基于MATLAB的《地球物理資料處理和解釋》教學(xué)研究

吳萍萍 賈建鵬 郭越 馬歡

摘要：《地球物理資料處理和解釋》課程是地球物理學(xué)專業(yè)的重要課程之一，其目的在于通過該課程的學(xué)習(xí)學(xué)生能對(duì)“地球物理學(xué)理論→資料整理→成果解釋”整套流程有深刻的理解。本課題從該課程的特點(diǎn)出發(fā)，結(jié)合MATLAB語(yǔ)言的優(yōu)勢(shì)，鼓勵(lì)學(xué)生在已學(xué)的地球物理學(xué)相關(guān)知識(shí)的基礎(chǔ)上，獨(dú)立編寫地球物理資料處理程序，注重培養(yǎng)學(xué)生的獨(dú)立思考和動(dòng)手能力，深化所學(xué)知識(shí)，取得較好的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：MATLAB；地球物理；處理；解釋；教學(xué)研究

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2018）36-0227-03

地球物理學(xué)是一門觀測(cè)性的學(xué)科，是通過觀測(cè)地下巖石或礦體的物性差異引起在地表的某些物理場(chǎng)的變化去判斷地質(zhì)構(gòu)造或發(fā)現(xiàn)礦體的一種方法。地球物理資料處理和解釋是地球物理學(xué)專業(yè)學(xué)生必修的一門課程，是數(shù)學(xué)基礎(chǔ)和地球物理專業(yè)技術(shù)課程的橋梁。該門課程涉及大量的數(shù)學(xué)和物理理論、公式及算法，包括信號(hào)處理、反演理論、微分和積分方程、重力場(chǎng)、磁場(chǎng)、彈性力學(xué)、電磁法等理論知識(shí)。通過與一些本科生交流，了解到學(xué)生在學(xué)習(xí)該門課程中普遍反映該課程綜合性強(qiáng)，對(duì)地球物理資料的整理、處理、解釋理解難度比較大，學(xué)習(xí)起來比較費(fèi)勁。隨著現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，學(xué)生學(xué)習(xí)和老師教學(xué)條件有很大的改善。如何借鑒現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)，讓學(xué)生能在有限的時(shí)間內(nèi)，從基本原理出發(fā)到資料的處理和解釋，高效理解和掌握地球物理各種不同方法資料整理方法是教學(xué)改革中的重點(diǎn)和難點(diǎn)。因此本課題在立足于教學(xué)大綱的前提下，結(jié)合目前流行的MATLAB編程工具，對(duì)該課程的授課方式及內(nèi)容進(jìn)行相應(yīng)的改革，以適應(yīng)新形勢(shì)的需求。

一、《地球物理資料處理和解釋》課程的教學(xué)難點(diǎn)

地球物理資料處理涉及的內(nèi)容包括有重力、磁法、地震、電磁法、測(cè)井等方面的數(shù)據(jù)，不同方法采集的設(shè)備、觀測(cè)條件、處理流程等不一樣，這就致使學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中，需要熟練地掌握不同觀測(cè)數(shù)據(jù)的處理方法。同時(shí)針對(duì)同一種方法的資料處理，由于異常體的規(guī)模、埋深、觀測(cè)環(huán)境等因素的影響，處理過程使用的方法也不一樣，這就增加了授課難度和學(xué)生學(xué)習(xí)難度。

由于地球物理資料處理手段多樣，如果采用傳統(tǒng)的板書和PPT授課方式，學(xué)生往往對(duì)知識(shí)點(diǎn)是“走馬觀花”、“淺嘗而止”，這不利于學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的掌握和理解。是否有一種工具可以在掌握課堂知識(shí)點(diǎn)的前提下，學(xué)生可以獨(dú)立將煩瑣的處理理論以圖件或者別的可視化形式展示處理，是提高本門課程授課效率的要點(diǎn)。

二、MATLAB在《地球物理資料處理和解釋》課程教學(xué)中的優(yōu)勢(shì)

1.易學(xué)易懂，編程效率高。MATLAB的全稱是MATRIX LABORATARY（矩陣實(shí)驗(yàn)室），其基本的數(shù)據(jù)單元是一個(gè)維數(shù)不加限制的矩陣，在MATLAB下，矩陣的運(yùn)算變得異常容易。由于它編程簡(jiǎn)單，所以編程效率高，易學(xué)易懂。實(shí)踐證明，學(xué)生可以在幾十分鐘的時(shí)間內(nèi)學(xué)會(huì)MATLAB的基本知識(shí)，經(jīng)過幾個(gè)小時(shí)的使用就能初步掌握它。

