地球物理实验
实验二 地震模型实验（二层介质模型）及震相识别
（一）实验目的：
熟练使用声波仪，了解简单的超声地震模型实验方法，初步掌握首波、直达纵波、直达横波及反射波等主要震相的识别；实验前必须掌握测震分析中有关的运动学及动力学特征部分及理论时距曲线等知识。
（二）设备：
1.SYC-3型超声岩石参数测定仪或HF-D超声仪 2. 超声探头一对（发射、接收各一） 3. 耦合剂（黄油或凡士林、真空脂） 4. 有机玻璃板一块 5. 铝板一块 6. 直尺
（三）原理及装置：
该实验是利用仪器发射一变化的电压（脉冲）加在发射换能器上，产生出一简单振动波形的超声波，用超声波模拟地震波通过所研究的模型，然后被接收换能器接收后送至仪器的接收机进行放大，显示在荧光屏上，即得到了近似于天然地震的地震波的震相记录。我们实验用的超声波频率一般约为104～108Hz量级，一般的地震和近震的全频率约为1～10Hz量级，地震勘探用的频率约为10～100Hz，因而可以用小于实际地质构造102～107倍的模型来研究我们的问题。 本实验的装置如图一所示：
图一 二层介质震相识别模型装置图 发射探头接 发 收 射 SYC—3或HF-D超声仪 有机玻璃 铝板 接收探头 5
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（四）实验步骤：
1．测出该实验模型有机玻璃板及铝板的大小尺寸；
2．用波速测量实验的方法，测出有机玻璃及铝板的波速Ｖｐ及Ｖｓ; 3．画出理论时距曲线，以直达波P波为例，其延时方程为
其中ｈ为震源深度，以纵坐标表示走时ｔ，以横坐标表示震中距△，取几个不同的观测距离，就可得到相应的不同的走时ｔ，连接各点即画出直达Ｐ波的走时曲线。Ｐ波的走时曲线为一双曲线，在本实验中，ｈ=０，该曲线即为一通过原点的直线。同理我们可以作出直达Ｓ波，首波Ｐn、反射波Ｐ11、Ｓ11、等时距曲线。根据地震波理论它们的走时方程分别为： 直达S波 tS=
22Δ+htp=Vp
Δ2+h2
VS1
反射P波 tP=11
Δ2+(2H−h)2
VP1
2
反射S波 tS=11
Δ2+(2H−h)VS1
首波Pn tP=
n
Δ2H−h
cosi0+VP1VP2
其射线如图二所示。
F
h PS H i0 P11 S11 Pn VP1VP2HS
F
PSP11S11 Pn VP1VP2S
图二 二层介质波传播射线示意图
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4．模型制作，将有机玻璃板长边及铝板的长边涂上耦合剂，然后互相耦合粘紧，不要留有空隙，组成一有机玻璃板与铝板的二层模型，将发射探头用耦合剂在模型有机玻璃的一端，如图三。
图三
5．在有机玻璃板的一侧，距发射探头由近到远，取不同的距离，如10cm、20cm ……，用耦合剂固定接收探头，以测得不同的走时ｔ。注意每次测得的走时ｔ一定要扣除两探头对接耦合时的走时t 0。
6．震相识别，震相识别是一个很复杂的问题，实验是否成功，关键在于模型的建造及震相的识别，而震相识别又在于主要震相是否简单清晰。在模型材料和尺寸都已选定的情况下，还要从换能器的组合上去考虑如何突出所需要的震相，现在换能器的组合已固定，我们即要调整仪器，并以理论时距曲线为依据，结合各种波的运动学及动力学特征对比来识别震相。如直达纵波Ｐ与直达横波Ｓ的特征对比如下： 等等。
图四 脉宽调整波形变化
脉宽适当时波形
脉宽不适当时波形
Ｐ 速度快 周期小 频率高 振幅小
Ｓ 速度慢 周期大 频率低 振幅大
有机玻璃 铝板 F S7
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（1）调整仪器的发射脉宽，使其到最佳位置，这时发射源的辐射能量最大，反复调整，使直达Ｐ波或Ｓ波易于识别，震相振幅最大，而且波形也最简单。如图四为一例。 （2）测量Ｐ波初至到时时，为了选准起始点的位置，在噪声干扰不影响测量的情况下尽量使放大器的增益加大，扫描宽度适当，使波的起始尖锐，如图五，然后把时标稳至被测震相
