超声地震物理模拟技术
地震模拟实验指导
地震勘探物理模拟实验指导书编写人：易远元审核人：桂志先长江大学地球物理与石油资源学院2000年6月地震勘探物理模拟实验实验一、地震勘探超声模拟认识实验一、实验目的1．认识地震超声波模拟实验的仪器（SYL-2型岩石参数测定仪和探头）。
2．测量介质的速度。
3．辨认波形。
二、实验原理地震勘探超声波模拟实验是用超声波模拟地震波，用探头模拟震源和检波器，用金属和非金属材料做各种地质模型在室内进行波传播理论和勘探问题的研究，让野外问题在室内再现。
控制部分发信号给发射机，令其向换能器F发射电压，并同时给计数器开门指令，开始计时。
由标准信号控制部分（当波到达接收换能器S时）给计数器发出关门信号，此时计数器显示的数字就是波的旅行时间t（微秒）。
与此同时，S换能器记录的信号经放大后送入示波器，荧光屏上便显示出相应的波形。
探头又称换能器，用压电陶瓷做成，它是电声转换装置，可将电压转换成声能向介质发射，介质产生的机械震动（声波是一种机械震动），又可由探头将其转换为电信号，再由接收机接收放大、显示。
图1.实验原理示意图三、实验仪器和材料1.SYC—2型声波岩石参数测定仪发射机2.SYC—2型声波岩石参数测定仪接收机3.有机玻璃板（介质）、凡士林、刻度尺四、实验内容1.了解SYC－2型声波岩石参数测定仪的面板上各旋钮开关的作用，学会操作和使用仪器。
2.认识各种换能器“探头”，比较它们的延续度，了解分辨率与延续度的关系。
探头上应用凡士林耦合以减小实验误差。
3.在有机玻璃板上观察纵波、横波（距离大一些有利于观察横波），读出波的传播时间并计算它们的传播速度（V P／V S＝1.732）。
图2.观测示意图4.所测介质速度是用透射法测得的。
五、实验步骤1.开机前：面板上各开关，旋钮所在准备位置以及各连接线的连接。
①电源开关向下拨至关闭位置； ②电压电流种类开关放在电源电压位置； ③输出调节电位器反时针旋至最小； ④输出开关拨至输出位置（250V －1000V ）。
地震波数值模拟技术转载
地震波数值模拟技术转载地震数值模拟在地震勘探和地震学各工作阶段中都有重要的作用。
在地震数据采集设计中，地震数值模拟可用于野外观测系统的设计和评估，并进行地震观测系统的优化。
在地震数据处理中，地震数值模拟可以检验各种反演方法的正确性。
在地震数据处理结果的解释中，地震数值模拟又可以对地震解释结果的正确性进行检验。
由于实际工作中所模拟的介质不同，所用的模拟方程也不一样。
根据模拟方程的不同，波动方程数值模拟主要有:声波模拟、弹性波模拟、粘弹性波模拟以及裂隙和孔隙弹性模拟等。
由于可以用射线理论、积分方程、微分方程来描述地震波的传播，模拟方法也相应地有射线追踪法、积分方程数值求解方法以及微分方程数值求解方法。
射线追踪方法通过求解程函方程计算地震波旅行时，通过求解传播方程计算地震波振幅。
该方法以高频近似为前提，适合于物性缓变模型中地震波传播模拟。
模型简单时该方法具有计算速度快的突出优点，正因为如此，它在地震成像、旅行时层析等方面得到广泛应用。
也正是高频近似，该方法不适合物性参数变化较大模型中地震波的传播模拟。
积分方程数值求解地震波数值模拟方法是基于惠更斯原理而得到的一种波场计算方法，它又可以分为体积分方法和边界积分方法。
该方法的半解析特征，使其在成像，反演理论研究和公式推导方面具有得天独厚的优势。
由于涉及Green函数的计算，该方法一般适合于模拟具有特定边界地质体产生的地震波，而要求该地质体周围为均匀介质。
因此，该方法的适应范围受到严格限制。
微分方程方法使对计算区域网格化，通过数值求解描述地震波传播的微分方程来模拟波的传播。
就目前看来，该方法对模型没有任何限制，在地震波模拟中使用最为广泛，主要问题是计算量比较大，对计算机内存要求较高;其中，有限差分法(FD)、有限元法(FE)以及傅立叶变换法(PS)是这类模拟方法中使用较多的方法。
