从1D 到4D：煤田地震勘探的技术进步及启示

程建远，张宪旭，蒋必辞,2，王 盼,3，单 蕊

(1.中煤科工西安研究院(集团)有限公司，陕西 西安 710077；2.煤炭科学研究总院，北京 100013；3.西安科技大学 地质与环境学院，陕西 西安 710054)

1949 年我国原煤产量仅3 432 万t，加快煤田地质勘探成为建国初期的重要任务[1]。1955 年，为了加快煤炭资源勘查的步伐，第一支煤田地震勘探队在北京成立后，立即开赴河北唐山开平煤田，放响了新中国煤田地震勘探的第一炮[2]。经过近70 年的发展，煤田地震勘探历经了从光点地震仪到数字遥测地震仪、从折射地震方法到反射地震方法、从单次覆盖到多次覆盖技术、从二维地震到三维地震、从纵波地震到多波地震、从构造勘探到岩性勘探的技术发展阶段，在煤炭资源地质勘查、采区地质条件精细探测、隐蔽致灾地质因素探测等方面发挥了重要作用，成为煤矿安全高效开采地质保障的核心技术之一。武喜尊[3]从煤炭地震勘探发展的时间维度，将我国煤炭地震发展历程划分为起步阶段(20 世纪50—60 年代)、发展阶段(20 世纪70 年代)、数字化阶段(20 世纪80 年代)、采区地震勘探(20 世纪90 年代)以及三维地震勘探(20 世纪90 年代至今)五大阶段；程建远[4-5]从煤田地震勘探仪器、方法技术以及解决地质问题的能力等方面回顾了地震勘探的技术进步，提出了煤田地震勘探的三次重大技术飞跃，即从模拟地震到数字地震、从资源勘探到生产勘探、从二维地震到三维地震的技术飞跃；王怀洪等[6]从煤田地质勘查模式演变的角度，以我国东部矿区煤炭数字地震勘探的技术发展为例，指出地震勘探的技术进步促进了煤田地质勘查模式从“钻探为主，地震配合”，转变为“地震先行，钻探验证”，并进一步上升到“地震主导，多手段配合” “精细地震，综合勘探”的全数字化新阶段；魏子荣等[7]从煤矿采区地震勘探的地质效果角度，系统总结了1991—1997 年全国煤矿采区地震勘探工作的成效，认为在地震地质条件好和较好的地区地震成果的吻合率达80%以上、条件一般及较差地区的吻合率也达70%以上，初步测算采区地震的投入产出比1∶33；吴有信等[8]从“双高矿井”建设的角度，指出煤矿采区地震勘探技术在高产高效矿井建设中发挥了重要作用，但是地震勘探未来的技术发展仍存在一些瓶颈问题。目前，传统的高分辨率三维地震勘探技术已经趋于成熟，煤矿采区地震勘探技术开始转向岩性地震勘探的全新领域[9-11]；近十年来，高密度全数字三维地震勘探新技术显著提高了三维地震构造探测精度，在解决特殊地质问题上也有了长足的进步[12]；煤炭四维地震正在从萌芽阶段走向试验、示范阶段，实现了对采煤扰动过程中采空区变化的动态监测，并在陕西榆林大柳塔矿和韩城桑树坪矿进行了技术示范[13-14]。

前人从地震勘探技术的发展历史、方法技术、仪器装备、地质效果、勘查模式、存在问题以及未来发展等角度，系统回顾总结了我国煤田地震勘探的技术进步。本文试图从时间−空间维度变化这一新的视角，梳理我国煤田地震勘探的技术进步历程，由此提出了我国煤田地震勘探在从1D 到4D 的发展过程中衍生出的1.5D、2.5D 和3.5D 等过渡阶段，指出从低维空间到高维空间、从空间维度到时空维度的数据升维过程，是煤田地震勘探技术不断进步的内在逻辑。

1 空间−时间维度下的地震勘探阶段

1.1 空间维度与时间维度的基本概念

在欧氏几何中，描述一个对象常采用点、线、面、体来表达，并引入了空间维度的概念。维度(Dimensionality，D)又称为维数，在数学中是指独立参数的数目，在物理学中是指独立的时空坐标的数目。在笛卡尔三维直角坐标系下的点、线、面、体四种几何形态，可以分别抽象为零维(0D)、一维(1D)、二维(2D)和三维(3D)等不同维度的空间存在，并给出其特定的数学表达式。

