“地震勘探原理”課程教學(xué)實(shí)踐與思考

趙 巖

（長江大學(xué) 地球物理與石油資源學(xué)院，湖北 武漢 430100）

引言

隨著改革開放的深入和經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國對(duì)石油和天然氣的需求量日益增長。2007年國內(nèi)石油進(jìn)口依存度為49.8%，正式進(jìn)入石油“危險(xiǎn)”門檻，而2019年的原油對(duì)外依存度達(dá)到72%，為歷史最高值［1］。我國已經(jīng)成為世界第一大原油進(jìn)口國，根據(jù)相關(guān)國際機(jī)構(gòu)的預(yù)測，2030年我國石油的海外依存度或達(dá)到80%，而天然氣的海外依存度或達(dá)到50%［2］，原油和天然氣對(duì)外依存度的持續(xù)升高為國家石油安全帶來了較大的風(fēng)險(xiǎn)和挑戰(zhàn)。

為了保障國家的能源安全，迫切需要深入開展油氣勘探，提高國內(nèi)原油供應(yīng)，抵御外部進(jìn)口的風(fēng)險(xiǎn)。地震勘探作為使用最廣泛、解決油氣勘探問題最有成效的地球物理勘探方法［3］，是油氣發(fā)現(xiàn)和增儲(chǔ)上產(chǎn)的主要技術(shù)手段，具有成本低、精度高的特點(diǎn)，在石油和天然氣勘探中占據(jù)著絕對(duì)統(tǒng)治的地位。因此，講好“地震勘探原理”課程，培養(yǎng)高質(zhì)量的油氣地震勘探人才，對(duì)于國家的能源安全具有重要的意義。

一、課程介紹

“地震勘探原理”是勘查技術(shù)與工程和地球物理學(xué)等專業(yè)的核心專業(yè)必修課程，也是一些地質(zhì)類專業(yè)的專業(yè)選修課程，在地學(xué)類的人才培養(yǎng)中占有重要地位。

“地震勘探原理”是通過研究人工激發(fā)的地震波在地下巖層中的傳播規(guī)律，基于不同巖石和礦物之間的彈性差異來查明地下地層的構(gòu)造和巖性及物性變化，以達(dá)到了解地下介質(zhì)的分層情況、尋找礦產(chǎn)資源等勘探目的的一門課程。通過本課程的教學(xué)，讓學(xué)生理解和掌握地震勘探的基本原理、基本方法和主要流程，為將來從事地震勘探的技術(shù)和管理工作打下良好的專業(yè)基礎(chǔ)。

二、課程教學(xué)的主要內(nèi)容

由于培養(yǎng)計(jì)劃的不同，不同專業(yè)的“地震勘探原理”課程學(xué)時(shí)不同，教學(xué)大綱會(huì)有一些差別。通常主要章節(jié)和內(nèi)容有：（1）緒論；（2）地震波運(yùn)動(dòng)學(xué)理論；（3）地震資料采集；（4）地震波速度；（5）地震資料處理；（6）地震資料解釋的理論基礎(chǔ)；（7）地震資料解釋；（8）地震勘探新技術(shù)等。

三、課程教學(xué)方法的探索

（一）多媒體教學(xué)與板書相結(jié)合

近年來，隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)水平的提升，各種平臺(tái)與多媒體技術(shù)結(jié)合成為新的趨勢，線上教育資源、線上課堂及線上教學(xué)得到迅猛發(fā)展。但是筆者認(rèn)為，到目前為止，線下課堂教學(xué)依然是課程教學(xué)的主陣地，多媒體教學(xué)和板書的有機(jī)結(jié)合依然是目前不可替代的主要教學(xué)方式。

