XX 大 学
典型构造地震波场超声
波物理模拟实验
学生姓名：
指导教师：
201年 月
1 实验题目 典型构造地震波场超声波物理模拟实验
实验人员
姓名： 学号： 专业：
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实验室 实验时间 201
201
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。
2
对于薄板物理模型，如果入射波波长λ>h1+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为二种介质的横波速度。
对物理模型进行数据采集，可以获得与地震勘探相似的高频地震波场，用于研究地震波的运动学和动力学特征。
实验内容
1、 选择物理模型：背斜物理模型、向斜物理模型、断裂物理模型、尖灭物理模型、脉状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。
完成情况
（教师填写）
2013年11月，完成了实验原理的学习、仪器操作的培训和背斜、向斜、断裂、楔形和脉状物理模型的数据采集；2014年1月提交了初始报告，2014年4月提交了正式实验报告。实验学时达到16学时。
报告对各物理模型的地震波场进行了分析，表明对地震波的运动学特点有一定的掌握，但分析的细致程度不够，对产生特殊波动现象的原因解释不够，对地震波场描述有一定的错误。
实 验
成 绩
指 导
教 师
3
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
由压电晶体直接激发和接收，最先出现，传播速度较快，视频率较大，能量较大。
沿着模型观测表面传播的波，最先到达，传播速度较快，视频率介于面板与声波之间，能量不大。在自激自收剖面上直达波的同相轴呈直线分布，在多次覆盖剖面上直达波呈斜线分布。
（2）面波
主要在压电晶体浅层介质传播，紧随直达波出现，传播速度最快，视频率最高，能量最大。？？
沿着模型表面附件，质点呈椭圆形轨迹传播的波，紧随直达波之后出现，传播深度最慢，视频率最低，能量最大。在自激自收剖面上面波的同相轴呈直线分布，在单次覆盖剖面上呈扫梳状分布，有频散。
（3）一次反射板面波
在反射板反射后出现，传播速度最小，视频率最小，能量最小。
一次反射波在直达波之后出现，传播速度较快，视频率介于面波与声波之间，能量适中。在自激自收剖面上，模型上界面的一次反射波与模型界面相近，下界面的一次反射波由于金属贴片厚度的变化而变得复杂。一次反射波在单次覆盖剖面上呈双曲线状分布。
（4）绕射波
在介质端点出现，传播速度比一次面板反射波大，视频率比一次反射波大，能量比一次反射板面波大，小于直达波。
根据惠更斯原理，当波前面到达模型的端点时，端点可以看成一个新的电源，产生新的扰动向四周传播，即为绕射波。绕射波在间断点处出现，传播速度、振幅和视频率与一次反射波相近。
（5）边界干扰波
在玻璃板边界出现，传播速度，视频率，能量与绕射波相近。
4 纵波
速度
计算 tsv/
由背斜模型测量结果
取s=300mm，t=272μs；解得v=2206m/s
贴片部位的速度？
5
背
斜
模
型
的
地
震
波
场
分
析 模型及模拟结果如下图所示
模拟结果讨论：
①点为端点，在模拟图上表现为绕射波，振幅逐渐减小，末端有弯曲。
②点为水平反射面，在模拟图上表现为振幅不变的水平图像。
③点为端点，在模拟图上表现为绕射波，振幅减小，末端有弯曲。有两组绕射波向端点两侧延伸，两组绕射波的交叉点振幅相叠加形成一个“假背斜”。
④点为背斜中心，反射波在此发散，振幅减小。
⑤点为金属模型中心。这个模型凸起也可视为一个“向斜”，即背斜上层突起的反射波向下反射，在模型中心干涉叠加，产生有简谐变化规律的振幅。
⑥点为金属模型下端，在模拟图上表现为水平反射波，并受到上表面反射波干涉新影响。
对于平缓的背斜，一次反射波的形态与实际模型形似，但范围比实际模型稍宽，这是凸界面对波的反射有发射作用，背斜的曲率越大，发射现象越严重，比其范围比实际背斜越宽。
关于背斜的振幅，由于凸界面的发射作用，分配到单位面积上的波的能量会减少，因此，背斜上一次反射波的振幅要比水平界面的弱。
6
向
斜
模
型
的
地
震
波
场
分
析 模型及模拟结果如下图所示
模拟结果讨论：
①点为端点，在模拟图上表现为绕射波，振幅逐渐减小，末端有弯曲。
②点为水平反射面，在模拟图上表现为振幅不变的水平图像。
③点为端点，在模拟图上表现为绕射波，振幅减小，末端有弯曲。
④点为向斜中心，反射波在此干涉叠加，振幅增大。
⑤点为金属模型下端，在模拟图上表现为水平反射波，并受到上表面反射波干涉新影响。
⑥点为有机玻璃版下端，表现为水平反射波，振幅较小。
向斜模型的3和7点各产生一条绕射波，在向斜中心位置相互干涉，形成了向斜中心点处的“假背斜”。
向斜在能量分布上，向斜具有汇聚作用，如果曲率中心位于观测面上，自激自收的射线汇聚在向斜的中点，如果曲率中心位于观察面的下方，射线发生交叉，同相轴出现回转，在向斜的深部又出现一个“背斜”。
7
断
层
模
型
的
地
震
波
场
分
析 模型及模拟结果如下图所示
模拟结果讨论：
①点为断层倾斜面露头，反射波不垂直于水平反射面，而与⑤底面的反射波相互干涉叠加，因此在模拟结果中①为振幅加强，②反射波减弱。？？
②点为水平反射面，在模拟图上表现为振幅不变的水平图像。
③点为端点，在模拟图上表现为绕射波，振幅逐渐减小，末端有弯曲。
④点为绕射点③正下方点，能量大部分在③被反射，因此被削弱，振幅减小。
⑤点为金属模型下端，在模拟图上表现为水平反射波，并受到上表面反射波干涉新影响。
⑥点与相关金属片无明显衔接，判定为干扰波。
反射波发生错断是断层在地质剖面上的基本表现形式，断面波和断点的绕射波也是识别断层的主要标志。
断面具有屏蔽作用，断层下盘的断点不清晰。
8
楔
形
模
型
的
地
震
波
场
分
析 模型及模拟结果如下图所示
模拟结果讨论：
①点为尖灭端点，在模拟图上表现为绕射波，振幅逐渐减小，末端有弯曲。
②点为斜反射面，在模拟图上表现为振幅不变倾斜图像。
③点为端点，在模拟图上表现为绕射波，振幅减小，末端有不明显的弯曲。
④点为水平反射面，在模拟图上表现为振幅不变的水平图像。
⑤点为端点，在模拟图上表现为绕射波，振幅逐渐减小，末端有弯曲。
⑥点为金属模型下端，在模拟图上表现为水平反射波，并受到上表面反射波干涉新影响。
⑦点为有机玻璃版下端，，表现为水平反射波，振幅较小。
在楔形部分，上界面的反射波形态与实际的相似，下界面的反射波向左下方弯曲，这是由于楔形厚度的变化，高速体在逐渐边薄，下界面反射波的走时在逐渐增加所致。