近年来还出现界于有限差分法和有限元法之间的有限体方法(FV)，在理论上应该具有有限元法网格剖分的灵活性，又具有有限差分计算快速的特点，但在简单的矩形网格情况下，该方法完全退化为有限差分法。
利用超声模拟技术研究地质结构对地震动影响的初步成果
现 代 地 质第11卷 第3期1997年9月GEOSCIENCE Journal of Graduate School ,China University of G eosciences Vol 111 No 13 Sept.1997利用超声模拟技术研究地质结构对地震动影响的初步成果3 收稿日期:1996—11—153国家教委博士学科点专项基金资助项目。
第一作者简介:彭一民,男,1927年出生,教授,工程地质学专业。
彭一民 孙进忠(环科系 北京 100083)摘 要 近十年来,我们将超声模拟技术引入地震动研究领域,综合研究震源位置、传播路径及场地条件对地震地面运动的影响。
重点报道了当场地地基中存在不可避开的断裂时地震波传播的超声模拟结果,以及双层地质结构地震反应的若干研究成果。
关键词 地质结构 地震地面运动 超声模拟技术 埋藏基岩 断裂分类号 P 642120 引 言80年代环境科学异军突起,这是和全球人口、资源及能源问题对人类生存的困扰分不开的。
随着经济的发展,形成了投资的集中、人口的高度密集以及城市的现代化,从而在遭受地震或其他灾害事件时其损失日益增大。
如何正确地、全面地认识城市的地质环境,合理地加以开发利用,兴利除弊,造福于民,已成为各国政府十分关注的问题。
自1990年度开始的“国际减轻自然灾害十年计划”(IDN HR )反映了“共享我们已有的减轻自然灾害影响的知识和通过合作研究来增加这方面的知识达到的较少灾害的世界前景”[1]的迫切愿望。
地震所造成的破坏可区分为两种:地面振动导致工程破坏;地基振动失效导致工程破坏。
这两种破坏均源于地震波自震源向场地的传播。
换言之,震源特征、震波传播路径及场地条件的影响都综合反映在地震地面运动中。
然而,已往的研究因限于理论及技术条件,对震源、震波的传播路径及场地条件诸因素只能分别加以研究。
而在解决工程地震工作中的实际问题时,则多偏重于场地地震反应的研究。
地震学中的地球物理学模拟技术
地震学中的地球物理学模拟技术地震是地球表面上的一种自然灾害，但是这种灾害背后蕴含着非常丰富的地质、地球物理学信息。
地震学是利用地震波等信息研究地球内部结构和物质性质的一门学科。
地震学广泛应用于地球科学中，与之相关的另一门学科是地球物理学，二者密切相关。
地球物理学中的模拟技术通过计算机模拟的方式来模拟地震相关的过程和参数，成为了地震学的重要研究手段。
本文将介绍地球物理学模拟技术在地震学中的应用，并探讨其未来的发展方向。
一、地球物理学模拟技术在地震学中的应用地球物理学模拟技术在地震学中的应用最主要的是通过计算机模拟来研究地震波的传播规律。
地震波主要有体波和面波两种类型。
体波指从震源中心向四周辐射传播的压缩波和剪切波。
面波指在地球表面上沿着平面传播的纵波和横波。
地球物理学模拟技术可以通过建立地震波的数学模型来对地震波的传播进行精确的计算，从而研究地震波在地球内部和表面的传播规律。
这对于预测地震发生的概率和影响地震的因素等方面都有着重要的意义。
除了地震波的传播研究，地球物理学模拟技术在地震学中还可以应用于以下几个方面：1. 地质构造的建模：地球物理学模拟技术可以通过数字地球模型，将地球上的地理现象、陆地形态、地质构造等信息进行数字化处理，从而可以进行更精确的地质构造建模。
这样建模可以帮助地震学家更好地理解地壳的物理现象。
2. 地震场模拟：地震场模拟是利用地球物理数据模型来模拟地震场，即整个地震过程。
此种模拟模型可以提供微观和宏观的信息，从而可以预测地震发生时的影响范围和震级等参数。
在实际应用中，这种模拟还可以与地震预测相结合，提高地震预测的准确度和可靠性。
