基于MATLAB的《地球物理資料處理和解釋》教學研究

吳萍萍 賈建鵬 郭越 馬歡

摘要：《地球物理資料處理和解釋》課程是地球物理學專業的重要課程之一，其目的在于通過該課程的學習學生能對“地球物理學理論→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出發，結合MATLAB語言的優勢，鼓勵學生在已學的地球物理學相關知識的基礎上，獨立編寫地球物理資料處理程序，注重培養學生的獨立思考和動手能力，深化所學知識，取得較好的教學效果。

關鍵詞：MATLAB；地球物理；處理；解釋；教學研究

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2018）36-0227-03

地球物理學是一門觀測性的學科，是通過觀測地下巖石或礦體的物性差異引起在地表的某些物理場的變化去判斷地質構造或發現礦體的一種方法。地球物理資料處理和解釋是地球物理學專業學生必修的一門課程，是數學基礎和地球物理專業技術課程的橋梁。該門課程涉及大量的數學和物理理論、公式及算法，包括信號處理、反演理論、微分和積分方程、重力場、磁場、彈性力學、電磁法等理論知識。通過與一些本科生交流，了解到學生在學習該門課程中普遍反映該課程綜合性強，對地球物理資料的整理、處理、解釋理解難度比較大，學習起來比較費勁。隨著現代計算機技術的快速發展，學生學習和老師教學條件有很大的改善。如何借鑒現代科學技術，讓學生能在有限的時間內，從基本原理出發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改革中的重點和難點。因此本課題在立足于教學大綱的前提下，結合目前流行的MATLAB編程工具，對該課程的授課方式及內容進行相應的改革，以適應新形勢的需求。

一、《地球物理資料處理和解釋》課程的教學難點

地球物理資料處理涉及的內容包括有重力、磁法、地震、電磁法、測井等方面的數據，不同方法采集的設備、觀測條件、處理流程等不一樣，這就致使學生在學習過程中，需要熟練地掌握不同觀測數據的處理方法。同時針對同一種方法的資料處理，由于異常體的規模、埋深、觀測環境等因素的影響，處理過程使用的方法也不一樣，這就增加了授課難度和學生學習難度。

由于地球物理資料處理手段多樣，如果采用傳統的板書和PPT授課方式，學生往往對知識點是“走馬觀花”、“淺嘗而止”，這不利于學生對知識點的掌握和理解。是否有一種工具可以在掌握課堂知識點的前提下，學生可以獨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。

二、MATLAB在《地球物理資料處理和解釋》課程教學中的優勢

1.易學易懂，編程效率高。MATLAB的全稱是MATRIX LABORATARY（矩陣實驗室），其基本的數據單元是一個維數不加限制的矩陣，在MATLAB下，矩陣的運算變得異常容易。由于它編程簡單，所以編程效率高，易學易懂。實踐證明，學生可以在幾十分鐘的時間內學會MATLAB的基本知識，經過幾個小時的使用就能初步掌握它。

2.豐富庫函數。MATLAB含有豐富的庫函數，學生在使用MATLAB過程中無須重復編程，只要簡單地調用和使用即可。與地球物理資料處理相關的工具箱有信號處理工具箱、反演工具箱、線性代數運算工具箱、圖像處理工具箱、概率統計工具箱、頻譜分析工具箱、優化工具箱等等。

3.強大的繪圖功能。地球物理資料處理結果通常是以圖件的形式展示出來的。MATLAB強大的繪圖功能為地球物理資料的解釋提供了方便。常規的一維曲線圖、散點圖、柱狀圖，二維的平面等值線圖、散點圖，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簡單的畫圖命令實現。

三、基于MATLAB的地球物理資料處理教學實例

1.人工地震資料的速度譜分析。地震波速度參數貫穿于地震數據采集、處理和解釋整個過程，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校正、偏移、時深轉換等處理。在教學過程中，為了讓學生理解速度提取的過程，通過設置三層介質模型正演得到理論波場圖1（a）的波場數據，采用譜分析法得到圖1（b）中的速度圖，從圖1（b）中可以發現三個能量集中點，分別對應著三層介質的疊加速度值。通過MATLAB程序編寫，獨立設置模型，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果展示出來，學生從理論到實踐有一個質的升華。

2.重力資料的處理。重力資料數據處理中，導數的求解和延拓的處理是重要的重力異常提取步驟。導數的求解可以突出和強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方向的導數，從圖中可以看出不同方向的導數的形態不一樣，可以根據這些信息判斷異常體的位置及規模。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和解析延拓通過MATLAB程序編寫，以圖件的形式展示出來，相對于枯燥的板書和PPT講解，學生通過自己動手編寫程序，畫圖展示，學以致用，強化知識點，提供動手能力。

四、結語

隨著科學技術飛速發展，僅有書本的基礎知識是遠遠不夠的，如何充分利用現代技術，有效地提高地球物理學專業學生的獨立思考和動手能力，是值得每位地球物理學教師深入思考的問題。MATLAB語言是目前比較流行的編程工具，該語言相比其他編程語言而言具有獨到的優勢。在《地球物理資料處理和解釋》的課程中，鼓勵學生自己編寫程序，既可以鍛煉學生的程序編寫能力，又可以鞏固已學知識，充分調動學生的學習興趣，取得了較好的教學效果。

參考文獻：

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