2025年大學(xué)《信息與計算科學(xué)》專業(yè)題庫——計算科學(xué)對地質(zhì)勘探的支持考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每小題2分，共10分。請將正確選項的字母填在題后的括號內(nèi)。）1.在地震勘探數(shù)據(jù)處理中，偏移成像的主要目的是什么？(A)提高地震信號的信噪比(B)將共中心點道集轉(zhuǎn)換為共偏移距道集(C)將地震波旅行時轉(zhuǎn)換為地下地質(zhì)結(jié)構(gòu)的空間位置(D)壓縮地震記錄的道數(shù)2.地質(zhì)統(tǒng)計學(xué)中克里金插值方法的核心思想是什么？(A)基于最小二乘法擬合數(shù)據(jù)點(B)利用數(shù)據(jù)點之間的空間相關(guān)性進行加權(quán)平均預(yù)測(C)基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)分布模式(D)基于傅里葉變換分析數(shù)據(jù)頻率成分3.在進行大規(guī)模地質(zhì)數(shù)據(jù)（如地震道集）處理時，以下哪項技術(shù)可以有效提高計算效率？(A)增加數(shù)據(jù)采樣率(B)并行計算（如使用GPU）(C)提高數(shù)據(jù)存儲精度（如從16位到32位）(D)減少數(shù)據(jù)點數(shù)量但不考慮信息損失4.機器學(xué)習(xí)算法在巖性識別中的應(yīng)用主要是利用了哪種能力？(A)對地質(zhì)歷史進行精確推算(B)自動識別和分類具有相似地震響應(yīng)特征的巖層(C)精確測量地下巖石的物理力學(xué)參數(shù)(D)預(yù)測地殼板塊的運動軌跡5.計算科學(xué)方法在建立三維地質(zhì)模型中的主要作用體現(xiàn)在哪里？(A)直接發(fā)現(xiàn)地下隱伏的油氣藏(B)簡化野外勘探工作(C)提供可視化界面展示地質(zhì)構(gòu)造(D)處理和分析地震、測井等離散數(shù)據(jù)，構(gòu)建連續(xù)的地下結(jié)構(gòu)模型二、簡答題（每小題5分，共20分。）6.簡述數(shù)值天氣預(yù)報模型在地質(zhì)勘探中（例如，用于預(yù)測有利鉆探區(qū)域）可能的應(yīng)用思路。7.解釋什么是計算復(fù)雜性，并說明其在評估不同地質(zhì)勘探計算方法適用性時的意義。8.描述利用計算方法進行地震資料屬性分析的基本流程。9.列舉至少三種計算科學(xué)技術(shù)，并簡述它們在地質(zhì)勘探數(shù)據(jù)處理或解釋中的具體作用。三、計算題（共15分。）10.假設(shè)一個一維地質(zhì)剖面包含三個層位，層間接觸邊界已知，各層位的平均聲波速度分別為v1=1500m/s,v2=2500m/s,v3=3500m/s。假設(shè)在層位1中，兩點A和B的水平距離為1000m，A點離界面距離為200m，B點離界面距離為600m。不考慮界面反射和折射效應(yīng)，請使用合適的計算方法（如射線追蹤或時深轉(zhuǎn)換），估算A、B兩點之間的直達波旅行時。請簡述計算步驟。四、綜合應(yīng)用題（共25分。）11.設(shè)想在一個海上地震勘探項目中，獲取了大量的共中心點（CSP）地震道數(shù)據(jù)。初步處理顯示數(shù)據(jù)信噪比較低，且存在明顯的多次波干擾。請結(jié)合計算科學(xué)的相關(guān)知識，提出一個綜合的處理流程。在流程中，需要說明：(1)計算科學(xué)可以提供哪些方法來提升信噪比？