地球物理概論

地球物理是什麼？

使用哪些方法？

地球物理技術通過測量地表的物理性質來推斷地下的結構。主要可分為地震、位能場與熱流三大類方法。

如何解譯地球物理資料？

從觀測數據到地下地質模型，我們主要使用兩種互補的解譯方法：正演模擬與反演。

正演模擬 (Forward Modeling)

問：「如果地下長這樣，我會測到什麼？」

正演是基於一個假設的地下模型，計算其理論響應，並與實際觀測數據比較。解譯者反覆調整模型，直到理論與觀測匹配為止。

反演 (Inversion)

問：「我測到了這些數據，造成它的地下結構是什麼？」

反演是將觀測數據作為輸入，通過數學演算法直接求解，從而產生一個能夠解釋這些數據的地下模型。

解譯的黃金法則：約束 (Constraints)

地球物理是一種間接觀測，因此單一數據可能有多種解釋。為了得到最可靠的結論，我們必須使用**約束條件**來縮小解釋的可能性。這些約束可分為三個層級：

在各領域的工程上有何應用？

地球物理方法以其非破壞性、高效率和覆蓋範圍廣的優勢，在多個工程領域中扮演著不可缺的角色。

地球物理資料處理

在開始處理地球物理資料之前，我們需要建置一個合適的科學計算環境。以下提供了兩種主要路徑：(A) 本機環境安裝，適合希望深入了解環境配置的學習者；(B) 雲端 Codespaces 環境，推薦給所有學生，尤其是初學者，可以跳過繁瑣的安裝步驟，直接開始學習。

A. 本機環境安裝 (Local Installation)

1. 基礎軟體安裝

請先至官方網站下載並安裝以下兩個基本軟體：

• 程式碼編輯器: Notepad++ (建議下載 npp.8.7.Installer.x64.exe 或更新版本)
• Python 環境管理器: Miniconda (建議下載 Miniconda3-latest-Windows-x86_64.exe)

2. Conda 環境與套件安裝流程

安裝 Miniconda 後，請從開始功能表開啟「Miniconda Prompt」(或 Anaconda Prompt)，並依照順序複製、貼上並執行以下指令。這將會建立一個名為 pygmt 的獨立 Python 環境，並安裝所有核心套件。

# --- 步驟 1: 設定 Conda 優先頻道 (建議執行) ---
conda config --prepend channels conda-forge

# --- 步驟 2: 建立名為 pygmt 的新環境 ---
conda create --name pygmt python=3.9 numpy pandas xarray netcdf4 packaging gmt

# --- 步驟 3: 啟動 (Activate) 新建立的環境 ---
conda activate pygmt

# --- 步驟 4: 在 pygmt 環境中安裝主要套件 ---
conda install pygmt
conda install obspy
conda install jupyter

# --- 步驟 5: 使用 pip 安裝額外套件 ---
pip install streamlit matplotlib
                

3. Jupyter Notebook 使用教學

安裝好環境後，Jupyter Notebook 是進行資料分析、程式編寫與製作報告的絕佳工具。請在已啟動 pygmt 環境的終端機中，輸入 jupyter notebook 來啟動。

B. 雲端環境 (GitHub Codespaces) - 推薦

GitHub Codespaces 提供了一個強大的雲端開發環境，讓學生無需在本地電腦安裝複雜的軟體，就能直接在瀏覽器中進行課程實驗與作業，大幅降低了入門門檻。

1. 為什麼用 Codespaces？

• 免安裝：學生不用在自己的電腦上掙扎於安裝 Python、ObsPy、PyGMT 等大型套件。
• 環境一致：每位學生打開的都是完全相同的雲端環境，避免了「老師的電腦可以跑，我的電腦卻出錯」的常見問題。
• 整合雲端 VSCode：直接在瀏覽器中提供功能齊全的 VSCode 編輯器，完美支援程式撰寫、Jupyter Notebook 互動操作與終端機指令。
• 即時協作：老師或助教可以透過連結直接進入學生的 Codespace 環境，即時進行指導與除錯。