3. 地震波形反演：地球物理学模拟还可以应用于地震波形的反演，即通过对地震波形的精确计算出来了解地震的震中深度、震源机制和地震带等信息。
此种方法已经得到了广泛的实际应用，并被认为是地震研究的重要工具之一。
二、地球物理学模拟技术的发展趋势当前，地球物理学中的模拟技术已经取得了很大的进展，但与此同时，也面临着一些挑战和问题。
地震模拟与地震预测技术的应用
地震模拟与地震预测技术的应用地震是地球上最具破坏性的自然灾害之一，它会给人类社会造成巨大的经济损失、人员伤亡和社会不稳定。
因此，地震模拟和预测技术的应用显得至关重要。
本文将介绍地震模拟和预测技术的原理和应用。
一、地震模拟技术地震模拟技术是利用计算机模拟地震波传播过程的方法，具体来说，就是通过模拟地震波在地下岩石中的传播和衰减，进而预测地震灾害对建筑物等工程设施的影响程度。
该技术可以帮助设计师更好地预防地震灾害，保证建筑物等工程设施的安全。
地震模拟技术一般分为两类：一类是物理模拟，一类是数值模拟。
物理模拟是通过实验室实验，地震发生时模拟地上构筑物的震动情况。
该方法可以提供更真实的地震模拟结果，但是实验成本较高，不利于规模较大的地震模拟。
数值模拟则是通过计算机仿真，模拟地震波在地下岩石中的传播和衰减，以预测地震灾害对建筑物等工程设施的影响程度。
该方法可以提供较为准确的地震模拟结果，并且成本相对较低，适用于规模较大、虚拟的地震模拟。
地震模拟技术的应用已经得到广泛的推广。
它可以帮助工程师设计出更具有防震能力的建筑物，以及更好地规划地震后的应急救援方案。
同时，该技术还可以帮助政府提高应急响应能力，更好地应对突发自然灾害。
二、地震预测技术地震预测技术是指通过观测地震现象和地质变化等信息，预测地震发生时间、地点和强度等重要参数的技术。
它可以帮助政府和民众更好地做好地震的预防、救援和重建工作。
地震预测技术主要有以下几种：1.地震测量技术。
这种技术通过定期对地震活动区进行测量和监测，以获得地震活动的相关信息。
2.地震地形学和地质学技术。
这种技术通过对地下岩石和地质构造的变化情况进行观测和分析，以判断地震可能发生的时间和地点。
3.地震电磁学技术。
这种技术通过测量地下岩石的电磁场和电导率，以提供地震前兆的信息。
4.地震声学技术。
这种技术通过测量地震前后地下岩石的声波信息，提供地震预测的依据。
不过，值得一提的是，目前地震预测技术仍然存在很大的局限性，准确性还不够理想。
地球物理学中的地震监测技术
地球物理学中的地震监测技术地震是一种自然灾害，给人类社会带来了巨大的破坏和损失。
为了及时准确地监测地震活动，地球物理学家们开发了各种地震监测技术。
这些技术的发展不仅有助于我们更好地理解地震的本质，还能提供重要的数据用于地震预警和灾害管理。
一、地震仪器地震仪器是地震监测的基础设备，它们能够记录地震波传播的信息。
最常见的地震仪器是地震计，它可以测量地震波的振幅、频率和传播速度。
地震计的工作原理基于地震波的震动对地面的影响，通过测量地面的运动来获取地震信息。
地震计的种类有很多，包括测力计、加速度计和位移计等。
这些仪器通常会安装在地下或地面上，以便准确地记录地震活动。
二、地震台网地震台网是一种由多个地震台站组成的监测网络。
每个地震台站都配备有地震仪器，并能够实时接收和记录地震数据。
地震台网的目的是收集全球范围内的地震信息，以便进行地震监测和研究。
通过分析不同地震台站的数据，地震学家可以确定地震的震源位置、震级和震源机制等。
地震台网的建设和运营需要大量的资金和技术支持，但它对于提高地震监测的准确性和覆盖范围非常重要。
三、地震波传播模拟地震波传播模拟是一种利用计算机模拟地震波在地下传播的技术。
通过建立地震波传播的数学模型，地震学家可以预测地震波在不同地质环境中的传播路径和强度变化。
这对于评估地震对建筑物和基础设施的影响非常重要。
地震波传播模拟还可以帮助科学家们理解地震波与地下结构的相互作用，从而提高地震预测和防灾减灾的能力。