(2)計算科學(xué)在識別和壓制多次波方面有哪些技術(shù)手段？(3)如何利用計算方法對處理后的地震數(shù)據(jù)進行屬性提取，并說明提取哪些屬性可能有助于后續(xù)的油氣藏識別？(4)簡要討論在實施這些計算方法時可能遇到的技術(shù)挑戰(zhàn)（如計算資源、數(shù)據(jù)精度等）。試卷答案一、選擇題（每小題2分，共10分。）1.(C)解析：偏移成像的核心目標是利用地震波的旅行時信息，將地下散射點或反射界面的位置準確地成像到地表或近地表的水平位置上，從而重建地下地質(zhì)結(jié)構(gòu)。選項A是信號處理的目的之一；選項B是共偏移距疊加的原理；選項D是數(shù)據(jù)壓縮的目的。2.(B)解析：克里金插值是一種地統(tǒng)計方法，其核心在于利用待預(yù)測點與其鄰近數(shù)據(jù)點之間的空間協(xié)方差（或相似性），為每個鄰近數(shù)據(jù)點賦予一個權(quán)重，通過加權(quán)平均來預(yù)測待預(yù)測點的值。這體現(xiàn)了數(shù)據(jù)的空間相關(guān)性。選項A是線性回歸的思想；選項C是機器學(xué)習(xí)方法的范疇；選項D是頻譜分析的內(nèi)容。3.(B)解析：并行計算，特別是利用GPU進行大規(guī)模矩陣運算和數(shù)據(jù)處理，可以顯著加速如地震疊前偏移、全波形反演等計算密集型任務(wù)。選項A會增加數(shù)據(jù)量，可能降低效率；選項C提高精度會增加存儲和計算負擔(dān)；選項D的簡單減少數(shù)據(jù)點可能丟失重要信息。4.(B)解析：機器學(xué)習(xí)算法，特別是分類算法，可以通過學(xué)習(xí)訓(xùn)練數(shù)據(jù)中不同巖性的地震屬性特征，建立屬性模式與巖性的對應(yīng)關(guān)系，從而對新的地震數(shù)據(jù)段自動進行巖性分類或識別。選項A不是機器學(xué)習(xí)的主要功能；選項C是巖石物理實驗或測井解釋的范疇；選項D是大地測量的任務(wù)。5.(D)解析：三維地質(zhì)模型構(gòu)建需要將來自不同來源（地震、測井、鉆井）的離散數(shù)據(jù)點融合，通過插值、光滑、約束等計算方法，生成一個連續(xù)的、能反映地下結(jié)構(gòu)和巖性變化的立體模型。選項A是油氣勘探的目標；選項B是勘探策略；選項C是模型的功能之一，但非核心計算作用。二、簡答題（每小題5分，共20分。）6.解析：思路：首先，利用數(shù)值天氣預(yù)報模型模擬預(yù)測未來一段時間內(nèi)地表及近地表的溫度、濕度、風(fēng)速、氣壓等氣象參數(shù)變化。其次，這些地表氣象參數(shù)會直接影響近地表的地震波傳播特性（如速度、衰減）。然后，將預(yù)測的氣象參數(shù)場作為邊界條件或輸入因素，結(jié)合地震波傳播數(shù)值模擬方法（如有限差分法、有限元法），預(yù)測這些氣象參數(shù)變化對地下一定深度范圍內(nèi)地震波旅行時、能量衰減等的影響。最后，分析這些預(yù)測影響，識別出哪些區(qū)域可能因氣象條件變化導(dǎo)致地震波場畸變減小或反射信號增強，從而判斷這些區(qū)域未來進行地震勘探或鉆探可能更有利。7.解析：計算復(fù)雜性是指衡量一個計算問題或計算算法所需資源（通常指時間和空間）隨問題規(guī)模增長而增長的趨勢或階數(shù)。評估地質(zhì)勘探計算方法的適用性時，需要考慮其計算復(fù)雜性。