(bǔ)充信息后，就可以升維到高維空間。因此，低維空間無(wú)法對(duì)高一維度空間的量進(jìn)行測(cè)量，如二維地震永遠(yuǎn)難以知道其測(cè)線外圍的地質(zhì)變化；反過來，高維空間卻具有低維空間所無(wú)法涵蓋、無(wú)法看到的信息，如三維地震的層位切片所揭示的信息是二維地震無(wú)法企及的。同樣，對(duì)于一些隨時(shí)間變化而變化的地質(zhì)體，如果不開展時(shí)間?空間的聯(lián)合觀測(cè)，則無(wú)法描述其變化，如高產(chǎn)油井經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間抽采后，采出石油的空間逐漸被地下水占據(jù)，繼續(xù)抽采井口就會(huì)出現(xiàn)水多油少的情形，這是單次三維地震觀測(cè)所難以描述的。在某種程度上講，高維空間代表了更多信息的存在，它能夠從不同側(cè)面去表征所描述的對(duì)象，因此，解決復(fù)雜問題有賴于時(shí)間?空間上的高維數(shù)據(jù)。

由于地質(zhì)體是賦存于三維空間的實(shí)體，從理論上講，只有對(duì)三維地質(zhì)體進(jìn)行三維觀測(cè)、三維描述，才能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜地質(zhì)體的有效表征；對(duì)于地下的災(zāi)變地質(zhì)體，還需要增加時(shí)間維度的觀測(cè)信息，才能夠有效了解災(zāi)變地質(zhì)體的動(dòng)態(tài)演化。

1.2 時(shí)空維度下地震勘探的發(fā)展歷程

地震勘探是利用地下介質(zhì)彈性性質(zhì)的差異，借助地震儀器觀測(cè)地震波在地層波阻抗變化界面反射系數(shù)的變化，通過處理、解釋等手段，實(shí)現(xiàn)地層、構(gòu)造成像的一門地球物理勘探技術(shù)。地震勘探方法可以抽象為一個(gè)“輸入(地面激發(fā))?濾波(地下響應(yīng))?輸出(地面接收)”的一個(gè)物理過程。理想條件下，地震勘探的輸入條件是已知的(即激發(fā)條件已知)，輸出結(jié)果也是已知的(即接收結(jié)果已知)，而地層濾波的過程是未知的，即地震波經(jīng)過的傳輸介質(zhì)的層數(shù)、深度、厚度、速度、密度等參數(shù)都是未知的。利用地震勘探所獲信息推測(cè)地下地層的結(jié)構(gòu)和構(gòu)造，屬于地震勘探的反演問題，而地震勘探的反演問題具有較大的不確定性或多解性。一般情況下，地震正演問題是從已知的地質(zhì)?地震物理模型出發(fā)，利用數(shù)值模擬手段可以揭示不同地質(zhì)體的地震波場(chǎng)響應(yīng)特征，其模擬結(jié)果是唯一的，因此，地震正演問題在數(shù)學(xué)上是適定的、在物理上是確定的、結(jié)果上是唯一的，這也是地震勘探的理論基礎(chǔ)；而地震勘探的反演問題，是指從實(shí)際采集、處理后的地震剖面出發(fā)，推斷解釋地下地層、構(gòu)造的空間分布模型，地震資料的地質(zhì)解釋結(jié)果存在多解性。地震勘探的多解性問題，從數(shù)學(xué)上講是一個(gè)欠定方程的求解問題，即一個(gè)方程存在多個(gè)未知數(shù)的求解問題。為了盡可能減少這種多解性，就需要地震勘探開展多維度觀測(cè)、多次重復(fù)觀測(cè)，將欠定方程的求解問題轉(zhuǎn)化為超定方程的求解問題。唯有從高維空間去解決低維空間的問題，才有可能減少地震勘探的多解性，這也是地震勘探技術(shù)進(jìn)步的內(nèi)在需求。

縱觀煤炭地震勘探技術(shù)近七十年的發(fā)展歷程，如果從空間維度與時(shí)間維度對(duì)其進(jìn)行分類，地震勘探可以分為一維地震(1D)、二維地震(2D)、三維地震(3D)和四維地震(4D)，而在1D 到4D 的發(fā)展過程中，還衍生出1.5D、2.5D、3.5D 地震的過渡階段，形成了地震勘探發(fā)展歷程的7 個(gè)階段劃分(圖1)。

