“地震勘探数据处理”多学科交叉融合教学模式探索

［摘 要］ “地震勘探数据处理”是地球物理学专业的核心专业基础课程，是学生认识和理解地震勘探的关键课程之一。该课程涉及地震勘探数据处理的基本原理和流程，原理部分涉及数学、地质学、计算机科学、物理学和地球物理学等多学科知识，包含了大量数学公式、物理概念与过程、基本地质概念等知识。针对“地震勘探数据处理”课程的特点，首先介绍地震勘探数据处理的原理及基本流程，指出多学科交叉融合培养在“地震勘探数据处理”课堂教学中的重要性与必要性，提出基于数学、计算机科学、物理学和双语化教学的地球物理学多学科交叉融合培养新模式，形成并构建多学科混合交叉教学新模式，以提高学生学习效率，促进地球物理学专业本科人才的全面发展。

［关键词］ 地球物理学；地震勘探；学科交叉；教学研究

［基金项目］ 2023年度中国矿业大学（北京）教学改革项目“‘地震勘探数据处理与解释’教学模式创新改革”（J230202）；2021年度中国煤炭教育协会煤炭行业高等教育研究重大课题“‘共建共享式资源库’的构建与应用机制研究”（2021MXJG023）

［作者简介］ 林 朋（1990—），男，安徽阜阳人，博士，中国矿业大学（北京）地球科学与测绘工程学院讲师，主要从事地球物理勘探研究。

［中图分类号］ G642.0 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-9324（2024）48-0086-04 ［收稿日期］ 2023-09-07

随着我国现代化进程的不断加速，经济社会发展对煤炭、石油、天然气等能源的需求日益增加。煤炭和石油资源作为我国能源结构的重要组成部分，其勘探与开发在我国未来能源结构中依然占有较为重要的地位。随着地下资源的不断开采，浅层构造简单、易开采的浅层矿产资源逐渐消耗殆尽，矿产资源勘探逐渐走向深层、不易开采的区域。地震勘探是煤炭、石油等能源资源的主要勘探手段，通过人工方式在地表激发地震波，利用地震波对地下不同介质的波场响应获得地下介质的地质信息，为地下矿产资源开发利用提供保障。勘探深度的不断加大导致勘探难度也随之加大，随之而来的是地震勘探所面临的方法和技术挑战［1］。

地震勘探数据处理是地震勘探的三大环节之一，其以野外地震数据采集为基础，为地震地质解释提供良好的数据基础，在地震勘探中扮演着重要的角色。随着地震勘探难度的不断加大，新技术层出不穷，越来越突出基础教育的重要性。在地震勘探新时期，地球物理技术不断进步，在新时代的地球物理学教学中，培养具有创新性、新颖性的本科人才，勇于突破教学瓶颈，是当前地球物理学专业教学的重要任务。“地震勘探数据处理”课程中涉及较多的方法原理部分，涉及的学科也较多，如数学、地质学、计算机科学、物理学和地球物理学等多学科知识体系，对于学科知识背景要求较多，使学生在课堂教学中难以理解抽象化的知识点，尤其是对数学理论公式、物理概念与过程等知识的理解。传统的单一学科教学模式过于强调地球物理学专业知识，而忽略了其他相近学科的知识背景，让学生难以深入理解该课程的知识点。因此，“地震勘探数据处理”课程教学具有一定的难度，课程教学改革势在必行。

针对新时代“地震勘探数据处理”课程所面临的教育教学挑战，本文首先简要介绍了地震勘探数据处理相关原理及基本流程，然后结合课程的多学科交叉特点，说明了多学科交叉融合培养的必要性，探索了多学科交叉融合培养模式的构建，以期提高学生学习效率，使学生更加深刻理解地震数据处理基础知识。

一、地震勘探数据处理原理及基本流程

地震勘探数据处理是地震勘探的关键步骤之一。野外地震数据采集为地震勘探提供数据基础，数据采集的质量也决定了后续数据处理效果的“天花板”。实际上，往往野外采集后的数据不仅包含着有关地下构造和岩性的有效波信息，而且还包含着干扰背景的无效波信息，这些信息相互交织，令野外采集的地震数据无法直接用于地震地质解释。因此，野外采集后的地震数据不能真实地反映地下地质真实分布情况。地震数据处理是利用数学、物理学、近代地球物理学、计算机科学等知识，对地震原始数据进行处理，在相对保持成像波场的条件下，尽可能地消除和压制非成像波场信息，以期得到高质量的、可靠的地震信息，为下一步资料解释提供直观的、可靠的依据和有关的地质信息，最终获得能正确反映地层信息的处理结果。地震数据处理的主要基本流程包括地震数据加载、预处理、观测系统定义、静校正、叠前噪声压制、振幅补偿、反褶积、道集分选、速度分析、动校正、叠加、剩余静校正和偏移等［2］。

