MATLAB在地球物理专业《磁法勘探》课程教学中的应用

1、    matlab在地球物理专业磁法勘探课程教学中的应用    马欢 郭越 吴萍萍 贾建鹏摘要：磁法勘探是一门理论性和实践性较强的地球物理专业课程。由于课程内容抽象，不易理解，如果仅通过理论课程很难系统地认识磁法勘探和数据处理过程，所以本研究将计算机软件matlab融入本课程教学中，不仅加深学生对理论知识的理解，更能培养学生编写代码、数据处理和解决实际问题的能力。关键词：地球物理;磁法勘探;matlab：g642.41     文献标志码：a     ：1674-9324（2019）21-0186-02一、磁法勘

2、探课程教学难点在磁法勘探课程教学中，部分理论公式推导复杂，而且地磁场内容较抽象。因此，在教学过程中会遇到以下难点：1.概念抽象。磁法勘探课程中涉及到地球磁场、磁力仪与磁测工作方法、磁异常的处理、解释及应用等知识点，表现为概念多且抽象。比如课程教学中涉及地磁要素和磁化率的概念，任意一点的地磁场是矢量，岩石的磁化率为张量。对于刚接触专业课的大学生来说，对这类概念的理解是非常困难的。2.公式推导复杂。磁法勘探课程有关磁异常的处理部分采用数学解析或数值模拟方法计算其磁场多参量，分析研究其空间分布特征。比如空间域和频率域磁异常的公式推导就涉及到求偏导、傅里叶变换、矩阵的乘积运算等数学物理理论基础知识。所

3、以在开始学习磁法勘探课程之前，需要学习大量的基础课程。比如高等数学、线性代数、概率论与统计、复变函数与积分变换、大学物理、数学物理方程、数字信号处理等课程。同样，这些基础课程内容也是抽象的。如果对这些基础知识掌握不牢固，将更难理解磁法勘探中的数学物理过程，从而不利于学生在课程教学活动中接受新知识。二、磁法勘探课程教改尝试1.matlab简介。matlab是美国mathworks公司出品的商业数学软件，用于数据可视化、算法开发、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，目前已成为国内外科研工作的主流软件。matlab的主要优点有：（1）界面友好，程序调试方便，易于学习和掌握。（2）库函

4、数丰富，且功能强大，调用简单，这就使得使用者不必再像c语言和fortran语言那样编写各种冗长的子程序。例如，求解磁位过程中的解线性方程组，在matlab中只需一个命令调用函数即可，简化了程序的编写。（3）具备图形处理功能，能够实现计算结果和编程的可视化，不但可以绘制各种各样的曲线、曲面、图表，而且还可以制作动画。虽然matlab与c语言和fortran等基础语言相比，其计算效率不高，但在磁法勘探课程的教学过程中所需要的程序计算量往往很小，低配置的计算机也只需要数秒钟，因此不会带来问题。目前，国内很多大学已有大量教学工作者将matlab应用于课堂教学和实践教学1-3。2.引入matlab软件，

5、加深对相关概念和公式理解。matlab广泛应用于仿真模拟、数据挖掘、数据清洗、图形处理等科研领域，将其引入到磁法勘探的课堂教学中，学生可以利用该软件编写代码实现磁异常公式，分析不同几何形状或磁化方向地下介质的磁异常分布特征，也可以使用该软件处理实测数据。例如：实现日变校正等实测数据的整理计算、利用matlab成图分析各磁力仪的一致性。课堂中融入matlab，将理论与实际相结合，有助于学生深入理解所学概念和理论公式。三、matlab在磁法勘探课程中的应用1.磁力仪一致性实验。动态一致性实验是为了测试多台仪器在同一测点上的一致性，舍弃一致性较差的磁力仪，以保证后续测量任务的数据质量。例如：磁力仪一

6、致性实验中，使用4台磁力仪依次在40个点进行地磁场测量，再通过matlab软件导入测量的地磁场数据，并绘制每台磁力仪的数据曲线进行比对。如图1（a）所示，其横坐标为点号，纵坐标为测量的地磁场数据，图例为仪器编号。就图1（a）中4条曲线来看，c-c仪器在12号点数据一致性较差，pm-3-2仪器在15和35号点一致性较差。可以看出，通过在课堂上学习matlab绘图，不仅将课堂理论知识加以巩固，而且还能对磁法勘探一致性实验有感性的认识，更有可能提高学生的学习兴趣。2.球体磁异常特征分析。磁异常特征分析是磁法勘探课程中的重点和难点，这部分运用数理知识较多，公式复杂，不容易理解4。在这部分利用matla

7、b绘制磁异常图，以增加学生对规则形体磁异常特征的感性认识。例如：利用matlab编写代码实现规则形体的za磁异常正演数值模拟。首先通过matlab编程实现za磁异常公式，得到za磁异常正演模拟结果，再调用matlab绘图函数得到za磁异常等值线平面图。假设在地下均匀半空间介质中放置一个球形磁异常体，埋深15m，磁化方向中偏角和倾角都是45°。za磁异常等值线平面图如图1（b）所示，等值线特征表现为等轴状，负异常值包围着正异常值。这样在课堂上融入matlab，让学生自己动手动脑进行matlab编程，不仅能巩固课堂理论知识，而且还能对磁异常正演模拟有更深刻的认识和把握。四、结论随着社会、计算机科学技术发展，教学仅仅停留在书本上显得效果不佳。就地球物理专业磁法勘探课程概念抽象、公式复杂的特性而言，需要一种有效的手段辅助理论课程教学，让学生更容易理解本课程的理论知识。matlab作为一种计算机编程软件，相比其他编程软件功能多，函数调用简单，而且学习方便。在磁法勘探的课程中融入matlab，让学生动手学习matlab代码编写，既能锻炼计算机编程能力，又可以巩固理论课知识。参考文献：1唐少芳.matalb在高等数学教学中的应用j.亚太教育，2016，（13）：120.2曹玉东，孙福明，王冬霞.数字图像处理与matlab互补教学模式实践j.课程教育研究（新教师教学），2015，