“地震勘探原理”课程教学实践与思考
赵 岩
（长江大学 地球物理与石油资源学院，湖北 武汉 430100）
随着改革开放的深入和经济的快速发展，我国对石油和天然气的需求量日益增长。2007年国内石油进口依存度为49.8%，正式进入石油“危险”门槛，而2019年的原油对外依存度达到72%，为历史最高值［1］。我国已经成为世界第一大原油进口国，根据相关国际机构的预测，2030年我国石油的海外依存度或达到80%，而天然气的海外依存度或达到50%［2］，原油和天然气对外依存度的持续升高为国家石油安全带来了较大的风险和挑战。
为了保障国家的能源安全，迫切需要深入开展油气勘探，提高国内原油供应，抵御外部进口的风险。地震勘探作为使用最广泛、解决油气勘探问题最有成效的地球物理勘探方法［3］，是油气发现和增储上产的主要技术手段，具有成本低、精度高的特点，在石油和天然气勘探中占据着绝对统治的地位。因此，讲好“地震勘探原理”课程，培养高质量的油气地震勘探人才，对于国家的能源安全具有重要的意义。
“地震勘探原理”是勘查技术与工程和地球物理学等专业的核心专业必修课程，也是一些地质类专业的专业选修课程，在地学类的人才培养中占有重要地位。
“地震勘探原理”是通过研究人工激发的地震波在地下岩层中的传播规律，基于不同岩石和矿物之间的弹性差异来查明地下地层的构造和岩性及物性变化，以达到了解地下介质的分层情况、寻找矿产资源等勘探目的的一门课程。通过本课程的教学，让学生理解和掌握地震勘探的基本原理、基本方法和主要流程，为将来从事地震勘探的技术和管理工作打下良好的专业基础。
由于培养计划的不同，不同专业的“地震勘探原理”课程学时不同，教学大纲会有一些差别。通常主要章节和内容有：（1）绪论；
（2）地震波运动学理论；
（3）地震资料采集；
（4）地震波速度；
（5）地震资料处理；
（6）地震资料解释的理论基础；
（7）地震资料解释；
（8）地震勘探新技术等。
（一）多媒体教学与板书相结合
近年来，随着网络技术水平的提升，各种平台与多媒体技术结合成为新的趋势，线上教育资源、线上课堂及线上教学得到迅猛发展。但是笔者认为，到目前为止，线下课堂教学依然是课程教学的主阵地，多媒体教学和板书的有机结合依然是目前不可替代的主要教学方式。
多媒体教学具有将抽象内容形象化、静止内容动态化的能力，同时也可以将烦琐的文字表达流程化、数据化和图形化，对内容的表达更加直观和形象。例如在《地震资料采集》章节，通过多媒体教学可以展示大量的图片和动画资源，帮助学生直观地认识陆地和海上地震资料采集的装备、方式和流程；
直观地认识地震波的激发震源和接收仪器，如炸药震源、可控震源、空气枪和检波器等。在《地震资料解释》章节，通过多媒体教学可以直观地展示地层和断层在地震剖面上的特征，认识特殊地震现象，如不整合、超覆、退覆、古潜山、火山和盐丘等。但是，多媒体教学具有讲述节奏快和展示内容信息量较大等特点，并非所有的教学内容都适合利用多媒体进行讲解。如果将全部教学内容都采用幻灯片讲述，并不利于学生对知识的理解和记忆，反而影响课堂效果。
板书是最传统的教学手段之一，随着多媒体和其他新兴教学手段的兴起，一些高校课堂教学的板书逐渐减少，甚至完全没有。笔者认为，课堂教学完全取消板书是不可取的。通过板书可以对教学的重点和难点进行由浅入深的讲解、推导和图示，帮助学生理解和掌握相关内容。例如在《地震波运动学理论》章节，需要推导水平和倾斜单界面情况下的反射波数学表达式，该公式对于理解时距曲线和动校正等概念十分关键。如果采用多媒体方式讲解，学生在短时间之内无法理解和掌握公式的来龙去脉。相反，如果采用板书的方式，学生不仅可以跟随老师的思路和节奏，还可以做到专心记笔记，更加深刻地理解教学内容。同样，在《地震波速度》章节，几个重要的速度概念及各种速度之间的转化也涉及数学公式的推导，采用板书的方式是比较合适的。