多媒體教學(xué)具有將抽象內(nèi)容形象化、靜止內(nèi)容動(dòng)態(tài)化的能力，同時(shí)也可以將煩瑣的文字表達(dá)流程化、數(shù)據(jù)化和圖形化，對(duì)內(nèi)容的表達(dá)更加直觀和形象。例如在《地震資料采集》章節(jié)，通過多媒體教學(xué)可以展示大量的圖片和動(dòng)畫資源，幫助學(xué)生直觀地認(rèn)識(shí)陸地和海上地震資料采集的裝備、方式和流程；直觀地認(rèn)識(shí)地震波的激發(fā)震源和接收儀器，如炸藥震源、可控震源、空氣槍和檢波器等。在《地震資料解釋》章節(jié)，通過多媒體教學(xué)可以直觀地展示地層和斷層在地震剖面上的特征，認(rèn)識(shí)特殊地震現(xiàn)象，如不整合、超覆、退覆、古潛山、火山和鹽丘等。但是，多媒體教學(xué)具有講述節(jié)奏快和展示內(nèi)容信息量較大等特點(diǎn)，并非所有的教學(xué)內(nèi)容都適合利用多媒體進(jìn)行講解。如果將全部教學(xué)內(nèi)容都采用幻燈片講述，并不利于學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解和記憶，反而影響課堂效果。

板書是最傳統(tǒng)的教學(xué)手段之一，隨著多媒體和其他新興教學(xué)手段的興起，一些高校課堂教學(xué)的板書逐漸減少，甚至完全沒有。筆者認(rèn)為，課堂教學(xué)完全取消板書是不可取的。通過板書可以對(duì)教學(xué)的重點(diǎn)和難點(diǎn)進(jìn)行由淺入深的講解、推導(dǎo)和圖示，幫助學(xué)生理解和掌握相關(guān)內(nèi)容。例如在《地震波運(yùn)動(dòng)學(xué)理論》章節(jié)，需要推導(dǎo)水平和傾斜單界面情況下的反射波數(shù)學(xué)表達(dá)式，該公式對(duì)于理解時(shí)距曲線和動(dòng)校正等概念十分關(guān)鍵。如果采用多媒體方式講解，學(xué)生在短時(shí)間之內(nèi)無法理解和掌握公式的來龍去脈。相反，如果采用板書的方式，學(xué)生不僅可以跟隨老師的思路和節(jié)奏，還可以做到專心記筆記，更加深刻地理解教學(xué)內(nèi)容。同樣，在《地震波速度》章節(jié)，幾個(gè)重要的速度概念及各種速度之間的轉(zhuǎn)化也涉及數(shù)學(xué)公式的推導(dǎo)，采用板書的方式是比較合適的。

本課程的課堂實(shí)踐表明，多媒體教學(xué)與板書教學(xué)各自具有本身的優(yōu)勢與局限性，并非所有的授課內(nèi)容均適合采用板書或多媒體，應(yīng)根據(jù)章節(jié)的教學(xué)內(nèi)容對(duì)二者進(jìn)行整合。另外，筆者認(rèn)為在課堂教學(xué)過程中，不能肯定或者否定某一種教學(xué)方式，對(duì)于新興的翻轉(zhuǎn)課堂和雨課堂也是一樣，應(yīng)該充分地吸收各種方式的優(yōu)點(diǎn)，發(fā)揮各自的優(yōu)勢，將它們有機(jī)地結(jié)合在一起，實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢互補(bǔ)，才能夠有效提高教學(xué)質(zhì)量。

（二）利用Matlab輔助教學(xué)

Matlab軟件具有強(qiáng)大的矩陣計(jì)算、數(shù)值分析和數(shù)據(jù)可視化能力，已成為科研與學(xué)習(xí)的一種主要編程語言和工具?！兜卣鹳Y料解釋的理論基礎(chǔ)》章節(jié)中的褶積模型是地震勘探原理中的重要模型，涉及地震子波、反射系數(shù)、合成地震記錄及層位標(biāo)定等關(guān)鍵概念，充分理解褶積模型對(duì)掌握地震勘探的數(shù)據(jù)處理和解釋至關(guān)重要。通過簡單的代碼編寫，可以直觀地完成地震子波和反射系數(shù)的模擬及合成地震記錄的生成。同時(shí)，通過調(diào)節(jié)地震子波的主頻等參數(shù)，可以形象化展示地震子波由淺入深的變化過程；設(shè)計(jì)不同的反射系數(shù)可以直觀地模擬地層的厚度及薄層的調(diào)諧現(xiàn)象。這有助于學(xué)生形象化地理解一些基本概念和物理過程。

