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(shí)驗(yàn)，對(duì)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(guò)“引導(dǎo)—啟發(fā)—設(shè)計(jì)—指導(dǎo)”逐層遞進(jìn)式實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，引導(dǎo)學(xué)生大膽提出科學(xué)問(wèn)題，鼓勵(lì)學(xué)生自主設(shè)計(jì)模型加以對(duì)比，并得出結(jié)論。教學(xué)實(shí)踐表明，在驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，開(kāi)設(shè)“科教融合”綜合實(shí)驗(yàn)，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(wèn)題能力，為后續(xù)開(kāi)展畢業(yè)設(shè)計(jì)和科研工作奠定良好基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：科教融合；綜合實(shí)驗(yàn)；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(guò)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(shí)踐進(jìn)行了有效的融合［2］。

地震數(shù)值模擬計(jì)算是通過(guò)分析地質(zhì)、鉆井、測(cè)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(guò)某種正演模擬算法，計(jì)算傳播到地下及地面的地震振動(dòng)信號(hào)。對(duì)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(shí)驗(yàn)支持，兩者互為補(bǔ)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(lái)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(duì)學(xué)生未來(lái)的深入學(xué)習(xí)和研究及從事實(shí)際地球物理工作奠定良好的理論基礎(chǔ)。然而，通過(guò)多年的教學(xué)實(shí)踐，發(fā)現(xiàn)學(xué)生對(duì)主要的知識(shí)體系掌握較好，對(duì)科學(xué)思維習(xí)慣比較缺乏，這樣對(duì)培養(yǎng)未來(lái)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(shí)驗(yàn)，深化實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，從單一的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)到驗(yàn)證性與探索性相結(jié)合，從實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象到本質(zhì)規(guī)律，從感性認(rèn)知到理性認(rèn)知，通過(guò)實(shí)驗(yàn)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(zhǎng)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(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)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(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行目標(biāo)設(shè)計(jì)，在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí)要遵循基礎(chǔ)與前沿相結(jié)合，由易到難、循序漸進(jìn)原則，并給出具體的實(shí)驗(yàn)思路、實(shí)驗(yàn)原理和實(shí)驗(yàn)方法。

1實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路

基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)是對(duì)基本定理的驗(yàn)證，綜合實(shí)驗(yàn)是在學(xué)生掌握基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上的自然延伸。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路為“引導(dǎo)—啟發(fā)—設(shè)計(jì)—指導(dǎo)”，是一個(gè)逐層遞進(jìn)式的實(shí)驗(yàn)過(guò)程。

具體來(lái)說(shuō)，在基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)里通過(guò)建立地下半無(wú)限均勻空間，觀察縱波和橫波的傳播過(guò)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(diǎn)，對(duì)惠更斯原理和斯奈爾定理進(jìn)行驗(yàn)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(chǎng)特點(diǎn)，學(xué)生在好奇心驅(qū)使下，積極主動(dòng)完成建模設(shè)計(jì)和數(shù)值計(jì)算，然而當(dāng)學(xué)生看到地震波和之前的大不相同時(shí)，心理上會(huì)出現(xiàn)不知如何分析的迷茫感，此時(shí)，需要教師給其及時(shí)指導(dǎo)，讓學(xué)生嘗試?yán)L制不同波前的射線路徑，通過(guò)射線路徑清晰地看到波的轉(zhuǎn)換過(guò)程；在此基礎(chǔ)上，再進(jìn)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(huì)如何呢？通過(guò)繼續(xù)建模、數(shù)值計(jì)算、觀察波場(chǎng)特征，對(duì)比研究介質(zhì)發(fā)生變化后，波場(chǎng)如何變化，CSP記錄如何變化。

1.2實(shí)驗(yàn)原理

1821年ClaudeLouisNavier建立了彈性波運(yùn)動(dòng)方程，奠定了地震波傳播的理論基礎(chǔ)。地震波動(dòng)方程是位移與應(yīng)力相耦合的一組方程，實(shí)驗(yàn)通過(guò)有限差分法模擬計(jì)算地震波傳播過(guò)程。有限差分方法有很多優(yōu)點(diǎn)，相對(duì)其他數(shù)值模擬方法較簡(jiǎn)單，能夠處理任何復(fù)雜的地球模型。其缺點(diǎn)是需要計(jì)算格點(diǎn)非常密，有時(shí)不能給出特定波的物理內(nèi)涵［5］。實(shí)驗(yàn)首先需要建立特定的地下地質(zhì)模型，再對(duì)地質(zhì)模型進(jìn)行合適的空間網(wǎng)格剖分，在所有網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)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(lái)激發(fā)地震波，計(jì)算地震波傳播到地表的位移信號(hào)，通過(guò)分析地表接收到的地震波位移信號(hào)時(shí)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(shí)驗(yàn)實(shí)施過(guò)程