本课程的课堂实践表明，多媒体教学与板书教学各自具有本身的优势与局限性，并非所有的授课内容均适合采用板书或多媒体，应根据章节的教学内容对二者进行整合。另外，笔者认为在课堂教学过程中，不能肯定或者否定某一种教学方式，对于新兴的翻转课堂和雨课堂也是一样，应该充分地吸收各种方式的优点，发挥各自的优势，将它们有机地结合在一起，实现优势互补，才能够有效提高教学质量。
（二）利用Matlab辅助教学
Matlab软件具有强大的矩阵计算、数值分析和数据可视化能力，已成为科研与学习的一种主要编程语言和工具。《地震资料解释的理论基础》章节中的褶积模型是地震勘探原理中的重要模型，涉及地震子波、反射系数、合成地震记录及层位标定等关键概念，充分理解褶积模型对掌握地震勘探的数据处理和解释至关重要。通过简单的代码编写，可以直观地完成地震子波和反射系数的模拟及合成地震记录的生成。同时，通过调节地震子波的主频等参数，可以形象化展示地震子波由浅入深的变化过程；
设计不同的反射系数可以直观地模拟地层的厚度及薄层的调谐现象。这有助于学生形象化地理解一些基本概念和物理过程。
（三）利用行业开源软件（包）辅助教学
以地震数据处理为例，行业开源软件（包）分为两类：一类是基于Matlab软件开发的程序包，另外一类是专门用来处理地震数据的软件（包）。第一类的代表有CREWES程序包和SeismicLab程序包。CREWES包含了有限差分正演模拟、射线追踪、偏移、岩石物理、Gabor反褶积、VSP处理等地震勘探数据处理方法和函数。例如，可以结合地震波运动学理论内容利用fdElastic代码包进行弹性波场有限差分数值模拟，演示地震波在地下介质中的传播现象和规律；
结合地震资料处理内容利用migration代码包进行地震偏移的相关演示。SeismicLab包含了地震数据读写和绘制、滤波、反褶积、去噪、插值、多次波压制、速度分析等地震勘探数据处理方法和函数。例如，可以结合地震资料采集内容利用radon_transforms 代码包进行多次波的压制演示；
结合地震波速度内容利用velan_nmo代码包进行速度分析和动校正的相关演示；
结合地震资料处理内容利用bp_filter 和decon代码包进行滤波和反褶积的相关演示。第二类的代表有SU 软件和Madagascar 软件，这类开源软件一般是安装在Linux 系统中，需要掌握一定的Linux 系统知识，学习和掌握的门槛稍微偏高，但是可作为学习和科研的工具让学生了解。Seismic Unix（SU）是科罗拉多矿业学院的波场研究中心（CWP）开发的一款开源地震数据处理软件。Madagascar是近几年在勘探地球物理领域出现的开源软件包，它提供了一个方便的技术转移工具和便利而强大的环境，可以用来处理勘探地球物理的许多问题。
（四）通过优质纪录片，全方位展示地震勘探的工作流程
2016年中央电视台制作了纪录片《中国建设者》，其中有一期为《地下宝藏》。该期节目记录了中国第一个商业化页岩气项目——涪陵页岩气田的开发过程。页岩气是未来重要的能源，作为中国最大的页岩气田项目，它的开采难度极大，钻井进尺最大接近6000米。建成后，年产能将达到百亿方，可解决几千万中国家庭的用气需求，改变中国乃至世界的能源格局。该纪录片全方位展示了页岩气田野外地质调查、地震勘探、钻井和开采的全流程，对于学生了解油气田的勘探和开发具有很好的立体展示作用。同时，在地震勘探部分，纪录片记录了地震勘探的野外激发和数据采集环节，形象直观地展示了地震勘探的野外作业过程，有效弥补了课堂教学的不足。
（五）利用“地震勘探原理”慕课资源，拓宽学生学习知识的渠道
随着网络技术的发展和教学理念的革新，慕课等资源在各大平台陆续上线，一些优质的慕课资源可以成为课堂教学的良好补充。毛宁波教授主讲的长江大学“地震勘探原理”课程作为教育部认定的首批国家级一流课程，受到了包括长江大学在内的很多高校的认可和欢迎。长江大学“地震勘探原理”课程于2009年由毛宁波教授主持建设成为国家精品课程，并在2016年发展建设成为国家精品资源共享课。后经过精心设计和匠心打造，发展成为“地震勘探原理”慕课，从地震波基本理论出发逐一讲解地震勘探的基本原理及其在石油勘探中的应用。主要内容包括：石油的生成与聚集、石油地球物理勘探、地震波的传播理论、地震资料数据采集、地震资料数据处理、地震资料地质解释及地震勘探新进展。该课程注重理论联系实际，避免了复杂的理论推导和公式，语言通俗易懂，资料生动翔实，为地震勘探的初学者提供了一个非常好的学习选择。