（三）利用行業(yè)開源軟件（包）輔助教學(xué)

以地震數(shù)據(jù)處理為例，行業(yè)開源軟件（包）分為兩類：一類是基于Matlab軟件開發(fā)的程序包，另外一類是專門用來處理地震數(shù)據(jù)的軟件（包）。第一類的代表有CREWES程序包和SeismicLab程序包。CREWES包含了有限差分正演模擬、射線追蹤、偏移、巖石物理、Gabor反褶積、VSP處理等地震勘探數(shù)據(jù)處理方法和函數(shù)。例如，可以結(jié)合地震波運(yùn)動(dòng)學(xué)理論內(nèi)容利用fdElastic代碼包進(jìn)行彈性波場有限差分?jǐn)?shù)值模擬，演示地震波在地下介質(zhì)中的傳播現(xiàn)象和規(guī)律；結(jié)合地震資料處理內(nèi)容利用migration代碼包進(jìn)行地震偏移的相關(guān)演示。SeismicLab包含了地震數(shù)據(jù)讀寫和繪制、濾波、反褶積、去噪、插值、多次波壓制、速度分析等地震勘探數(shù)據(jù)處理方法和函數(shù)。例如，可以結(jié)合地震資料采集內(nèi)容利用radon_transforms 代碼包進(jìn)行多次波的壓制演示；結(jié)合地震波速度內(nèi)容利用velan_nmo代碼包進(jìn)行速度分析和動(dòng)校正的相關(guān)演示；結(jié)合地震資料處理內(nèi)容利用bp_filter 和decon代碼包進(jìn)行濾波和反褶積的相關(guān)演示。第二類的代表有SU 軟件和Madagascar 軟件，這類開源軟件一般是安裝在Linux 系統(tǒng)中，需要掌握一定的Linux 系統(tǒng)知識(shí)，學(xué)習(xí)和掌握的門檻稍微偏高，但是可作為學(xué)習(xí)和科研的工具讓學(xué)生了解。Seismic Unix（SU）是科羅拉多礦業(yè)學(xué)院的波場研究中心（CWP）開發(fā)的一款開源地震數(shù)據(jù)處理軟件。Madagascar是近幾年在勘探地球物理領(lǐng)域出現(xiàn)的開源軟件包，它提供了一個(gè)方便的技術(shù)轉(zhuǎn)移工具和便利而強(qiáng)大的環(huán)境，可以用來處理勘探地球物理的許多問題。

（四）通過優(yōu)質(zhì)紀(jì)錄片，全方位展示地震勘探的工作流程

2016年中央電視臺(tái)制作了紀(jì)錄片《中國建設(shè)者》，其中有一期為《地下寶藏》。該期節(jié)目記錄了中國第一個(gè)商業(yè)化頁巖氣項(xiàng)目——涪陵頁巖氣田的開發(fā)過程。頁巖氣是未來重要的能源，作為中國最大的頁巖氣田項(xiàng)目，它的開采難度極大，鉆井進(jìn)尺最大接近6000米。建成后，年產(chǎn)能將達(dá)到百億方，可解決幾千萬中國家庭的用氣需求，改變中國乃至世界的能源格局。該紀(jì)錄片全方位展示了頁巖氣田野外地質(zhì)調(diào)查、地震勘探、鉆井和開采的全流程，對(duì)于學(xué)生了解油氣田的勘探和開發(fā)具有很好的立體展示作用。同時(shí)，在地震勘探部分，紀(jì)錄片記錄了地震勘探的野外激發(fā)和數(shù)據(jù)采集環(huán)節(jié)，形象直觀地展示了地震勘探的野外作業(yè)過程，有效彌補(bǔ)了課堂教學(xué)的不足。