圖1 一維到四維地震Fig.1 Schematic diagram of 1D—4D seismic exploration

2 地震勘探時(shí)間?空間維度的演變

2.1 一維地震(1D)

所謂一維地震，是指僅能夠獲得地下一個(gè)維度地質(zhì)變化的地震勘探方法，如地震速度測(cè)井。

廣義的地震速度測(cè)井包括4 種方法，一是傳統(tǒng)的地震速度測(cè)井，主要用于時(shí)深轉(zhuǎn)換的速度求取；二是垂直地震剖面(VSP，Vertical Seismic Profile)，主要用于地震反射層位的地質(zhì)標(biāo)定；三是微地震測(cè)井，主要用于求取淺表層低降速層的厚度與速度；四是聲波速度測(cè)井，主要用于人工合成地震記錄的制作等。其中垂直地震剖面(VSP)的用途最為廣泛，它不僅可以利用直達(dá)波(下行波)的信息獲得地層的平均速度數(shù)據(jù)，而且還能夠利用反射波(上行波)信息得到地震反射波與地質(zhì)層位的映射關(guān)系；同時(shí)，VSP 技術(shù)能夠?qū)⒛骋簧疃鹊牡刭|(zhì)信息與其反射時(shí)間直接關(guān)聯(lián)，是地震反射波地質(zhì)層位標(biāo)定的最佳手段[15]。

1) 1D：零偏VSP

地震勘探是一種間接勘探手段，而地質(zhì)鉆探是一種直接勘探手段。如何將地震勘探成果與地質(zhì)鉆探結(jié)果關(guān)聯(lián)起來，以實(shí)現(xiàn)地震資料的地質(zhì)解釋。這就需要對(duì)地震反射波進(jìn)行地質(zhì)層位標(biāo)定。地震資料地質(zhì)層位標(biāo)定的主要方法包括人工合成地震記錄和鉆孔零偏移VSP 方法，其中人工合成記錄存在層位“漂移”和記錄“伸縮”問題，而VSP 是打通地震資料與地質(zhì)資料之間聯(lián)系的金鑰匙[16]。

由于VSP 地震勘探時(shí)井中檢波器的深度是已知的、上/下行波的時(shí)間可以直接記錄，由此VSP 具有時(shí)間域和深度域的雙重信息，VSP 層位標(biāo)定方法可以將地震的時(shí)間與鉆井的深度聯(lián)系在一起；VSP 地震既有時(shí)間域數(shù)據(jù)也有深度域數(shù)據(jù)，可以為地質(zhì)鉆探和地震勘探方法“牽線搭橋”。

零偏移VSP 測(cè)井過程中，激發(fā)點(diǎn)位于井口的固定位置(x、y均為0)，接收點(diǎn)在鉆孔受限空間上下移動(dòng)，只有一個(gè)參變量z，僅能得到隨深度變化的速度信息，因此零偏移VSP 速度測(cè)井屬于典型的一維地震勘探方法(圖1 的1D)。

顯然，1D 地震的適用條件是水平層狀、橫向均勻的介質(zhì)。

2) 1.5D：非零偏VSP

由于零偏VSP 激發(fā)點(diǎn)的x、y坐標(biāo)均為0，接收點(diǎn)只在鉆孔z方向移動(dòng)，因此零偏VSP(1D)僅能獲得井筒的速度信息，無(wú)法獲得井旁的地質(zhì)信息。為了彌補(bǔ)這一不足，非零井源距VSP 的震源與孔口有一定的距離，震源可以從孔口向遠(yuǎn)離孔口方向不斷移動(dòng)，不但可以獲得沿鉆孔的零井源距VSP 信息，還可以獲得孔旁地層的地質(zhì)信息。與1D 比較而言，非零井源距VSP技術(shù)不但在z方向0～h(孔深)之間變化，還能在x方向從0 到?x的小偏移距范圍內(nèi)移動(dòng)，從而獲得孔旁地下界面的反射信息。

