基于科教融合的地震波数值模拟综合实验设计

摘要：将地震数值模拟科学研究转化为地球物理学综合实验，对比研究低速层和水层地质模型情况下地震响应特征的差异。通过“引导—启发—设计—指导”逐层递进式实验教学方法，引导学生大胆提出科学问题，鼓励学生自主设计模型加以对比，并得出结论。教学实践表明，在验证性实验的基础上，开设“科教融合”综合实验，有助于培养学生的科学创新思维，有利于提高学生的自主学习能力和分析解决问题能力，为后续开展毕业设计和科研工作奠定良好基础。

关键词：科教融合；综合实验；数值模拟

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

从科学研究与教育教学的关系演变发展过程看，科教融合已成为现代高等教育发展与高校人才培养的必然选择［1］。很多高校已将科教融合理念引入理工科课程的教学科研工作中［23］。河北工业大学黄凯等将“科教融合理念”与“工程案例”教学方法相结合，将理论与实践进行了有效的融合［2］。

地震数值模拟计算是通过分析地质、钻井、测井、地震等资料的基础上，给定地下地质构造和岩性参数，通过某种正演模拟算法，计算传播到地下及地面的地震振动信号。对于复杂构造地区，地震正演模拟是地震反演的基础，正演为反演提供理论和实验支持，两者互为补充、必不可少，随着石油和天然气勘探难度的不断增加，地震正演模拟技术必将发挥越来越重要的作用［4］。因此，在本科阶段让学生接触地震正演数值模拟科研工作，将对学生未来的深入学习和研究及从事实际地球物理工作奠定良好的理论基础。然而，通过多年的教学实践，发现学生对主要的知识体系掌握较好，对科学思维习惯比较缺乏，这样对培养未来创新人才不利，为此引入科教融合理念［3］，在科教融合理念的指引下，将科研案例转化为综合实验，深化实验教学改革，从单一的验证性实验到验证性与探索性相结合，从实验现象到本质规律，从感性认知到理性认知，通过实验培养学生的科学思维和创新思维，培养学生的浓厚学习兴趣，最终使学生成长为德才兼备并符合工程教育质量认证标准的人才。

本文以地震正演模拟综合实验设计为例，阐述在应用型本科院校将科研工作内容融入本科教学工作的具体方法，首先教师提前对实验进行目标设计，在实验设计时要遵循基础与前沿相结合，由易到难、循序渐进原则，并给出具体的实验思路、实验原理和实验方法。

1实验设计

1.1实验设计思路

基础实验是对基本定理的验证，综合实验是在学生掌握基础实验基础上的自然延伸。实验设计思路为“引导—启发—设计—指导”，是一个逐层递进式的实验过程。

具体来说，在基础实验里通过建立地下半无限均匀空间，观察纵波和横波的传播过程，地表接收到的波的类型，以及在自由边界条件和吸收边界条件下，波的传播特点，对惠更斯原理和斯奈尔定理进行验证；在此基础上，引导学生构建稍微复杂一些的陆地二层介质，观察CSP记录的波类型和波场特点，学生在好奇心驱使下，积极主动完成建模设计和数值计算，然而当学生看到地震波和之前的大不相同时，心理上会出现不知如何分析的迷茫感，此时，需要教师给其及时指导，让学生尝试绘制不同波前的射线路径，通过射线路径清晰地看到波的转换过程；在此基础上，再进一步启发学生思考：如果在几何结构不变的情况下，只有低速层介质变为相同速度的水介质，那么结果会如何呢？通过继续建模、数值计算、观察波场特征，对比研究介质发生变化后，波场如何变化，CSP记录如何变化。

1.2实验原理

1821年ClaudeLouisNavier建立了弹性波运动方程，奠定了地震波传播的理论基础。地震波动方程是位移与应力相耦合的一组方程，实验通过有限差分法模拟计算地震波传播过程。有限差分方法有很多优点，相对其他数值模拟方法较简单，能够处理任何复杂的地球模型。其缺点是需要计算格点非常密，有时不能给出特定波的物理内涵［5］。实验首先需要建立特定的地下地质模型，再对地质模型进行合适的空间网格剖分，在所有网格节点处设置地质几何构造参数和地质物性参数，然后人为加载合适的激发源来激发地震波，计算地震波传播到地表的位移信号，通过分析地表接收到的地震波位移信号时空特征，得出地下构造与地震理论记录特征之间的关系。

1.3实验实施过程

1.3.1引导学生思考，设计分层地质模型

在学生做完基础半无限均匀空间的地震正演模拟实验后，引导学生建立稍复杂一些的分层地质模型，观察波的转换和CSP（CommonShotPoint）上波的类型。建模通常需要参考地质、钻井、测井、地震等资料，以设置合适的几何参数和物性参数。

