2浅层地震反射方法及数据处理及数据处理刘云祯.docx
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2浅层地震反射方法及数据处理及数据处理刘云祯
浅层地震反射方法及数据处理研究
刘云祯
[提要]本文根据“浅层地震反射方法与数据处理研究”总报告撰写而成。
文中总结了该项目由研究浅层地震反射的多次覆盖技术开始,到该项技术成功地应用于复杂地基勘察,并取得成效的过程。
共列举了工程实例11个。
研究内容涉及现场工作方法、震源、地震数据的采集格式、地震数据的数字磁盘采集及地震数据的微机现场处理研究等方面。
该项目的研究成功和推广应用,可为提高勘测成果质量、缩短勘探周期、降低勘探费用发挥明显的作用,并具有显著的经济效益。
一、序言
“地震浅层反射方法及数据处理研究”是“七五”国家科技攻关项目“高坝坝基勘测新技术研究”中的一个研究项目,系统编号为:
17—3—l—(3)。
(一)项目立题时的国内外状况
地震浅层反射方法及数据处理研究项目包括两部分内容:
①野外浅层地震反射方法;②数据采集与处理。
国外在野外浅层地震反射方法的研究方面,80年代初开始有较大进展。
如加拿大、美国等采用窗口法,进行了等偏移距方法的采集研究与应用;但在数据采集与处理方面利用苹果II型微机,处理功能是只能对等偏移3E采集的地震资料作些简单处理。
国内地矿部、铁道部和煤炭部对深层和中浅层野外地震反射方法的研究采用CDP水平这加方法,由于其勘探深度大,因而地震设备规模大:
在数据采集与处理方面,采集用磁带机,处理要在有关计算站(或计算中心)处理。
80年代中期,地矿部对浅层地震反射资料处理软件开展研究,进行了由68000微机向长城0520微机移植浅层反射软件的工作,野外采集用磁带机,处理时由磁带再转成软盘,处理时所用微机需要有硬盘支持。
国内水电系统,1984年在龙羊峡和1985年在东北镇西坝址等工地用窗口法做了论证性的现场试验;资料处理是用手工绘图的办法。
综上所述可能看出:
在确立浅层地震反射方法及数据处理研究项目的同期,国内外对该项目的研究也处在起步研究的阶段。
(二)项目攻关的考核目标
考核目标主要有两个方面的内容:
①野外浅层地震反射方法研究;②数据采集与处理研究。
1.野外浅层地震反射方法研究方面
根据高坝坝基勘探深度的需要(几米至一百米左右)攻关研究野外工作方法和震源。
目标是:
提出适合水电工程勘探的,能形成生产力的野外工作方法和使用的震源。
2.数据采集与处理研究方面
考核目标是研究出地震记录的软磁盘采集系统,并用于80年代以来国内引进的ES—1210地震仪的改造,使之达到地震数据的数字软磁盘采集。
针对在野外现场还不能进行数据处理的现状,攻关的主要内容是实现地震数据处理的微机化,考核目标是处理功能达到CDP迭加的水平。
(三)攻关实现的目标
1.野外浅层地震反射方法研究方面
(1)在窗口法的基础上,应用研究了等偏移距方法、CDP水平迭加方法,以及CDP水平送加与准共反射段相遇排列测深法相结合的方法。
并针对“六·五”期间我部系统的空白点,也是深山峡谷厚覆盖的复杂地基勘探迫切需要的CDP水平迭加方法,进行重点研究。
已实现该方法转化生产力的目标,勘探深度已获得4m至280m深度范围的资料。
并结合东北松山引水洞线勘探工程、四川紫坪铺水库堆积体厚度勘探工程及山东龙口煤田勘探等工程进行应用,有效地完成了工程地质任务,缩短了工期,降低了工程造价,提高了勘测成果的质量。
在方法的应用研究中,引进轻便覆盖电缆应用于浅层地震反射方法中,在结合工程的应用研究中曾获得日作业130炮的记录,是我部现生产定额的5倍,大大提高生产效率。
(2)仿制震源枪并用于现场试验。
震源枪激震指向性强、频率高、产生的面波干扰小,而且对施工环境震动影响小,是浅层地震勘探方法中的理想震源之一。