四、地震预警系统地震预警系统是一种利用地震仪器和地震波传播模拟技术提供的预警信息。
当地震发生时，地震波会以不同速度传播到不同地区。
通过监测地震波的传播速度和强度变化，地震预警系统可以提前几秒到几十秒的时间发出预警信号。
这些预警信号可以用于触发自动停电、关闭电梯、停止高速列车等紧急措施，从而减少地震对人类生命和财产的影响。
五、地震数据分析地震数据分析是地球物理学中的重要研究领域。
通过对地震数据的统计和分析，地震学家可以研究地震的时空分布规律、地震活动的周期性和趋势等。
模拟地球物理学中的新技术发展
模拟地球物理学中的新技术发展近年来，随着科技的不断进步，模拟地球物理学领域中不断有新的技术涌现出来。
这些新技术的出现，让地球物理学家们能够更加深入地研究地球内部的结构和构成，为更好地探索和理解地球提供了更强有力的手段。
一、地震勘探技术地震勘探技术是模拟地球物理学研究中应用最广泛的一种技术。
它通过对地球内部的不同介质对地震波传播速度的不同反应来研究其结构。
传统的地震勘探技术主要是通过在地表上放置地震仪器对地震波的反射和折射进行观测和分析。
但是这种方法存在制约因素较大、难以对地球深层进行精细探测等问题。
随着科技的进步，人们开始使用新的地震勘探技术来改进传统的地震勘探方法。
其中最有代表性的就是三维地震勘探技术。
这种技术结合了地震勘探、大数据、人工智能等多种技术手段，可以将数据精确地三维可视化，从而获得更具深度的地下结构信息，能够更好地应对大规模震源的复杂情况。
相比于传统的地震勘探技术，三维地震勘探技术具有更高的精度、更好的抗干扰能力以及更好的探测深度，可以更加全面地了解地下介质结构，为地球科学研究提供了更强有力的支持。
二、地震反演技术地震反演是指利用地震波在地球内部的传播情况，根据地震波的传播轨迹和传播时间重建地下介质的结构和构成。
在二十世纪八十年代至九十年代，地震反演技术已经成为模拟地球物理学领域研究中的一项重要手段。
但是传统的地震反演技术存在不足，如只能反演出地下介质结构而不能反演出物理性质以及不能处理非线性问题等。
针对这些问题，研究人员开始利用人工智能技术，对地震反演技术进行改进。
人工智能技术如机器学习、深度学习等可以处理现实生活中非线性问题，能够帮助更准确的反演出物理性质。
这种技术还可以针对现代地震学的新现象和新问题而不断进化，获得更加准确和精细的结果。
因此，地震反演技术的发展成为模拟地球物理学领域中又一个研究热点。
三、磁法勘探技术磁法勘探技术是指通过对地球磁场的观测和解释，研究地球内部的构造和物质组成的一种地球物理学方法。
超声波和地震映像在矿井巷道空腔勘察中的应用
引用格式:华照来,石增武,李志勇 超 声 波 和 地 震 映 像 在 矿 井 巷 道 空 腔 勘 察 中 的 应 用 [
J] 中 国 煤 炭,２０２０,４６
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判断某界面的反射相当困难,将多个不同测点波排
列起来,根据总体变化规律进行分析判断则相对更
为可靠.笔者主要采用波形对比分析和频谱分析的
基本方法,通过波形及频谱特征来确定被测对象内
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５ m, 偏 移 距 ０
５ m, 采 用
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超声波和地震映像在矿井巷道空腔勘察中的应用
华照来１ 石增武１ 李志勇２
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榆北曹家滩矿业有限公司,陕西省榆林市,７１９０００;
２
北京中矿大地地球探测工程技术有限公司,北京市海淀区,１０００３６)
摘 要 针对陕北榆神矿区曹家滩煤矿矿井巷道涌水情况及存在的问题,为有效探查出