因此從空間維度的意義上講，非零井源距VSP 可以抽象為1.5D 地震勘探(圖1 的1.5D)。

2.2 二維地震(2D)

二維地震的橫坐標(biāo)x是沿地表橫向延伸的測(cè)線距離(L)、縱坐標(biāo)z是以地震雙程反射時(shí)間(t)表示的深度，通過VSP 測(cè)井或速度測(cè)井可以將其轉(zhuǎn)換為探測(cè)深度(h)，從而獲得沿二維地震勘探線方向的一條地震地質(zhì)剖面。在某種程度上，自激自收地震勘探(又稱地震映像)是二維地震的一種特殊觀測(cè)系統(tǒng)，因?yàn)樗鼉H能獲得單次地震時(shí)間信息。二維地震剖面相當(dāng)于沿測(cè)線方向?qū)⒌叵碌貙悠书_，顯示出地下地層構(gòu)造的二維地質(zhì)斷面；與一維地震(1D，零偏VSP)僅能得到沿鉆孔深度方向(z)的信息不同，二維地震(2D)可以獲得地下一條二維地震地質(zhì)剖面。因此，從一維地震到二維地震是一個(gè)重要的技術(shù)進(jìn)步。

1) 2D：二維地震

20 世紀(jì)80 年代，煤田高分辨率二維地震勘探技術(shù)已經(jīng)發(fā)展成熟，對(duì)于煤田地質(zhì)勘探起到了巨大的推動(dòng)作用。圖2 是一條經(jīng)過實(shí)際驗(yàn)證的二維地震時(shí)間剖面，可以看出：該剖面對(duì)于落差10 m 以上的2 條斷層顯示非常清晰，對(duì)于落差5 m 左右的2 條小斷層也有良好的反映。

圖2 高分辨率二維地震時(shí)間剖面的斷層解釋Fig.2 Fault interpretation of high-resolution 2D seismic time profiles

1992 年，原國(guó)家能源投資公司1992(612)文件明確規(guī)定：“凡列入計(jì)劃建設(shè)的基本建設(shè)礦井項(xiàng)目，有條件的一律補(bǔ)做地震工作”。因?yàn)閱渭円揽肯∈璧你@孔網(wǎng)度開展煤田地質(zhì)勘探，一是地質(zhì)找煤的準(zhǔn)確率大打折扣，二是對(duì)于地質(zhì)構(gòu)造控制的精度也不能滿足煤礦設(shè)計(jì)與生產(chǎn)的需求，這些方面的失敗案例不勝枚舉。二維高分辨率地震勘探技術(shù)的成熟，使得以往傳統(tǒng)煤田地質(zhì)勘探方法中“鉆探為主，地震配合”的勘探模式，優(yōu)化調(diào)整為 “地震先行，鉆探驗(yàn)證，綜合勘探”的新模式，將煤田地震勘探從資源勘探擴(kuò)展到基建和生產(chǎn)礦井的采區(qū)勘探，為高產(chǎn)高效礦井建設(shè)提供了地質(zhì)保障技術(shù)的支撐[17]。

2) 2.5D：寬線地震

二維地震的假設(shè)前提是地下地層為水平層狀均勻介質(zhì)或橫向緩變速介質(zhì)，且滿足地表一致性假設(shè)條件；對(duì)于單斜地層而言，二維地震勘探布設(shè)的測(cè)線應(yīng)垂直于地層走向，以適應(yīng)二維偏移處理的需要，以避免側(cè)向反射波無(wú)法歸位等問題的出現(xiàn)。實(shí)際上，這些條件在現(xiàn)實(shí)中是難以滿足的，二維地震時(shí)常出現(xiàn)的一些解釋失誤也是由于二維地震(2D)勘探前提條件不具備造成的，由此催生了寬線地震的出現(xiàn)(圖1 的2.5D)。

寬線地震是二維地震的擴(kuò)展和變種，是幾條二維地震測(cè)線的平面組合接收，其中寬線二維地震時(shí)幾條地震測(cè)線的線距一般較小，常為3～5 個(gè)道距的間隔。寬線地震沿二維地震縱測(cè)線的方向排列較長(zhǎng)，而在垂直縱測(cè)線的非縱方向上寬度很窄。利用相距較近的幾條二維地震測(cè)線的聯(lián)合采集、處理與解釋，可以彌補(bǔ)二維地震對(duì)測(cè)線旁側(cè)地下構(gòu)造無(wú)法采集的不足。

