在所有地球物理勘探方法中，地震勘探无疑是最重要的技术，因为它能够检测大尺度到小尺度的地下特征。简单地说，地震勘探方法涉及人工产生“地震波”，利用精密仪器采集通过地球传播反射回来的数据，经过计算机处理、成像和解释，来估计地球地下地层的形状和物理特性。马特·霍尔在一篇博客中说：“有没有像地震反射法一样看似不可能、一样困难、一样神奇的遥感技术？好吧，也许是中微子断层扫描。但无论如何，地震技术对社会做出了巨大贡献——帮助我们发现和描述碳氢化合物资源、含水层、地热异常、海底灾害等等。”（参考资料[1]）

美国石油工程师协会（SPE）网站提供的《石油技术史》（参考资料[2]），从“1848年7月14日世界第一口油井——阿列夫耶夫少校在阿塞拜疆的巴库，使用起源于中国古代的原始电缆工具钻探技术，钻出了世界上第一口油井”开始，介绍石油技术创新，有关地震勘探的介绍则是从1970年起，摘录如下：

1970年：地震技术——亮点地震技术用于评估墨西哥湾租赁销售（壳牌、美孚）提供的区域。

1982年：三维地震——三维地震处理开始(Veritas)。

1991年：三维地震模型——在超级计算机工作站处理的3D地震模型。

1994年：四维地震监测——首次执行四维地震延时监测(CGG)。

2000年：海洋地震——首次使用单传感器、校准源和可操纵拖缆(WesternGeco)进行海洋地震采集。

的确，只有在20世纪70年代以后，由于现代高性能计算机在地震数据处理和成像中应用，地震技术才开始真正成为石油和天然气勘探的主要工具。但是，实际上，地震勘探技术的发展，至少可以追溯到20世纪20年代，也就是说，有百年发展历史。

这篇博客介绍100年前地震勘探的先驱，简要回顾百年来地震技术创新。在第一次世界大战期间，声学作为一种遥感方法出现了。战后，有进取心的科学家们开始寻找该技术的商业应用。其中，卢杰·明特罗普被认为是早期商业地震方法的发明者，该方法用于勘探碳氢化合物和矿物，并于1919年获得专利。约翰·克拉伦斯·卡彻被认为是反射地震方法的发明者，并在1929年提交了第一项反射方法的专利的申请。

卢杰·明特罗普

卢杰·明特罗普（Ludger Benedikt Mintrop，1880.7.18 - 1956.1.1），德国测量工作者、采矿工程师和地球物理学家，是欧洲最早倡导将地震技术应用于采矿业的科学家。

图1 明特罗普

明特罗普出生在埃森附近，在亚琛学习矿山测量，随后前往哥廷根，埃米尔·维切特（Emil Wiechert）一起工作，后者是对地球物理学作为一门独立学科的发展做出了巨大贡献的科学家。1911年明特罗普获得博士学位，其论文主题为“人工产生的地面振动”。然后，他成为波鸿矿业学院的讲师，并开发了一种便携式地震仪，他用它来呈现可用于地质和采矿的地震方法。

第一次世界大战期间，明特罗普先在飞艇部门担任物理学家，后来在炮兵控制委员会担任物理学家。明特罗普把他的便携式地震仪，用于快速准确地确定敌方的炮火位置。

1917年，那还是在战争期间，明特罗普申请了光场地震仪（“振动计，一种确定人工振动位置的现场地震仪”）和确定人工产生的振动位置的技术的专利。1919年12月7日，他申请了关于地震“地层结构调查方法”的著名专利。明特罗普被认为是用于勘探碳氢化合物和矿物的早期商业地震方法的发明者，该方法首先在德国用于定位盐丘，然后是欧洲内外的石油、天然气和矿石。

1921年，明特罗普创立了专门从事地球物理矿床研究的“Seismos GmbH”公司，并成功地服务于世界许多地方的石油公司。1924年Seismos在得克萨斯州利用地震技术获得了有史以来第一个大型石油发现。明特罗普的名声在1924年6月达到顶峰，当时地震小组在德克萨斯州本德堡县发现了著名的富含石油的Orchard盐丘。这一发现标志着新的地震方法开始取代不太精确的磁力和重力测量系统。

Seismos在美国以及欧洲、拉丁美洲和非洲，与许多石油和采矿公司的合同进行了广泛的工作。到1930年，墨西哥湾沿岸的大部分浅穹顶已经被发现。同年，为了表彰他在地球物理学方面的突破性成果，明特罗普被选为新成立的勘探地球物理学家协会的第一位荣誉会员。1934年，Seismos进行了自我重组，并开始提供另一种更有前途的地震技术——反射地震。这标志着应用地震学在寻找油藏方面取得成功的开始。

