前 言
超声波地震物理模拟实验是将实际地质体按一定的比例尺关系用模型材料按相似性准则缩小成模型，用压电晶体换能器模拟炸药震源和地震检波器，用三维自动坐标装置实现地震勘探的探排列和移动，在实验水槽里模拟野外地震勘探。通过模拟实验使学生在实验室里直观地体验到地震勘探的采集过程，通过对模拟实验记录中波场的认识巩固课堂上学到的基础理论知识。
超声地震模型实验设备包括三维坐标扫描系统，压电晶体换能器，高速数据采集系统，高压脉冲发生器，信号监视器等。
压电式晶体换能器是目前常用的一种超声波发射或接收换能器。是一种电—声和声—电转换传感器。相当于地震勘探中使用的检波器。
当某种晶体沿一定
方向
拉伸或压缩时，在它们的表面会产生电荷，这种现象称压电效应。
当在压电晶体上施加交流电场，使电场的方向与压电轴一致，晶体则按着电场的拍节激发弹性振动，即压电晶体将按照交流电场的相位交替地以同样周期发生压缩或伸长。当电场的频率等于晶体机械振动的固有频率时，晶体弹性振动的幅值最大。
三维地震模型实验系统是为了能够模拟野外三维地震勘探而设计的，它由三维坐标扫描机械运动系统、声波脉冲发射系统、前置放大器、高速数据采集系统和微电脑等组成。
三维地震模拟系统工作过程如下：发射换能器与接收换能器分别固定在Z1和Z2的侧直杆上，微机通过三维坐标控制接口发出坐标运动方向信号和频率脉冲到驱动电源，由驱动电源形成坐标的拍节脉冲驱动步进电机旋转，带动坐标滑车运动。微机对某个驱动电源发出一个频率脉冲，该驱动电源推动与其相连接的步进电机走一步，步进电机以走一步停一下的方式推动坐标滑车运动；当发射和接收换能器运动到设定的位置后，声波脉冲发生器产生的脉冲信号经功率驱动电路后变换成高压脉冲信号，使发射换能器产生声发射；接收换能器接收传播到模型表面的声信号并将其变成电信号输出给前置方大器进行信号的放大和滤波。高速数据采集系统对前置放大器输出的信号进行A/D转换和存储。
坐标扫描系统的作用就是推动挂在Z坐标侧直杆上的发射和接收换能器在三维空间中按着指定的距离和方向运动，这就相当于地震勘探中按照指定的观测系统自动排布炮点和检波器。
声波脉冲发射源的作用是生成具有一定脉宽和幅度的连续脉冲。声波脉冲发射源由脉冲振荡器、高压源和同步脉冲电路组成。
声波脉冲发射源所产生重复频率为25Hz的脉冲信号，振荡基频为500KHz，该信号一方面经缓冲后作为采集仪器的同步脉冲，另一方面经高压变换后输出到发射换能器产生超声波。
前置放大器处于采集系统的最前端，是进行微弱信号的放大装置，它包含有低噪声放大电路、高通滤波器和低通滤波器。
高速数据采集系统的作用是将接收换能器接收到的信号进行模/数转换和存储，并传送到计算机，是完成模拟信号数子量化的关键性电路单元。
（1）来自模型深处的地震信号是很微弱的，为了能把微弱的信号记录下来，必须对它进行放大，而为了便于进行传输、放大及记录。
（2）在接收时，同时传到接收点的除了有效波(一次反射波)外，还有许多干扰波(如面波、空间电磁干扰、振动干扰等)。为了突出有效波、压制干扰波，提高记录的质量，模型系统必须有频率选择作用。
（3）超声波在模拟的地层内传播过程中，因为波前扩散、介质的吸收等原因，能量会受到损耗，造成了浅层反射波在传到地面时因传播路程短，能量很强，深层反射波因传播路程长，损耗大，而能量很弱，因此要模型实验系统要有足够的动态范围。
（4）模型实验记录仪器还需要具备良好的分辨能力。
超声波地震模型实验之所以能够模拟真实的地质构造，是因为在模型材料和换能器的选择上要满足相似性准则。
声波的频率范围在16～20000Hz之间，低于16Hz称次声波，高于20KHz称超声波，实用的超声波频率一般在104～108Hz,而近震点震波的主频在1～10Hz，地震勘探用的地震波主频在10～102Hz。如果考虑超声波和地震波在固体介质中传播速度是同一量级，则超声波波长远小于地震波波长，因此，从几何尺度相似上可用相当于地质构造10—2～10—7倍的模型模拟地球真实构造，但这还不能反映出真实构造的物理性质。还必需考虑时间、速度和密度、震源的相似性。以及弹性系数、粘滞系数、衰减系数、波形和波谱等方面的相似性。