低復(fù)雜度的算法意味著計算速度快、內(nèi)存需求小，更適合處理大規(guī)模、實時性要求高的地質(zhì)數(shù)據(jù)（如地震資料處理）；高復(fù)雜度的算法可能在處理小規(guī)?；蚓纫髽O高的問題時表現(xiàn)優(yōu)異，但對于大規(guī)模數(shù)據(jù)可能耗時過長或內(nèi)存不足，因此需要根據(jù)實際需求和可用計算資源選擇合適的算法。8.解析：流程：首先，對原始地震數(shù)據(jù)（如道集數(shù)據(jù)）進行預(yù)處理，包括去噪、道均衡等，以提高數(shù)據(jù)質(zhì)量。其次，選擇或計算地震數(shù)據(jù)的各種屬性，如振幅、頻率、相位、統(tǒng)計屬性（如能量、熵）、子波屬性等。這些屬性反映了地震波在不同地質(zhì)界面或地質(zhì)體上的響應(yīng)特征。然后，利用計算方法（如濾波、模板匹配、模式識別、機器學(xué)習(xí)等）對提取的地震屬性進行分析，識別不同屬性值或?qū)傩越M合所對應(yīng)的地質(zhì)現(xiàn)象，例如區(qū)分不同巖性、識別斷層、檢測鹽丘等。最后，根據(jù)屬性分析的結(jié)果，對地震數(shù)據(jù)解釋進行約束或輔助，提高解釋的準確性和可靠性。9.解析：*數(shù)值模擬方法：如有限差分、有限元、有限體積法等，可用于模擬地震波在復(fù)雜介質(zhì)中的傳播（全波形反演），模擬地下水流動和溶蝕作用（地下水模擬），進行地質(zhì)力學(xué)建模等。*最優(yōu)化方法：如梯度下降、遺傳算法、粒子群優(yōu)化等，可用于地震數(shù)據(jù)處理中的參數(shù)估計（如速度分析、參數(shù)反演），模型參數(shù)優(yōu)化，資源優(yōu)化配置等。*機器學(xué)習(xí)方法：如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、支持向量機、隨機森林、克里金插值等，可用于地震屬性提取與分類，巖性識別，儲層預(yù)測，異常檢測，地震資料解釋輔助等。三、計算題（共15分。）10.解析：*方法一（基于時深轉(zhuǎn)換和均勻介質(zhì)）：假設(shè)層1是均勻介質(zhì)。A點到界面距離s_A=200m，B點到界面距離s_B=600m。A、B兩點間在層1中的水平距離d=1000m。根據(jù)直角三角形，A、B兩點間在層1中的垂向距離h滿足h^2+(d/2)^2=s_B^2，即h^2+500^2=600^2，解得h=sqrt(600^2-500^2)=sqrt(360000-250000)=sqrt(110000)=100*sqrt(11)m?？偞瓜蚓嚯xH=h+200+600=100*sqrt(11)+800m。總水平距離D=1000m。平均速度V_avg=D/sqrt(H^2+D^2)=1000/sqrt((100*sqrt(11)+800)^2+1000^2)。但此方法假設(shè)層1均勻，且未考慮層2、層3速度。更準確的方法是分段計算。*方法二（分段計算）：A點位于層1，深度d_A=200m。B點位于層1，深度d_B=600m。A、B兩點間在層1中的水平距離為1000m。計算直達波旅行時，需要考慮波從A點出發(fā)，穿過層1，到達B點的路徑。最短路徑（直線路徑）的垂向深度變化為d_B-d_A=600-200=400m，發(fā)生在層1。水平距離為1000m。路徑長度L=sqrt((400)^2+(1000)^2)=sqrt(160000+1000000)=sqrt(1160000)=1000*sqrt(1.16)m。旅行時T=L/v1=sqrt(1160000)/1500=1000*sqrt(1.16)/1500秒。