正是由于寬線地震繼承了二維地震(2D)可以沿x、z方向獲得地下地質(zhì)剖面的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)又能夠在y方向?qū)Φ叵碌刭|(zhì)體有一定范圍的控制，屬于2D—3D 之間的過渡階段，因此，從空間維度意義上將其視為2.5D地震勘探技術(shù)。

寬線地震(2.5D)一般適于2 種情形：一是在低信噪比地區(qū)，寬線地震資料可通過擴(kuò)大面元以提高二維地震資料的覆蓋次數(shù)，有利于壓制干擾提高信噪比；二是在地形地貌與地下構(gòu)造復(fù)雜的地區(qū)，寬線地震有利于辨識(shí)側(cè)向干擾波以規(guī)避二維地震偏移的不足[18]。

2.3 三維地震(3D)

三維地震采用面積激發(fā)、面積接收、立體勘探的數(shù)據(jù)采集模式，相比二維地震的x、z方向勘探而言增加了y方向的觀測(cè)數(shù)據(jù)信息，因此，能夠得到比二維地震更為豐富的數(shù)據(jù)信息(圖1 的3D)。三維地震勘探不僅符合地質(zhì)體的三維特性，也能消除二維地震測(cè)線對(duì)三維地下空間的成像畸變。從二維地震到三維地震，是煤田地震勘探一次重大的技術(shù)飛躍，而這一切得益于著名的French 物理模型實(shí)驗(yàn)。

1) French 模型

1974 年，法國(guó)地球物理學(xué)家French 制作了一個(gè)物理模型(圖3a)，圖3b 是沿該模型剖切的一條斷面，它包含1 條斷層、1 個(gè)穹隆構(gòu)造。對(duì)該條二維地質(zhì)剖面進(jìn)行二維地震物理模擬，然后采用二維地震常規(guī)處理與疊后偏移成像，獲得了二維地震偏移時(shí)間剖面(圖3c、圖3d)。從圖3c 的二維地震疊加剖面上可以看到：由于二維地震測(cè)線與斷層是斜交關(guān)系，因此斷層的斷面波沒有完全收斂，留有“尾巴”；另外，由于二維地震測(cè)線旁側(cè)存在一個(gè)穹隆構(gòu)造，按照費(fèi)馬原理、反射定律等，二維地震射線沿垂直于地層界面的法線方向發(fā)生反射，而不是沿地下鉛垂方向傳播的，這就導(dǎo)致了二維地震記錄接收到了旁側(cè)穹隆的側(cè)向反射波，而在二維地震偏移歸位時(shí)無(wú)法將其回歸到真實(shí)位置，從而導(dǎo)致在圖3d 的二維地震偏移剖面中部出現(xiàn)了一個(gè)“假背斜”。反過來，如果對(duì)French 模型采用多點(diǎn)激發(fā)、面積接收的三維觀測(cè)方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，則三維地震偏移處理后能夠恢復(fù)地質(zhì)構(gòu)造的原貌(圖3e)。French 模型以非常直觀的方式，清晰展示出二維地震的不足和三維地震的優(yōu)勢(shì)，成為三維地震勘探技術(shù)進(jìn)步的里程碑[19]。

圖3 二維地震與三維地震的French 模型對(duì)比[19]Fig.3 Comparison of French model for 2D and 3D seismic exploration[19]

2) 3D：采區(qū)三維地震

1978 年，中國(guó)煤炭地質(zhì)總局首次在內(nèi)蒙古伊敏煤田中部采用2 臺(tái)TYDC-24 模擬磁帶地震儀、48 道接收的方式，CDP 網(wǎng)格15 m×15 m、6 次覆蓋，開展了三維地震勘探試驗(yàn)，三維地震試驗(yàn)成果發(fā)現(xiàn)了新的含煤層組、查出了落差30 m 以上的斷層10 條[20]；1988 年，在第二次中日合作山東唐口勘探項(xiàng)目中，山東煤田地質(zhì)局首次采用SN388 數(shù)字地震儀、6 炮4 線束狀觀測(cè)系統(tǒng)、96 道接收、12 次覆蓋，形成10 m×5 m 的CDP網(wǎng)格，查明了落差大于7.5 m 的斷層和幅度大于10 m的褶曲，三維地震勘探資料的分辨率高、連續(xù)性好，勘探精度大大提高，取得了良好的效果[21]。

