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研究浅层折射地震勘探实践教学设计

  0 引言
  教育部“卓越工程师培养计划”是促进我国由工程教育大国迈向工程教育强国的重大举措,我校勘查技术与工程专业是国家第一批“卓越工程师培养计划”试点专业,旨在为石油工业培养一大批专业基础扎实、创新能力强、综合素质高、掌握石油关键技术并能结合企业实际提出和解决问题的卓越的石油工程师。作为该专业的核心课程,“地震勘探原理”在人才培养体系中占有十分重要的地位,与该课程相关的实践性教学也是该专业培养目标中的重中之重。在基础理论教学不断发展和完善的过程中,已有的实践教学已经不能满足现代专业课程教学的需要,主要体现在三个方面:
  ①由于思想上对实验实习教学环节重视不够,导致学生动手能力不强;
  ②由于现代化教学条件的不断改善,传统实践教学方法和内容被忽视;
  ③实验实习教学基地建设力度和建设规模有待进一步完善。实践教学缺乏,去野外进行生产实习,由于地震队的生产任务重,施工时间紧,本身需要保证施工质量和赶工期,因此很难保障学生的实践实习质量。为响应教育部“卓越工程师培养计划”的要求,加强学生实践能力的培养,促进理论与实践的结合,改进并完善实践教学,提高学生的培养质量,开展了在校内进行的浅层地震反射波实验。该实验的目的是使学生加深对地震勘探基本概念的理解,巩固已学理论知识,了解数据地震仪的使用和相关工作参数的选择;了解地震勘探激发条件的选择,检波器的安置条件;地震折射波法、反射波法野外资料的采集技术及方法,并进行资料的整理与解释;了解地震勘探野外工作施工的过程以及组织管理工作。
  1 实验基本原理
  地震波传播过程中,当下层介质的速度比上层介质的速度高,且入射角i 达到临界角时,地震波发生折射,此时折射波以临界角沿界面滑行,以不变的角度返回地面,折射波的到达时间与折射面的深度有关,在地面接收折射波,分析和解释时距曲线,即可了解地下地质情况。由于折射波要在临界角之后才出现,因此在震源附近观测不到折射波,这个观测不到折射波的区间称为盲区x;实践教学设计
  2. 1 实验工区
  实验工区为校医院北面的草坪( 北纬35. 942°;东经120. 169°)。由于区域较小、测线较短,基本不受区域地质的影响。草坪形状近似长方形,本实验选择平行于草坪长边的直线为测线。
  2. 2 实验设备
  因为是在校内进行的实验,为防止对周围环境的影响,实验选用的激发设备为落锤震源和触发铁板,所用的主要地震仪器为SE2404EI 综合工程探测仪,如图2所示,辅助设备还有检波器、电缆线等。2. 3 实验实施
  2. 3. 1 测线布置
  本实验采用相遇时距曲线观测系统。根据所学理论知识,并结合实际工区情况,浅层折射波法地震勘探系统参数设置如下:偏移距8 m,道间距2m,采样间隔0. 25 ms,采样时间0. 5 s。测线布置示意图如图4 所示,炮点为O1、O2,在测线O1、O2上布置检波点,最小偏移距为8 m,检波点之间的距离为2 m,共布置24 道检波器,用电缆线将24 个检波器进行连通,并与地震仪相连接。在埋置检波器时,需要注意的是要保证所有检波器在一条直线上,而且检波器要垂直插入地面,不可与周围的草相碰触,以免影响接收效
  2. 3. 2 实验测试
  将落锤震源和触发铁板放置到炮点O1位置处,将炮线连接到地震仪;启动地震仪,检测仪器是否能进入地震资料采集软件系统,设置好相应的地震采集参数确保硬盘有空间能存储野外地震记录;在软件系统中设置好与实际观测系统相一致的地震采集参数信息。
  2. 3. 3 激发与接收
  因选用的是落锤震源,激发震源时需要专门有一位同学负责用铁锤敲击触发铁板,如图5 所示。在激发震源时,需要尽量排除一切无关的振动,如人员走动等。根据仪器操作员的口令,猛烈锤击置于激发点处的铁板,激发地震波。震源激发后,产生的地震折射波由24 个检波器同时接受,并通过电缆线传输到地震仪上,操作员可以在地震仪上观察到采集的地震折射波信号。根据记录的波形,结合理论知识,判断检波器是否正常,如果出现缺道现象,则说明该道对应的检波器接触不好,需要重新安装检波器,依次检查各道记录确保24 道检波器接收的信号正常。当在O1点接收到合格的折射波记录后,把落锤震源移制至炮点O2位置处,重复在O1炮点处的工作,在O2点进行激发,同样可获得24 道的折射波地震记录。将O1、O2炮点所得记录存盘,将地震仪中的地震记录导入电脑进行数据分析处理和解释。
