基于科教融合的地震波數(shù)值模擬綜合實驗設(shè)計

摘要：將地震數(shù)值模擬科學(xué)研究轉(zhuǎn)化為地球物理學(xué)綜合實驗，對比研究低速層和水層地質(zhì)模型情況下地震響應(yīng)特征的差異。通過“引導(dǎo)—啟發(fā)—設(shè)計—指導(dǎo)”逐層遞進式實驗教學(xué)方法，引導(dǎo)學(xué)生大膽提出科學(xué)問題，鼓勵學(xué)生自主設(shè)計模型加以對比，并得出結(jié)論。教學(xué)實踐表明，在驗證性實驗的基礎(chǔ)上，開設(shè)“科教融合”綜合實驗，有助于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)創(chuàng)新思維，有利于提高學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力和分析解決問題能力，為后續(xù)開展畢業(yè)設(shè)計和科研工作奠定良好基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：科教融合；綜合實驗；數(shù)值模擬

ComprehensiveExperimentDesignofSeismicNumericalModeling

BasedonIntegrationofScienceandEducation

Wuye1，2，3GuGuanwen1，2，3WanYongge1*SunShoucai1

1.DepartmentofEarthquakeScienceInstituteofDisasterPreventionHebeiSanhe065201；

2.KeyLaboratoryofseismicdynamicsofHebeiProvinceHebeiSanhe065201；

3.LangfangKeyLaboratoryofEarthExplorationandInformationTechnologyHebeiSanhe065201

Abstract：Inthisarticle，thescientificresearchonseismicnumericalsimulationistransformedintoacomprehensivegeophysicalexperiment，comparingandstudyingthedifferencesinseismicresponsecharacteristicsbetweenlowspeedlayerandwaterlayergeologicalmodels.Throughtheprogressiveexperimentalteachingmethodof"guidance—inspiration—design—guidance"，studentsareencouragedtoboldlyraisescientificquestions，independentlydesignmodelsforcomparison，anddrawconclusions.Teachingpracticehasshownthatsettingupacomprehensiveexperimentontheintegrationofscienceandeducationbasedonconfirmatoryexperimentscanhelpcultivatestudents'scientificandinnovativethinking，improvetheirselflearningabilityandproblemsolvingability，andlayagoodfoundationforsubsequentgraduationdesignandscientificresearchwork.

Keywords：integrationofscienceandeducation;forwardmodeling;numericalsimulation

從科學(xué)研究與教育教學(xué)的關(guān)系演變發(fā)展過程看，科教融合已成為現(xiàn)代高等教育發(fā)展與高校人才培養(yǎng)的必然選擇［1］。很多高校已將科教融合理念引入理工科課程的教學(xué)科研工作中［23］。河北工業(yè)大學(xué)黃凱等將“科教融合理念”與“工程案例”教學(xué)方法相結(jié)合，將理論與實踐進行了有效的融合［2］。

地震數(shù)值模擬計算是通過分析地質(zhì)、鉆井、測井、地震等資料的基礎(chǔ)上，給定地下地質(zhì)構(gòu)造和巖性參數(shù)，通過某種正演模擬算法，計算傳播到地下及地面的地震振動信號。對于復(fù)雜構(gòu)造地區(qū)，地震正演模擬是地震反演的基礎(chǔ)，正演為反演提供理論和實驗支持，兩者互為補充、必不可少，隨著石油和天然氣勘探難度的不斷增加，地震正演模擬技術(shù)必將發(fā)揮越來越重要的作用［4］。因此，在本科階段讓學(xué)生接觸地震正演數(shù)值模擬科研工作，將對學(xué)生未來的深入學(xué)習(xí)和研究及從事實際地球物理工作奠定良好的理論基礎(chǔ)。然而，通過多年的教學(xué)實踐，發(fā)現(xiàn)學(xué)生對主要的知識體系掌握較好，對科學(xué)思維習(xí)慣比較缺乏，這樣對培養(yǎng)未來創(chuàng)新人才不利，為此引入科教融合理念［3］，在科教融合理念的指引下，將科研案例轉(zhuǎn)化為綜合實驗，深化實驗教學(xué)改革，從單一的驗證性實驗到驗證性與探索性相結(jié)合，從實驗現(xiàn)象到本質(zhì)規(guī)律，從感性認(rèn)知到理性認(rèn)知，通過實驗培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維和創(chuàng)新思維，培養(yǎng)學(xué)生的濃厚學(xué)習(xí)興趣，最終使學(xué)生成長為德才兼?zhèn)洳⒎瞎こ探逃|(zhì)量認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)的人才。

本文以地震正演模擬綜合實驗設(shè)計為例，闡述在應(yīng)用型本科院校將科研工作內(nèi)容融入本科教學(xué)工作的具體方法，首先教師提前對實驗進行目標(biāo)設(shè)計，在實驗設(shè)計時要遵循基礎(chǔ)與前沿相結(jié)合，由易到難、循序漸進原則，并給出具體的實驗思路、實驗原理和實驗方法。