零维(0D)是被抽象出来的一个无限小的点，它没有大小、没有维度，时间、空间都不存在；一维(1D)则只有长度、没有宽度与高度及时间，如线段；二维(2D)空间里的物体只有宽度和长度，没有高度与时间，如长方形；而三维(3D)空间则可以有长度、宽度与高度，但没有时间，如立方体；更进一步，如果三维几何空间体外加一维时间变化，就构成了包括时间−空间的四维时空体(4D)，它可以描述三维空间物体随时间的变化，如采空区的时空演化等。

一个复杂地质体在低维空间往往难以表征，而在高维空间却能精确刻画；低维空间是高维空间的基础，低维空间可以向高维空间升维，如两条一维(1D)的线段，其无论平行或交叉就能构成二维空间(2D)；同样，高维空间通过降维可以还原到低维空间，如一个立体图(3D)通过不同方向的投影，可以轻而易举地成为一个平面图(2D)，实现从三维空间向二维空间的“降维”，降维的后果是被压缩的一维空间的信息被认为不存在变化。对于与空间维度相互独立的时间维度而言，它适合描述在某一空间随时间变化的地质体；时间维与空间维是相互独立的“两极”，即使高维空间也无法描述一维时间域的变化，反之亦然；而空间−时间共同构成的时−空维度，则可以在四维描述复杂的地质体及其变化。

低维空间在高一维度方向的量是为零的，且低维空间从高维度方向来看，其为零的维度可以视为是均匀的、通透的；而低维空间在沿高一维度方向补充信息后，就可以升维到高维空间。因此，低维空间无法对高一维度空间的量进行测量，如二维地震永远难以知道其测线外围的地质变化；反过来，高维空间却具有低维空间所无法涵盖、无法看到的信息，如三维地震的层位切片所揭示的信息是二维地震无法企及的。同样，对于一些随时间变化而变化的地质体，如果不开展时间−空间的联合观测，则无法描述其变化，如高产油井经过长时间抽采后，采出石油的空间逐渐被地下水占据，继续抽采井口就会出现水多油少的情形，这是单次三维地震观测所难以描述的。在某种程度上讲，高维空间代表了更多信息的存在，它能够从不同侧面去表征所描述的对象，因此，解决复杂问题有赖于时间−空间上的高维数据。

由于地质体是赋存于三维空间的实体，从理论上讲，只有对三维地质体进行三维观测、三维描述，才能实现复杂地质体的有效表征；对于地下的灾变地质体，还需要增加时间维度的观测信息，才能够有效了解灾变地质体的动态演化。

1.2 时空维度下地震勘探的发展历程

地震勘探是利用地下介质弹性性质的差异，借助地震仪器观测地震波在地层波阻抗变化界面反射系数的变化，通过处理、解释等手段，实现地层、构造成像的一门地球物理勘探技术。地震勘探方法可以抽象为一个“输入(地面激发)−滤波(地下响应)−输出(地面接收)”的一个物理过程。理想条件下，地震勘探的输入条件是已知的(即激发条件已知)，输出结果也是已知的(即接收结果已知)，而地层滤波的过程是未知的，即地震波经过的传输介质的层数、深度、厚度、速度、密度等参数都是未知的。利用地震勘探所获信息推测地下地层的结构和构造，属于地震勘探的反演问题，而地震勘探的反演问题具有较大的不确定性或多解性。一般情况下，地震正演问题是从已知的地质−地震物理模型出发，利用数值模拟手段可以揭示不同地质体的地震波场响应特征，其模拟结果是唯一的，因此，地震正演问题在数学上是适定的、在物理上是确定的、结果上是唯一的，这也是地震勘探的理论基础；而地震勘探的反演问题，是指从实际采集、处理后的地震剖面出发，推断解释地下地层、构造的空间分布模型，地震资料的地质解释结果存在多解性。地震勘探的多解性问题，从数学上讲是一个欠定方程的求解问题，即一个方程存在多个未知数的求解问题。为了尽可能减少这种多解性，就需要地震勘探开展多维度观测、多次重复观测，将欠定方程的求解问题转化为超定方程的求解问题。唯有从高维空间去解决低维空间的问题，才有可能减少地震勘探的多解性，这也是地震勘探技术进步的内在需求。