正确地模拟地震波在地下传播的物理过程和现象，应考虑下述相似准则：
（1）模型的物理过程和原型的物理过程可用同一无量纲物理方程来描述。
（2）描述模型和原型物理过程的方程组中的同名物理参数应相似。
（3）模型和原型的边界、空间条件和几何尺度应该相似。
（4）模型与原型的时间条件应该相似。
在实际工作中因地质条件的复杂性和模型材料的限制，要作到完全满足是不现实的，因此，对于多层介质模型，我们更多地是考虑相邻两层介质的弹性比例关系。
震源模拟的相似性准则问题，在地震勘探中，通常将震源作为点源，但这不是数学意义上的点，而是物理意义上的点，即激发点的范围比勘探深度小得多。一般爆炸激发作用半径与勘探深度之比约为1/100～1/1000左右。由此看来，用超声波发射源模拟点源，只要发射换能器的半径满足与模型厚度之比的1/100至1/1000即可满足相似关系。
（1）模型按几何尺度分类
模型按尺度大小可分为一维模型、二维模型和三维模型。一维模型是在某一个方向上的尺度远大于超声波波长，其它方向的尺度均小于超声波波长，即为一杆状模型；二维模型是在x、y方向上的尺度远大于超声波波长，z方向的尺度均小于超声波波长，即为一板状模型；三维模型是在x、y、z三个方向上的尺度都远大于超声波波长，且比超声波波长大5倍以上。
一维模型可进行一些简单的直达波、反射波、透射波等基础问题的研究；二维模型常用来研究地震学和地震勘探学中的各类震波在各种过渡层、中间层和复杂的地质构造中波传播的动力学和运动学的理论或生产中的问题。三维模型多用来研究复杂的各向异性介质中波的传播、物质的蠕变效应、震源问题及三维地震勘探问题等。
（2）模型按材料分类
从模型材料的状态和性质，可将模型分为固体模型、液体模型、气体模型、固体—液体模型、固体—气体模型和液体—气体模型。
物理模型制作中难度最大的问题是如何按着相似性准则选择合适的模型材料。这种材料在声学特性上要满足对地质原型中各地层、构造体弹性波速度和密度模拟的要求。模型实验中对模型材料的选择是根据模型实验相似性关系来选择，除了考虑材料的速度、密度满足相似性关系外，还应考虑材料对超声波的吸收和衰减参数以及加工制作的难易程度。模型材料分为一般材料和复合材料两种。
一般材料是指常见的金属、岩石和矿物、固体、液体和气体材料。目前用于浇铸模型的材料一般以环氧树脂、石蜡、硅橡胶等为主，并直接利用其声学特征去构造模型，其优点是构造后的物理模型中各种介质的速度稳定，常见的模型材料见表1；
复合材料是指以一种液体材料为基础，按不同的比例混入其它固体粉剂或液体，改变其化学性质和声学参数，可以使模型材料的原有波速变化10%～50%。环氧树脂和硅橡胶可作为基本液体材料。
表1 常见的模型材料的声学特征
|
名
称
|
密
度
(10
3Kg/m
3)
|
纵波速度
(m/s)
|
横波速度
(m/s)
|
纵波特征阻抗
(10
7Pa·
s/m)
|
横波特征阻抗
(10
7Pa·
s/m)
|
|
铝
|
2.7
|
6260
|
3080
|
1.69
|
0.83
|
|
铁
|
7.7
|
5850
|
3230
|
4.50
|
2.49
|
|
锡
|
7.3
|
3320
|
1670
|
2.42
|
1.22
|
|
铅
|
11.4
|
2170
|
700
|
2.46
|
0.80
|
|
黄铜
|
8.6
|
4700
|
2110
|
4.06
|
1.83
|
|
不锈钢
|
7.9
|
5790
|
3100
|
4.57
|
2.45
|
|
大理石
|
2.66
|
6150
|
3260
|
1.64
|
0.87
|
|