图五 初至的选取
的起跳点上，此时数码管上显示的数字，扣去ｔ０即为该震相的到时ｔｐ。
（3）Ｓ波初至到时的测量比Ｐ波困难，首先为了找到Ｓ波的起始位置，把放大器的增益尽量减小，使Ｐ波的振幅几乎小到与水平基线重合，从而使Ｓ波的振幅突出，并参考时距曲线，大体上找到Ｓ波的起始，然后再加大增益细找Ｓ波的起始点，一般情况下在Ｓ波大振幅前面，去找周期、振幅、相位与Ｐ波列不同，而属Ｓ波初至的震相。适当时可调整一下发射脉冲宽度，波形会发生变化，但Ｓ波初至是不会改变的，以帮助进一步确认Ｓ波的初至波形。
Ｐ波比较易于识别，我们可利用波速比大至确定Ｓ波的范围，一般完整岩石，其泊松比ν≈０.２５，则波速比Ｖｐ/Ｖｓ=ｔｓ/ｔｐ≈１.７３，可初略判定Ｓ波震相，各种介质的波速比是不一的，在我们模型中有机玻璃的波速比约为１.８９。
有时特别是震中距较小时，Ｓ波初至是在被追踪的震相附近的大波峰或波谷中出现一些阶梯状的小拐弯（拐点），根据经验，一般在靠近水平基线附近的拐点上，Ｓ波震相的几率最大。如图六。
图六 Ｓ波初至的识别
S SS 被测时间 8
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（4）反射波，首波（折射波）一般来讲比直达波难于辩认，因它们常混于Ｐ波和Ｓ波的波列中。其震相基本特性和识别方法可归纳为以下几点：①波在介质中传播时，遇到界面会产生反射，折射和转换等现象。一般情况下，反射波的初至到时比直达波晚。Ｐ１１周期大于Ｐ，小于Ｓ；Ｓ１１的周期大于或等于Ｓ波。②反射波的相位决定于反射系数，如有机玻璃与空气间的反射系数ｉ＜０，得直达波Ｐ与反射波Ｐ１１的初动反相，而有机玻璃与铝板间的反射系数ｉ＞０，则得直达波Ｐ与反射波Ｐ１１初动为同相。Ｐ１１的周期小于Ｓ波的周期。当距离比较远时，即震中距△比较大时，我们可压缩波形，根据波列的包络线可大至的确定反射波的位置。③首波Ｐｎ的周期大于Ｐ波，其振幅很小，相位与Ｐ波初至一致。当其混于Ｐ波列时，不易识别，当震中距大于盲区（△０）后，首波逐渐超前于直达波，其波列近似于正弦波形，成为最先到达接收点的震相，此时首波容易识别。
（五）实验结果处理：
首先根据测得的有机玻璃的 VP1 和 VS1 及铝板的 VP2 ，由公式计算画出各个波的理论时距曲线，其纵坐标为走时ｔ，横坐标为震中距△。
根据公式计算出 tP、tS、tP11 和 tPn ，然后画出纵波（P）、横波（S）、反射波（P11）和首波（Pn）的理论时距曲线。 Pn波在46.4cm处超前P波出现
T (μs)700 S600 500 P11P400 300 Pn
200 100 0 0 13.5 △ (cm) 46.6
20 406080100120图七 理论时距曲线
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其中：
有机玻璃 VP1=2200M/S=0.22cm/μs VS1=1165M/S=0.1165cm/μs 铝板 VP2=5357M/S=0.5357cm/μs VS2=3025M/S=0.3025cm/μs H=15cm
在二层介质模型上按不同的震中距，测量P波、S波、P11波及Pn波的到时，在坐标中点出不同震中距上各震相的走时ｔ，其纵坐标为走时ｔ，横坐标为震中距△，连接各点作出实验测得的Ｐ波、Ｓ波、Ｐn波及Ｐ11波的时距曲线。
△(cm) 走时 P S P11 Pn 10 20 30 40 50 60 70 80
（六）思考题：
1．震相识别中存在的问题，拟如何解决？ 2．如何克服侧边反射的干扰？
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