中国石油学会物探学科科学传播专家团队首席专家 李培明
上天容易入地难，这句话是说由于地球内部无法用直观的方法进行探索，因此探知地下世界非常艰难。但并非不可以去了解，我们可以通过对天然的山体、沟壑的观测，理解一些地球内部的构造和地球本身的演化史。随着人们对地球内部地质能源、矿藏的开发需求，以及对来自于地球内部灾害的了解、预测以及控制的需求等，许多人工观测地球内部的方法被科学家提出，比如钻井、重力、大地电磁等，在不同的尺度下来描述地球内部。这里想向大家介绍的是一种基于人工激发地震波来探测地球内部的结构的方法——地震勘探。
什么是地震勘探
地震勘探方法（见图1）是利用地震波在地球内部传播时，不同的物质、构造会对地震波进行的改造不同，如反射、绕射、波动幅度变化等，而识别这些变化就可以获得地下的结构、构建物质等信息。首先这种方法需要用人工震源来激发地震波，同时还需要能够检测这种震动信息的传感器，并将这些信息采集记录下来，以便我们提取有关地球内部因素引起的地震波变化信息，而这个提取过程就是对所采集到的地震资料进行处理与解释，最终的成果就可以比较真实可靠地描述地下界面起伏、介质速度与密度、岩性、孔隙度等丰富的信息。
地震勘探与医学中的CT方法有些类似，不过医学CT用的是X射线，其波长为
数量级，是对人身体的某一部分成像，而地震勘探采用的是地震波，其波长在
数量级之间，其威像的对象是地球某一区域。医学CT可以对身体进行全方位的立体观测，而地震勘探中的激发源与接收器一般情况下仅能放在地球的表面，因此后期的处理成像难度比医学CT更具有挑战性。
地震勘探方法经过了近百年的发展，各种激发源、传感器、记录仪、信息处理方法、地球内部重构方法越来越成熟。但随着地下矿藏勘探、开发的不断深入和了解地球内部本身结构细节的迫切需求，精细勘探、深挖细查的勘探任务越来越重，比如，为了较好地解决复杂断块分布、地下介质岩性识别、低信噪比地区成像以及地下目标体动态监测等难题。目前，地震勘探方法已走向了宽频、宽方位、高密度的高精度地震勘探阶段。
宽频地震勘探
宽频地震勘探主要为了提高地震资料对地下介质的分辨能力，可分为垂向分辨率与横向（或水平方向）分辨率。垂向分辨率为地震资料对地质体厚度的分辨能力，横向分辨率是对地质体长短与宽窄的分辨能力。由于地震波是各种不同频率和振幅的简谐波的叠加，实际地震波的波形包含着多种波长的波，短波长的波叠加在较长波长的波上（形态如图2所示），波形的胖瘦直接影响地震资料的垂向分辨能力，波形越“胖”其分辨地质体厚度的能力越差，反之则越好。而地震波波形的“胖”、“瘦”取决于地震波的频带，由图2可以清楚地看出频带越宽，波形越“瘦”，因此地震波频率成分的拓宽有助于实现更小尺度地质体的识别。也就是说，要认识更细节的地球内部结构需要宽频地震波。
这里所说的宽频是一个相对概念，比如常规勘探中主要目的层频带在8—60Hz之间，如第二次高精度勘探的频带在4~80Hz之间，我们就可认为第二勘探为宽频勘探。从提高分辨率角度而言，信号向低频端与高频端拓展都十分重要，但超低频和超高频信号的获取难度都很大，首先受激发源高频能量的限制、地层本身的响应和地层对高频信号的严重衰减，加上环境噪音的影响，获取可靠超高频率信号的难度很大，特别是深层的地震信号。而对于超低频率的信号获取同样也遇到了相应的瓶颈，但由于超低频率（3Hz以下）地震信号在地层中传播的衰减要远小于高频地震波，而且对上覆高速岩层的穿透力要比高频信号强，超低频率地震信号有利于在深层和特殊区域如火成岩覆盖区、高速盐下区域的观测。而从地震反演（英文为seismlclnversion，是利用地表观测地震资料，以已知地质规律和钻井、测井资料为约束，对地下岩层空间结构和物理性质进行成像的过程，广义的地震反演包含了地震处理解释的整个内容。通俗地讲就是由地震为基础加上其他条件为约束推测出地层岩性构造的过程叫地震反演）的角度来看，低频信息更为重要，宽频资料，尤其是低频更有利于成像精度提高（保真度和分辨率）、属性提取、微震监测、流体活动监测。中国石油东方地球物理公司自主研制低频可控震源激发的低频地震信号为3Hz，是目前国际上唯一达到这一技术指标的大吨位低频可控震源，在国内外应用中见到了非常好的效果，目前能够实现的地震波频宽已达到了6个倍频程以上(1.5Hz—160Hz)，极大地提高了地震波描述地下地质体的能力。