图2 明特罗普地震图及其解释

在他的企业经历期间，明特罗普于1928年至1945年被任命为布雷斯劳大学地球物理学和矿山勘探教授，并于1946年至1948年被任命为亚琛工业大学教授。1955年9月9日，他获得了德意志联邦共和国总统西奥多·赫斯(Theodor Heuss) 颁发的德意志联邦共和国功绩勋章。1963 年在汉诺威的 Seismos 公司与Prakla公司（于 1937 年 3 月 23 日在柏林成立）合并，组成 Prakla-Seismos公司，致力于在陆地、空中和海上地球物理勘探。

明特罗普被认为是应用地球物理学的先驱之一。他为物探做出两项贡献：首先是具有高精度的光场仪器（当然是相对而言的）；其次是今天被称为折射地震的技术。明特罗普了解那些珠状波或“间接波”的性质和传播路径——正如他所说的那样——我们今天的地球物理学家将其称为明特罗普波，使用时间-距离图，走时曲线。他计算了折射层的深度和路线。

地球物理学科的早期物理学家几乎没有应用地质学的概念，而关注地球物理问题的早期地质学家对于工作仪器及其使用几乎毫无所知。明特罗普的情况则不同。他对地质的理解是健全和充分的，同时他对物理学有足够的理解，可以制作仪器（地震仪），这将有助于解决采矿和地质问题。明特罗普在物理和地质原理方面都具备良好的跨学科基础，因此有很大的机会在石油发现方面有所作为，成为石油和天然气研究中应用地球物理方法的先驱和领先的运营商。

约翰·卡彻

地震勘探技术分为折射法和反射法。早期应用的是折射法，但很快就被反射法所代替。美国俄克拉荷马州历史学会认为，反射地震勘探应该归功于美国标准局的雇员约翰·克拉伦斯·卡彻（John Clarence Karcher，1894-1978），其设计可以追溯到1917年。

卡彻1916年在俄克拉荷马大学获得物理和电气工程学士学位。1917年6月，卡彻接受了美国标准局的助理物理学家职位。他的任务是设计和制造一种设备，该设备通过使用空气中的声波来检测和记录野战火炮枪口的爆炸声。作为这项研究的结果，反射地震仪应运而生。回到宾夕法尼亚大学后不久，卡彻博士开始研究使用地震反射法确定硬岩层深度的想法。1919年4月12日—卡彻在华盛顿特区的国家标准局（现为NIST）附近记录了第一个勘探地震仪记录。1920年，卡彻获得宾夕法尼亚大学物理学博士学位。在完成博士学位期间，他与两位前任教授一起组建了地质工程公司，这是第一家将这一概念商业化的公司。1919年到1920年——卡彻继续他的实验。

1921年，科学家们选择俄克拉荷马州的阿尔布克尔山脉测试一项新技术——反射地震勘测。参考资料[1]提供了一个时间表，列举卡彻和俄克拉荷马大学的克拉伦斯·卡彻（物理学家）、威廉·哈斯曼（物理学家）、欧文·佩林（地质学家）、威廉·凯特（地质学家）和后来的丹尼尔·奥赫恩（地质学家）——进行了以下实验：

1921年4月—卡彻在华盛顿特区的国家标准局工作期间，设计和制造了用于记录地震反射的设备。

1921年6月4日——在俄克拉荷马城贝尔岛，使用炸药源对反射地震仪进行了首次现场测试。6月6日至7月初——以不同的偏移和间距获得了各种剖面。

1921年7月14日——在阿巴克尔山脉进行测试。卡彻、哈斯曼、欧亨和佩林的团队确定了亨顿（Hunton）石灰岩、西尔万（Sylvan）页岩和维奥拉（Viola）石灰岩的速度。

1921年8月上旬——根据俄克拉荷马州I-35上的一块纪念牌匾（图3），世界上第一台反射地震仪地质剖面于1921年8月9日在多尔蒂以北几英里的地方“勘测了世界上第一个反射地震仪地质剖面”。该牌匾声称是8月9日，但也有8月5日的记录。记录并观察到维奥拉石灰岩的深度随地质结构而变化。

1921年9月1日——卡彻、哈斯曼、和雷克斯·瑞恩（地质学家）在庞卡市附近的纽柯克背斜进行实验。

1921年9月13日——马兰石油公司的地震勘探开始，并持续到10月。成功似乎喜忧参半。

图3 2021年8月反射地震勘查试验纪念牌（左），当年地震反射法发明者赖安、卡彻和哈斯曼在现场

1928年卡彻研制成功全套装备，并成立了第一支反射地震队，开始商业化应用。1928年12月，反射地震仪发现的第一口油井完工（该发现井由俄克拉荷马州Amerada公司的工作人员钻探的）。