截止1990年3月已有核工业华东局270研究所、石油部管道局物探队等4家单位购置震源枪和索取震源枪图纸资料。
2.数据采集与处理研究方面
(1)ES磁盘采集接口研制成功,应用于紫坪铺水库堆积体勘探等工程,性能稳定、不漏道、不漏点、不误码,已超过部级鉴定,并获能源部科技进步四等奖。
该成果鉴定后,根据用户要求进行优化设计,并进行了采集与处理的一体化研究,形成采集处理系统化,受到用户欢迎。
在鉴定后—年多的时间里为机械电子工业部等物探队安装8台,节约外汇11.9万美元。
(2)数据处理功能达到CDP水平送加的功能,而且具有较强的和方便的显示、打印功能。
处理软件所用微机为通用的便携式IBMPC兼容机,无需硬盘支持即可运行。
这样便携式微机与便携式地震仪形成系统,采集与处理同时在现场即可完成。
改变了采集在现场,处理在中心的局面,这样也就避免了因采集与处理不协调而造成的返工现象。
现场数据处理对于浅层地震反射方法的深入研究具有重大意义。
综上所述可以看出:
浅层地震反射方法及数据处理研究的攻关目标已经完全实现,其中ES软磁盘采集与处理系统一体化的研究和便携式微机浅反数据资料处理的研究居国内领先地位,并达到国际80年代先进水平。
(四)完成的科研报告
科研报告包括总报告和分报告两部分。
对于ES磁盘采集系统和CSP浅反处理软件,应用户的要求和标准化设计的需要,不仅完成研究报告,还编写了操作手册。
具体报告如下:
1.总报告部分
(1)浅层地震反射方法及数据处理研究科研成果总报告(北京院)
(2)浅层地震反射方法及数据处理研究图集(北京院)
2.分报告部分
(1)CSP处理系统与程序设计成果报告(核工业北京地质研究院和北京院)
(2)CSP处理系统软件操作手册(北京院和核工业北京地质研究院)
(3)ES磁盘采集系统成果报告(北京院)
(4)ES磁盘采集操作手册(北京院)
(5)水域浅层反射野外方法技术报告(长办物探队)
(6)镇西坝址、松山洞线地震反射法试验报告(东勘院)
(7)紫坪铺水库工程堆积体应用研究报告(北京院)
(8)十三陵抽水蓄能电站下池应用研究报告(北京院)
(9)浅层反射波法数据处理系统研究报告
(二)(成勘院、成地院)
二、现场工作方法
现场浅层地震反射方法的研究,在“七·五”以前的进展概况是:
由部规划院组织的浅反科研组于1984年在青海龙羊峡和1985年在东北镇西坝址进行等偏移距方法的试验工作。
其做法是根据最佳“窗口法”,采用等偏移距方法进行了试验。
这种方法一般适用于比较简单的地质一地震条件,且有效波信噪比比较高的情况下。
该方法的优点是:
现场工作方法简单,取得的资料可以不经过数据处理,用手工解释提供地质剖面。
该方法的缺点是:
①在地形地质条件较复杂的地区,这种方法不能奏效;②由于偏移距与被探查的界面埋深有直接关系,界面埋深大偏移距要选大一些,反之则反,因而在探查界面埋深变化大的测线,偏移距需要改变,但这种认识往往是施工完后才会发现,这样就需要重新补充现场工作量;⑥等偏移距方法在施工中每激发一次,仅得到一道有效波记录,对现场使用的12道(或24道)地震仪而言不经济。
这种状况不能满足高坝复杂地形地基勘探工作的需要。
鉴于这种状况,“七·五”确立了“浅层地震反射方法及数据处理研究”项目。
我们重点研究适应水电工程复杂地基勘探需要的浅层地震反射方法。
水电工程地基勘查与对深层油气构造和中深层矿藏勘查不同,有其特殊的要求,主要表现在:
勘查深度浅,一般在几米至一百米左右;
勘查的目的层薄且横向变化大;
深山峡谷地形地质条件复杂;
各种干扰波对有效波影响大;
水上施工河道狭窄,深浅变化大且流速大。
以上诸特点要求水电浅层地震反射方法要研究分辨和设计合理的观测系统,达到突出有效反射波,提高信噪比的目的。
现场工作方法的研究重点放在以下三方面:
①CDP水平迭加方法试验研究;②震源试验研究;②横波反射方法试验研究。
(一)CDP水平迭加方法试验研究
CDP水平送加方法,现场施工时是在不同激发点、不同接收点上接收来自相同反射点的反射波,得到多张记录,抽出反射点相同的道集,经过静、动校正后进行迭加。
该方法的技术关键有两个方面:
①需要有能进行数据采集的地震仪和掌握浅层地震的数据处理技术;②需要研究水电浅层获得高分辨有效波的方法技术。
第①方面在数据采集与数据处理中阐述,第②方面总结的内容如下。
1.现场方法试验研究工作
CDP水平迭加方法的第一次试验工作于1987年5月20日开始,试验地点在十三陵抽水蓄能电站下池*。
之后,在东北镇西及松山洞线(东勘院物探队)、三峡乐天溪坝址(长办物探队)、甘肃碧口苗家坝、山东龙口煤田、四川紫坪铺水库工程堆积体等工程中进行试验研究和应用研究工作。
该方法对压制干扰波、提高信噪比具有良好的效果,尤其在高坝坝基复杂的地质环境中应用更具有突出作用。
工例简单介绍如下:
(1)东北松山洞线
东北松山洞线要求探查安山岩顶板埋深。
其上覆岩性为玄武岩,其波速大于安山岩波速,存在高速屏蔽现象。
不能用常规的初至折射波法探测安山岩顶板埋深,用浅层地震反射波法取得了较直观反映安山岩顶板起伏形态的双程反射时间剖面。
*文中未加注明处为我院承担完成的试验工作。
(2)三峡乐天溪
三峡乐天溪要求探查基岩埋深和盖层分层。
基岩岩性为花岗岩。
其上覆岩层由下而上依次是:
砂卵石层,速度为1620m/s;淤泥夹粉细砂,速度为1460m/s;江水速度为1480m/s。
若用初至折射法探查花岗岩埋深是可以做到的,但划分盖层层次则有困难,而采用浅层地震反射法取得了清楚的三个界面的双程反射时间剖面。
(3)紫坪铺水库工程
紫坪铺水库工程堆积体属冰川搬运而形成,分选性差。
属于深山峡谷厚覆盖的地形地质条件,地表地形平均坡度l6°,最大坡度30°。
已经采用过电法、α卡法等常规方法而不能奏效,用浅层地震反射法取得了断断续续的双程反射时间剖面图,达到了勘探工作的目的。
(4)山东龙口煤田
山东龙口煤田要求探查基岩埋深、四煤的分布及构造形态。
通过水平迭加方法取得了280m以上深度的目标层有效波,利用水平迭加时间剖面可以清楚地确定基岩、四煤的埋深和分布形态,同时也可以清楚地划分出测区内的构造位置。
这可为水电工程坝基下软弱夹层的探查提供经验。
2.现场工作中应注意的问题
CDP水平迭加方法工作中应该掌握的要点在以下几方面:
干扰波调查(或称展开排列);正确的观测系统设计;仪器设备参数选择;震源的选择与使用;数据的采集。
现分述如下:
(1)干扰波调查
选地形平坦、地质情况简单或有已知资料的地段进行单边或双边对称的展开排列试验。
根据取得的资料确定:
①最佳窗口:
亦即确定最小和最大偏移距、排列长度、道间距等;②仪器参数:
包括滤波档、采样率等;⑧最佳震源:
包括激发方式和激发深度等。
(2)观测系统设置
在干扰波调查资料的基础上,根据勘查工作的需要确定采用的观测系统,是单次覆盖,还是多次覆盖。
工作中以CDP水平迭加方法为主,以互换反射测深法和展开排列测深法为辅的观测系统,是较为适用的。
在水域上没有面波干扰,偏移距很小或者为零。
在顺江做CDP水平迭加工作时,采用定位采集的办法实施。
3.仪器参数选择:
增益:
高增益,在噪音背景小的地方多选用54db、60db:
滤波档:
在满足有效波信噪比的条件下,滤波频率选高一些为好,有利于压制面波和与有效波存在频率差异的干扰波;
采样率:
高采样率,一般为0.1~0.5ms。
(二)震源试验研究
在陆地上试验时,用锤击、小药量爆炸和猎枪弹三种震源,在水域则用电火花(128~2000J)和小药量爆炸(25g)等震源。
1.锤击震源:
优点是方便、廉价,虽然单次激发能量小,但多次激发可使有效信号增强,利于垂直迭加,一般情况下,可以获得几十米至一百米左右深度界面的反射波。