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

在學(xué)生做完基礎(chǔ)半無(wú)限均勻空間的地震正演模擬實(shí)驗(yàn)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(cè)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(jì)數(shù)值計(jì)算參數(shù)

采用有限差分方法進(jìn)行地震彈性全波場(chǎng)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(cè)方式為零井深縱測(cè)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(shí)驗(yàn)計(jì)算結(jié)果

2.1通過(guò)波場(chǎng)快照分析CSP記錄上的各種波

通過(guò)上述地質(zhì)模型的建立，數(shù)值計(jì)算參數(shù)的設(shè)置，分別計(jì)算得到低速層和水層模型的CSP記錄如圖1所示，波場(chǎng)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(gè)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(shí)別這些地震波的類型，是實(shí)際地震工作的基礎(chǔ)，因此需要教師及時(shí)指導(dǎo)學(xué)生如何識(shí)別不同類型的地震波信號(hào)。一般來(lái)說(shuō)，可以通過(guò)波場(chǎng)快照中波前到達(dá)的空間位置與CSP記錄的時(shí)間對(duì)應(yīng)起來(lái)，加以分析。如圖2所示，從激發(fā)地震波開(kāi)始計(jì)時(shí)，0.12s后波前在空間的位置如圖1中t=0.12s所示，此時(shí)地面能夠接收到的地震波只有圖中箭頭所標(biāo)注的直達(dá)波，在CSP記錄中直達(dá)波旅行時(shí)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(shí)，地面436m至564m范圍接收到了來(lái)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(shí)刻t=0.14s；當(dāng)波繼續(xù)行進(jìn)至t=0.18s，可以看到來(lái)自地下反射界面的轉(zhuǎn)換S波到達(dá)地面一定范圍；當(dāng)波繼續(xù)行進(jìn)至t=0.28s，可以觀察到來(lái)自地下界面的折射波。

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

比較低速層二層模型的數(shù)值計(jì)算結(jié)果圖1（a）和水層二層模型的數(shù)值計(jì)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(hào)缺失，致使CSP記錄變得簡(jiǎn)單。t=0.12s時(shí)刻，水層和低速層表現(xiàn)相同，只有直達(dá)波到達(dá)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(shí)刻，水面接收到來(lái)自水層與水底固體層界面的一次反射波；t=0.28s時(shí)刻，水面接收到來(lái)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(qiáng)于低速層情況的二次反射波能量。經(jīng)過(guò)數(shù)值模擬，學(xué)生很容易理解這些多次強(qiáng)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(cè)反褶積、Radon變換等方法。

3實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果

（1）綜合實(shí)驗(yàn)?zāi)芗訌?qiáng)理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)的緊密結(jié)合。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容包含了地震波動(dòng)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(jì)算的原理及方法，地震波場(chǎng)分析、地震記錄分析等，內(nèi)容難度大、工作量大。學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，需要將學(xué)過(guò)的地震波理論知識(shí)和數(shù)字信號(hào)處理知識(shí)合理運(yùn)用加以指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)，并且要處理實(shí)驗(yàn)過(guò)程中遇到的具體問(wèn)題，有效提升了學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力和解決問(wèn)題能力。

（2）通過(guò)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)與綜合實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，使學(xué)生在思維方式上實(shí)現(xiàn)由被動(dòng)分析問(wèn)題到主動(dòng)提出問(wèn)題的重大轉(zhuǎn)變，問(wèn)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(wèn)題的能力，為今后參與課題研究奠定基礎(chǔ)。

結(jié)語(yǔ)

該實(shí)驗(yàn)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(jì)算課程之后，以綜合研究性實(shí)驗(yàn)開(kāi)設(shè)。通過(guò)地震數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)，有助于學(xué)生了解地球物理正演計(jì)算的研究過(guò)程，通過(guò)數(shù)值計(jì)算，可以直觀觀察到期待出現(xiàn)的地震信號(hào)，和思考分析出乎意料信號(hào)的產(chǎn)生機(jī)理，有利于激發(fā)學(xué)生對(duì)科學(xué)研究的熱愛(ài)。隨著學(xué)生學(xué)習(xí)的不斷深入，逐步開(kāi)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(shí)驗(yàn)，為建立探索性的科學(xué)思維奠定基礎(chǔ)。

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作者簡(jiǎn)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(hào)處理方面的教學(xué)及科研工作。

*通訊作者：萬(wàn)永革（1967—），男，博士，教授，主要從事地震學(xué)和信號(hào)處理方面的教學(xué)及科研工作。