1993 年，在國(guó)家開發(fā)銀行、中國(guó)煤炭地質(zhì)總局的支持下，中國(guó)礦業(yè)大學(xué)、安徽煤田物測(cè)隊(duì)與淮南礦務(wù)局聯(lián)合，在安徽謝橋煤礦東、西一采區(qū)進(jìn)行了煤礦采區(qū)三維地震勘探的試驗(yàn)研究，首次利用三維地震成果查明了落差5 m 左右斷層以及2 條相距48 m 的巖石巷道，成為煤礦采區(qū)三維地震技術(shù)進(jìn)步的標(biāo)志性成果[22]。煤礦采區(qū)三維地震勘探成果在優(yōu)化礦井設(shè)計(jì)、合理布置采區(qū)和工作面、提高資源回收率、延長(zhǎng)礦井服務(wù)年限和保障安全生產(chǎn)等方面起到了重要作用，獲得了巨大的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益，得到了廣大煤炭企業(yè)和社會(huì)的一致認(rèn)可[23-25]。2001 年11 月，中國(guó)煤炭地質(zhì)總局在海南組織召開了由煤炭設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、勘探、院校等部門領(lǐng)導(dǎo)和技術(shù)人員以及國(guó)外技術(shù)專家參加的“煤礦采區(qū)三維地震勘探經(jīng)驗(yàn)技術(shù)交流會(huì)”；2002 年“煤礦高分辨三維地震勘探技術(shù)體系及在煤炭工業(yè)中的應(yīng)用”獲得國(guó)家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步二等獎(jiǎng)。此后，煤礦采區(qū)高分辨率三維地震勘探在全國(guó)各大礦區(qū)得到了廣泛的推廣應(yīng)用[26-27]。

2007 年，中國(guó)石油東方物探公司首次在安徽丁集煤礦開展了全數(shù)字高密度三維地震勘探并取得了成功，引領(lǐng)了煤礦采區(qū)三維地震勘探技術(shù)發(fā)展的新方向，其解決地質(zhì)問題的能力得到顯著提升，如在安徽淮南礦區(qū)能夠查明落差2 m 以上斷層、直徑15 m 以上陷落柱、識(shí)別埋深800 m 的采煤工作面巷道等。此后，全數(shù)字高密度三維地震勘探技術(shù)在全國(guó)不同礦區(qū)陸續(xù)開展了試驗(yàn)、示范和推廣應(yīng)用[28-30]。

3) 3.5D：時(shí)延三維解釋

無(wú)論是常規(guī)的三維地震還是全數(shù)字高密度三維地震勘探，都獲得了來自地下煤巖層的海量信息，三維地震數(shù)據(jù)體的空間采樣間隔可達(dá)5 m(橫向)×5 m(縱向)×1.5 m(垂向)，對(duì)地層、構(gòu)造等實(shí)現(xiàn)了高密度三維地震成像。

為了充分挖掘三維地震數(shù)據(jù)體所蘊(yùn)含的豐富地質(zhì)信息，需要改變以往傳統(tǒng)地震勘探“采集—處理—解釋—提交報(bào)告”的單向工作流程，開展三維地震資料的地質(zhì)動(dòng)態(tài)解釋，形成地震數(shù)據(jù)“采集—處理—解釋—驗(yàn)證—再處理(可選)—再解釋—再驗(yàn)證”循環(huán)往復(fù)的反饋解釋、處理流程[31-32]。三維地震資料地質(zhì)動(dòng)態(tài)解釋不再是對(duì)三維地震成果的一次性解釋，而是結(jié)合采掘揭露情況，對(duì)三維地震數(shù)據(jù)開展目標(biāo)處理、動(dòng)態(tài)解釋。從時(shí)間?空間維度的意義上講，這就相當(dāng)于將常規(guī)一次性的三維地震勘探，升級(jí)為“時(shí)延三維地震”，類似于人為地增加了“時(shí)間維”。盡管“時(shí)延三維地震”數(shù)據(jù)并未開展二次采集工作，但是時(shí)延三維地震卻進(jìn)行了二次目標(biāo)處理、多次實(shí)證約束解釋，可以視為3D—4D 的過渡階段。為了區(qū)別于四維地震(4D)，凌云等將時(shí)延三維地震處理解釋稱為“3.5D”地震[33-34]。