从地震勘探数据处理的原理和基本流程来看，课程的专业性和理论性较强，处理流程较为烦琐，地震数据处理涉及信号处理知识、数学理论、地质学基础、物理学原理、计算机科学等多学科相关理论知识，学生需要具有扎实的通识教育课和专业基础课背景，才能完成“地震勘探数据处理”课程核心知识点的理解和学习，学习难度较大［3］。此外，专业外语学习也是本科生学习地震勘探数据处理的重要内容之一，有关勘探地球物理学的研究成果大多是围绕地震数据处理流程展开，且大量的地球物理学文献仍然是以英文形式呈现。因此，英文文献的阅读与理解对学生的专业外语水平也提出了挑战。

二、多学科交叉融合培养模式构建

学科交叉是当今世界学术主流发展方向之一，是探究新兴事物的聚集地，为社会发展带来源源不断的动力［4］。由于地震勘探数据处理涉及的学科知识较多，亟须建立多学科交叉融合培养模式，在课堂上将相关学科背景知识巧妙地融入“地震勘探数据处理”课程的学习中，以提高学生课堂学习效率，增加所涉及学科的背景知识储备，从而深刻理解地震数据处理步骤的内涵。

本文从多个方面提出了地震勘探数据处理多学科交叉融合培养新模式，包括数学—地球物理学学科交叉培养、计算机科学—地球物理学学科交叉培养、物理学—地球物理学学科交叉培养、地质学—地球物理学学科交叉培养、双语化学科交叉培养等。

（一）数学—地球物理学学科交叉培养

数学学科是理工科专业学习的基础，地震勘探数据处理中同样涉及较多的数学理论知识，如何从枯燥单一的数学理论中激发学生的学习兴趣是一个值得探究的教学任务。例如，波动方程的求解是地震勘探数据处理中的一个重要学术问题，通过求解波动方程可以了解地震波场在地下介质中的传播规律和特征，而波动方程的求解就是一个典型的偏微分方程求解问题。因此，在讲解波动方程求解前，需要和学生一起回顾数学物理方程中的偏微分方程求解方法。从学生熟悉的常数阶偏微分方程求解入手，通过简单的偏微分方程求解，让学生回忆相关背景知识。回顾过程由易到难，消除学生对偏微分方程求解的恐惧心理，再介绍波动方程求解问题。将简单数学理论知识作为背景，让学生深入理解数学知识在地震勘探数据处理中的应用，引起学生对于数学基础理论的重视。同时，任课教师应鼓励学生参加数学学科方面的竞赛，如全国大学生数学竞赛、全国大学生数学建模竞赛、美国大学生数学建模竞赛等。理工科专业本科生均可参加此数学类专业竞赛，可以让学生在强化数学知识的同时，培养数学思维和逻辑能力，更容易地将数学背景知识融入地震勘探数据处理流程中。

（二）计算机科学—地球物理学学科交叉培养

地球物理学的学科发展与计算机学科一直都是紧密相连的，计算机学科的发展可以有效促进勘探地球物理学的进步。首先，一般三维地震勘探野外数据采集区域较大，故所获得的数据量巨大，甚至达到TB和PB的数量级，对数据快速读写提出了挑战；其次，地震勘探数据处理流程涉及大量的专业技术和方法，需要通过计算机代码编程方式来实现数据的有效处理。因此，计算机编程能力是地震勘探数据处理的必备基础，要求学生要具有一定的计算机编程基础，目前主要应用的编程基础语言包括C语言、C++、Python、Matlab等。从科学计算的角度，在上机实践环节鼓励学生首选练习并熟练使用Matlab软件，其对语法和编程基础要求较低，对本科生而言难度较低。在一定程度上，可以让学生接触地震勘探数据处理学习的基础软件Seismic Unix，其是由科罗拉多矿业学院开发的一款开源软件，对于学生后续研究生阶段深入学习具有重要作用。同时，鼓励学生多参加各类地球物理竞赛，如“东方杯”全国大学生勘探地球物理大赛、“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛、中国国际“互联网+”大学生创新创业大赛、大学生创新训练项目等，在比赛中提升编程实践能力，将自己的所学所思通过编程得以实现，让学生获得成就感，培养学生对地震勘探数据处理的兴趣。特别是近几年随着人工智能的快速兴起，大量基于机器学习算法和神经网络的文献层出不穷，对学生的计算机技能提出了更高的要求。教师可以根据学生的实际情况，引导鼓励学生将基于人工智能技术的地震勘探数据处理加入日常学习中。