缺点是有较强的面波干扰。
2.小药量炸药震源
药量几十克至二、三百克,利用麻花钻或者钻杆打lm左右深度的孔,将药包放置孔底,用土或砂充填、压实,即可引爆。
在满足勘探深度要求的条件下,药量尽量小一些,或改善激发条件以增强激振效果,对于提高有效反射波的频率是有益的。
3.猎枪弹震源
是由仿制的震源枪激发12#猎枪子弹实现激振。
用麻花钻杆打1m左右深度的孔,孔径440mm左右,将安装好子弹的震源枪放入孔底,用撞针激发,同步触发信号是由震源枪横杆上的锤击开关送出。
这种枪震源面波干扰小。
施工时,向孔内注入些水,则可改善激发的耦合条件,大大提高激发能量和激发频率,实现高分辨率地震勘探的目的,是浅层地震反射勘探中的理想震源之一。
现在的震源枪使用12#子弹,其能量为2800J。
在激发条件较好的条件下,一次激发可以获得勘探50—60m深度的要求。
在激发条件不好和界面埋深较大时,这种震源弹的能量小了一些,要制作能量大一些的子弹。
通过震源的试验,可以看出:
浅层地震反射方法中,以采集有效波的质量来讲,枪震源优于锤击震源,锤击震源优于炸药震源。
但结合施工环境条件、赔偿涉及到的民事纠缠、火工器材购买手续复杂、施工安全等方面考虑,锤击震源是值得优先考虑和使用的震源。
水域浅层地震反射方法试验了电火花、小药量爆炸和雷管三种震源。
在河道较窄的条件下,采用带爆炸笼的小药量爆炸和电火花震源较为有利。
现场水上施工以钢丝绳固定排列,益于解决CDP水平迭加的归位问题。
在河道较宽阔,水面较平稳的河湖地段,震源以电火花为益,施工中拖带法具有高的工作效率。
(三)横波反射方法试验研究
我室1990年初在北京院院内设计科研楼地基处进行了横波反射试验。
结果表明:
由于横波速度较低,因而波长较短,横波勘探具有较高的分辨能力。
若横波与纵波联合使用,可以确定诸如杨式模量、刚性模量和泊松比参数等地质介质的弹性性质。
可以期望,横波勘探和纵波勘探结合使用,将会在现行地质几何界面探查的基础上,探查地质物性界面发挥显著作用。
1.横波的基本特征
介质在外力的作用下,会产生体变和切变,相庞地出现纵波和横波。
如果射线倾斜入射到地层分界面上,对于纵波(P),可产生反射和透射的P波和P—SV转换波;对于入射的横波(SH),则只产生SH波。
此外,SH波是平行界面极化的,拉夫面波质点振动也沿层面方向,会成为对接收SH波的干扰。
P波和SV波,瑞雷波都是在射线平面内极化的,原则上不能成为SH波的干扰。
因此,横波(SH)反射勘探可以较少被其他波干扰。
2.横波勘探的工作方法
(1)震源
采用叩板震源。
即将一块木板与测线垂直放置,敲击板的两端,产生SH波。
这种震源具有良好的方向性。
可以重复击震,利于多次垂直迭加。
缺点是较笨重。
(2)观测系统与设备
观测系统和测试方法均与纵波勘探类同。
不同的是将垂直检波器换成水平检波器;偏移距离和道间距小;以及可以改变震源的击发方向。
3.横放资料的处理和解释
(1)横波的识别
在进行横波资料处理时,首先要识别接收到的波是否为横波。
可用正、反向敲击是否反向来判断,如果不反相为纵波,否则为横波。
可以通过数据处理实现两张记录的相减或相加,使纵波和横波得到增强。
此外纵波能量较强,在入射角趋于临界角时。
反射系数明显上升,横波则随着远离震源反射系数逐渐下降,这也是区分P波与SH波的一个重要标志。
(2)资料的处理
横波资料的处理基本上与纵波处理的方法相同,但应针对横波低速等特点慎重选择参数。
横波受低速带和地形的影响比纵波严重,应做好静校正工作。
(3)资料的解释
①横波剖面的地质解释:
横波深度剖面和纵波一样,可以独立用于地质解释。
横波速度低会使波长减小,提高了分辨能力。
