典型构造地震波场的超声波物理模拟实验大纲与实验指导书(2014改)

应用地球物理教学实验中心开放性系列实验《典型构造地震波场的超声波物理模拟》实验大纲与实验指导书实验室：应用地球物理模型实验室编写人：薛建编写时间：2012年1《典型构造地震波场的超声波物理模拟》实验大纲教学单位：工程物探教研中心实验室：物理模型实验室学时/学分：16学时/1学分分组要求：每组3—5人实验类别：研究型实验开放学期：2012年10月—2015年12月面向专业：地球物理学专业、勘查技术与工程（应用地球物理方向）专业一、实验目的与任务1、通过实验，巩固地震勘探课程所学到的有关地震波运动学的理论知识，在实验中体验地震波的运动过程，认识各种典型地质构造所产生的典型的地震波场，认识背斜凸界面上反射波发散和向斜凹界面上反射波的收敛现象，认识断裂模型的断面波及断点绕射波、阶梯模型和脉状模型端点的绕射波及孔洞模型上的绕射波。2、通过实验，学生学习地震勘探物理模型实验仪器设备的原理和使用方法，学习物理模型的设计、制作方法和数据采集方法。3、该实验培养学生动手设计和制作物理模型和开展模型实验的能力，培养学生运用相关的理论知识分析不同构造模型的地震波运动特点的能力，为今后开展更深层次的研究打下基础。二、实验内容1、提供的物理模型为：背斜物理模型、向斜物理模型、断裂物理模型、阶梯物理模型、孔洞物理模型和脉状物理模型，自由选择5个物理模型开展自激自收观测实验；2、运用地震勘探理论知识，分析物理模型的地震波场，指出不同构造物理模型的观测要点及与地震波场的对应关系；3、说明构造模型反射界面的反射波同相轴特征；4、根据要求编写实验报告。2三、实验场地、仪器设备和所用耗材1、实验室：地球物理模型实验室（地质宫111室）2、仪器设备：地震勘探超声波物理模型实验系统3、所需耗材：有机玻璃板（1000*300*3mm）3张，AB胶3盒，矽钢箔或锡箔（300*100*0.1mm）6张，胶皮手套5付，脱脂棉1卷，复印纸2包。四、考核方式据对实验原理的理解程度、实验步骤的正确性、实验的质量、实验进度、实验报告质量、人员及仪器设备安全等项综合评定实验分数，满分100分。核分标准如下：（1）实验原理理解程度占总分10%（2）实验步骤正确性占总分20%；（3）实验结果正确性占总分20%；（4）实验报告编写质量占总分10%；（5）独立分析问题解决问题的能力占总分25%；（6）实验态度及实验纪律占总分5%（7）人员及仪器设备安全占总分10%。五、注意事项1、开展实验时应远离模型水槽，避免不慎跌入造成人员伤害；2、实验时戴胶皮手套，防止仪器漏电或人身静电对操作员或仪器设备造成伤害；3、严格按照实验指导书或操作流程的要求开启或关闭仪器，不能随意开启实验室的其他设备。4、实验态度端正，实验过程严谨，遵守实验室各项规章制度。六、相关知识及参考书1．要求具备地震勘探物理模型实验及地震勘探理论的相关知识；2．参考教材（1）《地震勘探物理模型实验指导书》，薛建，2012年。（2）《地震勘探》，何樵登、韩立国、王德利，2009年。3《典型构造地震波场的超声波物理模拟》实验指导书一、实验原理构造物理模型的超声波模拟实验，是将实际地质构造按一定的比例尺缩小，采用金属片等材料按照相似性准则制作成物理模型粘贴在有机玻璃薄板上，用压电晶体换能器模拟炸药震源和地震检波器，用超声波模拟地震波，在实验室里开展地震波的运动学与动力学研究的一种实验方法。采用超声波在物理模型上的传播模拟地震波在真实地质构造中的传播，在模型材料和换能器的选择上要满足相似性准则。对于多层介质模型，相似性准则可用下式表示：式中：ρ1为第一层介质的密度，ρ2为第二层介质的密度；λ为波在介质传播的波长；h为界面厚度；Vp为纵波速度，Vs为横波速度；Vp1为第一层介质的纵波速度，Vp2为第二层介质的纵波速度。对于薄板物理模型，如果入射波波长λh1+h2（其中h1为薄板厚度，h2为贴片厚度），两层介质粘合部位的合成纵波速度和横波速度可由以下公式描述:hhhVphVpVp2211222111222hhhVshVsVs2211222111222式中：h1、h2为两种介质的厚度；ρ1、ρ2为两种介质的密度；Vp1、Vp2为两种介质的纵波速度；Vs1、Vs2为两二种介质的横波速度。构造物理模型的观测有自激自收观测和多次覆盖观测两种方法，自激自收观测是4将发射探头和接收探头捆绑在一起，按设计的点距在模型观测面上逐点移动接收超声波；多次覆盖观测是将发射探头固定到激发点上，将接收探头按设计的偏移距和道间距沿测线逐点移动接收超声波。当一个排列接收完成后，移动发射探头和接收探头到下一排列位置，重复上述过程直到完成整条测线的观测。二、实验目的1、通过实验，巩固地震勘探课程所学到的地震波运动学的理论知识，在实验中体验地震波的运动过程，认识各种典型地质构造所产生的典型的地震波场，认识背斜凸界面上反射波发散和向斜凹界面上反射波的收敛现象，认识断裂模型的断面波及断点绕射波、阶梯模型和脉状模型端点的绕射波及孔洞模型上的绕射波。2、通过实验，学习地震勘探物理模型实验仪器设备的原理和使用方法，学习物理模型的设计、制作方法和数据采集方法。3、通过实验，培养设计、制作物理模型和开展模型实验的能力，培养运用相关的理论知识分析不同构造模型的地震波运动特点的能力，为今后开展更深层次的研究打下基础。。