2.豐富庫(kù)函數(shù)。MATLAB含有豐富的庫(kù)函數(shù)，學(xué)生在使用MATLAB過程中無(wú)須重復(fù)編程，只要簡(jiǎn)單地調(diào)用和使用即可。與地球物理資料處理相關(guān)的工具箱有信號(hào)處理工具箱、反演工具箱、線性代數(shù)運(yùn)算工具箱、圖像處理工具箱、概率統(tǒng)計(jì)工具箱、頻譜分析工具箱、優(yōu)化工具箱等等。

3.強(qiáng)大的繪圖功能。地球物理資料處理結(jié)果通常是以圖件的形式展示出來的。MATLAB強(qiáng)大的繪圖功能為地球物理資料的解釋提供了方便。常規(guī)的一維曲線圖、散點(diǎn)圖、柱狀圖，二維的平面等值線圖、散點(diǎn)圖，三維的剖面圖等基本的地球物理圖件展示方式都可以用MATLAB簡(jiǎn)單的畫圖命令實(shí)現(xiàn)。

三、基于MATLAB的地球物理資料處理教學(xué)實(shí)例

1.人工地震資料的速度譜分析。地震波速度參數(shù)貫穿于地震數(shù)據(jù)采集、處理和解釋整個(gè)過程，速度譜分析是一種有效的提取地震波速度的手段，提取出來的速度可以用于動(dòng)校正、偏移、時(shí)深轉(zhuǎn)換等處理。在教學(xué)過程中，為了讓學(xué)生理解速度提取的過程，通過設(shè)置三層介質(zhì)模型正演得到理論波場(chǎng)圖1（a）的波場(chǎng)數(shù)據(jù)，采用譜分析法得到圖1（b）中的速度圖，從圖1（b）中可以發(fā)現(xiàn)三個(gè)能量集中點(diǎn)，分別對(duì)應(yīng)著三層介質(zhì)的疊加速度值。通過MATLAB程序編寫，獨(dú)立設(shè)置模型，采用速度分析法獲得速度譜，最后通過圖件的形式形象地把結(jié)果展示出來，學(xué)生從理論到實(shí)踐有一個(gè)質(zhì)的升華。

2.重力資料的處理。重力資料數(shù)據(jù)處理中，導(dǎo)數(shù)的求解和延拓的處理是重要的重力異常提取步驟。導(dǎo)數(shù)的求解可以突出和強(qiáng)化斷裂帶或異常體的邊界信息。圖2（b、c）表示為重力異常圖2（a）的x方向和y方向的導(dǎo)數(shù)，從圖中可以看出不同方向的導(dǎo)數(shù)的形態(tài)不一樣，可以根據(jù)這些信息判斷異常體的位置及規(guī)模。解析延拓包含有向上延拓和向下延拓。向上延拓的目的是突出深部異常，向下延拓突出淺部異常，圖2（d）中的紅色線為重力異常曲線，灰色的為向上延拓曲線，黑色的為向下延拓曲線。

重力資料處理中的求導(dǎo)和解析延拓通過MATLAB程序編寫，以圖件的形式展示出來，相對(duì)于枯燥的板書和PPT講解，學(xué)生通過自己動(dòng)手編寫程序，畫圖展示，學(xué)以致用，強(qiáng)化知識(shí)點(diǎn)，提供動(dòng)手能力。

四、結(jié)語(yǔ)

隨著科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展，僅有書本的基礎(chǔ)知識(shí)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，如何充分利用現(xiàn)代技術(shù)，有效地提高地球物理學(xué)專業(yè)學(xué)生的獨(dú)立思考和動(dòng)手能力，是值得每位地球物理學(xué)教師深入思考的問題。MATLAB語(yǔ)言是目前比較流行的編程工具，該語(yǔ)言相比其他編程語(yǔ)言而言具有獨(dú)到的優(yōu)勢(shì)。在《地球物理資料處理和解釋》的課程中，鼓勵(lì)學(xué)生自己編寫程序，既可以鍛煉學(xué)生的程序編寫能力，又可以鞏固已學(xué)知識(shí)，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，取得了較好的教學(xué)效果。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉國(guó)峰.“地震資料處理與解釋”課程教學(xué)方法探究[J].中國(guó)地質(zhì)教育，2012，（1）：67-70.

[2]馮德山，王菁.《地球物理數(shù)據(jù)處理與反演》課程教學(xué)改革與實(shí)踐[J].教育教學(xué)論壇，2014，（10）：29-30.

[3]曾華霜.重力場(chǎng)與重力勘探[M].北京：地質(zhì)出版社，2005.

[4]王永剛.地震資料綜合解釋方法[M].北京：中國(guó)石油大學(xué)出版社，2012.

[5]董孝忠，劉建新.MATLAB程序設(shè)計(jì)及在地球物理中的應(yīng)用[M].長(zhǎng)沙：中南大學(xué)出版社，2013.