令人欣慰的是，自2001 年三維地震資料地質(zhì)動(dòng)態(tài)解釋技術(shù)提出以來，該技術(shù)已經(jīng)在全國(guó)各大礦區(qū)得到了普遍的推廣應(yīng)用，極大地發(fā)揮了三維地震資料更好地服務(wù)煤礦生產(chǎn)的效能[35]。

2.4 四維地震(4D)

四維地震(4D)是指在同一地點(diǎn)、不同時(shí)間、采用相同方法開展的多期次三維地震勘探。從本質(zhì)上講，四維地震是三維地震的延續(xù)，是多次重復(fù)進(jìn)行的三維地震，其目的是查清地下地質(zhì)體的動(dòng)態(tài)變化。與三維地震三個(gè)空間維度x、y、z相比，四維地震增加的第四維度是時(shí)間維度(t)。四維地震的技術(shù)核心是在不同期次三維地震重復(fù)觀測(cè)過程中，三維地震數(shù)據(jù)采集和處理方法應(yīng)盡可能保持一致性[36-38]。

從20 世紀(jì)80 年代起，國(guó)內(nèi)外油氣藏開發(fā)中開始采用四維地震技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)油藏開發(fā)過程的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，如監(jiān)測(cè)采油過程中油水邊界、儲(chǔ)層溫度、孔隙率、滲透率等變化；在重油油藏開采過程中，為了提高采收率而采用的熱驅(qū)采油方法中，四維地震通過在注入蒸汽前觀測(cè)一次、注入蒸汽后重復(fù)觀測(cè)一次，可以獲得加熱引起溫度升高、重油油藏地震波速度降低的變化過程，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)SAGD 蒸汽腔監(jiān)測(cè)[39]。與油氣藏開發(fā)、CO2地下封存等不同，我國(guó)煤炭四維地震技術(shù)剛剛起步，工程應(yīng)用相對(duì)較少，主要集中在煤礦采空區(qū)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和煤炭地下氣化監(jiān)測(cè)方面[40-42]。

煤炭地下氣化監(jiān)測(cè)。煤層地下氣化的燃燒范圍和氣化燃燒熱力影響邊界、形態(tài)、方向以及氣化區(qū)垮落帶的發(fā)展高度、氣化煤層裂隙發(fā)育程度等，是開展煤炭地下氣化工程迫切需要解決的技術(shù)難題。煤田四維地震可以動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)煤炭地下氣化過程中燃空區(qū)范圍的變化情況，實(shí)現(xiàn)煤層地下氣化開發(fā)過程中儲(chǔ)層動(dòng)態(tài)變化的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。

采掘擾動(dòng)范圍監(jiān)測(cè)。在煤礦開采過程中，地下采空范圍、采動(dòng)裂隙發(fā)育高度等隨時(shí)間而變化。四維地震技術(shù)可以識(shí)別煤礦井下采空區(qū)空間分布和塌陷狀態(tài)，達(dá)到動(dòng)態(tài)識(shí)別和監(jiān)控采空區(qū)的目的。圖4 給出了某礦地下煤炭開采前后2 次三維地震?四維地震的時(shí)間剖面對(duì)比，其中圖4a 為2013 年三維地震勘探穿過下部814 鉆孔的東西向時(shí)間剖面，圖4b 為2018 年同一測(cè)線的三維地震時(shí)間剖面。通過對(duì)比明顯看出：從2013 年到2018 年，地下采空區(qū)范圍發(fā)生了明顯變化(圖4c 橙色范圍)。另外，一些學(xué)者還利用類四維地震勘探技術(shù)開展煤礦開采過程中頂板“三帶”發(fā)育高度的預(yù)測(cè)與評(píng)判等[43-44]。