1實驗設(shè)計

1.1實驗設(shè)計思路

基礎(chǔ)實驗是對基本定理的驗證，綜合實驗是在學(xué)生掌握基礎(chǔ)實驗基礎(chǔ)上的自然延伸。實驗設(shè)計思路為“引導(dǎo)—啟發(fā)—設(shè)計—指導(dǎo)”，是一個逐層遞進式的實驗過程。

具體來說，在基礎(chǔ)實驗里通過建立地下半無限均勻空間，觀察縱波和橫波的傳播過程，地表接收到的波的類型，以及在自由邊界條件和吸收邊界條件下，波的傳播特點，對惠更斯原理和斯奈爾定理進行驗證；在此基礎(chǔ)上，引導(dǎo)學(xué)生構(gòu)建稍微復(fù)雜一些的陸地二層介質(zhì)，觀察CSP記錄的波類型和波場特點，學(xué)生在好奇心驅(qū)使下，積極主動完成建模設(shè)計和數(shù)值計算，然而當(dāng)學(xué)生看到地震波和之前的大不相同時，心理上會出現(xiàn)不知如何分析的迷茫感，此時，需要教師給其及時指導(dǎo)，讓學(xué)生嘗試?yán)L制不同波前的射線路徑，通過射線路徑清晰地看到波的轉(zhuǎn)換過程；在此基礎(chǔ)上，再進一步啟發(fā)學(xué)生思考：如果在幾何結(jié)構(gòu)不變的情況下，只有低速層介質(zhì)變?yōu)橄嗤俣鹊乃橘|(zhì)，那么結(jié)果會如何呢？通過繼續(xù)建模、數(shù)值計算、觀察波場特征，對比研究介質(zhì)發(fā)生變化后，波場如何變化，CSP記錄如何變化。

1.2實驗原理

1821年ClaudeLouisNavier建立了彈性波運動方程，奠定了地震波傳播的理論基礎(chǔ)。地震波動方程是位移與應(yīng)力相耦合的一組方程，實驗通過有限差分法模擬計算地震波傳播過程。有限差分方法有很多優(yōu)點，相對其他數(shù)值模擬方法較簡單，能夠處理任何復(fù)雜的地球模型。其缺點是需要計算格點非常密，有時不能給出特定波的物理內(nèi)涵［5］。實驗首先需要建立特定的地下地質(zhì)模型，再對地質(zhì)模型進行合適的空間網(wǎng)格剖分，在所有網(wǎng)格節(jié)點處設(shè)置地質(zhì)幾何構(gòu)造參數(shù)和地質(zhì)物性參數(shù)，然后人為加載合適的激發(fā)源來激發(fā)地震波，計算地震波傳播到地表的位移信號，通過分析地表接收到的地震波位移信號時空特征，得出地下構(gòu)造與地震理論記錄特征之間的關(guān)系。

1.3實驗實施過程

1.3.1引導(dǎo)學(xué)生思考，設(shè)計分層地質(zhì)模型

在學(xué)生做完基礎(chǔ)半無限均勻空間的地震正演模擬實驗后，引導(dǎo)學(xué)生建立稍復(fù)雜一些的分層地質(zhì)模型，觀察波的轉(zhuǎn)換和CSP（CommonShotPoint）上波的類型。建模通常需要參考地質(zhì)、鉆井、測井、地震等資料，以設(shè)置合適的幾何參數(shù)和物性參數(shù)。

1.3.2設(shè)計數(shù)值計算參數(shù)

采用有限差分方法進行地震彈性全波場數(shù)值模擬，其中地震波的激發(fā)方式采用爆炸震源，地震子波選用主頻為100Hz的Single子波，觀測方式為零井深縱測線雙邊零偏移101道接收。數(shù)值模擬參數(shù)：道間距10m，采樣率2500samples/s，地震記錄持續(xù)0.48s。

2指導(dǎo)學(xué)生分析實驗計算結(jié)果

2.1通過波場快照分析CSP記錄上的各種波

通過上述地質(zhì)模型的建立，數(shù)值計算參數(shù)的設(shè)置，分別計算得到低速層和水層模型的CSP記錄如圖1所示，波場快照如圖2所示。從圖1（a）和（b）中可看出，CSP記錄上出現(xiàn)清晰的多個地震波，然而學(xué)生通常不知如何分析CSP上出現(xiàn)的各種波，而正確識別這些地震波的類型，是實際地震工作的基礎(chǔ)，因此需要教師及時指導(dǎo)學(xué)生如何識別不同類型的地震波信號。一般來說，可以通過波場快照中波前到達的空間位置與CSP記錄的時間對應(yīng)起來，加以分析。如圖2所示，從激發(fā)地震波開始計時，0.12s后波前在空間的位置如圖1中t=0.12s所示，此時地面能夠接收到的地震波只有圖中箭頭所標(biāo)注的直達波，在CSP記錄中直達波旅行時隨空間表現(xiàn)為線性關(guān)系；當(dāng)波繼續(xù)前行至t=0.14s時，地面436m至564m范圍接收到了來自地下界面的一次反射波，反射波路徑為圖中箭頭線所示，CSP記錄中的線條為時刻t=0.14s；當(dāng)波繼續(xù)行進至t=0.18s，可以看到來自地下反射界面的轉(zhuǎn)換S波到達地面一定范圍；當(dāng)波繼續(xù)行進至t=0.28s，可以觀察到來自地下界面的折射波。