纵观煤炭地震勘探技术近七十年的发展历程，如果从空间维度与时间维度对其进行分类，地震勘探可以分为一维地震(1D)、二维地震(2D)、三维地震(3D)和四维地震(4D)，而在1D 到4D 的发展过程中，还衍生出1.5D、2.5D、3.5D 地震的过渡阶段，形成了地震勘探发展历程的7 个阶段划分(图1)。

图1 一维到四维地震Fig.1 Schematic diagram of 1D—4D seismic exploration

2 地震勘探时间−空间维度的演变

2.1 一维地震(1D)

所谓一维地震，是指仅能够获得地下一个维度地质变化的地震勘探方法，如地震速度测井。

广义的地震速度测井包括4 种方法，一是传统的地震速度测井，主要用于时深转换的速度求取；二是垂直地震剖面(VSP，Vertical Seismic Profile)，主要用于地震反射层位的地质标定；三是微地震测井，主要用于求取浅表层低降速层的厚度与速度；四是声波速度测井，主要用于人工合成地震记录的制作等。其中垂直地震剖面(VSP)的用途最为广泛，它不仅可以利用直达波(下行波)的信息获得地层的平均速度数据，而且还能够利用反射波(上行波)信息得到地震反射波与地质层位的映射关系；同时，VSP 技术能够将某一深度的地质信息与其反射时间直接关联，是地震反射波地质层位标定的最佳手段[15]。

1) 1D：零偏VSP

地震勘探是一种间接勘探手段，而地质钻探是一种直接勘探手段。如何将地震勘探成果与地质钻探结果关联起来，以实现地震资料的地质解释。这就需要对地震反射波进行地质层位标定。地震资料地质层位标定的主要方法包括人工合成地震记录和钻孔零偏移VSP 方法，其中人工合成记录存在层位“漂移”和记录“伸缩”问题，而VSP 是打通地震资料与地质资料之间联系的金钥匙[16]。

由于VSP 地震勘探时井中检波器的深度是已知的、上/下行波的时间可以直接记录，由此VSP 具有时间域和深度域的双重信息，VSP 层位标定方法可以将地震的时间与钻井的深度联系在一起；VSP 地震既有时间域数据也有深度域数据，可以为地质钻探和地震勘探方法“牵线搭桥”。

零偏移VSP 测井过程中，激发点位于井口的固定位置(x、y均为0)，接收点在钻孔受限空间上下移动，只有一个参变量z，仅能得到随深度变化的速度信息，因此零偏移VSP 速度测井属于典型的一维地震勘探方法(图1 的1D)。

显然，1D 地震的适用条件是水平层状、横向均匀的介质。

2) 1.5D：非零偏VSP

由于零偏VSP 激发点的x、y坐标均为0，接收点只在钻孔z方向移动，因此零偏VSP(1D)仅能获得井筒的速度信息，无法获得井旁的地质信息。为了弥补这一不足，非零井源距VSP 的震源与孔口有一定的距离，震源可以从孔口向远离孔口方向不断移动，不但可以获得沿钻孔的零井源距VSP 信息，还可以获得孔旁地层的地质信息。与1D 比较而言，非零井源距VSP技术不但在z方向0～h(孔深)之间变化，还能在x方向从0 到∆x的小偏移距范围内移动，从而获得孔旁地下界面的反射信息。

因此从空间维度的意义上讲，非零井源距VSP 可以抽象为1.5D 地震勘探(图1 的1.5D)。

2.2 二维地震(2D)

二维地震的横坐标x是沿地表横向延伸的测线距离(L)、纵坐标z是以地震双程反射时间(t)表示的深度，通过VSP 测井或速度测井可以将其转换为探测深度(h)，从而获得沿二维地震勘探线方向的一条地震地质剖面。在某种程度上，自激自收地震勘探(又称地震映像)是二维地震的一种特殊观测系统，因为它仅能获得单次地震时间信息。二维地震剖面相当于沿测线方向将地下地层剖开，显示出地下地层构造的二维地质断面；与一维地震(1D，零偏VSP)仅能得到沿钻孔深度方向(z)的信息不同，二维地震(2D)可以获得地下一条二维地震地质剖面。因此，从一维地震到二维地震是一个重要的技术进步。