（五）利用“地震勘探原理”慕課資源，拓寬學(xué)生學(xué)習(xí)知識(shí)的渠道

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展和教學(xué)理念的革新，慕課等資源在各大平臺(tái)陸續(xù)上線，一些優(yōu)質(zhì)的慕課資源可以成為課堂教學(xué)的良好補(bǔ)充。毛寧波教授主講的長江大學(xué)“地震勘探原理”課程作為教育部認(rèn)定的首批國家級(jí)一流課程，受到了包括長江大學(xué)在內(nèi)的很多高校的認(rèn)可和歡迎。長江大學(xué)“地震勘探原理”課程于2009年由毛寧波教授主持建設(shè)成為國家精品課程，并在2016年發(fā)展建設(shè)成為國家精品資源共享課。后經(jīng)過精心設(shè)計(jì)和匠心打造，發(fā)展成為“地震勘探原理”慕課，從地震波基本理論出發(fā)逐一講解地震勘探的基本原理及其在石油勘探中的應(yīng)用。主要內(nèi)容包括：石油的生成與聚集、石油地球物理勘探、地震波的傳播理論、地震資料數(shù)據(jù)采集、地震資料數(shù)據(jù)處理、地震資料地質(zhì)解釋及地震勘探新進(jìn)展。該課程注重理論聯(lián)系實(shí)際，避免了復(fù)雜的理論推導(dǎo)和公式，語言通俗易懂，資料生動(dòng)翔實(shí)，為地震勘探的初學(xué)者提供了一個(gè)非常好的學(xué)習(xí)選擇。

（六）利用線上手段加強(qiáng)課程指導(dǎo)和答疑

隨著無線網(wǎng)絡(luò)和4G、5G技術(shù)的發(fā)展，智能手機(jī)等終端已成為大學(xué)生的必備品。學(xué)生和教師通過社交軟件建立即時(shí)通信聯(lián)系已成為普遍現(xiàn)象。因此，智能手機(jī)及通信App的普及也為“地震勘探原理”課程的學(xué)習(xí)增加了新的途徑。傳統(tǒng)的答疑方式是在指定的時(shí)間和指定的地點(diǎn)，教師進(jìn)行集中答疑。而現(xiàn)在，即時(shí)通信社交軟件可以成為教師和學(xué)生的互動(dòng)虛擬課堂和虛擬教室，答疑可以不再受到時(shí)間和空間的限制，這對(duì)學(xué)生來說具有很大的便利性。聊天群可以實(shí)現(xiàn)多人答疑和知識(shí)共享，可極大地改善答疑效率。

四、關(guān)于課程教學(xué)內(nèi)容改革的思考

目前，“地震勘探原理”課程主要采用的是陸基孟和王永剛主編的《地震勘探原理》（第三版），該教材為普通高等教育“十一五”國家級(jí)規(guī)劃教材。雖然該版教材收錄了當(dāng)時(shí)的部分新方法和新技術(shù)，但是現(xiàn)在看來，這些技術(shù)已經(jīng)成為常規(guī)技術(shù)。