石膏
|
2.26
|
4790
|
2370
|
1.08
|
0.54
|
|
花岗岩
|
2.66
|
4770
|
2700
|
1.27
|
0.72
|
|
石墨
|
2.16
|
3300
|
1700
|
0.71
|
0.38
|
|
有机玻璃板
|
1.20
|
2340
|
1251
|
|
|
|
石英玻璃
|
2.60
|
5370
|
|
|
|
|
瓷
|
2.41
|
5340
|
3120
|
|
|
|
橡胶
|
0.90
|
1479
|
|
|
|
|
聚氯乙烯
|
1.45
|
2240
|
980
|
|
|
|
橡皮泥
|
|
1750
|
1300
|
|
|
|
硅橡胶
|
1.38
|
930
|
|
|
|
|
环氧树脂
|
1.14
|
2220-2480
|
|
|
|
|
淡水
(200c)
|
0.998
|
1483
|
|
|
|
|
液体石蜡
|
0.835
|
1420
|
|
1.19
|
|
|
石油
|
0.70
|
1330
|
|
0.93
|
|
|
煤油
|
0.916
|
1490
|
|
|
|
（1）粘合法
将模型的粘合面加工平整，采用粘合剂相互粘接形成模型。模型可为不同材料的板状或块状体。
（2）浇铸法
浇铸法即采用几种流体材料，按模型的几何形态在模具中浇铸，利用其固化后的声学特性构筑固体模型。浇铸法可用于制作各种复杂模型，是三维固体模型制作中最常用的方法。浇铸法制作模型时，首先要按着地质原型与物理模型的比例关系加工模具，按着地质原型与物理模型的相似性准则选择模型材料，要求用于浇铸模型的材料有良好的粘合性、流动性和速度上的稳定性。常用于浇铸模型的材料是环氧树脂、石蜡、硅橡胶、石膏、沥青等。
对复杂模型的浇铸，可先浇铸出模型内部的构造体部分，在构造体成形后再放置在模具中浇铸模型的围岩部分。
物理模型的观测系统分二维观测系统和三维观测系统两种方式。观测系统的设计方法与地震勘探学相同。
（1）自激自收观测
模型实验中的自激自收观测相当于野外的零偏移距观测，是二维观测的一种特征形式。观测方法是将发射探头和接收探头捆绑在一起，按所设计的点距在模型表面的测线上移动观测和接收反射波。自激自收观测形成的剖面就是共深度点剖面。
（2）多次覆盖观测
多次覆盖观测系统是根据水平叠加技术的要求而设计的。观测方法是首先将发射探头和接收探头按设计的偏移距布置在测线上，发射探头固定，接收探头按设计的道间距沿测线运动接收反射波，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。
模型实验中三维观测方法是以排列片按面元间隔在模型上运动完成的。排列片移动次序为：排列片首先沿X方向（纵向）移动，完成第一个面元的观测。排列片返回第一面元的起点，沿Y方向（横向）步进到第二排列片的起点，再沿X方向移动，完成第二面元的观测。排列片返回第二面元的起点，沿Y方向（横向）步进到第三排列片的起点，再沿X方向移动，完成第三面元的观测。以此类推，完成整个模型的三维观测。
1
、实验目的
通过对固体模型材料的纵、横波测试，学习模型材料声学参数的测试方法和根据模型实验相似性准则进行三层介质的模型设计。
2
、实验内容
完成9种固体材料的P波速度测试，并填写测试结果表格；设计三层介质模型，地质原型纵波速度参数为：泥岩Vp=2300m/s；花岗岩Vp=4500m/s；闪长岩Vp=6400m/s。
3
、实验步骤
在固体模块的两个对称表面上涂抹凡士林，将发射探头和接收探头接触观测表面，将发射探头和接收探头开关拨到“P”波状态，通过示波器或采集仪器记录透射子波。通过透射信号纵波的初至时间和两个观测面的距离计算出材料的纵波速度。