1) 2D：二维地震

20 世纪80 年代，煤田高分辨率二维地震勘探技术已经发展成熟，对于煤田地质勘探起到了巨大的推动作用。图2 是一条经过实际验证的二维地震时间剖面，可以看出：该剖面对于落差10 m 以上的2 条断层显示非常清晰，对于落差5 m 左右的2 条小断层也有良好的反映。

图2 高分辨率二维地震时间剖面的断层解释Fig.2 Fault interpretation of high-resolution 2D seismic time profiles

1992 年，原国家能源投资公司1992(612)文件明确规定：“凡列入计划建设的基本建设矿井项目，有条件的一律补做地震工作”。因为单纯依靠稀疏的钻孔网度开展煤田地质勘探，一是地质找煤的准确率大打折扣，二是对于地质构造控制的精度也不能满足煤矿设计与生产的需求，这些方面的失败案例不胜枚举。二维高分辨率地震勘探技术的成熟，使得以往传统煤田地质勘探方法中“钻探为主，地震配合”的勘探模式，优化调整为 “地震先行，钻探验证，综合勘探”的新模式，将煤田地震勘探从资源勘探扩展到基建和生产矿井的采区勘探，为高产高效矿井建设提供了地质保障技术的支撑[17]。

2) 2.5D：宽线地震

二维地震的假设前提是地下地层为水平层状均匀介质或横向缓变速介质，且满足地表一致性假设条件；对于单斜地层而言，二维地震勘探布设的测线应垂直于地层走向，以适应二维偏移处理的需要，以避免侧向反射波无法归位等问题的出现。实际上，这些条件在现实中是难以满足的，二维地震时常出现的一些解释失误也是由于二维地震(2D)勘探前提条件不具备造成的，由此催生了宽线地震的出现(图1 的2.5D)。

宽线地震是二维地震的扩展和变种，是几条二维地震测线的平面组合接收，其中宽线二维地震时几条地震测线的线距一般较小，常为3～5 个道距的间隔。宽线地震沿二维地震纵测线的方向排列较长，而在垂直纵测线的非纵方向上宽度很窄。利用相距较近的几条二维地震测线的联合采集、处理与解释，可以弥补二维地震对测线旁侧地下构造无法采集的不足。

正是由于宽线地震继承了二维地震(2D)可以沿x、z方向获得地下地质剖面的优势，同时又能够在y方向对地下地质体有一定范围的控制，属于2D—3D 之间的过渡阶段，因此，从空间维度意义上将其视为2.5D地震勘探技术。

宽线地震(2.5D)一般适于2 种情形：一是在低信噪比地区，宽线地震资料可通过扩大面元以提高二维地震资料的覆盖次数，有利于压制干扰提高信噪比；二是在地形地貌与地下构造复杂的地区，宽线地震有利于辨识侧向干扰波以规避二维地震偏移的不足[18]。

2.3 三维地震(3D)

三维地震采用面积激发、面积接收、立体勘探的数据采集模式，相比二维地震的x、z方向勘探而言增加了y方向的观测数据信息，因此，能够得到比二维地震更为丰富的数据信息(图1 的3D)。三维地震勘探不仅符合地质体的三维特性，也能消除二维地震测线对三维地下空间的成像畸变。从二维地震到三维地震，是煤田地震勘探一次重大的技术飞跃，而这一切得益于著名的French 物理模型实验。

1) French 模型

1974 年，法国地球物理学家French 制作了一个物理模型(图3a)，图3b 是沿该模型剖切的一条断面，它包含1 条断层、1 个穹隆构造。对该条二维地质剖面进行二维地震物理模拟，然后采用二维地震常规处理与叠后偏移成像，获得了二维地震偏移时间剖面(图3c、图3d)。从图3c 的二维地震叠加剖面上可以看到：由于二维地震测线与断层是斜交关系，因此断层的断面波没有完全收敛，留有“尾巴”；另外，由于二维地震测线旁侧存在一个穹隆构造，按照费马原理、反射定律等，二维地震射线沿垂直于地层界面的法线方向发生反射，而不是沿地下铅垂方向传播的，这就导致了二维地震记录接收到了旁侧穹隆的侧向反射波，而在二维地震偏移归位时无法将其回归到真实位置，从而导致在图3d 的二维地震偏移剖面中部出现了一个“假背斜”。反过来，如果对French 模型采用多点激发、面积接收的三维观测方式进行数据采集，则三维地震偏移处理后能够恢复地质构造的原貌(图3e)。French 模型以非常直观的方式，清晰展示出二维地震的不足和三维地震的优势，成为三维地震勘探技术进步的里程碑[19]。