三、实验内容1、提供的物理模型为：背斜物理模型、向斜物理模型、断裂物理模型、阶梯物理模型、孔洞物理模型和脉状物理模型，自由选择5个物理模型开展自激自收观测实验；2、运用地震勘探理论知识，分析物理模型的波场特点，指出不同构造物理模型的观测要点及与地震波场的对应关系；3、说明构造模型反射界面的反射波同相轴特征；4、根据要求编写实验报告。四、实验仪器超声波模型实验系统由瞬态波形记录仪，高压脉冲发射源，前置放大器，压电晶体换能器，微机及三维坐标自动扫描等模块组成，逻辑原理见图1所示，各模块电路原理及作用如下：5图2高压脉冲发射源1、超声波高压脉冲发射源，用于产生幅度为300—700V，重复频率25Hz的高压窄脉冲。电路原理见图2所示。2、压电晶体换能器薄板物理模型观测使用的压电晶体换能器是一种将纵波和横波组合在一起的换能器，他由两块压电陶瓷和一块等腰三角形有机玻璃片按照图3(A)方式组成，在探头上设置有P波和S波观测转换开关，分别进行P波发射P波接收或S波发射S波接收方式的切换。换能器的指向性如图3(B)所示，在P波发射P波接收时，震动点处的能量以P波为主，指向下方，S波分布在两侧；在S波发射S波接收时，震动点处的能量以S波图1超声波模拟实验逻辑原理图6图5数据采集原理逻辑框图图3换能器的结构及其指向性示意图为主，指向下方，P波分布在两侧。3、前置放大器前置放大器用于放大接收到的超声波，滤除干扰波。它由低噪声放大器、高通滤波器和低通滤波器组成。前置放大器的基本构成和原理如图4所示。4、瞬态波形记录仪图4放大器基本构成和原理7瞬态波形记录仪的主要作用是将前置放大器输出的模拟信号按照采样定律量化成二进制数码，并通过接口传输到微机进行显示和数据处理。一个16位A/D的数据采集仪原理见图5所示。五、实验步骤1、用软质将物理模型垫至与换能器同一高度上，在物理模型的观测面上均匀涂抹凡士林；2、连接发射探头到高压脉冲发射装置，打开装置的电源开关；连接接收探头到前置放大器，打开装置电源开关；3、启动微机进入Windows2000操作系统；4、打开E1421B波形记录仪电源开关；5、双击数据采集软件图标，在“参数设置”项设置采集参数，然后点击“确定”存储参数，采集参数如下：（1）采样长度：2048（2）采样频率：2.5MHz（3）采样方式：手动（4）观测系统：端点放炮（5）测线数：1（6）炮线数：1（7）炮间距：20（8）道间距：5（9）每线道数：24（6次覆盖时）或100（自激自收时）6、点击“开始”—“程序”—“VXIPNP”—“HPE1437”—“HPE1437FrontPanel”,进入前面板工作窗口。设置前面板参数，然后，点击“Start”按钮及“AutoZero”按钮。前面板参数如下：（1）InputRange:2.56V；（2）AcquisitionSamplefreq:20480000BlockSize:4096（3）TriggeType：External8（4）MeasurementMode:Timedomain（5）DisplayY-PerDiv:0.1Y-RefPosition:centerX-PerDiv:0.00001X-RefPosition:left（6）MarkerMode：on7、将发射换能器放到激发点位置，接收换能器放到第一个接收点位置，换能器与模型要紧密接触；8、观测前面板上的波形，当波形正常时（幅度大，漂移小，信号稳定），点击数据采集软件中的“数据采集”—“正常采集”，采集一道记录；9、移动接收探头到下一观测点，采集下一道记录，直到完成整条剖面的数据采集；10、点击采集软件中的“文件”按钮，以SEGY格式存储数据；11、完成各实验模型的地震波场特征分析，编写实验报告。六、注意事项1、开启实验设备的顺序为：（1）高压脉冲发射源电源开关；（2）前置放大器电源开关；（3）微机电源开关；（4）瞬态波形记录仪电源开关。2、关闭实验设备的顺序为：（1）高压脉冲发射源电源开关；（2）前置放大器电源开关；（3）瞬态波形记录仪电源开关；（4）微机电源开关。3、实验过程中，换能器与模型表面要紧密接触，要及时涂抹凡士林，保证换能器与模型表面的良好耦合。4、如果出现废道，要立即使用“单道重采”功能重新采集该道记录。5、在连接高压脉冲发射源插头时要注意戴胶皮手套，避免仪器漏电或人体静电对人员与仪器的伤害。6、实验中不得用力按压换能器，避免对压电晶体造成损坏。7、严格遵守实验室的各项规章制度，不得在实验室吸烟，实验结束后清理实验台并打扫卫生。9七、实验报告实验题目典型构造地震波场的超声波物理模拟实验实验人员姓名：学号：专业：姓名：学号：专业：姓名：学号：专业：姓名：学号：专业：姓名：学号：专业：姓名：学号：专业：实验室地质宫111实验时间年月日至年月日实验内容完成情况（教师填写）实验成绩指导教师10各种波的运动学特点从波在出现的时间、传播速度、视频率和能量分布上描述实验中所见到的各种类型波：（1）直达波（2）面板（3）一次反射板面波（4）绕射波（5）边界干扰波纵波速度计算11背斜模型的地震波场分析12向斜模型的地震波场分析13断层模型的地震波场分析14阶梯模型的地震波场分析15楔形模型的地震波场分析16孔洞模型的地震波场分析17岩脉模型的地震波场分析