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超声地震物理模拟技术:实验室中的“沙盘演兵”
（时间:2006-10-9 共有
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随着我国石油勘探领域向西部和南方复杂地区的推进，复杂地
质条件下的特殊波场特征不断出现，对勘探技术提出了更高要求。
因而，处于技术前沿的超声地震物理模拟技术，越来越为地球物理学家所重视。
近日，记者就此采访了中国石化石油勘探开发研究院南京所应用地球物理实验中心主任赵群。
记者：什么是超声地震物理模拟技术？
赵群：采用“人工地震法”获得地层构造信息的方法是，在地面用炸药作为震源放炮，激发产生的地震波，传到几千米以下的地层构造上，再反射回到地面，最终以数据形式被接收仪器捕捉，并形成地震波图像，通过对该图像上的数据分布形态（这里称作“震相”）进行处理分析，推知地下的地层构造。
这种由震相反求地层构造形态的过程，在石油物探上称之为“反演”。
“反演”就是反向演绎，是对事物表现出的外在形态特征，借助某些方法技术，演绎推断出其内部结构机理。
这之间的关系用谜底与谜面来比喻就是，在地面接收到的震相是地球给出的“谜面”，对震相的处理解释过程则是对“谜面”的分析推敲，最终得到“谜底”——对地层结构的认识。
但问题是，我们通过反演所揭示的“谜底”，与真实复杂的地层结构之间究竟有多大距离？
由于人们只能通过有限的钻井资料，了解到零星的地层结构的实际情况，不能看到整个地层构造，地球物理学家也只能是“望地兴叹”，必须找到一个基础作为依托，于是人们想到了“物理模型”。
我们可以用一个缩小的简化物理模型，来模拟相关的地层构造，并等比匹配采用波长相对尺度较小、与地震波具有相同波动传播机理的超声波作为激发源，在实验室内进行野外勘探模拟演示，详细观察研究“谜面”现象与“谜底”本质间的因果关系，从而达到验证理论、检验方法、锤炼技术的目的。
这样一种类似“沙盘演兵”式的模拟方法，被称为超声地震物理模拟技术。
与反演方法相对应，在已知地质物理模型的条件下，获取该模型的地震观测数据，进而检验勘探方法技术的过程，在石油物探上称之为“正演”。
相应的物理模型称之为“正演模型”。
记者：超声地震物理模拟技术在地震勘探上有哪些应用？
赵群：超声地震物理模拟技术在地震勘探上应用领域非常广泛，大致归纳有三个方面。
首先，物理模型是基础理论研究的重要手段。
早期人们用大量的简单模型，对反射波、绕射波、折射波等各种波动现象进行研究，充分揭示了各种波动现象在不同地层条件下的变化响应特征。
随着研究的深入，模型所面对的对象也越来越复杂。
如孔缝洞模型、井间地震模型、复杂地表模型等，每当人们面临一些基本的重大疑难波场问题的时候，超声地震物理模拟技术总是充当排头兵。
第二，超声地震物理模拟技术可以被用来验证一些理论、假设或者假说，以及被广泛用来验证地震学中的各种计算方法、数学模拟方法及数据处理解释程序。
另外，物理模型可以在地震勘探施工设计中，用于研究探索施工方法的合理性，以及对地震勘探解释结果的正反演验证。
近年来，随着我国石油勘探领域向西部和南方复杂山区推进，对勘探施工设计的要求也越来越高。
南京所承担了大量的用物理模拟技术研究施工设计方式的科研生产项目，在实际生产中产生了良好的效果。
第三，为技术创新提供支撑。
当野外生产中复杂波场现象出现时，人们有能力在简化的条件下，在实验室再现这些波场现象，为分析破译这些大自然的密码提供途径。
记者：超声地震物理模拟技术在国内外的研究发展情况怎样？
赵群：超声地震物理模拟技术的起源，可以追溯到上世纪20年代，我国的地球物理模型实验研究，是在新中国成立之后才起步的。
自上世纪70年代后期以来，随着计算机技术以及现代实验装置的飞速发展，超声地震模型实验已能够模拟非常复杂的地质构造问题。