试验中获得的横波频率为80~100Hz,分层效果可以区分2.3m厚的亚粘土层顶底界面,与钻孔资料基本吻合。
②横波与纵波的综合解释:
纵波与横波具有不同的物性,二者联合应用能全面地反映地质体的性质,从而减少解释推断的多解性,提高勘探解释质量。
同时可提供工程所需的地质介质的弹性参数。
4.横波勘探与纵波勘探的比较
(1)勘探精度:
在覆盖层中横波与纵波的有效波频率一般可获得60~100Hz左右,而二者的波速差有5~10倍左右(试验剖面的Vs=200~300m/s,Vp=1000~1500m/s),其波长也相差5~10倍左右,因此,在软基勘探中横波具有较高的分层能力。
(2)由于液体在外力作用下不会发生切变,所以不产生横波。
因此在浅水面不会产生反射波,这样可以减少上部的干扰波。
(3)横波信号随着远离震源衰减较大,在目前叩板锤击条件下,勘探深度小于100m,而纵波的勘探深度则大于这个深度。
5.结论
(1)横波勘探是地震勘探的又一重要分科,在工程勘探中,横波勘探以其较高的分辨能力可以用来解决某些复杂的地质问题。
因此,尽快地开展横波勘探的应用工作是很必要的。
(2)横波勘探方法尚需进一步试验研究,开展室内模型试验等,以便逐步完善和掌握较系统的横波勘探方法,使之成为工程勘探领域,特别是软基和薄层地质勘探的有效手段。
三、数据采集与处理
(一)数据采集与处理引入浅层地震反射中的概况
在我国地震数据的采集与处理是石油勘探系统较早地进行与运用的。
他们针对的目标是深层地震反射,主要用于划分和确定油气构造。
使用的设备和软件全部是由国外引进,设备规模一般是几十万至几百万美元。
软件直接安装在计算机内,有的还需外国专家随机监护和咨询。
这种处理站(在我国均称为处理中心)一船建立在相应部门的基地。
野外资料采集是录制在磁带上,送回计算站处理。
深层地震反射方法应用的成功,对中、浅层地震反射方法的开展起了推动作用,相应的地震数据资料的采集与处理工作也提到日程上来。
“六五”后期地矿部着手研究反射处理软件移植到中小型机上运行的工作,针对的地质目标是中深层和中浅层,移植的机型是68000系列,现场采集设备为磁带机。
1987年石油系统大庆科委和石油管理局,针对中心处理站不适应野外施工和年、月捡需要送回处理站处理而影响工作的情况,开展了微机现场处理课题的研究。
他们的地质目标仍然是中、深层,处理机型是高档次微机,采集设备为磁带机。
深层和中深层数据处理的这种状况,不能适应浅层地震反射方法在工程勘察中的需要,其关键问题表现在以下几个方面:
①工程勘探的深度属于浅层,或者说是属于极浅层,一般深度在几米到一、二百米;
②以往的研究,有的软件虽然可以在现场处理,但所需机型仍然是车装规模,硬盘运行,磁带采集;
DMT—911磁带机不适用于浅层地震勘探的轻便要求;
水电系统地震仪设备的配置状况,大部分物探队均未配置磁带机,仅有几家有磁带机的单位,因为数据处理工作跟不上,所以自购置至今,也未能获得满意的成果。
因此研究能满足浅层勘探需要,轻型、方便、经济,在现场既能采集又能处理的系统是迫切需要的。
(二)数据采集与处理方案及功能
地震浅层反射的数据处理要考虑浅层的特点。
水电系统地震数据处理在“六五”期间是空白点,面对这种实际情况,在“七五”攻关研究中要解决的技术关键问题是:
1.首先要解决新引进的ES—1225地震仪的地震记录数据采集格式问题;
2.对早期引进的ES—1210地震仪实现地震记录的磁盘采集问题;
3.数据处理过程中大容量数据的存盘、调用及显示问题;
4.数据处理模块的组合、衔接及如何适应浅反方法的问题;
5.数据处理结果的剖面绘图问题;
6.处理设备轻便、可靠、通用、低价和处理软件的功能问题。
面对以上问题,我们进行了研究,并与一些处理站的工作相对照,对浅层地震现场处理系统开展研究,终于解决了上述问题,达到了原设计的技术指标。
研究的成果如下:
1.解译ES—1225地震仪的数据格式,并编写了与CSP软件的沟通软件。
在进行浅层地震方法与数据处理研究工作中,首先遇到的难题是对ES—1225地震仪采用Seisview软件采集的磁盘格式不清楚,这样数据处理软件的输入口则无法编写。
解译地震数据的磁盘记录格式难度较大。
我们过去仅是使用微机,而从不过问微机内数据流的排列和存储地址,因此解译格式是从地震记录的25561字节中,逐字节替换输入数据而完成的。
这为后处理工作的展开奠定了良好的基础。
2.ES磁盘采集接口和ES采集软件系统
ES磁盘采集的实现可以改变ES—1210地震仪配置DMT—911磁带机进行地震数据采集的局面。
DMT—911磁带数据采集与ES磁盘数据采集相比:
(1)数据格式:
DMT—9ll磁带机的数据格式,出厂时根据不同地震仪,有SEG—D、SEG—Y等格式,在计算站可以挂带直接处理,而利用微机处理需要做“带转盘”的转换;ES磁盘采集系统地震记录的格式为CSP—l格式和SEG—l格式,可直接利用微机和CSP浅反软件进行处理,无需做其他转换。
(2)耗电指标:
DMT—911电源为直流12V,需电流15~18A;ES系统需电流1~1.5A。
(3)体积:
DMT—9ll比ES磁盘采集系统大5~6倍。
(4)数据的后处理能力:
DMT—911本身无处理能力;ES系统配置8087数字协处理器及相应的处理软件,自身可以进行处理。
(5)价格指标:
DMT—911磁带机1986年美国报价为1.7万美元;ES系统费用为人民币1.5万元(内含一台能兼作数据处理用的便携式微机费1.2万元)。
ES—1210地震仪安装ES磁盘数据采集系统比配置DMT—911磁带机具有明显的优越性。
ES磁盘采集系统与近几年从美国新引进的ES—1225地震仪相比,在1989年5月经专家鉴定
测试(传输同样的12道×1024样点的数据块)结果为:
①数据传输耗时约为ES—1225的27%;
②屏幕图形显示时耗:
ES—1225系统约为120秒,而ES磁盘系统表现为按键瞬现;
打印记录时耗约为ES—1225系统的30%;
④改变增益重新屏幕显示,情况同②。
专家鉴定测试组意见为:
ES系统工作效率较ES—1225系统一般提高三倍多,某些方面的提高极大,且实用上具有重要意义。
3.CSP数据处理系统
(1)记录处理功能
格式转换、坏道坏炮的剔除、干扰波的切除、道增益、道反极性、记录拼接、记录截短、速度分析、频谱分析及滤波、增益控制、预测反褶积、互换反射测深法速度分析等。
(2)剖面处理功能
抽道、迭前地形校正、动校正、水平迭加、迭后地形校正、滤波、增益控制、截短、共图象迭加、利用CDP共炮点记录抽等偏移时间剖面等。
磁盘数据输入
↓
格式转换、记录头编辑
↓
显示
↓
记录预处理
切除、增幅、拼接、改极性、低速带与地形校正、预测反褶积、谱分析、滤波、均衡、存盘
显示
打印
↓
剖面处理
利用CDP记录抽共偏移距道集
频谱分析
速度分析
正反向速度分析
共图像迭加
↓↓↓
均衡
打印速度谱
显示
↓
滤波
↓
↓
滤波
采样并计算炮点下深度
存盘、打印
↓↓
低速带与地形校正
选择覆盖层数
抽CDP共反射点道集
↓
地形与时间剖面
动校正
↓
↓
显示
CDP水平迭加
↓
↓
存盘、打印
迭后地形校正
↓
滤波及增益控制
↓
地形与时间剖面
↓
显示
↓
存盘、打印
图1数据处理流程图
(3)显示与打印功能
显示屏设置1、3、7、12、24道及最多256道移动显示功能;绘图可选择记录和剖面两种绘图方式,绘制记录的幅度、长度、顺序可根据需要改变。
CSP处理系统对处理设备要求不高,用较为通用的IBMPC/
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- 地震 反射 方法 数据处理 刘云祯