或者T=sqrt(400^2+1000^2)/1500=sqrt(1160000)/1500=1000*sqrt(1.16)/1500=2/3*sqrt(290)/15秒。（注意：此計算假設(shè)A、B兩點均在層1中，且直達波沿直線傳播。實際地震波路徑可能更復(fù)雜，可能涉及折射和反射。此題簡化模型下計算。）四、綜合應(yīng)用題（共25分。）11.解析：(1)提升信噪比的計算方法：*濾波：應(yīng)用傅里葉變換進行頻率域濾波（如帶通濾波去除特定頻率成分的噪聲），或使用空域濾波器（如均值濾波、中值濾波去除隨機噪聲或線性噪聲）。這些濾波器設(shè)計和應(yīng)用涉及大量的數(shù)學(xué)運算和算法實現(xiàn)。*降噪算法：應(yīng)用小波變換、經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解（EMD）或其自適應(yīng)算法（如EEMD）進行多尺度降噪，能有效區(qū)分信號和不同類型的噪聲。*壓縮感知：如果知道地震信號在某個變換域（如小波域）具有稀疏性，可以使用壓縮感知理論，通過采集少量測量數(shù)據(jù)，再利用優(yōu)化算法（如l1范數(shù)最小化）重構(gòu)出高精度信號。(2)壓制多次波的計算技術(shù)手段：*反褶積：應(yīng)用迭代反褶積方法（如預(yù)測反褶積、最大似然反褶積）來補償記錄中的反射波和部分多次波，特別是近偏移距多次波。算法的設(shè)計和參數(shù)調(diào)整是計算科學(xué)的關(guān)鍵部分。*多次波消除算法：使用基于理論模型的方法（如射線理論方法、波動方程方法）預(yù)測并消除特定類型的多次波。這需要強大的計算能力來模擬射線追蹤或波動方程的傳播。*統(tǒng)計方法：應(yīng)用統(tǒng)計模型（如基于稀疏性、基于稀疏表示或基于機器學(xué)習(xí)的方法）來識別和分離多次波信號，通常需要復(fù)雜的優(yōu)化算法進行求解。*差分偏移：通過對共偏移距道集進行差分操作，可以有效壓制與主同相軸能量相近的多次波。(3)地震屬性提取及對油氣藏識別的潛在幫助：*提取的屬性：*振幅屬性：如絕對振幅、振幅變化率、梯度振幅、球狀振幅等?？梢詭椭R別烴類指示礦物（如鹽、碳酸鹽）或流體接觸面。*頻率屬性：如主頻、頻帶能量、頻率變化率等?？梢詭椭鷧^(qū)分不同巖性和流體類型。*相位屬性：如相位變化、相位譜等。可以幫助識別斷層、鹽丘等復(fù)雜構(gòu)造。*統(tǒng)計屬性：如能量、熵、峰度、峭度等。可以反映巖性的變化和孔隙度的信息。*復(fù)數(shù)地震道屬性：如共諧振道、共空間相位道、希爾伯特變換振幅/相位等，能提供更多關(guān)于巖性和流體的信息。*對油氣藏識別的幫助：特定的地震屬性組合（如高振幅、低頻率、特定相位變化）通常與油氣藏的存在密切相關(guān)。通過計算方法提取這些敏感屬性，并利用模式識別或機器學(xué)習(xí)算法分析屬性的空間分布和組合特征，可以有效地圈定潛在的油氣儲集體，評價儲層物性，甚至預(yù)測流體類型。(4)實施計算方法時可能遇到的技術(shù)挑戰(zhàn)：*計算資源巨大：處理大規(guī)模地震數(shù)據(jù)（如幾TB甚至幾十TB）以及應(yīng)用復(fù)雜的算法（如全波形反演、深度學(xué)習(xí)模型）需要高性能計算集群或GPU服務(wù)器，計算成本高昂。*算法魯棒性與效率：許多先進的計算方法可能在理論上很完美，但在實際地質(zhì)背景下可能存在不穩(wěn)定性或收斂