圖4 四維地震監(jiān)測(cè)采空區(qū)范圍變化Fig.4 4D seismic exploration monitoring of change in range of goaf

總體而言，四維地震技術(shù)在煤炭行業(yè)剛剛起步，目前公開發(fā)表的煤炭四維地震勘探的成果較少，主要是一些探索性的研究工作，尚未進(jìn)入到工業(yè)性開發(fā)利用的階段。不難預(yù)測(cè)，四維地震技術(shù)在今后煤層氣資源勘探開發(fā)、二氧化碳封存和隱蔽致災(zāi)地質(zhì)因素動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)等方面，將具有巨大的發(fā)展前景和技術(shù)潛力。

3 煤田地震勘探技術(shù)進(jìn)步的啟示

我國(guó)煤炭地震勘探技術(shù)已經(jīng)從無(wú)到有、由弱變強(qiáng)，形成了從1D 到4D 的成套技術(shù)與裝備，能夠適應(yīng)多種復(fù)雜地形、地下地質(zhì)條件下的高精度構(gòu)造勘探，正在向煤層氣勘探、CO2地下封存、煤炭氣化監(jiān)測(cè)等方向發(fā)展，我國(guó)煤炭地震勘探技術(shù)的整體水平居于國(guó)際前列?？v觀煤田地震勘探近70 年發(fā)展的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)，對(duì)今后地震勘探技術(shù)發(fā)展帶來了一些啟示。

3.1 技術(shù)進(jìn)步是厚積薄發(fā)的演化過程

1818 年柯西發(fā)表了首篇有關(guān)地震波傳播的論文；1828 年泊松提出地震縱波P 波和橫波S 波是獨(dú)立存在的；1845 年R·馬利特采用人工激發(fā)的地震波試圖測(cè)量彈性波在地殼中的傳播速度；1885 年Rayleigh 發(fā)現(xiàn)了瑞雷面波；1899 年Knott 研究了地震波傳播及其反射和折射；1907 年Zeoppritz 推導(dǎo)了地震波在界面上的反射和透射方程；1917 年Fessenden 發(fā)明了利用地震反射“定位礦體的方法及儀器”；1921 年Mintrop 創(chuàng)立了Seismos 地震公司，開始了折射地震勘探的試驗(yàn)；1924 年Stoneley 發(fā)現(xiàn)了斯通利波；1927 年Love 發(fā)現(xiàn)了拉夫波；1928 年反射波法首次在美國(guó)俄克拉何馬州Seminole 盆地發(fā)現(xiàn)了Maud 構(gòu)造油田；1930 年反射波法開始廣泛使用；1940 年反射地震勘探儀器與方法迅速興起[45]，······。地震勘探的理論研究先于地震勘探方法技術(shù)的工程應(yīng)用一百多年!

可見，任何新技術(shù)的誕生都要以基礎(chǔ)理論研究為先導(dǎo)，任何一項(xiàng)工程技術(shù)的發(fā)展成熟，從理論研究、方法試驗(yàn)、儀器配套、技術(shù)示范到工程應(yīng)用，都需要經(jīng)歷一個(gè)漫長(zhǎng)的歷史發(fā)展過程，都不是一蹴而就的，都是厚積薄發(fā)的結(jié)果。

3.2 市場(chǎng)需求是技術(shù)進(jìn)步的第一驅(qū)動(dòng)力

新中國(guó)成立之初，為了打破國(guó)外的技術(shù)封鎖，國(guó)產(chǎn)化的地震儀器、數(shù)字處理技術(shù)得到了蓬勃發(fā)展；1978 年改革開放后，我國(guó)開始大規(guī)模引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)的煤礦生產(chǎn)技術(shù)與裝備，對(duì)煤礦開采地質(zhì)條件超前查明程度提出了更高的要求，推動(dòng)了高分辨率地震勘探技術(shù)迅速進(jìn)入煤礦采區(qū)采前構(gòu)造勘探的階段；進(jìn)入21 世紀(jì)，煤礦安全高效生產(chǎn)成為地質(zhì)保障技術(shù)的主攻方向，催生了高密度、全數(shù)字三維地震精細(xì)探測(cè)技術(shù)的發(fā)展成熟；近年來，隨著地面煤層氣開發(fā)、CO2地下封存、煤炭地下氣化、保水采煤技術(shù)、煤炭智能開采等對(duì)地震勘探提出了新的市場(chǎng)需求，意味著四維地震將迎來新的發(fā)展機(jī)遇與技術(shù)挑戰(zhàn)。

