自20世纪50年代初全面应用于石油勘探以来，地震勘探技术发生了巨大变革，其中最主要的变革体现在维度上，即从二维地震勘探发展到三维地震勘探，从三维地震勘探发展到四维地震勘探。
20世纪50—70年代，二维地震勘探一直占有主要地位。二维地震勘探是一种将震源与检波器（放置检波器的点）按一定间隔布置在一条直线或弯线上的地震采集方式。在二维地震勘探中，将震源所在位置称为激发点，将检波器所在位置称为接收点，并将激发点与接收点所在的线称为地震测线。一般情况下，当在一个激发点处激发时，位于该地震测线上的多个接收点同时接收，所获得的地震数据经过一系列复杂处理后可形成一条能够对地下地质构造进行成像的二维地震剖面。
虽然二维地震勘探具有成本低、部署灵活等优势，但该方法有一个明显的缺点，即它假设地震测线下方的地层在垂直于测线的方向上是水平的。显然在大多数情况这一假设条件是很难满足的，因此二维地震勘探所采集到的地震反射波由于缺少来自其他方向的信息很难进行准确归位，这会导致地震剖面上所展示的地质构造与地下真实的地质构造存在偏差，导致地震勘探的效果不够理想，因此比二维地震勘探更先进的三维地震勘探设想于20世纪60年代被提出。1964年，来自美国埃索（ESSO）石油公司的地质和地球物理学家休·哈迪（HughW．Hardy，1924—2003）设计了世界上第一个交叉排列的三维地震观测系统，这是有据可查的世界上第一个试验性三维地震勘探项目。1967年，埃克森（Exxon）石油公司在美国得克萨斯州休斯敦附近实施了第一次商业化三维地震勘探。几年后，GSI公司和6家石油公司组成的一个财团在美国新墨西哥州东南部的贝尔湖（BellLake）油田实施了一个三维地震勘探项目。尽管对这一区块的三维地震资料的处理和解释花费了数年时间，但所获得的地质构造特征与钻井所获得的认识相当吻合。该项目的成功在业界引起了很大反响。几乎与国外同步，三维地震勘探在中国也开始了试验。1966年，著名地球物理学家李庆忠在渤海湾盆地济阳凹陷利用“51”型地震仪组织开展了三维地震勘探试验，基于所获得的三维地震资料以人工方式绘制了东辛油田的三维构造图。1974年，李庆忠设计并组织实施了束状三维地震勘探试验，取得了良好地质效果。1975年，在东营凹陷广利地区实施了第一块三维地震数据采集，面积达30平方千米，标志着三维地震勘探在中国的开端。
三维地震勘探与二维地震勘探的主要差别是激发点与接收点的布设方式和相对关系不同。为了对地下进行三维立体成像，会在地面上沿一个方向布设多条激发线，沿另一方向布设多条接收线，激发线与接收线互相垂直，激发点和接收点呈网状分布。当在一个激发点处激发时，位于多条接收线上的检波器同时接收。通过不断移动激发点和接收点，就可采集到三维地震资料，这些资料经过处理特别是经过反射波偏移归位后就可以获得能够对地下地质构造进行立体成像的三维地震数据体。
三维地震勘探相较于二维地震勘探有很多优势。第一，由于三维地震勘探所采集的地震响应信息丰富，地震剖面的分辨率较高，地下的古河流、古湖泊、古高山、古地貌等均可直接或间接反映出来；第二，三维地震勘探所采集的地震反射波信息来自不同的方向，这为地震反射波的准确归位提供了条件，使地震成像的准确度大大提高，从而提高了寻找地下油气藏的准确性。
尽管三维地震勘探能够对地下地质进行精确成像，但这种成像还是静态的，并不能反映地下含油气圈闭中流体运移及变化情况。为此，地球物理学家想到了一种新的方法，即通过在不同时间对同一工区按相同观测系统进行重复性地震观测所获取的地震信息的差异性来监测油气藏的动态变化。因这种勘探方法所获得的地震数据与三维地震勘探相比增加了“时间”维度，因此在业界通常被称为时移地震勘探。实际上，时移地震勘探既可以采用二维观测系统，也可以采用三维观测系统。二维重复观测可获得多个二维地震数据，三维重复观测可获得多个三维地震数据体。如果将这些观测系统一致的三维地震数据体按观测时间的先后顺序组合起来，则可以形成四维地震数据体（X、Y、Z坐标轴和时间轴）。由于时移地震勘探通常以三维观测方式实施，因此时移地震勘探又被称为四维地震勘探。
基于时移地震勘探所获得的四维地震资料可以对地下流体或剩余油分布范围进行探测。其基本方法是，选择较早的观测数据作为基准数据体，通过计算后续观测数据体与基准数据体之间的差异性来判断地下流体的分布范围或油水边界。
地震勘探从二维到三维，再从三维到四维，不但体现了地震勘探技术本身的革命性进步，而且使地震勘探的目标从早期的构造勘探发展到了现今的岩石物性勘探和油气藏监测，显著扩大了地震勘探的应用范围和效果。据有关资料，在1980年以前的二维地震勘探时代，油气的采收率一般为25％～30％；在1980—1995年期间的三维地震勘探时代，油气的采收率为40％～50％；自20世纪90年代末四维地震勘探技术问世以来，那些实施过四维地震勘探的油气田的油气采收率可达到65％～75％。毫无疑问，以上油气采收率的显著提升证明了地震勘探维度变革的巨大威力。