1.3.2设计数值计算参数

采用有限差分方法进行地震弹性全波场数值模拟，其中地震波的激发方式采用爆炸震源，地震子波选用主频为100Hz的Single子波，观测方式为零井深纵测线双边零偏移101道接收。数值模拟参数：道间距10m，采样率2500samples/s，地震记录持续0.48s。

2指导学生分析实验计算结果

2.1通过波场快照分析CSP记录上的各种波

通过上述地质模型的建立，数值计算参数的设置，分别计算得到低速层和水层模型的CSP记录如图1所示，波场快照如图2所示。从图1（a）和（b）中可看出，CSP记录上出现清晰的多个地震波，然而学生通常不知如何分析CSP上出现的各种波，而正确识别这些地震波的类型，是实际地震工作的基础，因此需要教师及时指导学生如何识别不同类型的地震波信号。一般来说，可以通过波场快照中波前到达的空间位置与CSP记录的时间对应起来，加以分析。如图2所示，从激发地震波开始计时，0.12s后波前在空间的位置如图1中t=0.12s所示，此时地面能够接收到的地震波只有图中箭头所标注的直达波，在CSP记录中直达波旅行时随空间表现为线性关系；当波继续前行至t=0.14s时，地面436m至564m范围接收到了来自地下界面的一次反射波，反射波路径为图中箭头线所示，CSP记录中的线条为时刻t=0.14s；当波继续行进至t=0.18s，可以看到来自地下反射界面的转换S波到达地面一定范围；当波继续行进至t=0.28s，可以观察到来自地下界面的折射波。

2.2启发学生对不同地质模型的地震响应特征进行思考并分析

比较低速层二层模型的数值计算结果图1（a）和水层二层模型的数值计算结果图1（b）中的CSP记录，发现水层的CSP记录与低速层的CSP记录的面貌相差很大，水层中转换横波信号缺失，致使CSP记录变得简单。t=0.12s时刻，水层和低速层表现相同，只有直达波到达检波器，不同的是水层中的P波波前变宽，与低速层中的P波波前表现出较大差异；t=0.14s时刻，水面接收到来自水层与水底固体层界面的一次反射波；t=0.28s时刻，水面接收到来自水层与水底固体层界面的二次反射波，该二次反射波能量远远强于低速层情况的二次反射波能量。经过数值模拟，学生很容易理解这些多次强反射波是干扰波，需要在地震数据处理阶段采用多种方法加以压制，比如KL变换、预测反褶积、Radon变换等方法。

3实验教学效果

（1）综合实验能加强理论教学与实践教学的紧密结合。实验内容包含了地震波动方程的推导，地质模型的建立，数值网格剖分、数值计算的原理及方法，地震波场分析、地震记录分析等，内容难度大、工作量大。学生在实验过程中，需要将学过的地震波理论知识和数字信号处理知识合理运用加以指导实验，并且要处理实验过程中遇到的具体问题，有效提升了学生的自主学习能力和解决问题能力。

（2）通过基础实验与综合实验相结合，使学生在思维方式上实现由被动分析问题到主动提出问题的重大转变，问题也由“是什么”到“为什么”的转变，逐步提升了学生的基础科研思维和创新思维，提高了学生发现问题的能力，为今后参与课题研究奠定基础。

结语

该实验适合地球物理学和勘查技术与工程专业在学完地震勘探和数值计算课程之后，以综合研究性实验开设。通过地震数值模拟实验，有助于学生了解地球物理正演计算的研究过程，通过数值计算，可以直观观察到期待出现的地震信号，和思考分析出乎意料信号的产生机理，有利于激发学生对科学研究的热爱。随着学生学习的不断深入，逐步开展不同地震构造情况下、不同物质相态情况下的地震波数值模拟实验，为建立探索性的科学思维奠定基础。

参考文献：

［1］董涵琼，刘辉，赵醒村.科教融合：起源、演变、问题与思考［J］.医学教育管理，2019，5（02）：129134.

［2］黄凯，郭永芳.基于科教融合的《电路理论基础》课程案例教学设计探索［J］.当代教育实践与教学研究，2020（14）：170171.

［3］刘士荣，杨兆昆，陈明清.基于科教融合的综合化学实验设计［J］.实验技术与管理，2017，34（01）：168171.

［4］胡鹏.河流相储层地震正演模拟及特征响应分析［D］.中国石油大学（北京），2019.

基金项目：防灾科技学院教育研究与教学改革项目（JY2021A03、JY2020A01）;河北省高等教育教学改革研究与实践项目（2021GJJG485）;中央高校基本科研业务费专项（ZY20215136）;河北省高等学校科学技术研究项目（ZC2021213）

作者简介：武晔（1975—），女，内蒙古集宁人，硕士，副教授，主要从事勘探地球物理和信号处理方面的教学及科研工作。

*通讯作者：万永革（1967—），男，博士，教授，主要从事地震学和信号处理方面的教学及科研工作。