進(jìn)入21世紀(jì)以來，地震勘探技術(shù)突飛猛進(jìn)，同時(shí)，以頁巖氣為代表的非常規(guī)油氣勘探取得了歷史性突破。大量新技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用，如“兩寬一高”地震勘探技術(shù)、多波地震勘探技術(shù)、時(shí)移地震勘探技術(shù)、非常規(guī)油氣地震勘探技術(shù)及井中地震技術(shù)等［4］。其中最具有代表性的是“兩寬一高”地震勘探技術(shù)?！皟蓪捯桓摺笔侵笇挿轿?、寬頻帶和高密度，寬方位要求橫縱比為0.80～1.0，寬頻帶要求地震波激發(fā)和接收頻率為1.5～84Hz，高密度要求面元邊長達(dá)到10～20米、炮道密度達(dá)到100萬道/km2以上?！皟蓪捯桓摺奔夹g(shù)保障了地震資料的信噪比，其低頻成分可以改善構(gòu)造成像，高頻成分可以提高儲(chǔ)層預(yù)測的精度，有利于復(fù)雜構(gòu)造成像和方位各向異性的檢測。目前中國石油天然氣集團(tuán)公司的“兩寬一高”地震采集技術(shù)在國際陸地勘探中處于領(lǐng)先水平［5］，但是這些并沒有體現(xiàn)在學(xué)生學(xué)習(xí)的教材之中。筆者認(rèn)為，這些新的勘探技術(shù)成果很有必要納入“地震勘探原理”的教學(xué)內(nèi)容，同時(shí)刪除一些已經(jīng)被工業(yè)界淘汰的理論和方法，做到與時(shí)俱進(jìn)。

近年來，以深度學(xué)習(xí)為代表的人工智能技術(shù)飛速發(fā)展，地震勘探技術(shù)同樣展現(xiàn)出數(shù)字化和智能化的發(fā)展方向。中國石油在“十三五”期間已在智能地震數(shù)據(jù)處理技術(shù)、智能地震解釋和儲(chǔ)層識(shí)別技術(shù)方面取得了初步的成效［5］。其中，在智能地震處理方面，其研發(fā)的基于深度殘差網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的三維噪聲壓制技術(shù)在塔里木和大慶等探區(qū)疊前資料處理中效果顯著，去噪效率提升80倍；其研發(fā)的智能初至拾取技術(shù)將初至拾取的準(zhǔn)確率從46%提高到95%，效率提升10倍以上，顯著提高了地震勘探的工作效率。在智能地震解釋和儲(chǔ)層識(shí)別方面，研發(fā)的層位自動(dòng)拾取和斷層自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，可大幅提升解釋效率；研發(fā)的智能地震相識(shí)別方法，有助于地質(zhì)目標(biāo)的高效檢測；研發(fā)的智能地震波阻抗反演方法，有效提高了地震反演的精度。智能化是地震處理和解釋技術(shù)的長期發(fā)展趨勢，可有效提高工作效率。未來地震勘探技術(shù)的發(fā)展體現(xiàn)出多學(xué)科跨專業(yè)融合的特點(diǎn)，如數(shù)字化技術(shù)、信息化技術(shù)、微電子技術(shù)、光學(xué)技術(shù)等與地球物理技術(shù)的融合［5］。因此，很有必要在教學(xué)過程中向?qū)W生介紹前沿的技術(shù)發(fā)展，這對(duì)于學(xué)生后續(xù)的工作和學(xué)習(xí)具有重要的指導(dǎo)與推動(dòng)意義。

結(jié)語

“地震勘探原理”是勘查技術(shù)與工程專業(yè)的核心課程，筆者結(jié)合近幾年的教學(xué)實(shí)踐，探索出六點(diǎn)有助于提高課堂教學(xué)質(zhì)量和效果的教學(xué)方法與手段，并針對(duì)課程的教學(xué)內(nèi)容，給出了自己的一些思考。同時(shí)建議及時(shí)將近年來的地震勘探技術(shù)發(fā)展成果納入教學(xué)內(nèi)容，在引導(dǎo)學(xué)生學(xué)好基本原理的前提下，向?qū)W生介紹當(dāng)前最新的勘探技術(shù)理論和成果，這對(duì)于拓寬學(xué)生的眼界、進(jìn)一步提高工作和學(xué)習(xí)效率具有重要的指導(dǎo)意義，同時(shí)也有助于為國家培養(yǎng)高質(zhì)量的地震勘探人才。