1977年，在数十家公司的赞助下，美国休斯敦大学超声地震模型实验室正式建立，很快就在石油地球物理勘探问题的模拟方面进行了大量工作，取得了一系列成果。
俄罗斯科学院、荷兰Delft科技大学、加拿大的Calgary大学等，都相继建立了地震物理模型实验测试系统，地震物理模型实验技术进入稳定发展阶段。
与此同时，我国的超声地震模型实验也迅速进入了一个全面发展而又富有成果的阶段。
继北京大学于1978年率先恢复超声地震模型实验室之后，全国各地先后建立了70余个实验室，6个大中型水槽超声地震模型实验系统，在装备上达到或部分超过国外同类实验室的水平。
这些实验室为推动我国地震勘探理论的发展作出了重要贡献。
中国石化石油勘探开发研究院南京石油物探研究所应用地球物理
实验室是国内一流的地震物理模型实验室。
自1982年建立以来，实验室承担了多项国家重点攻关课题、部控项目及自然科学基金项目的研究，
还先后承担了多项系统内外生产部门、科研单位和高等院校技术服务实验项目，并为科研单位、大专院校的毕业设计提供实验场所。
目前，该实验室拥有大型高精度三维定位及地震快速数据采集系统、数据分析处理解释系统、正演数值模拟系统、高温高压岩石物理参数测试系统、192道浅层地震仪等设备，并形成了从岩性测试、模型制作、模型实验、数据分析、野外大比例尺模型实测一直到井下VSP测量这样一个完整、综合的研究体系，能够承担从复杂波场基础理论、勘探地震技术到开发地震技术的全方位研究。
目前，该所正在为将该实验室办成一个开放型实验室而努力。
记者：超声地震物理模拟技术前景如何？目前还面临哪些问题？
赵群：超声地震物理模型实验是一门学科交叉、知识密集的应用技术。
随着油气勘探难度的日益增加，对物理模拟技术提出了更高要求。
非均匀介质、双相乃至多相介质、复杂地表等新的研究领域，将引领物理模拟技术获得新的发展。
从模型材料的模拟程度上来看，过去以模拟地质构造为主，它着重考虑材料的纵、横波速度及几何形态。
而现在随着地质构造勘探向岩性勘探发展，模拟材料的选取，不但要考虑材料的运动学特征，而且要考虑材料的动力学特征，如密度等。
要适应新的要求，就必须加强模型材料的研究，加快制模工艺的发展。
从超声换能器的适应性来看，其大小、频率、灵敏度等，都需要有大幅度的提升和改进。
如进行多波地震勘探模拟，需要三分量换能器具有高性能、高灵敏度，对薄层的测试研究，需要换能器窄脉冲、宽带、高分辨率，模拟井中地震，需要换能器的体积较小而功率又能满足要求，开展油藏条件下的物理模拟工作，则需要换能器能承受一定的温度和压力等。
从进一步提升实验数据的分析能力来看，目前对地震模型实验数据的分析处理，一般都是借助于生产用处理分析系统，缺少针对性，不能满足对实验数据分析的一些特殊要求。
因此需要为模型实验数据研发专用的处理分析工具。
将模型和超声换能器的超声发射端，都浸在一个大的水槽中进行超声地震物理模拟实验，是目前实验室中的常规方法。
这是由于超声波在空气中的传播衰减非常快，而在液体中超声换能器与介质间，却能够获得很好的耦合性能（这就好比我们在医院里做B超时，总要在超声探头与人体的接触部位间涂抹一种液体，其目的也是为了获得很好的耦合性能，以达到最佳观测效果）。
我国南方油气剩余资源埋藏地区，是中国石化近年来的油气勘探重
点，但该地区几乎都是山地，在开展起伏地表物理模型研究时，不能采用传统的水槽超声观测，而应直接对固体模型进行超声观测，这样才能更加适应野外生产中的实际需要。
所以，研究固体模型超声观测，将是我们下一阶段模型研究的攻关重点之一。
人造的模型毕竟无法完全等同于野外的真实情况，因此，选择已知条件良好的野外试验场，将会为我们搭起一座实验室和生产现场之间的桥梁。
如果能够找到地质现象丰富、地下情况清楚的野外试验场地，那么，前边提到的很多问题都可迎刃而解。
如欧洲某国花巨资在野外劈开一座山峰，建立起一个露天的大型试验场地，就取得了很好的效果。
目前，我们正在努力构筑一个“实验室—试验场—野外生产现场”三位一体的研究体系。