（三）物理学—地球物理学学科交叉培养

地震勘探数据处理流程包含了复杂抽象的物理学原理，如地震波传播过程、斯内尔定律、惠更斯原理、反射定律、费马原理等，学生在专业基础方面较为薄弱，如何提高学生对于复杂物理过程的理解与思考，需要对原有课程教学模式进一步探索与改革，激发学生学习兴趣，提高课堂授课效率。物理学是地球物理学课程的重要基础，探索以物理过程为主要引导方式，提高学生对于地震数据处理过程的物理意义理解。数据处理相关物理过程和原理的理解可以让学生深刻理解并掌握相关方法，明白数据处理流程的必要性。地震数据处理流程均是以地震波在地下介质中的传播规律为基础，每个步骤都具有较强的物理意义和可解释性，只有通过物理过程的详细介绍，才能让学生更加深刻地理解地震处理与解释的每个步骤。考虑到实际环境中物理环境较为复杂，可通过课堂上一些平面物理图形或物理教具来解释复杂的地震波传播等具体知识，有了对物理学的深刻认知，学生更容易理解地震勘探的真谛，也可以增加学生学习的乐趣，对学生进一步从事地球物理学习和研究均是有益的。

（四）地质学—地球物理学学科交叉培养

地质学是地球物理学的基础，而地球物理学最终也是服务于地质学，二者相辅相成。学习地球物理学专业课程前必须学习普通地质学知识，地质学基本知识是地球物理学专业学习和研究的重要基础。例如，煤层中常见的地质构造断层、陷落柱等知识内容，是地质学的重要组成部分，而这些地质构造的精细探测需要运用地球物理学的知识（如地震勘探）。在运用地球物理学知识进行探测前，我们需要了解这些地质构造在地球物理场方面的特征变化，从而有利于用地球物理数据对其进行观察和探测。因此，在讲授地震勘探数据处理内容时，教师需要以相应的地质背景作为切入点，不同的地质模型下，具有不同的波场传播规律和特点。在构建地质模型时，需要以基本地质知识作为背景，研究的结果才能更加贴近实际情况，从而将地质学知识和地球物理学知识联系起来，建立地质学—地球物理学的知识体系，让学生更好地理解地震勘探数据处理的具体内涵。此外，在平时的课程培养中，学生应注重对地质基础知识的学习，多参加地质类学科竞赛、学术活动等，强化地质背景知识，有利于对地球物理学专业课程的进一步深入学习和理解。

（五）双语化学科交叉培养

“地震勘探数据处理”课程是地震勘探的核心课程，国内外能源勘探院校均开设了此课程。一方面，现如今我国的国际化程度逐渐提高，出国留学规模也越来越大；另一方面，国外高等院校或科研公司在地震勘探方面具有较强的研究实力，发表了较多的研究成果，大多以英文形式在英文出版物中呈现。因此，为了学生以后继续深造、学习专业知识、与国外同行交流以及发表具有影响力的学术成果，应该加强学生的专业外语教育。本课程的专业外语教育可通过双语化教学实现，在课堂中采用双语教学，对于重要的知识点和概念，采用中英文重复讲解，强调英文表达的重要性。在日常教学中，可根据地震数据处理相应教学内容，给学生介绍相应经典的英文文献，通过对英文文献的阅读和讲解，令学生习惯于英文表达，理解中英文表达的差异性，养成阅读英文文献的习惯，以提高学生在地球物理专业外语方面的阅读理解能力和表达水平，熟悉地震数据处理流程的专业英文词汇，为后续进一步发展打下扎实的基础。