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(zhì)大學(xué)（武漢）海洋學(xué)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?qū)嶒?yàn)課程要求，利用超聲地震物理模擬系統(tǒng)模擬實(shí)際海洋地震采集系統(tǒng)，探索了課程講授過程中相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方案設(shè)計。教學(xué)方案將地球物理方法原理與實(shí)際應(yīng)用相結(jié)合，激發(fā)學(xué)生對專業(yè)知識的學(xué)習(xí)興趣，幫助學(xué)生對專業(yè)知識的理解和掌握，提高學(xué)生的綜合素質(zhì)，促進(jìn)我校海洋科學(xué)人才的培養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：海洋地球物理勘探；超聲地震物理模擬系統(tǒng)；實(shí)驗(yàn)教學(xué)

中圖分類號：G642.423 文獻(xiàn)標(biāo)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(zhì)大學(xué)（武漢）積極響應(yīng)國家建設(shè)“海洋強(qiáng)國”和“21世紀(jì)海上絲綢之路”的戰(zhàn)略部署，結(jié)合學(xué)校人才培養(yǎng)特色和學(xué)科優(yōu)勢，于2016年8月正式組建海洋學(xué)院。學(xué)院目前有海洋科學(xué)、海洋工程與技術(shù)（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(xué)專業(yè)的專業(yè)主干課程和海洋工程技術(shù)專業(yè)的專業(yè)選修課，課程旨在讓學(xué)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(jié)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(xué)院結(jié)合本科生培養(yǎng)及學(xué)科發(fā)展和科研的需要，專門購置了一套電火花—?dú)馀輼屨鹪磫蔚赖卣鹣到y(tǒng)。

海洋地震勘探知識的純理論學(xué)習(xí)，對于非地球物理專業(yè)的學(xué)生來說相對枯燥，而又晦澀難懂，沒有實(shí)踐的驗(yàn)證和鞏固，不利于學(xué)生對課程知識的掌握。但是受海洋地震勘探的特殊性，實(shí)驗(yàn)儀器和實(shí)驗(yàn)場地等條件以及實(shí)驗(yàn)成本的限制，使得課程的實(shí)踐部分很難像傳統(tǒng)地球物理勘探方法那樣進(jìn)行實(shí)際的場地實(shí)驗(yàn)，長此以往將不利于專業(yè)的發(fā)展。為了讓學(xué)生學(xué)好這門課程，需要開展海洋地球物理勘探課程的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)課課程改革。本文結(jié)合學(xué)?，F(xiàn)有的教學(xué)資源，擬利用地球物理與空間信息學(xué)院的三維超聲波地震物理模擬實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行海洋地球物理勘探課程地震方向的實(shí)驗(yàn)教學(xué)試驗(yàn)，使學(xué)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(yīng)新形勢下海洋科學(xué)專業(yè)和海洋工程與技術(shù)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(shí)驗(yàn)原理

超聲波地震物理模擬實(shí)驗(yàn)的原理是將野外的地質(zhì)構(gòu)造和地質(zhì)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(jìn)行模擬的一種地震模擬方法。該實(shí)驗(yàn)是在已知地質(zhì)—地震模型的條件下，獲取相應(yīng)的地震波觀測數(shù)據(jù)，是一種基于模型介質(zhì)在其幾何參數(shù)和物理參數(shù)滿足相似比原理和對應(yīng)原則的基礎(chǔ)上開展的研究方法。它是根據(jù)研究對象的地質(zhì)—地震參數(shù)建立一個物理模型，然后對模型進(jìn)行模擬地震觀測并對觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析[1-2]。本文實(shí)驗(yàn)設(shè)計的目的是學(xué)生能夠了解地震波探測海底地形、地層結(jié)構(gòu)等的原理和方法，了解三維空間下典型海底構(gòu)造的地震波的運(yùn)動學(xué)特點(diǎn)。在實(shí)驗(yàn)室中，采用超聲波地震物理模擬器代替實(shí)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(zhì)模型來代替海底各類地質(zhì)構(gòu)造。實(shí)驗(yàn)所采用的超聲波地震物理模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要由三維坐標(biāo)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)構(gòu)成，如圖1所示。

海上單道地震反射波方法探測目標(biāo)體的原理如圖2所示，由炮點(diǎn)S激發(fā)的地震波到達(dá)界面的反射點(diǎn)F，然后再從反射點(diǎn)F反射回檢波點(diǎn)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(diǎn)和檢波點(diǎn)的距離，h是界面深度，v是地震波在介質(zhì)中的傳播速度。當(dāng)x的距離遠(yuǎn)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(yùn)動學(xué)關(guān)系，在介質(zhì)速度已知的情況下，并通過相應(yīng)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(shí)踐教學(xué)的方案設(shè)計

（一）物理模型設(shè)計

本文的實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計，主要是針對實(shí)際海洋中典型的地質(zhì)構(gòu)造來設(shè)計。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中主要設(shè)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(zhì)模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，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(shí)驗(yàn)中用模擬海洋的水槽尺寸為120cm*100cm*80cm。

（二）實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的操作方法，將炮點(diǎn)位置和接收點(diǎn)位置設(shè)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(diǎn)和接收點(diǎn)的入水深度和相對位置，以便相互驗(yàn)證。

其次，根據(jù)原理和探測的需要，設(shè)計合理的觀測系統(tǒng)，并設(shè)置相應(yīng)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(shè)置好的模型和采集參數(shù)，利用超聲波地震物理模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)逐個對上述的物理模型分別進(jìn)行單測線（二維）、多測線（三維）數(shù)據(jù)采集，獲得相應(yīng)的地震波場數(shù)據(jù)。

最后，對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理與分析，獲得相應(yīng)探測結(jié)果的地震波剖面，如圖4所示，并分析不同地質(zhì)結(jié)構(gòu)的地震波特征。

四、結(jié)語

海洋強(qiáng)國戰(zhàn)略實(shí)施首先要有海洋科學(xué)方面的人才，因此培養(yǎng)優(yōu)秀的海洋科學(xué)人才刻不容緩。我校由于地處內(nèi)陸，遠(yuǎn)離海洋，在進(jìn)行海洋科學(xué)方面的人才方面受一定地理?xiàng)l件限制。雖然目前學(xué)院購置了地震單道系統(tǒng)，但實(shí)驗(yàn)船只、場所、經(jīng)費(fèi)等都存在相應(yīng)的問題。為了培養(yǎng)好海洋科學(xué)的人才，本文結(jié)合中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）的綜合資源，對課程傳統(tǒng)的理論教學(xué)模式進(jìn)行改進(jìn)，開展海洋地球物理勘探課程的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)課，能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、有利于學(xué)生對課程的理解和掌握，以提高學(xué)生的綜合能力。未來，作者還將根據(jù)實(shí)際教學(xué)效果，不斷補(bǔ)充和優(yōu)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容。

參考文獻(xiàn)：

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