企業(yè)是技術(shù)創(chuàng)新的主體，市場(chǎng)需求是推動(dòng)技術(shù)進(jìn)步的強(qiáng)勁驅(qū)動(dòng)力；反過來，科技是第一生產(chǎn)力，技術(shù)進(jìn)步將支撐企業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。

3.3 學(xué)科交叉與跨界融合加速技術(shù)進(jìn)步

煤田高精度地震勘探技術(shù)的進(jìn)步，離不開電子技術(shù)、信息技術(shù)、制造技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等相關(guān)學(xué)科的支撐。1988 年L.Ongkiehong 提出了“不受約束的采集”思想[46]。隨著儀器制造技術(shù)的進(jìn)步，地震勘探儀器的道數(shù)出現(xiàn)了指數(shù)級(jí)的增長(zhǎng)，這一想法才能變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)[47-48]。以地震儀器為例：法國(guó)SERCEL 公司在40 年的時(shí)間里，將地震儀器的采集能力從幾十道提升到百萬(wàn)道，真正實(shí)現(xiàn)了“不受約束的采集”的目標(biāo)(表1)，支撐了地震勘探從一維地震、二維地震到三維地震以至于四維地震的技術(shù)進(jìn)步。

表1 SERCEL 公司地震儀發(fā)展歷程Table 1 Development history of SERCEL’s Seismograph

從1981 年開始，山東煤田物測(cè)隊(duì)、江蘇煤田物測(cè)隊(duì)等分別與中國(guó)科學(xué)院地球物理研究所、中國(guó)科學(xué)院電工研究所、地礦部物探研究所等開展跨系統(tǒng)、跨部門的技術(shù)合作，進(jìn)行高頻地震信息激發(fā)、采集、處理等技術(shù)的協(xié)同攻關(guān)和聯(lián)合試驗(yàn)，加速了煤田高分辨率地震勘探技術(shù)的發(fā)展成熟。2007 年，淮南礦業(yè)集團(tuán)與中石油東方公司合作，首次開展高密度全數(shù)字三維地震的試驗(yàn)與示范，將三維地震對(duì)小斷層的分辨率從5 m提升到2 m，取得了重大的技術(shù)突破。

“它山之石，可以攻玉”?？缧袠I(yè)、跨部門、跨領(lǐng)域的技術(shù)交流與合作，在煤田高精度地震勘探的技術(shù)進(jìn)步中發(fā)揮了重要作用。

4 結(jié)語(yǔ)

回顧過去，我國(guó)煤田地震勘探技術(shù)走過了近70 年不平凡的發(fā)展歷程，從一維地震(1D)、二維地震(2D)走向了三維地震(3D)的技術(shù)成熟，其間衍生出1.5D、2.5D 和3.5D 的過渡階段，而四維地震(4D) 已經(jīng)開始了示范性應(yīng)用。目前，煤田三維地震勘探解決地質(zhì)問題的精度不斷提高，已經(jīng)成為煤礦地質(zhì)保障系統(tǒng)的核心技術(shù)支撐。地震勘探從低維空間到高維空間、從空間維度到時(shí)空維度的技術(shù)進(jìn)步，帶來了地震勘探所獲地下信息量的指數(shù)級(jí)增加，這是高精度地震勘探技術(shù)發(fā)展成熟的內(nèi)在因素。

展望未來，煤田高精度地震勘探的技術(shù)進(jìn)步，一方面需要加大與數(shù)學(xué)、物理、計(jì)算機(jī)以及地質(zhì)學(xué)等相關(guān)學(xué)科的交叉融合，另一方面需要朝著高密度、全數(shù)字、實(shí)時(shí)化采集、自動(dòng)化處理和智能化解釋的方向發(fā)展，邁入基于高精度地震數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)、三維動(dòng)態(tài)地質(zhì)建模的新發(fā)展階段，為今后煤礦安全高效智能綠色開采提供高質(zhì)量的地質(zhì)保障技術(shù)支撐。