2.2啟發(fā)學(xué)生對不同地質(zhì)模型的地震響應(yīng)特征進行思考并分析

比較低速層二層模型的數(shù)值計算結(jié)果圖1（a）和水層二層模型的數(shù)值計算結(jié)果圖1（b）中的CSP記錄，發(fā)現(xiàn)水層的CSP記錄與低速層的CSP記錄的面貌相差很大，水層中轉(zhuǎn)換橫波信號缺失，致使CSP記錄變得簡單。t=0.12s時刻，水層和低速層表現(xiàn)相同，只有直達波到達檢波器，不同的是水層中的P波波前變寬，與低速層中的P波波前表現(xiàn)出較大差異；t=0.14s時刻，水面接收到來自水層與水底固體層界面的一次反射波；t=0.28s時刻，水面接收到來自水層與水底固體層界面的二次反射波，該二次反射波能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)強于低速層情況的二次反射波能量。經(jīng)過數(shù)值模擬，學(xué)生很容易理解這些多次強反射波是干擾波，需要在地震數(shù)據(jù)處理階段采用多種方法加以壓制，比如KL變換、預(yù)測反褶積、Radon變換等方法。

3實驗教學(xué)效果

（1）綜合實驗?zāi)芗訌娎碚摻虒W(xué)與實踐教學(xué)的緊密結(jié)合。實驗內(nèi)容包含了地震波動方程的推導(dǎo)，地質(zhì)模型的建立，數(shù)值網(wǎng)格剖分、數(shù)值計算的原理及方法，地震波場分析、地震記錄分析等，內(nèi)容難度大、工作量大。學(xué)生在實驗過程中，需要將學(xué)過的地震波理論知識和數(shù)字信號處理知識合理運用加以指導(dǎo)實驗，并且要處理實驗過程中遇到的具體問題，有效提升了學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力和解決問題能力。

（2）通過基礎(chǔ)實驗與綜合實驗相結(jié)合，使學(xué)生在思維方式上實現(xiàn)由被動分析問題到主動提出問題的重大轉(zhuǎn)變，問題也由“是什么”到“為什么”的轉(zhuǎn)變，逐步提升了學(xué)生的基礎(chǔ)科研思維和創(chuàng)新思維，提高了學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題的能力，為今后參與課題研究奠定基礎(chǔ)。

結(jié)語

該實驗適合地球物理學(xué)和勘查技術(shù)與工程專業(yè)在學(xué)完地震勘探和數(shù)值計算課程之后，以綜合研究性實驗開設(shè)。通過地震數(shù)值模擬實驗，有助于學(xué)生了解地球物理正演計算的研究過程，通過數(shù)值計算，可以直觀觀察到期待出現(xiàn)的地震信號，和思考分析出乎意料信號的產(chǎn)生機理，有利于激發(fā)學(xué)生對科學(xué)研究的熱愛。隨著學(xué)生學(xué)習(xí)的不斷深入，逐步開展不同地震構(gòu)造情況下、不同物質(zhì)相態(tài)情況下的地震波數(shù)值模擬實驗，為建立探索性的科學(xué)思維奠定基礎(chǔ)。

參考文獻：

［1］董涵瓊，劉輝，趙醒村.科教融合：起源、演變、問題與思考［J］.醫(yī)學(xué)教育管理，2019，5（02）：129134.

［2］黃凱，郭永芳.基于科教融合的《電路理論基礎(chǔ)》課程案例教學(xué)設(shè)計探索［J］.當(dāng)代教育實踐與教學(xué)研究，2020（14）：170171.

［3］劉士榮，楊兆昆，陳明清.基于科教融合的綜合化學(xué)實驗設(shè)計［J］.實驗技術(shù)與管理，2017，34（01）：168171.

［4］胡鵬.河流相儲層地震正演模擬及特征響應(yīng)分析［D］.中國石油大學(xué)（北京），2019.

基金項目：防災(zāi)科技學(xué)院教育研究與教學(xué)改革項目（JY2021A03、JY2020A01）;河北省高等教育教學(xué)改革研究與實踐項目（2021GJJG485）;中央高校基本科研業(yè)務(wù)費專項（ZY20215136）;河北省高等學(xué)校科學(xué)技術(shù)研究項目（ZC2021213）

作者簡介：武曄（1975—），女，內(nèi)蒙古集寧人，碩士，副教授，主要從事勘探地球物理和信號處理方面的教學(xué)及科研工作。

*通訊作者：萬永革（1967—），男，博士，教授，主要從事地震學(xué)和信號處理方面的教學(xué)及科研工作。