图3 二维地震与三维地震的French 模型对比[19]Fig.3 Comparison of French model for 2D and 3D seismic exploration[19]

2) 3D：采区三维地震

1978 年，中国煤炭地质总局首次在内蒙古伊敏煤田中部采用2 台TYDC-24 模拟磁带地震仪、48 道接收的方式，CDP 网格15 m×15 m、6 次覆盖，开展了三维地震勘探试验，三维地震试验成果发现了新的含煤层组、查出了落差30 m 以上的断层10 条[20]；1988 年，在第二次中日合作山东唐口勘探项目中，山东煤田地质局首次采用SN388 数字地震仪、6 炮4 线束状观测系统、96 道接收、12 次覆盖，形成10 m×5 m 的CDP网格，查明了落差大于7.5 m 的断层和幅度大于10 m的褶曲，三维地震勘探资料的分辨率高、连续性好，勘探精度大大提高，取得了良好的效果[21]。

1993 年，在国家开发银行、中国煤炭地质总局的支持下，中国矿业大学、安徽煤田物测队与淮南矿务局联合，在安徽谢桥煤矿东、西一采区进行了煤矿采区三维地震勘探的试验研究，首次利用三维地震成果查明了落差5 m 左右断层以及2 条相距48 m 的岩石巷道，成为煤矿采区三维地震技术进步的标志性成果[22]。煤矿采区三维地震勘探成果在优化矿井设计、合理布置采区和工作面、提高资源回收率、延长矿井服务年限和保障安全生产等方面起到了重要作用，获得了巨大的社会和经济效益，得到了广大煤炭企业和社会的一致认可[23-25]。2001 年11 月，中国煤炭地质总局在海南组织召开了由煤炭设计、生产、勘探、院校等部门领导和技术人员以及国外技术专家参加的“煤矿采区三维地震勘探经验技术交流会”；2002 年“煤矿高分辨三维地震勘探技术体系及在煤炭工业中的应用”获得国家科学技术进步二等奖。此后，煤矿采区高分辨率三维地震勘探在全国各大矿区得到了广泛的推广应用[26-27]。

2007 年，中国石油东方物探公司首次在安徽丁集煤矿开展了全数字高密度三维地震勘探并取得了成功，引领了煤矿采区三维地震勘探技术发展的新方向，其解决地质问题的能力得到显著提升，如在安徽淮南矿区能够查明落差2 m 以上断层、直径15 m 以上陷落柱、识别埋深800 m 的采煤工作面巷道等。此后，全数字高密度三维地震勘探技术在全国不同矿区陆续开展了试验、示范和推广应用[28-30]。

3) 3.5D：时延三维解释

无论是常规的三维地震还是全数字高密度三维地震勘探，都获得了来自地下煤岩层的海量信息，三维地震数据体的空间采样间隔可达5 m(横向)×5 m(纵向)×1.5 m(垂向)，对地层、构造等实现了高密度三维地震成像。

为了充分挖掘三维地震数据体所蕴含的丰富地质信息，需要改变以往传统地震勘探“采集—处理—解释—提交报告”的单向工作流程，开展三维地震资料的地质动态解释，形成地震数据“采集—处理—解释—验证—再处理(可选)—再解释—再验证”循环往复的反馈解释、处理流程[31-32]。三维地震资料地质动态解释不再是对三维地震成果的一次性解释，而是结合采掘揭露情况，对三维地震数据开展目标处理、动态解释。从时间−空间维度的意义上讲，这就相当于将常规一次性的三维地震勘探，升级为“时延三维地震”，类似于人为地增加了“时间维”。尽管“时延三维地震”数据并未开展二次采集工作，但是时延三维地震却进行了二次目标处理、多次实证约束解释，可以视为3D—4D 的过渡阶段。为了区别于四维地震(4D)，凌云等将时延三维地震处理解释称为“3.5D”地震[33-34]。