2. 教學設計與協作流程

(A) 老師的準備工作：建立課程模板

老師需要在 GitHub 上建立一個公開 (Public) 的課程專用 Repository，例如 https://github.com/cwbdayi638/geophysics-class-2025。這個 Repo 將作為所有學生的課程模板，其中包含：

geophysics-class-2025/
├── .devcontainer/
│   └── devcontainer.json  # Codespaces 環境設定檔
├── data/                  # 存放地震資料 (miniSEED, CSV 等)
├── notebooks/             # 存放 Jupyter Notebook 範例
└── hw/                    # 存放作業說明與範例

最重要的部分是 .devcontainer/devcontainer.json 檔案，它定義了 Codespace 啟動時的環境配置。老師可以在此指定所需的 Python 版本、要自動安裝的套件，以及推薦安裝的 VSCode 擴充功能。

(B) 🧭 學生的操作流程：Fork 與 Pull Request

這套流程非常適合大班課程，老師只需維護一個公開 Repo，學生即可透過 Fork 功能建立個人副本來完成作業。

1. Fork 課程 Repo： 進入老師提供的課程 Repo 網址:https://github.com/cwbdayi638/geophysics-class-2025，點擊右上角的 Fork 按鈕，在自己的帳號下生成一份完全相同的副本。
2. 建立 Codespace： 進入自己帳號下的 Fork Repo，點擊綠色的 <> Code 按鈕 → Create codespace on main，等待約 1-2 分鐘讓雲端環境自動安裝完成。
3. 完成作業： 在 Codespace 中，打開 notebooks/ 或 hw/ 資料夾，編寫程式碼與 Notebook。完成後，使用終端機儲存並推送 (push) 變更到自己的 Fork Repo。
   git add .
git commit -m "完成 HW1"
git push
4. 繳交作業 (建立 Pull Request)：
   • 回到 GitHub 上自己的 Fork Repo 頁面，會看到一個 "This branch is 1 commit ahead of..." 的提示，點擊右側的 Contribute → Open pull request。
   • 確認 Base Repository 是老師的 Repo，而 Head Repository 是自己的 Fork Repo。
   • 仔細填寫 PR 的標題與內容，說明作業目的、方法、附上結果圖，並寫下自己的觀察與討論。
   • 點擊 Create pull request，即可將作業繳交給老師。
5. 接收批改與回饋： 老師會在 PR 頁面中直接留言、批准作業 (Approve) 或要求修改 (Request changes)。如果需要修改，只需在 Codespace 中更新程式碼並再次 Push，PR 的內容就會自動更新。

3. 課程應用範例

1. 地震波形處理

學生可以直接在 Notebook 中執行 ObsPy 程式碼來讀取和繪製地震波形，並進行濾波、震相辨識等練習。

from obspy import read
st = read("./data/earthquake.mseed") # 讀取老師準備好的資料
st.plot()

2. 地圖與震央定位

使用 PyGMT 繪製台灣地圖，並將地震震央位置標示出來。

import pygmt
fig = pygmt.Figure()
fig.coast(region=[119, 123, 21.5, 25.5], projection="M12c", shorelines=True, frame=True)
fig.plot(x=[121.6], y=[24.0], style="c0.3c", color="red")
fig.show()

4. 延伸應用

• 自動化作業分發： 老師可以使用 GitHub Classroom，讓每位學生點擊連結後，都能自動建立一個含有 Codespaces 配置的個人作業 Repo。
• 期末專案協作： 小組成員可以共用同一個 Codespace 環境，進行數據分析、模型建立與繪圖。
• 互動式報告展示： 學生可以在 Codespace 中使用 Streamlit 或 Gradio 建立一個互動式網頁應用，並在課堂上直接啟動服務進行展示。