“海洋地球物理勘探”課程地震方向實驗教學探索

程飛　牟林　劉江平　許順芳　葛健

摘要：海洋地球物理勘探課程是中國地質大學（武漢）海洋學院兩個本科專業(yè)的專業(yè)課程。本文根據(jù)海洋地球物理勘探課程地震方向實驗課程要求，利用超聲地震物理模擬系統(tǒng)模擬實際海洋地震采集系統(tǒng)，探索了課程講授過程中相應的實驗教學方案設計。教學方案將地球物理方法原理與實際應用相結合，激發(fā)學生對專業(yè)知識的學習興趣，幫助學生對專業(yè)知識的理解和掌握，提高學生的綜合素質，促進我校海洋科學人才的培養(yǎng)。

關鍵詞：海洋地球物理勘探；超聲地震物理模擬系統(tǒng)；實驗教學

中圖分類號：G642.423 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2018）39-0262-03

一、引言

根據(jù)海洋行業(yè)發(fā)展人才需求，中國地質大學（武漢）積極響應國家建設“海洋強國”和“21世紀海上絲綢之路”的戰(zhàn)略部署，結合學校人才培養(yǎng)特色和學科優(yōu)勢，于2016年8月正式組建海洋學院。學院目前有海洋科學、海洋工程與技術（將于2018年正式招生）兩個本科專業(yè)。其中，“海洋地球物理勘探”在新修訂的培養(yǎng)計劃中分別作為海洋科學專業(yè)的專業(yè)主干課程和海洋工程技術專業(yè)的專業(yè)選修課，課程旨在讓學生系統(tǒng)掌握海洋地球物理勘探方法的原理、數(shù)據(jù)采集方法、資料處理與結果解釋等內(nèi)容。其中，海洋地震勘探是此課程的重要內(nèi)容之一，為此學院結合本科生培養(yǎng)及學科發(fā)展和科研的需要，專門購置了一套電火花—氣泡槍震源單道地震系統(tǒng)。

海洋地震勘探知識的純理論學習，對于非地球物理專業(yè)的學生來說相對枯燥，而又晦澀難懂，沒有實踐的驗證和鞏固，不利于學生對課程知識的掌握。但是受海洋地震勘探的特殊性，實驗儀器和實驗場地等條件以及實驗成本的限制，使得課程的實踐部分很難像傳統(tǒng)地球物理勘探方法那樣進行實際的場地實驗，長此以往將不利于專業(yè)的發(fā)展。為了讓學生學好這門課程，需要開展海洋地球物理勘探課程的室內(nèi)實驗課課程改革。本文結合學校現(xiàn)有的教學資源，擬利用地球物理與空間信息學院的三維超聲波地震物理模擬實驗室進行海洋地球物理勘探課程地震方向的實驗教學試驗，使學生能對海洋地震勘探方法有較為充分理解，掌握必要的海上工作技能，以適應新形勢下海洋科學專業(yè)和海洋工程與技術專業(yè)本科生綜合能力的培養(yǎng)需求。

二、超聲波地震物理模擬實驗原理

超聲波地震物理模擬實驗的原理是將野外的地質構造和地質體，按照一定的模擬相似比制作成物理模型，然后采用超聲波方法對野外地震勘探方法進行模擬的一種地震模擬方法。該實驗是在已知地質—地震模型的條件下，獲取相應的地震波觀測數(shù)據(jù)，是一種基于模型介質在其幾何參數(shù)和物理參數(shù)滿足相似比原理和對應原則的基礎上開展的研究方法。它是根據(jù)研究對象的地質—地震參數(shù)建立一個物理模型，然后對模型進行模擬地震觀測并對觀測數(shù)據(jù)進行處理分析[1-2]。本文實驗設計的目的是學生能夠了解地震波探測海底地形、地層結構等的原理和方法，了解三維空間下典型海底構造的地震波的運動學特點。在實驗室中，采用超聲波地震物理模擬器代替實際中海上地震的單道或多道系統(tǒng)，水槽中的水代替海水，用制作的典型地質模型來代替海底各類地質構造。實驗所采用的超聲波地震物理模擬實驗系統(tǒng)主要由三維坐標系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)構成，如圖1所示。