令人欣慰的是，自2001 年三维地震资料地质动态解释技术提出以来，该技术已经在全国各大矿区得到了普遍的推广应用，极大地发挥了三维地震资料更好地服务煤矿生产的效能[35]。

2.4 四维地震(4D)

四维地震(4D)是指在同一地点、不同时间、采用相同方法开展的多期次三维地震勘探。从本质上讲，四维地震是三维地震的延续，是多次重复进行的三维地震，其目的是查清地下地质体的动态变化。与三维地震三个空间维度x、y、z相比，四维地震增加的第四维度是时间维度(t)。四维地震的技术核心是在不同期次三维地震重复观测过程中，三维地震数据采集和处理方法应尽可能保持一致性[36-38]。

从20 世纪80 年代起，国内外油气藏开发中开始采用四维地震技术，以实现对油藏开发过程的动态监测，如监测采油过程中油水边界、储层温度、孔隙率、渗透率等变化；在重油油藏开采过程中，为了提高采收率而采用的热驱采油方法中，四维地震通过在注入蒸汽前观测一次、注入蒸汽后重复观测一次，可以获得加热引起温度升高、重油油藏地震波速度降低的变化过程，进而实现SAGD 蒸汽腔监测[39]。与油气藏开发、CO2地下封存等不同，我国煤炭四维地震技术刚刚起步，工程应用相对较少，主要集中在煤矿采空区动态监测和煤炭地下气化监测方面[40-42]。

煤炭地下气化监测。煤层地下气化的燃烧范围和气化燃烧热力影响边界、形态、方向以及气化区垮落带的发展高度、气化煤层裂隙发育程度等，是开展煤炭地下气化工程迫切需要解决的技术难题。煤田四维地震可以动态监测煤炭地下气化过程中燃空区范围的变化情况，实现煤层地下气化开发过程中储层动态变化的动态监测。

采掘扰动范围监测。在煤矿开采过程中，地下采空范围、采动裂隙发育高度等随时间而变化。四维地震技术可以识别煤矿井下采空区空间分布和塌陷状态，达到动态识别和监控采空区的目的。图4 给出了某矿地下煤炭开采前后2 次三维地震−四维地震的时间剖面对比，其中图4a 为2013 年三维地震勘探穿过下部814 钻孔的东西向时间剖面，图4b 为2018 年同一测线的三维地震时间剖面。通过对比明显看出：从2013 年到2018 年，地下采空区范围发生了明显变化(图4c 橙色范围)。另外，一些学者还利用类四维地震勘探技术开展煤矿开采过程中顶板“三带”发育高度的预测与评判等[43-44]。

图4 四维地震监测采空区范围变化Fig.4 4D seismic exploration monitoring of change in range of goaf

总体而言，四维地震技术在煤炭行业刚刚起步，目前公开发表的煤炭四维地震勘探的成果较少，主要是一些探索性的研究工作，尚未进入到工业性开发利用的阶段。不难预测，四维地震技术在今后煤层气资源勘探开发、二氧化碳封存和隐蔽致灾地质因素动态监测等方面，将具有巨大的发展前景和技术潜力。

3 煤田地震勘探技术进步的启示

我国煤炭地震勘探技术已经从无到有、由弱变强，形成了从1D 到4D 的成套技术与装备，能够适应多种复杂地形、地下地质条件下的高精度构造勘探，正在向煤层气勘探、CO2地下封存、煤炭气化监测等方向发展，我国煤炭地震勘探技术的整体水平居于国际前列。纵观煤田地震勘探近70 年发展的经验和教训，对今后地震勘探技术发展带来了一些启示。

3.1 技术进步是厚积薄发的演化过程

1818 年柯西发表了首篇有关地震波传播的论文；1828 年泊松提出地震纵波P 波和横波S 波是独立存在的；1845 年R·马利特采用人工激发的地震波试图测量弹性波在地壳中的传播速度；1885 年Rayleigh 发现了瑞雷面波；1899 年Knott 研究了地震波传播及其反射和折射；1907 年Zeoppritz 推导了地震波在界面上的反射和透射方程；1917 年Fessenden 发明了利用地震反射“定位矿体的方法及仪器”；1921 年Mintrop 创立了Seismos 地震公司，开始了折射地震勘探的试验；1924 年Stoneley 发现了斯通利波；1927 年Love 发现了拉夫波；1928 年反射波法首次在美国俄克拉何马州Seminole 盆地发现了Maud 构造油田；1930 年反射波法开始广泛使用；1940 年反射地震勘探仪器与方法迅速兴起[45]，······。地震勘探的理论研究先于地震勘探方法技术的工程应用一百多年!