（1）启动微机进入Windows2000操作系统；（2）打开E1421B波形记录仪电源开关；（3）连接发射探头到超声波发射装置，打开装置电源开关；连接接收探头到放大器装置，打开装置电源开关；（4）点击“开始”—“程序”—“VXIPNP”—“HPE1437”—“HPE1437 Front Panel”,进入前面板窗口；（5）设置前面板参数；（6）在E1421B前面板窗口中找到初至波并读取初初至时间；（7）用卡尺测量观测点的距离，用V=S/T计算纵波速度。
4
、实验报告
（1）在下表中填写速度测试结果
|
模型
编号
|
模型材料
|
模型长度
(cm)
|
初至时间
(us)
|
P波速度
（
m/s）
|
|
1
|
空气
|
|
|
|
|
2
|
大理石
|
|
|
|
|
3
|
人造大理石
|
|
|
|
|
4
|
硅橡胶
|
|
|
|
|
5
|
环氧树脂板
|
|
|
|
|
6
|
聚氯乙烯板
|
|
|
|
|
7
|
有机玻璃板
|
|
|
|
|
8
|
石蜡
|
|
|
|
|
9
|
石膏
|
|
|
|
（2）三层介质模型原型为：第一层泥岩，第二层花岗岩，第三层闪长岩。根据地质原型相邻层位P波的相似性关系确定模型材料名称。
学生姓名： 班级： 实验时间：
成绩： 实验教师：
1
、实验目的
通过对二维模型反射波场的观测，认识地震记录中直达波、折射波、一次反射波和面波在记录上的运动学特征。
2
、实验内容
在一块有机玻璃板上完成40道记录的反射波观测，并在记录上标出一次反射波和面波。
3
、实验步骤
（
1
）在有机玻璃板的观测面上均匀涂抹凡士林，将发射探头和接受探头固定在有机玻璃板的一侧，以每次0.5～1 Cm间隔移动接收探头并采集地震记录，观测道数30～60道，炮点位置20号点，接收点起始位置26号点；
（2）启动前面板，观察接收信号振幅；（3）启动数据采集软件，设置“采集参数”和“三维系统观测定义参数”；（4）固定发射探头到测点上，将接收探头在接收位置处贴紧模型，观测前面板窗口接收的波形；（5）当接收波形正常时，点击“数据采集”—“正常采集”，采集一道记录；（6）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，并存储数据文件和图型文件。
4
、实验报告
通过对各种类型波的对比，在剖面上标处直达波、面波和模型上界面的一次反射波及有机玻璃板底界面的一次反射波，简述
直达波、一次反射波和面波
在地震剖面上的时间、频率和速度上的特点，
学生姓名： 班级： 实验时间：
成绩： 实验教师：
1
、实验目的
通过对二维阶梯模型的自激自收观测，认识地震记录中绕射波和一次反射波的运动学特征。
2
、实验内容
对阶梯模型在水中开展自激自收观测，采集地震记录，在记录上确定模型上、下界面的反射波同相轴，认识端点绕射波，并分析形成绕射的原因。
3
、实验步骤
（1）将换能器固定在三维坐标系统的Z1坐标上，调整坐标系统到测线上，测量和记录模型入水深度，用示波器观测接收信号幅度。
（2）启动三维坐标系统的步进电机。
（3）启动模型实验数据采集软件：设置“模型实验采集参数”中采样长度、采集方式、采样频率和放炮方式；设置“三维观测系统参数”中测线数、炮线数、道间距和炮数。
（4）连接发射探头到超声波发射装置，打开装置的电源开关；连接接收探头到放大器装置，打开装置电源开关。
（5）打开E1421B波形记录仪电源开关；点击“开始”—“程序”—“VXIPNP”—“HPE1437”—“HPE1437 Front Panel”,进入前面板工作窗口。
（6）设置前面板参数，观测前面板窗口中记录的波形，当接收波形正常时，点击“数据采集”—“正常采集”，采集一道记录。
（7）坐标系统自动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，并存储数据文件和图型文件。
4
、实验报告
简述端点绕射波的形成原因及其路径。
学生姓名： 班级： 实验时间：
成绩： 实验教师：