（六）利用线上手段加强课程指导和答疑
随着无线网络和4G、5G技术的发展，智能手机等终端已成为大学生的必备品。学生和教师通过社交软件建立即时通信联系已成为普遍现象。因此，智能手机及通信App的普及也为“地震勘探原理”课程的学习增加了新的途径。传统的答疑方式是在指定的时间和指定的地点，教师进行集中答疑。而现在，即时通信社交软件可以成为教师和学生的互动虚拟课堂和虚拟教室，答疑可以不再受到时间和空间的限制，这对学生来说具有很大的便利性。聊天群可以实现多人答疑和知识共享，可极大地改善答疑效率。
目前，“地震勘探原理”课程主要采用的是陆基孟和王永刚主编的《地震勘探原理》（第三版），该教材为普通高等教育“十一五”国家级规划教材。虽然该版教材收录了当时的部分新方法和新技术，但是现在看来，这些技术已经成为常规技术。
进入21世纪以来，地震勘探技术突飞猛进，同时，以页岩气为代表的非常规油气勘探取得了历史性突破。大量新技术已经进入大规模工业化应用，如“两宽一高”地震勘探技术、多波地震勘探技术、时移地震勘探技术、非常规油气地震勘探技术及井中地震技术等［4］。其中最具有代表性的是“两宽一高”地震勘探技术。“两宽一高”是指宽方位、宽频带和高密度，宽方位要求横纵比为0.80～1.0，宽频带要求地震波激发和接收频率为1.5～84Hz，高密度要求面元边长达到10～20米、炮道密度达到100万道/km2以上。“两宽一高”技术保障了地震资料的信噪比，其低频成分可以改善构造成像，高频成分可以提高储层预测的精度，有利于复杂构造成像和方位各向异性的检测。目前中国石油天然气集团公司的“两宽一高”地震采集技术在国际陆地勘探中处于领先水平［5］，但是这些并没有体现在学生学习的教材之中。笔者认为，这些新的勘探技术成果很有必要纳入“地震勘探原理”的教学内容，同时删除一些已经被工业界淘汰的理论和方法，做到与时俱进。
近年来，以深度学习为代表的人工智能技术飞速发展，地震勘探技术同样展现出数字化和智能化的发展方向。中国石油在“十三五”期间已在智能地震数据处理技术、智能地震解释和储层识别技术方面取得了初步的成效［5］。其中，在智能地震处理方面，其研发的基于深度残差网络架构的三维噪声压制技术在塔里木和大庆等探区叠前资料处理中效果显著，去噪效率提升80倍；
其研发的智能初至拾取技术将初至拾取的准确率从46%提高到95%，效率提升10倍以上，显著提高了地震勘探的工作效率。在智能地震解释和储层识别方面，研发的层位自动拾取和断层自动识别技术，可大幅提升解释效率；
研发的智能地震相识别方法，有助于地质目标的高效检测；
研发的智能地震波阻抗反演方法，有效提高了地震反演的精度。智能化是地震处理和解释技术的长期发展趋势，可有效提高工作效率。未来地震勘探技术的发展体现出多学科跨专业融合的特点，如数字化技术、信息化技术、微电子技术、光学技术等与地球物理技术的融合［5］。因此，很有必要在教学过程中向学生介绍前沿的技术发展，这对于学生后续的工作和学习具有重要的指导与推动意义。
“地震勘探原理”是勘查技术与工程专业的核心课程，笔者结合近几年的教学实践，探索出六点有助于提高课堂教学质量和效果的教学方法与手段，并针对课程的教学内容，给出了自己的一些思考。同时建议及时将近年来的地震勘探技术发展成果纳入教学内容，在引导学生学好基本原理的前提下，向学生介绍当前最新的勘探技术理论和成果，这对于拓宽学生的眼界、进一步提高工作和学习效率具有重要的指导意义，同时也有助于为国家培养高质量的地震勘探人才。
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