可见，任何新技术的诞生都要以基础理论研究为先导，任何一项工程技术的发展成熟，从理论研究、方法试验、仪器配套、技术示范到工程应用，都需要经历一个漫长的历史发展过程，都不是一蹴而就的，都是厚积薄发的结果。

3.2 市场需求是技术进步的第一驱动力

新中国成立之初，为了打破国外的技术封锁，国产化的地震仪器、数字处理技术得到了蓬勃发展；1978 年改革开放后，我国开始大规模引进国外先进的煤矿生产技术与装备，对煤矿开采地质条件超前查明程度提出了更高的要求，推动了高分辨率地震勘探技术迅速进入煤矿采区采前构造勘探的阶段；进入21 世纪，煤矿安全高效生产成为地质保障技术的主攻方向，催生了高密度、全数字三维地震精细探测技术的发展成熟；近年来，随着地面煤层气开发、CO2地下封存、煤炭地下气化、保水采煤技术、煤炭智能开采等对地震勘探提出了新的市场需求，意味着四维地震将迎来新的发展机遇与技术挑战。

企业是技术创新的主体，市场需求是推动技术进步的强劲驱动力；反过来，科技是第一生产力，技术进步将支撑企业高质量发展。

3.3 学科交叉与跨界融合加速技术进步

煤田高精度地震勘探技术的进步，离不开电子技术、信息技术、制造技术、计算机技术等相关学科的支撑。1988 年L.Ongkiehong 提出了“不受约束的采集”思想[46]。随着仪器制造技术的进步，地震勘探仪器的道数出现了指数级的增长，这一想法才能变为现实[47-48]。以地震仪器为例：法国SERCEL 公司在40 年的时间里，将地震仪器的采集能力从几十道提升到百万道，真正实现了“不受约束的采集”的目标(表1)，支撑了地震勘探从一维地震、二维地震到三维地震以至于四维地震的技术进步。

表1 SERCEL 公司地震仪发展历程Table 1 Development history of SERCEL’s Seismograph

从1981 年开始，山东煤田物测队、江苏煤田物测队等分别与中国科学院地球物理研究所、中国科学院电工研究所、地矿部物探研究所等开展跨系统、跨部门的技术合作，进行高频地震信息激发、采集、处理等技术的协同攻关和联合试验，加速了煤田高分辨率地震勘探技术的发展成熟。2007 年，淮南矿业集团与中石油东方公司合作，首次开展高密度全数字三维地震的试验与示范，将三维地震对小断层的分辨率从5 m提升到2 m，取得了重大的技术突破。

“它山之石，可以攻玉”。跨行业、跨部门、跨领域的技术交流与合作，在煤田高精度地震勘探的技术进步中发挥了重要作用。

4 结语

回顾过去，我国煤田地震勘探技术走过了近70 年不平凡的发展历程，从一维地震(1D)、二维地震(2D)走向了三维地震(3D)的技术成熟，其间衍生出1.5D、2.5D 和3.5D 的过渡阶段，而四维地震(4D) 已经开始了示范性应用。目前，煤田三维地震勘探解决地质问题的精度不断提高，已经成为煤矿地质保障系统的核心技术支撑。地震勘探从低维空间到高维空间、从空间维度到时空维度的技术进步，带来了地震勘探所获地下信息量的指数级增加，这是高精度地震勘探技术发展成熟的内在因素。

展望未来，煤田高精度地震勘探的技术进步，一方面需要加大与数学、物理、计算机以及地质学等相关学科的交叉融合，另一方面需要朝着高密度、全数字、实时化采集、自动化处理和智能化解释的方向发展，迈入基于高精度地震数据驱动、三维动态地质建模的新发展阶段，为今后煤矿安全高效智能绿色开采提供高质量的地质保障技术支撑。