宽频震源可有效地激发宽频地震信号，但现在常规模拟检波器在低频端的响应却是不尽如人意，一般低于6-10Hz的地震波是不能被真实的记录下来的。尽管近几年已研发出一种数字检波器，其频率和相位均呈线性响应，频率响应达1800Hz，具有很大的动态范围(>105dB)，低畸变0.003%(-91dB)。而模拟检波器检波器畸变达0 .03%(-71dB)，其性能明显优于常规模拟检波器，但其稳定性差，造价很高，并且易损，不利于推广应用。因此宽频带的检波器研发也是必要的，目前进展很快，相信不久的将来就能解决这一个问题。当前的解决方案是一种常规检波器接收低频信号的补偿技术，基本可以满足宽频勘探的信号接收条件。
高密度地震勘探
高密度地震勘探主要体现在较高的空间观测点密度，这一点就相当于照相机的像素，像素越大所拍摄照片就越清晰，在进行图像放大时就不会失真。以实现对被接收到的所有信息进行充分采样，更大程度上保持对地下介质信息变化追踪的连续性，以便真实地恢复和重构地震信息；而对称均匀观测也是高密度地震勘探必要的观测点布设方式，其目的是减少观测信息不均带来的地震信息失真；这些勘探方法的变化进一步提高了地震资料的信噪比、分辨率与保真度，从而较大幅度地提高了地震资料对地下地质体细节的描述能力。
宽方位地震勘探
由于地下地质体一般都是三维空间分布的，所以为了更清晰、更准确地观测地球内部的细节，在布设激发点、接收点时，总是希望能接收到来自目标体各个方位上返回的信息，这就是我们现在追求宽方位、甚至全方位地震勘探的目的。但地震勘探很难做到像医学CT那样做到全方为立体的观测。图3为地震资料经过不同方位处理后获得的地下断裂系统分布图，如果仅用某一方位的资料，就不能全面掌握该区断层发育情况。
宽频、宽方位、高密度地震勘探的作用
宽频宽方位高密度采集到地震资料经过后期复杂的处理过程后可以得到高信噪比、高分辨率、高保真的三维地震成像数据体。图4为某探区宽频宽方位高密度采集的最终成像剖面，上图为常规采集方法的最终成像剖面，其扫描频率为8—76Hz；下图为宽频宽方位高密度采集得到最终成像剖面，其采集扫描频率为( 15-96Hz)。剖面中的同相轴一般都表示地下岩层的边界，我们可以看出下图同相轴更细，这就说明其分辨能力要明显高于上图，红色箭头所指的位置为地下盐丘的边界，在下图中可清晰可见，而上图有些模糊不清。
充分利用宽频宽方位高密度三维地震资料较高的纵横向分辨率，可识别垂向难以分辨的薄砂体；将沉积学与地震属性处理相结合可预测砂体的空间展布与演化；利用储层反演等方法与技术可预测储层与流体的性质及有关目标地质体的岩性。目前已有很多非常有效的判别方法来识别与分辨地震波信息与地球内部介质信息各种关系；一旦确认地震信息与地下介质的属性相关性，其中包括地下构造形态、断层分布、地下介质岩性物性、流体含量以及孔隙度等属性，那么借助于三维可视化技术就可以形成该属性的空间分布，这样地下介质将被多彩的呈现在我们的面前。图5就展示了利用地震信息识别不同的地下介质特征体，从图5A地震波体曲率信息上可以较清晰地辨认出该区有生物礁相沉积；图5B显示在地震波信息相干切片上可以很容易地识别曲流河、小断层，断层的展布方向和接触关系明确清晰。同时，如果将这些信息进行地质年代标定，我们就可以探索几百万年甚至几亿年以前地球是什么样的，同时我们也可以发现绝大多数地下埋藏的矿藏，以便于更好地利用。
另外，根据地震信息还能对地球内部运动的动态检测，也就是说可以对大断裂、火山、近地表等的运动进行预测，从而预测地质灾害，控制灾害带来的损失，有些甚至可以采取措施进行控制，延迟或消除灾害的发生。
虽然宽频宽方位高密度地震勘探可以较大幅度地提高地下地质体的成像与分辨精度，但该项技术还需要解决实施成本、海量数据质控与处理、大量采集设备与人员快速协同等难题；如何使我们的激发、接收设备更好地满足更高精度勘探的需求；在后期资料解释处理中如何更高效、保真地提取并识别地震资料所携带的丰富的地下介质信息。相信随着这些问题的解决，蕴含着丰富矿藏的地下世界，将向我们敞开大门，未来的地震勘探技术会发展成为像今天医学中超声波检测与立体照影技术一样，会实时动态地让我们看到观测区域内地下世界的情况。让我们一起期待这一天早一点到来吧！
（本文被中国科协评为“中国梦科技梦——首席科学传播专家责任与担当”优秀主题征文。）