  3 实验效果分析
  3. 1 初至拾取
  将室外所得数据在室内导入电脑,双边放炮所得的地震记录如图6 所示。采用折射地震处理软件进行直达波和折射波初至的识别与拾取。图5 震源图图6 地震记录图
  3. 2 数据处理
  (1) 层速度求取。
  利用拾取的直达波初至时间,以炮点为坐标原点,以纵坐标表示时间,以横坐标表示距离,在直角坐标系中绘制出相应直达波时距曲线图。由速度等于斜率的倒数得出两次激发直达波速度为v11 = 271. 34 m / s,v12 = 286. 57 m / s,取两者平均值可得第一层介质的速度为v1 = 278. 96 m / s。由折射波初至时间绘制出折射波时距曲线图s1和s2,对应的旅行时分别为t1和t2,由图中算出互换时间为T = 69. 35 ms。根据t0差数时距曲线法,地下界面任一点的深度可通过K 和t0两个参数计算得到。由θ( x) = t2 - t2 + T 可计算出第二层介质的速度为v2 = 1 219. 88 m / s。
  (2) 深度图绘制。根据地下界面上下两层的速度
  可以求得K = 143. 28,利用t0差数时距曲线法可以求取每个检波器下地层的深度,从而可以画出地下第二层介质的深度图,如图7 所示。图7 深度剖面图
  3. 3 结果分析
  由以上计算结果及深度剖面图可知,地下浅层大致分为两层,第一层为低速层,速度大概为279 m / s,第二层为高速层,速度大概为1 220 m / s。两地层分界面埋深约为1 ~ 3 m,且沿着测线由南到北界面埋深由3 m 逐渐上升到2 m,然后由2 m 略降低,最后再上升到1. 2 m 左右,具体趋势见图7。
  4 实验效果评估
  通过野外浅层折射地震勘探实际地震资料的采集和室内资料的处理、解释,同学们把课堂上学到的理论知识进行了应用和实践,不仅加深了对理论知识的理解,对专业知识有了更深刻的认识,而且培养了学生独立思考、灵活运用知识的能力,提高了学生的创新能力、工程实践能力及综合素质。实践结果表明,通过野外实践教学,学生上理论课的积极性也得到很大提高,教学效果得到明显提升。
  5 结语
  浅层折射地震勘探实验以实际工程问题为解决目标,以课程的基本理论和重要知识点的综合运用为训练重点。通过教师对实验环节的设计,引导学生亲自参与实践,使学生在问题、方法以及所学知识之间建立联系,有计划有步骤地解决问题,为学生综合运用所学知识,寻求实施对象和解决方案提供了有效的驱动力和真实的实践载体,实现了理论课程的实践教学。另外,该实践教学的设计不仅能帮助学生加深对理论知识的理解,掌握地球物理勘探的流程,而且对城市建设、工业和民用建筑、铁路、道路、近海港口、输电及管线工程、水利与水工建筑等工程勘探教学的规划、设计、施工也有借鉴作用。专业的林啸尘、刘超等5 位同学2008 年获得IGEM 国际基因工程机器设计大赛铜奖。实验中心的各项教学实践及获得的奖励和成果对于生物制药学科教育和发展具有示范推动作用,众多医药院校纷纷引入或效仿我们的教学体系,采用我校教材,并前来进修、交流和学习。已先后接待北京大学药学院、沈阳药科大学、四川大学药学院、南京中医药大学、河北医科大学等30 多所兄弟院校,并就实践教学开展了专门的研讨会,为行业发展和学科教育发挥了良好的示范和辐射作用。2008 ~ 2013 年重点建设了生物制药主干课程———生物制药工艺精品资源共享课网站,建立互动论坛、课程博客等,在方便学生学习的同时,也促进了教学同行间的相互交流和学习。已建设成为辐射全国的教学资源,对我国生物制药专业人才培养具有借鉴作用。
  5 结语
  实践证明,多层次的实验教学体系、先进的教学理念、多样性的教学方法,构成了完整的实验教学管理体系,大大促进了教学和人才水平的提高,取得了显著成果,该成果“校企互动合作,培养生物医药创新创业人才的研究与实践”获得2009 年国家级教学成果一等奖。同时学生实践能力和综合素质也明显提高。特别是实训基地和开放平台的建设和人才培养相结合,注重学生的素质培养,成效显著,专业辐射面广,学生普遍受益.