海上單道地震反射波方法探測目標體的原理如圖2所示，由炮點S激發(fā)的地震波到達界面的反射點F，然后再從反射點F反射回檢波點R處，地震波經(jīng)過此路徑所需要的時間t，可以用式（1）來確定，即，

t=■v （1）

其中x是炮點和檢波點的距離，h是界面深度，v是地震波在介質中的傳播速度。當x的距離遠小于界面深度h時，可以簡化為：

t=2h/v （2）

連續(xù)觀測就可以得到整個測線的地震波運動學關系，在介質速度已知的情況下，并通過相應的地球物理處理方法，可以較為直觀地獲得界面的埋深以及幾何形態(tài)[3-4]。

三、地震波場超聲模擬實踐教學的方案設計

（一）物理模型設計

本文的實驗教學設計，主要是針對實際海洋中典型的地質構造來設計。在實驗教學中主要設置了海溝（海槽）模型、海底局部凹陷與隆起模型、海嶺模型等海洋三維地質模型進行實驗，制作的物理模型如圖3所示。其中圖3（a）是海溝（海槽）模型、圖3（b）是海底局部凹陷和海底隆起模型、圖3（c）是三維海嶺模型。實驗中用模擬海洋的水槽尺寸為120cm*100cm*80cm。

（二）實驗步驟

首先，選擇要探測的物理模型，將模型放置在水槽中的定位臺上，并按照超聲波地震物理模擬實驗系統(tǒng)的操作方法，將炮點位置和接收點位置設置到需要的位置，并用測量工具測量模型的尺寸和特征、模型距離水面深度、炮點和接收點的入水深度和相對位置，以便相互驗證。

其次，根據(jù)原理和探測的需要，設計合理的觀測系統(tǒng)，并設置相應的采集參數(shù)，如接收道數(shù)、道間距、激發(fā)主頻、采樣長度、采樣頻率等。

然后，根據(jù)設置好的模型和采集參數(shù)，利用超聲波地震物理模擬實驗系統(tǒng)逐個對上述的物理模型分別進行單測線（二維）、多測線（三維）數(shù)據(jù)采集，獲得相應的地震波場數(shù)據(jù)。

最后，對采集的數(shù)據(jù)進行格式轉換、數(shù)據(jù)處理與分析，獲得相應探測結果的地震波剖面，如圖4所示，并分析不同地質結構的地震波特征。

四、結語

海洋強國戰(zhàn)略實施首先要有海洋科學方面的人才，因此培養(yǎng)優(yōu)秀的海洋科學人才刻不容緩。我校由于地處內(nèi)陸，遠離海洋，在進行海洋科學方面的人才方面受一定地理條件限制。雖然目前學院購置了地震單道系統(tǒng)，但實驗船只、場所、經(jīng)費等都存在相應的問題。為了培養(yǎng)好海洋科學的人才，本文結合中國地質大學（武漢）的綜合資源，對課程傳統(tǒng)的理論教學模式進行改進，開展海洋地球物理勘探課程的室內(nèi)實驗課，能激發(fā)學生的學習興趣、有利于學生對課程的理解和掌握，以提高學生的綜合能力。未來，作者還將根據(jù)實際教學效果，不斷補充和優(yōu)化實驗教學內(nèi)容。

參考文獻：

[1]趙鴻儒.超聲地震模型試驗技術及應用[M].石油工業(yè)出版社，1986.

[2]許順芳，張兵.地震勘探實驗指導書[M].武漢：中國地質大學出版社，2017.

[3]師學明，劉江平，李永濤，等.東湖水上地震的實驗與教學改革初探[J].中國地質教育，2006，15（3）：39-42.

[4]瓊斯金翔龍.海洋地球物理[M].海洋出版社，2010.