1929年5月1日，第一个反射地震专利，美国专利号1843725，由约翰·克拉伦斯·卡彻提出（图4）。该专利说：“本发明涉及用于确定地表下地质构造位置和深度的方法和设备，尤其是这些地下构造中地质褶皱的确定。本发明在背斜、断层和其他有利构造的位置有特殊应用与石油的聚集有关。”

图4 1929年5月1日，第一个反射地震专利

1930年卡彻成立自己的物探公司Geophysical Service Inc.（GSI）。1933年用反射法发现了一个大的天然气及凝析气田，之后又陆续发现好几个油田。由于反射法比折射法优越，加之仪器的不断改进，1933年因美国经济大潇条，GSI公司业务不景气，卡彻的助手亨利·萨尔瓦托里（Henry Salvatori）从GSI公司分离出来，并自办了Western Geophysical Co.。这就是后来成为全球最大的物探公司——西方地球物理公司。1937年在美国就有250个反射法地震队。

卡彻博士是勘探地球物理学家协会的前任主席和荣誉终身会员。自 1928 年以来，卡彻一直是美国矿业工程师协会（AIME）的成员。1976年，“因为他在开发反射地震仪方面的开创性努力导致发现了世界石油储量的主要贡献，”获得AIME Anthony F. Lucas金奖。

地震勘探技术创新

在卢杰·明特罗普和约翰·克拉伦斯·卡彻发明地震勘探方法半个世纪后，地震勘探技术成为石油和天然气勘探的主要工具。这首先归功于20世纪60 年代数字革命深刻地改变了地震采集。然后，我们能够通过增加通道数量和覆盖范围，来记录更多数据。数字革命带来了使用数字计算机来分析记录数据的需求。这发生在 20世纪70 年代。许多数据处理算法，包括反卷积、速度分析、折射和残余静校正、正时差校正和叠加，甚至波动方程偏移成像，都是在那些年实现的。20世纪70年代以后，由于具备了数据（野外数字记录）、算法（处理成像方法）、算力（高性能计算机）三方面基础，地震技术得以在油气勘探中发挥越来越大作用。

如下粗略列举地震行业发展若干里程碑：20世纪60年代——从模拟记录到数字记录；20世纪70年代——数字计算机地震数据处理；20世纪80年代——从二维勘探到三维勘探；20世纪90年代——从时间域成像到深度成像；21世纪00年代——从三维勘探到四维时延地震油藏监测；21世纪10年代——从四维到四维四分量地震；21世纪20年代——智能数据采集、处理和解释。

新中国的第一个地震队是1949年6月由我国著名地球物理学家翁文波先生筹建的，使用一台美制轻便24道光点地震仪，在上海浦东六里桥做地震勘探试验（地震队工程师有孟尔盛等）。20世纪60年代中，地震采集采用模拟磁带记录取代光点技术。1973年10月，石油物探局开始应用北京大学研制的我国第一台集成电路百万次150计算机，将地震反射的模拟磁带记录的信号转化为数字信号，进行滤波和去假频，动校正叠加，增强有效信号。1974年4月2日，150计算机成功处理了我国南海第一条利用数字地震仪器采集的数字地震剖面，推动开创了我国地震勘探数字化（对此，马在田院士在《学海回眸》中曾经给予高度评价，说是“取得具有相当难度的、具有前沿性的科技成果。因为除了美国和西方几个发达国家才有这种技术，苏联当时也未有”）。1974年，李庆忠组织了世界上第一片束状三维地震勘探，1980年代初期马在田创造性地提出了高阶方程分裂偏移成像方法。（后来李庆忠和马在田分别当选中国工程院和中国科学院院士）。现在中国石油集团东方地球物理公司，以地震方法勘探油气资源作为核心业务，已经成为全球最大物探公司之一。

百年来，利用地震技术发现世界上最大的石油和天然气田，其中许多油田蕴藏着数十亿桶石油和数万亿立方英尺的天然气。

参考资料：

[1] Matt Hall . 100 years of seismic reflection. August 09, 2021

https://agilescientific.com/blog/tag/history

[2] 石油工程师协会（SPE）网站：https://www.spe.org/en/industry/history/timeline/）

[3] F. Gerali (2020). Ludger Benedikt Mintrop, Engineering and Technology History Wiki. [Online] Available: https://ethw.org/Ludger_Benedikt_Mintrop

[4] 勘探地球物理协会网站The SEG Wiki：https://wiki.seg.org/wiki/John_Karcher

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